안전벨트 장력 패턴에 기반한 자율주행 중 촉각 제어권 전환 알림

1. 서론

최근 테슬라가 중국에서 FSD(Full Self Driving) 승인을 받으면서, 완전 자율주행 시대가 가까워지고 있다는 기대가 높아지고 있다. 시장조사 기업 프레시던스 리서치(Precedence Research, 2024)에 따르면, 2022년 글로벌 자율주행차 시장 규모는 1,217억 8,000만 달러였으며, 2024년에는 2,073억 8,000만 달러, 2032년에는 2조 3,539억 달러에 이를 것으로 전망된다. 이처럼 자율주행차 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 이에 따른 기술 개발도 활발하게 진행되고 있다.

미국 자동차공학회(SAE, Society of Automotive Engineers)는 자율주행을 0에서 5까지 총 여섯 단계로 분류하였다(SAE International Recommended Practice, 2014). 현재 대부분의 상용 차량에 탑재된 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance System)은 부분적 자율주행이 가능한 레벨 2 수준에 해당한다. 그러나 국내외 자동차 제조업체들은 레벨 3 자율주행 기술 개발에 주력하고 있으며, 전 세계적으로 레벨 3 자율주행 차량의 상용화를 위한 제도와 기준이 마련되고 있다. 레벨 3은 조건부 자율주행 단계로, 제한된 구간에서 차량이 스스로 상황을 판단해 자율적으로 주행할 수 있다. 이 단계에서는 운전자가 전방을 주시할 의무가 없으며, 핸들과 페달에서 손과 발을 뗄 수 있다. 그러나 완전 자율주행은 아니기 때문에, 차량이 대응하기 어려운 긴급 상황에서는 운전자에게 제어권 전환을 요청하게 된다. 이때 운전자는 제어권을 인수하여 수동운전으로 전환해야 한다. 이러한 제어권 전환 상황에서는 제어권 인수 요청(Takeover Request, TOR)이 명확하게 전달되어야 하며, 운전자가 주행 환경을 파악하고 적절히 대응할 수 있도록 충분한 시간과 적절한 경고가 필요하다. 이에 따라 제어권 전환 알림 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

박과 손(Park & Son, 2019) 및 손과 박(Son & Park, 2017)의 연구는 자율주행 자동차의 제어권 전환을 요청하는 주체와 제어권 전환 후 차량을 제어하는 주체에 따라 개념을 정의하였다. 수동운전 중 운전자가 시스템에 제어권을 넘기는 경우는 제어권 이양(Handover)으로 정의되며, 자율주행 중 시스템이 제어권 전환을 요청하고 운전자가 이를 인수하는 경우는 제어권 인수(Takeover)로 정의된다. 제어권 인수 상황에서 리드 타임(Lead time)은 운전자가 얼마나 신속하고 정확하게 상황을 인지할 수 있는지를 결정하는 중요한 요소로서, 운전자에게 알림이 제공된 후 제어권을 인수하기까지의 여유시간을 말한다. 허, 이, 윤, 김(Heo, Lee, Yoon & Kim, 2022)은 리드 타임을 제어권 전환 알림이 발생한 시점부터 돌발 상황(예. 사고지점, 장애물)이 발생하는 지점까지의 시간으로 정의하였으며, 운전자는 돌발 상황 발생지점 전에 제어권을 인수하여야 한다. 탄과 장(Tan & Zhang, 2022)은 갑작스러운 제어권 전환 상황에서 리드 타임이 짧을수록 운전자의 제어권 인수 반응시간이 더 빨라진다고 보고하였다. 반면, 리드 타임이 길수록 운전자는 더 정확하게 상황을 인식할 수 있어 제어권 전환의 성공률이 높아진다. 블락벨드, 네스, 드 브루인, 비서스, 크로프트(Vlakveld, Nes, de Bruin, Vissers & Kroft, 2018)는 4~12초의 리드 타임 조건에서 운전자의 상황 인식 능력을 평가한 결과, 8초의 리드 타임이 주어지면 운전자가 수동운전과 유사한 수준으로 위험을 감지할 수 있다고 하였다. 그러나 위험 상황이 동적으로 변할 경우, 더 긴 리드 타임이 필요하다는 점도 지적하였다. 따라서 제어권 전환 상황의 긴급도가 높을수록, 운전자가 충분한 여유를 갖고 상황을 인지하고 제어권을 원활히 인수할 수 있도록 더 긴 리드 타임을 제공하는 것이 중요하다.

