도로위의 안전 자율주행 자동차

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1차시: 도로위의 안전 자율주행 자동차 ···1

2차시: 스마트 도로, 가장 빠른 길을 찾아라! ···4

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1차시

도로위의 안전 자율주행 자동차

1 들어가기 (문제이해하기)

자율주행 자동차는 언제부터 시작되었을까?

1769년 ‘니콜라 조셉퀴뇨’가 증기기관을 이용한 자동 차를 만들었을 때 사람들은 가축이 아닌 스스로 움직이 는 자동차를 보고 놀라워했다. 그 후 자동차는 인류에게 필수적인 교통수단으로 자리매김하고 있다. 과연 250여 년이 지난 지금 자율주행 자동차를 바라보는 우리의 시 선은 그 시대와 달라진 게 있을까?

2002년 개봉한 마이너리티 리포트라는 영화에서 허구 로만 느껴졌던 자율주행자동차가 우리의 교통안전을 대 신하는 그날이 온다면 우리는 과연 어떤 반응을 보일까?

출처 : 픽사베이

상상노트 인간과 닮은 무인자동차

최초의 무인자동차는 1977년 츠쿠바 공과대학에서 만들어 졌다. 이후 발달을 거듭하여 현재는 자 동차가 사람처럼 보고 듣고 운전면허까지 취득하는 일이 현실이 된 지금 인간의 오감을 대신하는 역 할을 무인자동차에 나타내 보자.

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융합인재교육(STEAM) 프로그램 [학생용]

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활동1. 두 예시안을 보고 주어진 문제를 해결해 보자.

예1) 2018년 새해를 첫눈과 함께 맞이한 다원이는 뉴스에서 눈길에 28중 교통사고 소식을 들었 다. 다행히 인명피해는 크지 않았지만 얼마 전 과학시간에 눈길에 제동력을 잃은 자동차가 얼마나 큰 위험이 될 수 있는지 새삼 깨달았다. 만약 이런 도로 상태를 자동차가 미리 알 수 있으면 이런 사고도 일어나지 않았을 텐데 하는 생각에 빠지게 되었다. 과연 도로의 상태를 미리 알려 주는 시스템을 만들게 되면 도로의 위험으로부터 벗어 날 수 있지 않을까?

2018년 서울의 한 외곽도시는 혁신적인 실 험을 실시한다. 자율주행 도시로 지정하고 국 가와 민간 연구소의 도움을 받아 v2x 기술을 바탕으로 자율주행시스템을 마련했다.

앞으로 도로 앞에 떨어진 낙하물 등 전방 도 로 주행 상황을 미리 운전자에게 알려 주어 사 고를 방지 할 수 있는 이러한 시스템이 기반이 되어 자율주행도시의 근간을 마련할 것으로 기대를 모으고 있다. (서울신문)

예2)

예1)을 통해 도로 주행상태를 알려주는 시스템이 갖추어야 할 조건에 대해 토론해 보자

시스템 역할

눈길경보시스템 낙하물 감지 시스템 최단 경로감지 시스템

예시안 1과 2를 바탕으로 기존의 시스템에서 역공학의 원리를 찾아 보자.

참고자료 역공학이란(Reverse Engineering)

리버스 엔지니어링, 역공학이란 장치 또는 시스템의 기술적인 원리를 그 구조분석을 통해 발견하 는 과정이다. 이것은 종종 대상을 조각내어 분석하는 것을 포함한다. 내부구조를 알수 없을 때, 뜯어 서 동일한 기능을 하도록 새로운 것을 창조할 수 있다. 역사적으로 전쟁무기를 역설계하여 자국의 신무기로 응용하는 방식이 많이 사용되었으며, 산업분야에서 이미 출시된 제품을 모방하여 새로운 제품을 생산하는 방식 중 하나로 사용된다. (출처 : 위키백과)

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2 똑똑한 컴퓨터 < 똑똑한 자동차

무인자동차가 물체를 인지하는 과정?

인간이 운전을 할 때 처리하는 감각은 무한하다. 그런데 자율주행자동차에 내장된 컴퓨터는 어떻게 정보를 인식하고 처리하는지 생각해 보자.

