안개 속 안전한 자율주행: 샌디아 연구소, 센서 테스트로 미래 앞당겨

자율 비행 드론과 자율주행 택시가 안개 속에서 안전하게 운행하는 것은 미래적으로 들리지만, 샌디아 국립연구소의 안개 시설에서의 새로운 연구가 그 미래를 앞당기고 있다.

안개는 사람과 센서 모두 물체 감지를 어렵게 만들어 해상, 항공, 육상 운송을 위험하게 만든다. 샌디아 안개 시설의 연구자들은 계산 영상 분야의 새로운 광학 연구와, 주문형으로 측정 가능하고 반복 생성 가능한 맞춤형 안개에서 센서를 테스트하기 위해 NASA 연구진(Advanced Air Mobility), Teledyne FLIR 등과 협력하며 이 과제에 대응하고 있다.

2014년 건립된 샌디아 안개 챔버는 길이 55m(180피트), 높이 3m(10피트), 너비 3m(10피트)다. 챔버 내부는 안개를 가두기 위해 비닐 시트로 덮여 있다. 테스트 시작 시 64개 노즐이 물과 소금의 맞춤 혼합물을 분사하며 희석한다. 분무가 퍼지면서 습도가 올라가고 짙은 안개가 형성된다. 곧 내부 관측자는 벽, 천장, 입구를 볼 수 없게 되고, 몇 피트 앞의 사람과 물체는 가려지거나 완전히 숨는다.

샌디아 연구진은 시간이 지남에 따라 안개 특성을 면밀히 측정해 안개가 어떻게 형성되고 변화하는지 이해한다. 환경 매개변수를 조정해 자연 발생 안개와 더 잘 일치하도록 안개 특성을 변경할 수 있다.

“우리 팀은 시설에서 생성하는 안개를 완전히 측정하고 특성화할 수 있으며, 다른 날에도 유사한 안개를 반복 생성할 수 있다”라고 화학 엔지니어 안드레스 산체스(Andres Sanchez)는 말한다. “일관되고 측정 가능한 조건은 안개 속에서 센서가 어떻게 수행되는지 테스트할 때 중요하다.”

NASA 에임스 연구센터 연구진이 최근 샌디아를 방문해 상용 센서가 안개 속에서 장애물을 어떻게 인식하는지 테스트하는 일련의 실험을 수행했다. 혁신적 항공 모빌리티 그룹은 NASA 변혁적 도구 및 기술 프로젝트의 일부다.

“자율 항공기에 탑재될 수 있는 지각 기술을 테스트했다”라고 이 프로젝트 수석 엔지니어 닉 크레이머(Nick Cramer)는 말한다. “이 차량들이 우리 영공에서 안전하게 운용될 수 있도록 해야 한다. 이 기술은 조종사의 눈을 대체할 것이며, 모든 기상 조건에서 그렇게 할 수 있어야 한다.”

팀은 챔버 내에 정지된 드론을 표적으로 설치하고 다양한 센서를 테스트해 안개 속에서 드론을 얼마나 잘 인식하는지 확인했다.

“샌디아 국립연구소의 안개 챔버는 이 테스트에 매우 중요하다”라고 크레이머는 말했다. “파라미터를 정밀하게 조정하고 장거리에 걸친 변화를 살펴볼 수 있다. 항공우주 환경과 관련된 긴 거리와 다양한 유형의 안개를 재현할 수 있다.” 크레이머는 자율 비행 기술의 과제 중 하나가 많은 소형 차량이 근접 비행한다는 점이라고 덧붙였다.

Teledyne FLIR도 샌디아 안개 시설에서 자사 적외선 카메라를 테스트해 보행자와 다른 물체를 얼마나 잘 감지하고 분류하는지 확인했다. Teledyne FLIR 자동차 부문 엔지니어링 디렉터 크리스 포시(Chris Posch)는 이 카메라가 현재 차량의 첨단 운전자 보조 시스템(자동 긴급 제동 등)과 미래 자율주행차의 안전성을 모두 개선하는 데 사용될 수 있다고 말했다.

“자연 상태에서 안개 테스트를 하는 것은 매우 어렵다. 안개는 덧없고 물방울 크기, 일관성, 반복성에서 본질적인 차이가 많기 때문”이라고 포시는 말했다. “샌디아 안개 시설은 다양한 수분 함량과 크기의 안개를 반복 생성할 수 있어 철저한 과학적 방식으로 테스트 데이터를 수집하는 데 결정적이었다.”

샌디아와 Teledyne FLIR는 가시광 카메라, 장파 적외선 카메라, 중파 적외선 카메라, 단파 적외선 카메라, 라이다 등 차량 안전 센서를 대상으로 다중 성능 테스트를 수행했다. 포시는 테스트 결과 Teledyne FLIR의 장파 적외선 카메라가 가시광 카메라가 어려움을 겪는 대부분의 안개에서 보행자와 다른 물체를 정확하게 감지하고 분류할 수 있음을 보여주었다고 말했다.

샌디아 연구진 팀은 최근 Optics Express에 논문을 발표해, 빛이 안개 속에서 어떻게 전파되고 산란하는지에 대한 계산 영상과 과학을 이용해 센서가 안개 속에서 물체를 감지, 위치 파악, 영상화할 수 있는 알고리즘을 만드는 3년 프로젝트의 현재 결과를 설명했다.

“안개와 산란광을 뚫고 보는 현재 방법은 비용이 많이 들고 제한적일 수 있다”라고 전기 엔지니어이자 프로젝트 리더인 브라이언 벤츠(Brian Bentz)는 말했다. “우리는 빛이 안개 속에서 전파되고 산란하는 방식을 이용해 감지 능력과 상황 인식 능력을 개선하고 있다.”

브라이언 벤츠 전기 엔지니어이자 프로젝트 리더는 팀이 빛이 안개를 통과해 물체와 검출기(일반적으로 카메라의 픽셀)까지 전파되는 방식을 모델링한 뒤 그 모델을 역전시켜 빛이 어디서 왔는지와 물체 특성을 추정했다고 설명했다. 모델을 변경하면 이 접근법을 가시광이나 열광 모두에 사용할 수 있다. 벤츠는 팀이 이 모델을 사용해 안개 속에서 물체를 감지, 위치 파악, 특성화했으며, 프로젝트 마지막 해에는 물체 영상화에 주력할 것이라고 말했다.