어댑티브 헤드라이트란?

어댑티브 헤드라이트는 다양한 기술을 결합하여 헤드라이트의 방향, 거리, 밝기, 빔 패턴을 제어함으로써 야간에 더 나은 조명을 제공하는 동시에 다른 차량 운전자의 눈부심을 최소화합니다. 

어댑티브 헤드라이트 시스템의 두 가지 일반적인 유형은 ADB(Adaptive Driving Beam) 시스템 및 AFS(Adaptive Front lighting System) 입니다. 어댑티브 헤드라이트는 날씨, 속도, 스티어링 정보와 함께 카메라, 레이더, 라이다, 광 센서를 사용하여 변화하는 상황에 적극적으로 대응합니다. 

대부분의 어댑티브 헤드라이트 시스템 기능은 다음과 같은 세 가지 헤드라이트 기술 중 하나로 분류할 수 있습니다. 

• 자동 하이 빔: 차량 앞쪽에 차가 없을 때 하이 빔을 켜고 다른 차량이 감지되는 경우 로우 빔으로 다시 전환
• 커브 어댑티브 헤드라이트: 운전자가 회전 시 더 잘 볼 수 있도록 헤드램프 빔 중 하나 또는 둘 다의 각도를 조정하는 AFS 시스템
• ADB(Adaptive Driving Beam) 헤드라이트: 다양한 주행 빔 부분의 밝기를 조정하여 비어 있는 구역에는 더 많은 빛을 제공하고 비어 있지 않는 구역에는 더 적은 빛을 제공

대부분의 신형 차량에는 코너링 시 헤드라이트가 회전하는 어댑티브 하이 빔 또는 시스템이 포함되어 있습니다. 유럽에서는 빔 패턴 지정을 사용하는 ADB(Adaptive Driving Beam) 헤드라이트를 사용할 수 있습니다. 미국에서는 새로 채택된 NHTSA(National Highway and Traffic Safety Administration) 표준으로 인해 미국 시장에 진출하는 자동차 제조업체와 공급업체 간에 새로운 표준을 충족하는 제품을 개발하기 위한 경쟁이 시작되었습니다. 특히 FMVSS 108 표준은 ADB 가상 인증을 위한 시뮬레이션 사용을 정의합니다. 

수많은 데이터에 따르면 차량 간 사고 및 차량과 보행자 간 사고는 야간에 더 많이 발생합니다. 놀랍게도 보행자가 관련된 치명적인 사고의 76%가 야간에 발생합니다. 모든 교통사고의 12~15%가 맞은편에서 다가오는 차량의 헤드라이트 눈부심을 사고의 요인으로 꼽습니다. 운전자가 도로와 그 주변에 대한 시야를 더 많이 확보할 수 있도록 하는 최신 시스템은 보행자와 차량 간 충돌 사고를 최대 23%까지 줄이는 등 긍정적인 효과를 낳고 있습니다. 

이러한 수치로 인해 Tesla, Audi, BMW, Ford, Honda, Mercedes-Benz, Porsche, Toyota를 비롯한 자동차 제조업체는 새로운 어댑티브 조명 기술을 모색하게 되었습니다. 현재는 이 기술이 의무화되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 자동차 업계는 소비자에게 추가적인 안전 기능을 제공하고 경쟁이 치열한 시장에서 신차를 차별화할 수 있는 방법으로 다양한 형태의 어댑티브 헤드램프를 꼽고 있습니다.

헤드라이트는 더 이상 반사경의 단일 로우 빔과 단일 하이 빔 전구로 수동 스위치를 사용하여 둘 중 하나 또는 둘 다를 켜거나 끌 수 있는 것으로 구성되지 않습니다. 이제 헤드라이트는 소프트웨어, 복잡한 조립품, 차량 네트워크 인터페이스를 갖춘 첨단 시스템입니다. 

자동화된 하이 빔, 코너링, 패턴 지정을 제공하기 위해 모든 제조업체는 고유한 자체 구성 및 시스템 이름을 가지고 있지만, 대부분의 구성 요소는 다음 범주로 그룹화할 수 있습니다. 

센서

다양한 센서가 회전, 차량 속도, 조명 조건, 날씨, 주행 상태, 도로 폭, 다른 차량의 위치를 비롯한 정보를 수집합니다. 이제 최신 모델 차량은 GPS 위치 및 지도 데이터를 사용하여 시스템에 정보를 사전에 제공합니다. 센서는 다른 안전 시스템을 지원하기 위해 차량에 이미 장착된 광학 또는 열/적외선 카메라, 레이더, 라이다 또는 소나 거리 측정 장치 등으로 복잡할 수 있습니다. 이러한 장치는 물체, 특히 다가오는 자동차의 크기, 위치, 속도 정보를 제공합니다. 더 단순한 센서는 스티어링 휠의 위치, 주변 조명 조건, 날씨 정보를 제공합니다. ADB 시스템의 정확한 성능은 필요한 조치를 실행하는 데 도움이 되는 센서와 ECU 간에 정밀한 피드백 루프를 구축하느냐에 따라 달라집니다.