자율주행자동차의 학습은 소프트웨어의 개발을 통해 이루어진다. 물체를 구별할 줄 아는 컴퓨터가 SW를 통해 자동차의 사람의 생김새를 구분하고 중앙선, 차선 등을 구분하기 시작하는 것을 ‘인지’

라고 한다.

주변 사물을 인지한 후 교통상황을 인식하는데 앞차와의 간격, 차선이탈, 장애물 등의 여부를 끊 임없이 ‘판단’ 하는 과정을 거치게 된다. 인지와 판단이 이루어 진 후 자동차는 움직임을 시작하는데 이 과정을 ‘제어’라고 한다.

활동2. 자율주행차가 펼쳐질 우리의 일상을 생각해보기

나의 자율 주행차는 이다.

‣ 모든 차량이 자율주행차로 전환되었다고 가정했을 때, 장점을 토론해보자.

▶ 연료사용량 :

▶ 교통사고 :

▶ 생산성 :

▶ 교통혼잡 :

출처 : www.kama.or.kr/jsp/webzine/201605/pages/issue_02.jsp http://blog.skhynix.com/1590

http://blog.lginnotek.com/549

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2차시

스마트 도로

가장 빠른 길을 찾아라!

1 들어가기 (문제이해하기)

자동차의 센서나 GPS를 통해 정보를 모으는 무인자동차가 사용화된 도로는 어떤 모습일까?

G사가 제작한 자율주행 자동차는 수많은 센서 를 통해 1초에 약 1GB의 정보를 처리한다. 자 율주행 자동차는 수많은 정보를 처리하기 위해 어떤 과정을 거치는지 알아보자

출처 : http://reurl.kr/2D3621DQK

상상노트 자율주행차와 센서

자율주행차에는 수많은 센서와 장치들이 서로 유기적으로 연결되어 빠른 시간 내에 정보를 운전자에게 전달하는 역할을 한다. 자율 주행차에 적용된 각 센서가 차지하는 위치를 자동차에 표시해 보자

GPS 후방카메라

라이더 비디오카메라

레어저센서 초음파센서

주행거리 측정기 중앙컴퓨터

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2 최단경로 알고리즘 최단경로 알고리즘

네비게이션이나 지도맵을 이용해 최단경로를 찾으면 대부분의 프로그램은 최단경로 알고리즘을 활용해 경로를 찾는다. 출발점에서 다른 모든 정점까지의 최단경로를 구하기 위해 사용하는 방법으 로 가중치 그래프를 활용한다.

(출처 : 픽사베이)

가중치 그래프란 원은 정점을 나타내며, 원을 연결하는 선을 간선이라 하고 선에 나타난 숫자는 가중치이다. 가중치는 거리, 이동시간, 이동하는데 드는 비용 등에 따라 가중치를 정하는데 예를 들 어 이동하는 시간이 가장 중요하다고 생각되면 이동시간에 가장 높은값을 부여하고, 거리에 낮은값 을 표현하여 중요도를 표현한다. 목적지 까지 가는 최단 길은 각각 가중치의 총합이 가장 작은 길이 가장 빠른 길이 된다.

이러한 최단경로를 찾는 기술을 네덜란드의 과학자 에스커 다익스트라가 1959년에 발표한 것으 로 가중치를 갖지 않는 그래프에서 출발점과 도착점 사이의 최단경로를 푸는 알고리즘으로 다익스 트라 알고리즘이라 한다. 이는 각 도시를 꼭지점으로 하여 도시 사이를 연결하는 도로의 길이에 가 중치를 설정하면 가장 최단경로를 찾아 낼 수 있다. (출처: 위키백과)

활동 1. 다익스트라 알고리즘의 이해

‣ 집에서 학교까지 최단경로를 구하기 위해 다익스트라 알고리즘을 활용해보자.