프랭크, 마틴, 토마스, 롯트, 스테판, 미르코, 마크(Frank, Martin, Thomas, Lotte, Stefan, Mirko & Mark, 2023)의 연구에서는 시각, 청각, 촉각 모달리티(Modality)를 모두 사용했을 때 운전자의 제어권 전환 반응시간이 더 짧아졌다는 결론을 도출했다. 따라서 제어권 전환 알림 설계 시에는 리드 타임의 길이뿐만 아니라 알림의 방식도 중요한 고려 요소이다. 제어권 전환 알림은 주로 시각, 청각, 촉각의 세 가지 모달리티로 나뉜다. 허, 이, 윤, 김(Heo, Lee, Yoon & Kim, 2022)의 연구에 따르면, HUD에서 회피 방향을 안내하는 AR 기반 시각 알림이 청각 알림보다 제어권 전환 반응시간이 더 빨랐다. 또한 홍, 양(Hong & Yang, 2022)은 A-pillar와 클러스터에 시각 알림을 제공하고, 시트 진동을 이용한 촉각 알림을 함께 제공했을 때 제어권 전환 반응시간이 유의미하게 빨라진다는 결과를 보였다. 이, 윤, 김, 백, 한, 파크호쎄이니, 베이시, 이, 전, 양(Lee, Yoon, Kim, Baek, Han, FakhrHosseini, Vasey, Lee, Jeon & Yang, 2019)은 멀티모달 제어권 전환 알림에 대한 두 가지 실험을 수행했다. 청각 알림 실험에서는 이어콘(짧은 음악 신호), 스피어콘(압축된 음성), 일반 음성의 세 가지 청각 알림을 평가하였는데, 이어콘이 가장 빠른 제어권 전환 반응을 유도했으며, 스피어콘은 다른 조건에 비해 반응시간이 유의미하게 느렸다. 촉각 알림 실험에서는 자동차 시트에 부착된 진동 택터를 통해 진동 위치(등, 둔부, 전체)에 따른 제어권 전환 효과를 평가했으며, 진동 알림을 이벤트 발생 5초 전에 제공한 결과, 반응시간이 가장 빠른 위치는 등 부위였다. 쉬, 우, 정, 장, 장, 루, 차이(Shi, Wu, Zheng, Zhang, Zhang, Lu & Chai, 2022)는 세 가지 상황(위험 방향, 회피 방향, 방향성이 없는 경우)과 네 가지 리드 타임(3, 4, 6, 8초) 조합에 따른 방향성이 있는 촉각 제어권 전환 알림의 효과를 평가하였다. 촉각 제어권 전환 알림으로는 6개의 진동 택터를 카 시트 좌판에 부착하여 진동 알림을 제공했다. 그 결과, 운전자가 비운전 과제를 수행하는 동안 방향성을 가진 촉각 제어권 전환 알림이 효과적이었는데, 특히 리드 타임이 짧은 경우 회피 방향을 알려주는 촉각 알림이 더 효과적이었다.

또한, 촉각 제어권 전환 알림에 주행 상황의 의미를 담으려는 시도도 있었다. 보로예니, 발바움, 호텐, 볼(Borojeni, Wallbaum, Heuten, Boll, 2017)은 상황 정보를 반영한 진동 패턴이나 스티어링 휠의 형태 변화를 활용한 알림을 제안했다. 마르틴즈와 황(Martinez & Huang, 2022)은 여섯 가지 주행 상황을 나타내는 촉각 신호를 설계하고 이를 평가하였다. 이 촉각 제어권 전환 알림은 안전벨트 허리 부위에 5개의 진동 택터를, 카 시트 좌판과 등판에 각각 15개의 진동 택터를 부착하여 제공되었다. 자율주행 상황에서 참여자들은 각 경고 신호의 의미를 설명하도록 요청받았으며, 보행자 상태나 차간 거리 감소를 경고하는 신호에서 다른 유형의 신호보다 빠른 반응시간이 나타났고, 신뢰도 역시 높았다고 보고되었다.