소프트웨어 및 전자장치

센서의 정보는 어댑티브 헤드라이트 제어 하드웨어로 전달됩니다. 따라서 시스템을 구동하는 제어 소프트웨어가 현재 상황에 적응할 수 있습니다. 전자장치는 헤드라이트 어셈블리, 별도의 제어 장치 또는 차량 제어 컴퓨터에 통합될 수 있습니다. 소프트웨어 및 전자장치는 제어를 담당하면서 적절한 전압, 펄스 폭 변조(PWM) 및 품질로 헤드램프 어셈블리에 전력을 공급합니다. 

헤드램프 어셈블리

어댑티브 헤드라이트 시스템의 대부분은 헤드램프 어셈블리 자체로 구성됩니다. 제어 시스템은 헤드라이트가 회전하는 방식, 각 광원의 밝기, ADB(Adaptive Driving Beam)의 밝은 영역과 어두운 영역을 어셈블리에 알려줍니다. 가장 중요한 것은 헤드램프 어셈블리에 광학적 광 경로가 포함되어 있다는 점입니다. 엔지니어는 광범위한 시뮬레이션 및 프로토타입 제작을 활용하여 어셈블리의 광학적 특성을 최적화합니다.

다음은 헤드램프 어셈블리의 각 하위 구성 요소에 대한 설명입니다. 

하우징

헤드램프 어셈블리는 주변 환경으로부터 밀폐된 하우징 모듈 내부에 패키징되어 있으며 차량 전면에 통합되어 있고 하나의 단위로 교체가 가능합니다. 

렌즈 및 반사경

각 광원의 빔 모양 및 품질은 하우징 어셈블리 전면에 내장된 광학 렌즈 또는 광원 뒤쪽의 반사경에 의해 결정됩니다. 일부 반사경은 적응형이며 어댑티브 시스템의 지시에 따라 조정되거나 기울어질 수 있습니다. 

액추에이터

많은 어댑티브 헤드라이트 시스템은 스테퍼 모터 또는 액추에이터를 사용해 광 경로의 구성 요소를 이동하거나 전체 어셈블리의 지시 방향을 회전시켜 헤드라이트 빔을 변경합니다. 헤드램프 어셈블리의 작동기는 차량의 충격과 진동, 극한의 기상 조건, 잠재적으로 장기간에 걸친 일상적인 사용을 견뎌 낼 수 있을 만큼 견고해야 합니다. 

광원

광원은 어댑티브 헤드라이트 시스템의 핵심입니다. 일부 신차에서는 광원이 하나 이상의 할로겐 전구, 제논 프로젝터 램프, LED 램프, LED 매트릭스 또는 레이저로 구성될 수 있습니다. 조명 선택에 따라 비용, 조명 색상, 강도가 결정됩니다. 각 광원 유형에는 장단점이 있지만, LED 전구 또는 매트릭스 어셈블리는 제어와 밝기가 뛰어나 현재 선호되는 광원입니다. 

빔 패턴 지정

다양한 기술을 사용하여 빔의 광 강도를 수정할 수 있습니다. 빛을 선택적으로 생성하거나 마스킹하여 원하는 패턴을 생성합니다. 가장 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다. 

• 마스킹: 가장 간단한 접근 방식은 맞은편에서 다가오는 차량이 감지될 때 하이 빔을 제거하거나, 특정 차량을 그늘지게 하거나, 도로변에 빛이 비치지 않도록 차단하기 위해 빔의 상단 부분을 차단하도록 작동하는 착색된 재료를 사용하는 것입니다. 고정형 LCD 필터를 광원과 렌즈 사이의 광 경로에 배치하여 빔을 선택적으로 마스킹할 수도 있습니다. 
• 마이크로미러: 이러한 패턴 지정 시스템은 디지털 광 처리(DLP) 프로젝터처럼 작동합니다. 즉, 후방을 향한 광원이 마이크로미러 어셈블리에 빛을 투사하면 마이크로미러 어셈블리가 렌즈를 통해 빛을 원하는 밝기 패턴으로 앞쪽으로 반사합니다. 이 접근 방식은 선택적 음영을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 차량 앞의 노면에 메시지를 투사하는 데에도 사용할 수 있습니다. 
• LED 매트릭스: 빔 패턴 지정의 가장 일반적인 방식은 어댑티브 LED 헤드라이트라고도 하며 매트릭스 형태로 배열된 다수의 작고 밝은 LED 조명을 사용합니다. 각 LED는 필요에 따라 밝게 하거나 어둡게 할 수 있는 픽셀이 됩니다. 