다익스트라 알고리즘은 최단경로를 산출하기 위한 알고리즘으로 예를 들어 집에서 학교까지 가는 최단경로를 선정하고자 하면 집에서 학교 까지 대표적 지점을 선정하고 각 지점을 연결한 후 가중치 를 둔다. 이때 가중치는 거리, 교통 등을 고려하여 개인이 직접 점수를 주는 방식으로 예를 들어 그 림에서 공원까지 걸어갈 수 있는데 마트까지는 버스를 이용한다면 마트까지 가는 비용이 더 들게 되 므로 공원으로 가는 길보다 마트로 가는 길에 더 가중치를 둘 수 있다.

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만약 집에서 학교까지 바로 가는 길은 일반 버스를 타고 꼬불꼬불한 길을 가야한다면 가중치를 10으로 정할 수 있다. 이렇게 각 지점에 대한 가중치를 완성하고 경로의 점수를 계단 해보면 된다.

즉, 학교에서 공원을 거쳐 집까지 가는 길은 가중치가 7 집에서 학교까지 가는 길은 중간에 빠지 는 경로가 없으므로 가중치가 10 학교에서 마트를 거쳐 집까지 가는 길은 11 이때 , 목적지까지의 최단경로는 가중치가 가장 적은 경로를 선정하게 되므로 가중치가 가장 적은 학교에서 공원을 거쳐 집까지 가는 길이 가장 빠른 길이 된다.

실제 살고 있는 도시는 훨씬 복잡하므로 수 많은 경우의 데이터를 주고받으며, 네비게이션이나 길 찾기 앱을 통해 우리에게 빠른길을 전달하고 있다.

‣ 자신이 다니고 있는 학교를 중심으로 집에서 학교까지 가는 최단 경로를 찾아보자.

교사용 tip : 구글 맵을 활용해 학교와 집에서 거리를 산정하여 대표 맵을 그린 후 최단 경로를 구해보자.

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활동 2. 직업의 세계

자율주행 자동차와 관련한 다양한 직업의 세계 및 각 전문가가 하는 역할을 알아보자.

‣ 증강현실전문가

‣ 시스템 반도체 공학자

‣ 자율주행차 엔지니어

‣ 정보보안 전문가

<참고문헌>

- 한국과학창의재단. SW교육 모듈형 교재1. ｢인공지능의 무한도전｣

- 한국과학창의재단. SW교육 모듈형 교재2. ｢무인자동차와 미래 교통｣

- 한국과학창의재단. SW교육 모듈형 교재7. ｢자연재해, 첨단기술로 막아내다!｣

- 한국과학창의재단. SW교육 모듈형 교재10. ｢승리를 부르는 스포츠 통계 - https://blog.hmgjournal.com/Group-Story/Future-Car-Job.blg

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3차시

스마트 도로 k-city를 건설하라

1 들어가기 (문제이해하기)

우리 삶에 가장 빠른 속도로 녹아든 것이 바로 자율 주행차가 아닌 듯 싶다. 불과 2년 전만 해도 자율 주행차는 미래 공상 영화 에서나 가능해 보일 것이라 생각했기 때문이다.

미국 자동차공학회(SAE)에 따르면 자율주행차를 기술수준에 따라 5단계로 나누었을 때 현재 시판이 가능한 수준은 2단계이다. 일부기능을 통합으로 자율주행이 가능한 상태를 말한다.

자율주행차가 갖는 SW의 발달 수준은 어떤 스마트 가전기기와 비교 할 수 없을 정도로 복잡하다.

주행상태 및 노면상태, 뿐 아니라 모든 사물의 위치를 파악할 수 있어야 하며, 이러한 데이터는 매우 빠른 속도로 처리되어야 한다. 가장 중요한 것은 이 과정에서 한 치의 오차도 발생되면 안 되는 것 이다. 생명을 담보로 한 수송수단인 자율주행차가 4차 산업혁명 시대를 선도하는 이유도 이것에 기 인한다고 볼 수 있다. 자율주행차는 가장 정교한 인공지능이며, 거대한 사물인터넷 기기이고, 반드시 빅데이터를 기반으로 한다. 자율주행차가 실용화 된 도로는 어떻게 변화될까? 도시의 주차공간과 도로, 가장 기본적인 자동차 디자인의 혁신에서부터 시작되지 않을까?