현재 시각 및 청각 알림은 상용 차량에서 널리 사용되고 있지만, 레벨 3 자율주행 단계에서 운전자가 비운전 과제를 수행하는 경우 머리나 시선이 전방을 향하지 않을 수 있어 이러한 알림 방식에는 한계가 있다. 반면, 촉각 알림은 시선 방향이나 비운전 과제, 주변 소음과 관계없이 인지될 수 있다는 장점이 있다. 앞서 살펴본 여러 연구에서는 스티어링 휠과 시트에 진동 택터를 장착하여 운전자에게 알림을 제공하는 방안을 제안했다. 그러나 스티어링 휠은 비운전 과제 수행 시 운전자가 잡고 있지 않을 가능성이 높으며, 시트의 진동은 차량 주행 중에 발생하는 자연 진동 때문에 효과가 감소할 수 있다는 한계가 있다. 프랭크, 마틴, 토마스, 로테, 스테판, 미르코, 마크(Frank, Martin, Thomas, Lotte, Stefan, Mirko & Mark, 2023)의 연구에서는 시각 및 청각 알림에 더해 안전벨트의 진동을 활용한 촉각 제어권 전환 알림이 조건부 자율주행 상황에서 운전자의 반응시간 단축에 효과적임을 보여주었다. 그러나 안전벨트의 진동 역시 차량 주행 중에 발생하는 진동으로 감쇠될 수 있다는 단점이 있다.

본 연구는 프랭크, 마틴, 토마스, 로테, 스테판, 미르코, 마크(Frank, Martin, Thomas, Lotte, Stefan, Mirko & Mark, 2023)의 연구에서 사용된 안전벨트의 진동 촉각 알림과 달리, 안전벨트의 장력(tension) 패턴을 이용한 제어권 전환 알림의 효과를 분석하였다. 안전벨트 장력 패턴은 차량 진동에 의한 촉각 자극의 감쇠 효과가 작다는 장점이 있다. 또한, 착석 시 벨트를 자동으로 당겨주는 프리텐셔너(Pre-tensioner) 또는 액티브 안전벨트 시스템이 이미 상용 차량에 널리 사용되고 있어, 소프트웨어 변경만으로 해당 기능을 추가할 수 있는 실용성도 높다. 이에 따라, 다음과 같은 연구 질문을 바탕으로 실험 연구를 수행하였다.

(1) 자율주행 3단계 차량의 제어권 전환 상황에서, 안전벨트 장력 패턴을 활용한 촉각 알림은 효과적인가?

(2) 제어권 전환 상황의 긴급도에 따라 서로 다른 안전벨트 장력 패턴을 사용하는 것이 효과적인가?

2. 프리텐셔너를 가진 자율주행 시뮬레이터 개발

본 연구에서는 자동차 안전벨트의 장력 패턴을 실제로 구현하고 그 효과를 검증하기 위해 자율주행 시뮬레이터를 제작하였다. 제작된 시뮬레이터의 전체 구조는 Figure 1에 제시되어 있다.

Figure 1

Structure of autonomous driving simulator

시뮬레이터는 크게 자율주행 시뮬레이터와 장력 패턴을 구동하는 안전벨트 프리텐셔너로 구성되어 있다. 자율주행 시뮬레이터는 핸들과 페달 조작을 통해 운전할 수 있는 시스템으로, 유니티(Unity)를 기반으로 제작하였다. 시뮬레이터는 특정 상황에서 아두이노에 신호를 보내, 지정된 안전벨트 장력 패턴을 구동하도록 한다. 안전벨트 프리텐셔너는 아두이노가 전달받은 구동 신호에 따라 모터를 특정 패턴으로 작동시키며, 모터의 회전은 안전벨트를 당기고 풀어 장력 패턴으로 변환되어 운전자에게 전달된다. 또한, 로드셀(Load cell)이 안전벨트 결합부에 연결되어 있어, 각 운전자에게 가해지는 안전벨트 장력을 실시간으로 조절하였다.