열 관리 시스템

광원에 상관없이 밝은 빛을 생성하면 상당한 열이 발생합니다. 그러나 LED와 같은 최신 광원은 이전 시스템에서 생성하는 것보다 적은 적외선 에너지를 생성합니다. 이전에는 이 에너지를 사용해 렌즈의 눈과 얼음을 녹일 수 있었습니다. 따라서 견고한 어댑티브 헤드라이트 시스템의 중요한 부분은 광원, 전원 시스템, 전자장치를 냉각하는 동시에 폐열을 렌즈 어셈블리로 이동시키는 열 관리 솔루션입니다. 

간단한 하이 빔 보조 수단부터 최신 AFS에 이르기까지 어댑티브 헤드라이트 시스템을 설계하는 엔지니어는 다음과 같은 몇 가지 중요한 과제를 해결해야 합니다.

1. 차량 충격 및 진동
2. 패키징
3. 응답 시간
4. 눈부심 
5. 조명 위치 및 패턴 
6. 열 관리
7. 열 순환
8. 시스템 통합
9. 안전 표준
10. 성능 최적화
11. 비용 절감
12. 시스템 검증/야간 주행 테스트

대부분의 차량 제조업체는 시뮬레이션 기반 제품 개발을 설계 프로세스에 적용하여 이러한 과제를 극복하고 끊임없이 진화하는 어댑티브 헤드라이트 시스템을 최적화하는 방법을 연구했습니다. 시뮬레이션은 가장 일반적으로 어댑티브 프론트 조명 시스템에서 다음과 같은 방식으로 사용됩니다.

구성 요소 광학 설계 및 최적화

시뮬레이션은 헤드램프 어셈블리의 광원, 렌즈, 능동 및 수동 반사경을 모델링합니다. 많은 헤드라이트 전문가는 Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어를 사용하여 각 구성 요소와 광학 어셈블리를 최적화합니다. 툴의 파라메트릭 특성, 직관적인 사용자 인터페이스, 빠른 계산 시간 덕분에 어댑티브 시스템에서 볼 수 있는 다양한 광학적 상황을 쉽게 살펴볼 수 있습니다. 

가상 광학 성능 시각화

구성 요소 광학 설계를 완료하면 엔지니어는 결과 빔을 Ansys Speos 소프트웨어와 같은 시스템 수준 모델링 툴에 배치하여 차량 운전자가 도로를 주행할 때 무엇을 보는지 시각화할 수 있습니다. 프로토타입을 제작하기 전에 가능한 모든 주행 조건을 시뮬레이션하여 시스템이 얼마나 잘 작동하는지 확인할 수 있습니다. 한 걸음 더 나아가, Ansys AVxcelerate Headlamp 소프트웨어와 같은 실시간 시뮬레이션 툴을 사용하면 전체 시스템을 가상 야간 주행에 적용하여 어떤 주행 시나리오에서든 시스템 전체의 동작을 테스트할 수 있습니다. ADB 시스템을 개발하는 데 가장 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 단계 중 하나가 야간 테스트입니다. 주행 테스트 및 검증을 위한 시뮬레이션을 통해 두 가지를 모두 크게 줄일 수 있습니다. 

전기기계적 설계 및 최적화

커넥터, 액추에이터, 헤드라이트 구성 요소, 전자 모듈, 전원 시스템을 비롯한 구성 요소와 어셈블리에는 모두 전기적 및 기계적 부하가 발생하며, 이러한 부하를 설계 프로세스 초기에 다음과 같은 툴을 사용하여 조사하고 설계할 수 있습니다.

• 기계적 구성 요소 및 어셈블리의 경우 Ansys Mechanical 소프트웨어
• 전자 어셈블리의 경우 Ansys Sherlock 소프트웨어
• 모터 및 액추에이터의 경우 Ansys Maxwell 소프트웨어

열 관리는 Mechanical 소프트웨어, Ansys Icepak 소프트웨어 또는 Ansys Fluent 솔루션을 사용하여 시뮬레이션할 수 있습니다. 

제어 소프트웨어 확인 및 검증

제어 소프트웨어는 어댑티브 자동차 시스템의 중요한 요소이므로 Ansys SCADE Suite 환경과 같은 툴을 사용하여 헤드라이트 제어 소프트웨어를 모델링하고 개발할 수 있습니다. AVxcelerate Headlamp 소프트웨어와 같은 시뮬레이션 툴과 함께 사용하면 어떤 상황에서든 제어 소프트웨어 동작을 검증하고 테스트할 수 있으며, 규제 요구 사항을 가상으로 평가할 수 있습니다.

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