자율 주행차가 한 단계 더 발전된 레벨로 올라서기 위해 필요한 것은 바로 더 빠른 인터넷 망을 통해 데이터의 처리 속도를 높혀야 한다. 자율주행차가 1초에 처리하는 데이터의 양은 약 1GB에 해당되며 지금의 LTE 처리 속도는 데이터의 처리가 힘들기 때문이다. 이와함께, C-ITS가 도입된 차세대 지능형 교통 시스템의 도입을 통해 자율주행차가 편하게 주행할 수 있는 도로 환경을 구축 하는 것이 필요하다.

(출처: HMG 저널https://blog.hmgjournal.com/Tech/future-smart-road.blg)

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더 알아보기 미국 자동차 공학회가 구분한 자율주행차의 5단계 수준을 알아볼까요?

레벨 0 : 완전 수동

레벨 1 : 특정기능 자동주행

레벨 2 : 일부기능 통합 자동주행 → 현재 시판되고 있는 자율주행차가 바로 레벨 2 수준 레벨 3 : 조건부 자율주행 → 고속도로 같은 특수 환경에서 스스로 달리는 단계로 통신망을

이용해 자율주행에 필요한 정보를 받아야 하는 단계, 이 단계에서부터는 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터 등의 개념이 적용된다. 예를 들어 인터넷과 연결된 스마트 에 어컨의 경우 과거의 에어컨은 실내온도나 습도만을 계산해 냉방기능을 제공했지만, 요즘은 그 지역의 날씨와 미세먼지 농도까지 계산해 실내온도와 공기질을 최적화 함.

레벨 4 : 완전 자율주행 (출처: HMG 저널)

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활동 1. 자율주행차에 적용된 기술에 대해 알아보기

‣ 자율주행이란 무엇인가?

‣ 커넥티트카, 무인자동차, 완전자율주행차의 개념은 무엇인가?

▶ 무인자동차 :

▶ 커넥티드카 :

‣ 인지, 판단, 제어의 과정을 통해 자율주행차가 주행할 수 있도록 도와주는 장치들이 하는 역할은?

▶ 사물인식카메라 :

▶ GPS안테나 :

▶ 라이다센서 :

▶ 전자제어 시스템 :

출처 : https://www.youtube.com/watch?v=0Kk7qNT1eFI

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활동 2. 문제상황 작성하기

‣ 주어진 제한 조건을 만족하는 문제상황을 제시하라

제한조건 1. 첨단 기술 속에 수학, 과학적 원리를 2가지 이상 포함하여 제시할 것 제한조건 2. 4컷 만화속 문제상황을 포함하여 스토리를 구성할 것

제한조건 3. 날씨와 관련한 문제상황을 포함할 것(비가오거나, 눈길에서 운행상황) 문제 상황

‣ 문제상황을 창의적으로 설계하기 위해 모둠별 역할을 나눠보자

모둠원 역할

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창의설계 자율주행자동차를 기반으로 하는 스마트 도로를 설계하고 적용된 기술 의 종류를 찾아보자.

창의설계를 위한 제한 조건

제한조건 1. 첨단 기술 속에 수학, 과학적 원리를 2가지 이상 포함하여 제시할 것 제한조건 2. 4컷 만화속 문제상황을 포함하여 스토리를 구성할 것

제한조건 3. 날씨와 관련한 문제상황을 포함할 것(비가오거나, 눈길에서 자율주행차의 운행상황)

작품 이름

작품 디자인

기술 적용의 예

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감성적체험 반성 및 성찰

‣ 설계 단계의 주요 결과물을 발표하고 모둠원은 발표 내용에 대한 모둠평가를 실시한다.

모둠원 역공학

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구성 (20)

최종산출물 (20)

발표 (20)

‣ 이번 과제를 수행하면서 단계 별 느낀점을 적어보자. 과제 수행을 통해 적용된 기술이 상용화 되었을 때를 가정하여 서술해 보자.

구상 하기

설계 하기

표현 하기