실제 구현된 시뮬레이터의 모습은 Figure 2에 제시되어 있다. 자율주행 시뮬레이터는 48인치 모니터, Logitech사의 G29 레이싱 휠과 페달, 레이싱용 카 시트, 그리고 안전벨트로 구성하였다. 스티어링 휠과 페달은 레이싱용 카 시트에 고정하였으며, 모니터는 운전자 앞 약 1.5m 거리의 위치에 배치하였다. 카 시트 하단의 알루미늄 프레임을 활용하여 DC 기어드 모터(SE-DM185, 12V, 최대 200 RPM)를 고정하고, 모터 축과 안전벨트를 연결해 모터의 회전으로 안전벨트를 당기거나 풀 수 있도록 구현하였다. 모터 제어는 Arduino Mega 2560을 사용하였으며, 안전벨트 버클이 결합되는 부위에는 4선식 로드셀을 배치하여 안전벨트에 가해지는 하중을 실시간으로 측정할 수 있도록 했다.

Figure 2

Developed autonomous driving simulator

자율주행 코스는 Figure 3과 Figure 4에 나타난 바와 같이 약 21km 길이의 2차선 도로로 제작하였으며, 차량의 내·외부 디자인은 볼보 XC60을 기준으로 구현하였다. 자율주행 중 핸들에 있는 버튼을 눌러 수동운전으로 전환할 수 있으며, 클러스터에는 운전 상태에 대한 시각적 알림을 표시하였다. 제어권 전환 알림은 시각 알림, 청각 알림, 그리고 안전벨트 장력 패턴의 조합으로 구성하였다. 시각 알림은 제어권 전환 요청과 자율주행 모드 아이콘을 클러스터 중앙에 표시하였다(Figure 4 참고). 청각 알림은 “즉시 제어권 전환이 필요합니다”라는 음성 안내로 제공하였으며, 주행 시작 및 종료, 속도 제한 구간, 사고 다발 구간에 대한 안내도 음성으로 전달하여, 특정한 소리에 반사적으로 반응하여 제어권을 전환하는 것을 방지하였다.

Figure 3

Driving course of autonomous driving scenario

Figure 4

Autonomous driving(left) and takeover request(right) scenes

3. 안전벨트의 장력 패턴

3. 1. 장력 패턴의 구성 변수 및 역치 수준

안전벨트 장력 패턴을 구성하는 변수는 Figure 5와 같이 네 가지로 정의할 수 있다. 장력(Tension Amplitude, N)은 패턴이 작동할 때 안전벨트가 당기는 힘의 크기를 의미하며, 그래프의 y축에 해당한다. 지속시간(Duration, s)은 힘이 가해지는 시간, 즉 안전벨트가 당겨지는 시간을 뜻한다. 장력 간격(Interval, s)은 힘과 힘 사이의 시간차로, 안전벨트에 힘이 가해지지 않는 시간을 나타낸다. 마지막으로, 펄스 수(Number of Pulses)는 안전벨트가 당기고 풀리는 한 패턴 사이클이 반복되는 횟수를 의미한다.

Figure 5

Seat belt tension pattern

다양한 안전벨트 장력 패턴을 설계하기 위해서는 먼저 각 변숫값의 역치 수준을 파악해야 한다. 역치란 두 자극을 서로 다른 반응으로 구분하는 데 필요한 최소한의 자극 강도를 의미한다. 본 연구에 앞서 동일한 시뮬레이터로 진행된 오와 김(Oh & Kim, 2024)의 연구에서는 10명을 대상으로 장력 3N~9N(2N 간격), 지속시간 0.2초~1.0초(0.2초 간격)를 항상자극법(Gescheider, 1997)으로 실험한 결과, 사람이 구분할 수 있는 안전벨트 장력의 역치는 약 3N, 지속시간의 역치는 약 0.3초임을 밝혔다. 또한, 장력간격은 지속시간과 유사한 수준의 역치를 가질 것으로 예상되며, 펄스 수는 자극의 반복 횟수이므로 역치와는 직접적인 관련이 없다. 본 연구에서는 이러한 변숫값을 참고하여 4장에서 안전벨트 장력 패턴을 설계하였다.

