자율주행 대중교통의 시대, LiDAR의 등장

최근 도심 한복판에서 운전대 없는 버스가 승객을 태우고 달리는 모습을 본 적이 있으신가요? 

영화 속 상상이 현실이 된 듯한 자율주행 대중교통 테스트 운행이 활발히 진행되며, 자율주행 상용화 시대가 성큼 다가왔습니다.

APEC 손님맞이 '자율주행 셔틀'로…"AI로 알아서 척척" Ⓒ연합뉴스TV

국토교통부에서 추진한 '자율차 시범운행지구 서비스 지원사업'에 따르면 서울, 경기(판교·안양), 충남 천안, 경북 경주, 경남 하동, 세종, 제주 등 전국 7개 지자체에 자율주행 서비스를 확대하고 있으며, 경주 APEC 정상회의 자율주행셔틀, 서울의 심야 자율주행 택시와 버스 등 다양한 지역에서 일상 속 자율주행이 구체화 되고 있습니다.

이처럼 자율주행차가 스스로 운전하기 위해 가장 필요한 요소는 ‘눈’과 같은 센서 기술입니다. 그리고 그 눈의 역할을 완벽하게 수행하기 위한 핵심 센서가 바로 'LiDAR(라이다)'입니다.

LiDAR란?

LiDAR(Light Detection And Ranging)는 레이저의 빛을 물체에 쏜 뒤, 그 빛이 물체에 부딪혀 다시 돌아오는 시간을 계산하는 기술입니다. 사람의 눈이나 일반 카메라는 들어오는 빛의 밝기와 색으로 사물의 형태를 구분하지만, 물체까지의 거리는 명확히 알기 어렵습니다.

반면 LiDAR는 기본적으로 직진성이 강한 레이저 빛을 쏘아 주변 환경의 3차원 입체 형태와 거리를 밀리미터 단위로 매우 정밀하게 그려냅니다.

LiDAR 센서에는 회전식과 고정식 모델이 있는데, 자율주행차에는 회전식 다중 빔 방식을 이용해 360도 환경을 실시간으로 매핑하는 방식이 주로 사용됩니다.

레이저가 돌아오는 시간을 재다, LiDAR의 작동 원리

LiDAR가 거리를 재는 핵심 원리는 ToF(Time of Flight, 비행 시간 측정)입니다. 마치 산에서 "야호" 하고 외친 뒤 메아리가 돌아오는 시간을 재어 산과의 거리를 짐작하는 것과 같습니다. LiDAR는 소리 대신 아주 빠른 '빛(레이저)'을 사용하는 것이죠.

① 발사 :센서가 주변을 향해 수 많은 레이저 펄스를 짧게 쏩니다.

② 반사 :이 레이저가 사람, 자동차, 나무 등 물체에 부딪혀 튕겨 나옵니다.

③ 수신 및 계산 :반사되어 돌아온 레이저를 센서가 감지하고, 빛이 왕복하는 시간을 나노초 단위로 측정하고, 빛의 속도를 곱해 물체까지의 거리를 계산합니다.

빛의 속도는 약 30만Km로 일정해서, 아주 짧은 시간 차이만 측정해도 정확한 거리 계산을 할 수 있습니다. LiDAR는 초 당 수십만에서 수 백만 번의 레이저 발사를 반복하며 측정합니다. 이렇게 모인 무수히 많은 거리 데이터의 점(point)들이 모여 포인트 클라우드(point cloud)를 이루며, 이것이 주변 사물의 3D 형상을 나타냅니다.

3D 포인트 클라우드

레이저 펄스의 반환 신호로 얻은 3차원 좌표 데이터 집합을 말합니다. LiDAR가 주변 물체로부터 반사된 빛의 왕복 시간을 측정해 여러 개의 점들이 형성되고, 이 점들이 모여 3차원 좌표(x, y, z)로 변환되어 3D 포인트 클라우드를 만듭니다.

즉, 자율주행차는 LiDAR로 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 주변 건물과 차량, 보행자 등의 위치를 파악하고 주행 경로를 계획합니다. LiDAR 생성 3D 지도는 자율주행뿐 아니라, 오차 없는 정밀 도로 지도(HD Map)를 구축하거나 문화재 복원, 건설 현장의 토공사 측량 등 정밀한 3D 형상이 필요한 모든 곳에 활용됩니다.

비나 안개가 끼면 LiDAR의 정확도가 떨어질까?

LiDAR 기술 역시 빛을 쓰는 센서이므로 비·안개 같은 날씨에도 영향을 받아 정확도가 ᄄᅠᆯ어질 수 있습니다. 굵은 빗방울이나 짙은 안개 입자에 레이저 빛이 부딪혀 산란되면, 센서로 돌아오는 신호가 약해지거나 지연될 수 있습니다. 이 경우 인식률이 다소 떨어지므로, 실제 자율주행차 시스템은 LiDAR만으로 완전히 의존하기보다, 레이더(Radar)와 카메라를 함께 이용한 센서 퓨전 방식을 사용합니다.

자율주행을 넘어 일상으로

LiDAR 기술은 자율주행차에 국한되지 않고, 점차 소형화되고 저렴해지며 우리 산업과 일상 곳곳으로 퍼져나가고 있습니다.

🤖로봇청소기 : 최신 로봇청소기 상단에 튀어나온 둥근 센서가 바로 소형 LiDAR입니다. 집안의 구조를 3D로 매핑하여 효율적인 청소 경로를 짜고 가구와 장애물을 요리조리 피합니다.

🗺️드론 매핑 : LiDAR는 사람이 접근하기 어려운 곳을 스캔하는 무인항공기(UAV)에도 이용됩니다. LiDAR 장착 드론은 산림, 고속도로 공사장, 재난지역 등 넓은 영역을 고속 비행으로 단시간에 스캔해 정밀한 3D 지도를 만듭니다. 이러한 기술은 토목·건축 현장에서 측량 시간을 크게 단축시키고, 안전하고 효율적인 현장 관리를 가능하게 합니다.

🏙️스마트시티 : 도시 교통·안전 분야에서도 LiDAR가 핵심 센서로 주목받고 있습니다. LiDAR는 교통 혼잡도, 주차 상황, 보행자 밀도 등을 3차원으로 모니터링하여 도시 물류와 교통 체계를 최적화할 수 있도록 돕습니다. 예를 들어, LiDAR로 작성된 3D 지도를 기반으로 특정 지역의 위험 요소나 인기 지역을 식별하고, 시민 이동 데이터를 분석해 교통체계 개선에 활용할 수 있습니다.

단순히 사진을 찍는 카메라와는 달리 빛을 이용해 거리를 재는 LiDAR는 자율주행차의 ‘눈’이자 미래 교통·도시 시스템의 핵심 기술입니다. 향후 LiDAR 센서의 소형화와 저비용화, AI 기반 데이터 처리 기술이 발전하면서 자율주행 상용화 시기가 앞당겨질 것으로 전망됩니다. 또한 로봇, 드론, 도시 인프라 등 다양한 분야에 LiDAR 응용이 확산되어, 일상생활의 안전과 편의를 크게 향상할 것입니다.

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