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1. 자동제어와 자율주행 자동차
1.1. 자동제어의 정의와 이론
자동제어의 정의와 이론은 다음과 같다.
자동제어란 인간의 개입 없이 자동으로 작동되는 시스템이다. 자동제어는 1784년 제임스 와트가 증기기관을 실용화하면서 원심조속기를 사용하여 기관의 회전수를 제어하는 것이 시작이었다. 이후 제2차 세계대전 종전 후 본격적으로 실용 단계에 도달했다. 자동제어 분야는 전쟁 중 병기 개발을 통해 얻은 각종 서보기술이 일반 공업에 응용되어 광범위하게 보급되었다.
자동제어 이론은 크게 두 가지로 나뉜다. 첫째는 개회로 제어 이론으로 폐회로 제어와 달리 입력이 출력에 영향을 미치지만 출력값이 입력에 영향을 미치지 않는다. 둘째는 폐회로 제어 이론으로 입력이 출력에 영향을 미치고 출력값이 다시 입력에 영향을 미치는 방식이다. 폐회로 제어는 오차 검출 및 수정을 통해 정상 상태에 도달하도록 한다.
자동제어 시스템은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 대표적인 응용 분야로는 속도 제어시스템, 압력 제어시스템, 핵반응 제어시스템, 인간 제어시스템 등이 있다. 속도제어 시스템은 흡입 증기량을 조절하여 증기기관의 속도를 제어하고, 압력제어 시스템은 조절판의 위치 변화로 압력을 제어한다. 핵반응 제어시스템은 제어봉의 움직임으로 중성자 수를 조정하여 반응속도를 제어한다. 인간 제어시스템은 자동차 운전시스템, 인공손 등 인간과 기계의 복합시스템을 포함한다. 이 외에도 화력발전, 전기식 유압 제어, 화학공정 등 다양한 분야에 응용된다.
자동제어는 근대와 현대의 중요한 학문으로, 기계공학의 주요 분야로 발전해왔다. 특히 4차 산업혁명 시대에 자동제어는 프로세스 산업, 디스크리트 산업, 자동차 산업, 전자기기 산업 등 광범위한 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있다. 앞으로도 자동제어 기술은 산업 발전과 함께 지속적으로 중요성이 커질 것으로 전망된다.
1.2. 자동제어의 다양한 응용 분야
자동제어시스템은 우리의 일상생활뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 대표적인 자동제어 시스템의 응용 분야는 속도 제어시스템, 압력 제어시스템, 핵반응 제어시스템, 인간 제어시스템 등이다.
속도제어 시스템이란 제임스 와트가 개발한 증기기관의 속도 제어시스템이며 흡입 증기량의 조절로 증기기관의 속도를 제어한다. 압력제어 시스템은 용광로 내의 압력을 조절판의 위치로 제어하는 시스템이다. 핵반응 제어시스템은 제어봉의 조절로 중성자 수를 조정하여 핵 반응속도를 제어하는 시스템이다. 인간 제어시스템은 우리가 많은 관심이 있는 인간, 기계의 복합시스템인 자동차 운전시스템과 인공손과 관련된 분야이다. 그 외 화력발전 제어시스템, 전기식 유압 제어시스템, 화학공정 제어시스템 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
1.3. 자율주행 자동차
1.3.1. 자율주행 자동차의 발전 과정
자율주행 자동차의 발전 과정은 오래전부터 시작되었다. 자율주행 자동차의 개념은 1960년대 벤츠를 중심으로 제안되었고, 이후 1970년대 중후반부터 초보적인 수준의 연구가 시작되었다. 초기에는 아무런 장애 요소가 없는 시험 주행 수준이었지만, 1990년대 들어 컴퓨터의 판단 기술이 크게 발전하면서 장애물이 개입되는 자율주행 분야가 본격적으로 연구되기 시작했다. 이후 기술이 계속 발전하여 2018년 8월과 2019년 10월에 현대자동차는 국내 최초로 대형트럭 3단계 자율주행에 성공했다. 이를 통해 물류 산업 전반의 패러다임을 전환할 수 있게 되었으며, 앞으로 완전자율주행에 근접한 4단계 수준도 조기 달성할 것으로 전망되고 있다. 이처럼 자율주행 자동차 기술은 빠르게 발전하여 이제는 현실화되고 있다고 볼 수 있다.
1.3.2. 자율주행 자동차의 단계
'자율주행 자동차의 단계'에는 레벨 0부터 레벨 5까지 총 6단계로 구분된다.
레벨 0은 자율주행 기술이 사용되지 않는 일반 자동차로, 운전자가 전적으로 모든 것을 조작 및 제어해야 한다. 레벨 1은 운전자 지원 단계로, 자동차는 운전자를 단순히 지원할 뿐 주행에 관한 모든 것은 운전자가 수행해야 하지만 앞차와의 간격 조절, 차선 유지 보조 등의 기능이 포함된다.
레벨 2는 부분 자동화 단계로, 현대자동차의 고속도로 주행 지원 시스템이 대표적인 예이다. 차간 거리 유지와 차선 유지, 내비게이션 정보 활용 등을 통해 고속도로 주행이 가능하지만 여전히 운전자가 주변 환경 모니터링과 안전운전에 대한 책임을 져야 한다.
레벨 3은 조건부 자동화 단계로, 자동차 시스템이 주변 환경을 인식하고 차량을 제어할 수 있지만 운전자에게 개입이 필요한 경우 요청한다. 레벨 4는 고도 자동화 단계로, 차량이 모든 주행과 환경 대처를 자율적으로 수행하며 운전석이 유지된다. 마지막으로 레벨 5는 완전 자동화 단계로, 모든 도로와 환경에서 시스템이 주행을 담당하며 운전석이 사라지게 된다.이처럼 자율주행 자동차의 단계는 운전자의 개입 정도에 따라 6단계로 구분되며, 점진적으로 자동차 시스템의 주행 능력과 환경 인지 기능이 향상되고 있다. 각 단계별로 자율주행 기술의 수준과 특징, 장단점이 다르므로 기술 발전에 따른 단계별 변화 양상을 잘 이해할 필요가 있다...