3. 2. 벨트 장력 캘리브레이션

2장에서 설명했듯이 본 연구에서는 모터 회전을 제어하여 벨트에 가해지는 장력을 조절하였다. 그러나 운전자의 체형은 서로 다르므로 동일한 장력을 가하기 위한 모터 속도는 사람마다 다르게 설정되어야 한다. 예를 들어, 마른 사람에게 동일한 장력을 가하려면, 뚱뚱한 사람보다 모터를 더 많이 회전시켜야 한다. 따라서 운전자에게 가해지는 장력을 제어하려면, 각 사람의 체형에 맞는 장력과 모터 속도 간의 관계를 규명하는 캘리브레이션(Calibration) 과정이 필요하다. 캘리브레이션은 로드셀(Figure 2 참고)을 활용하여 다음과 같은 절차로 수행되었다. 먼저, 운전자가 안전벨트를 착용한 후, 모터 속도를 160에서 250까지 15단위로 증가시키며, 각 속도에서 5초간 로드셀 데이터를 수집하였다. 여기서 모터 속도는 아두이노에서 모터를 제어하기 위한 입력값으로서 0에서 255 사이의 값을 가진다. 이후, 수집된 데이터를 바탕으로 모터 속도와 로드셀 데이터 간의 1차 회귀식을 도출하였다. Table 1은 한 실험참여자의 모터 속도와 로드셀 데이터를 예시로 보여주며, 해당 데이터를 통해 생성된 캘리브레이션 회귀식을 함께 제시하고 있다. 이와 같은 방식으로 각 참여자의 회귀식을 도출하여, 목표 장력(정확히는 장력에 해당하는 로드셀 값)이 가해지도록 모터 속도를 제어하였다. 로드셀 값과 장력(N) 간의 관계는 사용한 로드셀의 데이터 시트를 참고하여 산출되었다.

Table 1

Load cell data according to motor speed

4. 안전벨트 장력패턴 디자인

세이킷, 프라소조, 황, 자오(Saket, Prasojo, Huang & Zhao, 2013)의 연구에서는 Figure 6과 같이, 긴 켜짐(L), 긴 꺼짐(l), 짧은 켜짐(S), 짧은 꺼짐(s) 조합을 이용해 총 10가지 핸드폰 진동 알림 패턴을 생성하고, 사람들이 인지하는 긴급성을 비교하였다. 그 결과, 짧은 켜짐(S)-짧은 꺼짐(s) 조합 패턴이 가장 긴급한 것으로 평가되었으며, 반면 짧은 켜짐(S)-긴 꺼짐(l) 조합 패턴은 가장 긴급하지 않은 것으로 평가되었다. 또한, 짧은 켜짐(S)-짧은 꺼짐(s)-짧은 켜짐(S)-긴 꺼짐(l)과 같이 두 개 이상의 켜짐/꺼짐 신호를 조합한 패턴은 복잡성이 증가하여 긴급성 인식이 중립적으로 변화하는 결과를 보였다. 이러한 복잡한 패턴을 비교하는 과정에서, 실험참여자 절반은 결정을 내리지 못했고, 다수는 패턴을 다시 제시해달라고 요청했다고 한다. 결론적으로, 진동의 긴급성 인식에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 진동 간 시간 간격, 간격 수, 그리고 진동 길이였다. 간격이 짧고, 간격 수가 적으며, 진동 길이가 짧을수록 더 긴급하게 인식되었다.

Figure 6

Basic types of vibration patterns with short & long on-off signals (Saket et al., 2013)

본 연구에서는 장력이 진동과 유사한 촉각 자극을 제공할 수 있다는 점을 고려하여, 세이킷, 프라소조, 황, 자오(Saket, Prasojo, Huang & Zhao, 2013)의 결과를 참고해 패턴을 디자인하였다. 가장 긴급하다고 평가된 짧은 켜짐(S)-짧은 꺼짐(s) 조합, 가장 긴급하지 않다고 평가된 짧은 켜짐(S)-긴 꺼짐(l) 조합, 그리고 중간 수준으로 평가된 긴 켜짐(L)-짧은 꺼짐(s)-짧은 켜짐(S)-짧은 꺼짐(s) 조합을 활용하여 패턴을 구성하였다. 또한, 위킨스(Wickens, 2008)는 청각 경보 알림 설계 시 개별 소리가 독특한 특성을 가져야 하며, 갑작스러운 소리 변화로 인한 놀람을 방지해야 한다고 강조했다. 이를 적용하여, 장력 패턴도 처음에는 낮은 수준의 장력을, 이후에는 높은 수준의 장력을 단계적으로 제시하는 방식으로 설계하는 것이 적합할 것이다. 이러한 기존 연구 결과와 오, 김(Oh & Kim, 2024)의 역치 수준을 바탕으로, 본 연구에서는 4가지 장력 패턴을 디자인하였다. 운전자가 장력을 충분히 인지할 수 있도록, 장력 3N과 지속시간 0.4초를 기준으로 설정하였다. 최종 결정된 안전벨트 장력 패턴의 변수 수준은 Table 2에 제시되어 있다. 펄스 수를 제외한 나머지 변수들은 낮음(Low)과 높음(High)의 두 수준으로 구성하였다. 벨트 캘리브레이션 상태에서의 기본 장력은 2N으로 설정하였으며, 여기에 3N씩의 역치 수준을 더해 낮음 5N, 높음 8N으로 결정하였다. 기본 장력은 운전자가 안전벨트를 착용한 후, 체결 부위의 반대 방향으로 약하게 몸에 가해지는 일정한 힘을 의미한다. 지속시간과 장력 간격은 각각 0.4초와 0.8초로 구성하였고, 펄스 수는 4로 고정하였다.

Table 2

Levels of seatbelt tension pattern variables

Figure 7은 디자인된 안전벨트 장력 패턴을 보여준다. 각 패턴의 이름은 긴급도를 나타내는 약어로 구분하였으며, T_HU(Tactile alarm; High Urgency), T_MU(Middle Urgency), T_LU(Low Urgency)로 표시하였다. 패턴 T_HU1과 패턴 T_HU2는 가장 긴급도가 높게 느껴지도록 장력 5N, 8N이 짧은 0.4초 간격 동안 반복되는 형태이고, 패턴 T_HU2는 5N 2번, 8N 2번씩 짧은 0.4초 간격으로 디자인하였다. 패턴 T_MU은 중간 정도의 긴급성을 제공하기 위해 장력 5N을 0.8초 동안 약하고 길게 유지한 후, 장력 8N을 0.4초 동안 짧고 강하게, 0.4초 간격으로 제시하는 방식으로 디자인하였다. 패턴 T_LU은 가장 긴급성이 낮게 느껴지도록 장력 3N, 5N이 반복되는 형태이며, 0.4초 동안 장력을 짧게 지속하고, 0.8초로 장력 간격을 길게 설정하여 천천히 느리게 제시하도록 디자인하였다.

Figure 7

Designed seat belt tension patterns for takeover request

5. 안전벨트 장력 패턴의 효과

5. 2. 실험시스템 및 태스크

실험시스템은 2장에서 설명한 자율주행 시뮬레이터를 기반으로 자율주행을 포함한 수동운전 과제와 간단한 비운전 과제를 수행할 수 있도록 개발하였다.

1) 운전 과제(DT, Driving Task)

2장의 Figure 3과 같이, 전체 코스는 시작 지점과 종료 직전의 일부 구간을 제외하고 총 5개 구간으로 구성되어 있다. 각 구간은 자율주행 구간과 한 번의 제어권 전환 이벤트를 포함한 수동주행 구간으로 이루어져 있다. 실험참여자는 출발 후 일정 구간을 수동 운전한 뒤, 자율주행 모드로 전환하라는 음성 안내를 듣고 핸들에 있는 자율주행 버튼을 눌러 모드를 전환하였다. 자동차는 시속 약 100km로 자율주행하며, 이 동안 실험참여자는 비운전 과제를 수행하도록 요구되었다. 제어권 전환 이벤트는 미리 정해진 도로 지점에서 발생하며, 전환 안내음은 정해진 리드 타임(4, 6, 8초)에 맞춰 제시하였다. 이벤트는 2차선 도로 한 차선에 장애물이 있는 상황으로, 실험참여자가 핸들을 일정 각도 이상 돌리거나 브레이크 페달을 밟으면 수동운전 모드로 전환되며, 장애물을 피하며 주행해야 한다. 이벤트 발생 지점에서 200m를 주행한 후, 자율주행 모드로 다시 전환하라는 음성 안내가 나오면 실험참여자는 자율주행 모드로 전환하고 비운전 과제를 재개하였다. 제어권 전환 이벤트는 종료 지점에 도달하기 전까지 총 5번 발생하였으며, 실험참여자는 전체 코스를 총 3번 반복 주행하였다. 한 코스당 평균 10분의 주행 시간이 소요되었으며, 매 코스 사이에 5분의 휴식 시간을 가졌다.

2) 비운전 과제(NDT, Non-Driving Task)

자율주행 상황에서 운전자는 스마트폰을 보거나 TV를 시청하는 등 비운전 과제를 수행할 수 있으며, 이 와중에도 제어권 전환 알림을 놓치지 않고 인수할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 자율주행 중 비운전 과제로 1-back test를 수행하도록 하였다. 1-back test는 현재 표시된 숫자와 직전에 표시된 숫자가 같은지 여부를 판단하는 작업으로, 화면을 지속해서 주시하며 이전 숫자를 기억해야 하는 인지적 과업이다. 이는 실험참여자가 제어권 전환 알림에만 지나치게 주의를 기울이지 않도록 충분한 주의 분산을 제공한다. 이러한 유형의 과제는 자이틀린(Zeitlin, 1993)과 손, 라이머, 멜러, 폴마이어, 가드프리, 오르술락, 롱, 킴, 리, 코글린(Son, Reimer, Mehler, Pohlmeyer, Godfrey, Orszulak, Long, Kim, Lee & Coughlin, 2010)의 연구 등에 활용된 바 있다.

비운전 과제는 좌석 우측에 배치된 태블릿을 사용하여 수행되었으며, 실험참여자는 화면에 표시된 숫자가 이전 숫자와 같으면 O 버튼을, 다르면 X 버튼을 누르도록 지시받았다(Figure 8 참조). 정답이 입력되었을 때는 청각 피드백을 제공하였다. 제어권 전환 알림이 발생하면 실험 진행자가 비운전 과제를 일시 정지시켰고, 실험참여자가 제어권 전환 이벤트를 무사히 통과하여 다시 자율주행 모드로 전환하면 비운전 과제를 재개하였다.

Figure 8

1-back test for non-driving task

5. 4. 실험설계

리드 타임의 긴급성에 따른 알림 유형의 효과를 알아보기 위해, 실험은 Table 3과 같이 제어권 전환 알림 유형 5수준 × 리드 타임 3수준의 이원배치법으로 설계하였다. 실험의 주 인자인 제어권 전환 알림 유형은 시각+청각 알림만 제공하는 VA, 시각+청각+안전벨트 장력 패턴을 포함한 VA+T_HU1, VA+T_HU2, VA+T_MU, VA+T_LU의 총 5종류로 구성되었다(4장 참고). 또 다른 주 인자인 제어권 전환 알림의 리드 타임은 기존 연구에서 적절하다고 알려진 8초와, 그보다 짧은 4초와 6초의 3수준으로 설정하였다.

Table 3

Design of this experiment

각 실험참여자는 5개의 제어권 전환 이벤트를 포함한 주행코스를 3번씩 주행하였기 때문에, 총 15번의 제어권 전환 이벤트를 경험하게 된다. 피험자내 설계(Within-subject Design)를 적용하여 실험참여자가 모든 실험 인자 조합을 경험할 수 있도록, Table 3과 같이 15개의 제어권 전환 이벤트에 15개의 인자 수준 조합(5 알림 유형 × 3 리드 타임)을 랜덤하게 배치하였다.

자율주행 자동차의 제어권 전환 연구에서 가장 중요한 수행 척도는 반응시간이다. 반응시간은 제어권 전환 알림이 제공된 시점부터 실험참여자가 핸들 또는 브레이크 페달을 조작해 자율주행 모드에서 수동주행 모드로 전환하기까지의 시간으로 측정되었다. 추가로, 총 코스 주행 시간, 수동주행 시간, 제어권 전환 이벤트별 차선이탈 횟수 및 장애물과의 충돌 횟수, 그리고 비운전 과제의 정답률도 측정하였다. 또한, 모든 주행 과제가 종료된 후, 실험참여자의 주관적 만족도를 조사하였다. 시각 및 청각 알림만 제공된 경우와 비교하여, 안전벨트 장력 패턴이 함께 제공되었을 때의 효과성, 신뢰성, 및 만족도에 대해 리커트 5점 척도를 사용해 설문을 진행하였다.

5. 5. 실험결과

1) 코스당 주행 시간

실험참여자들의 코스당 평균 주행 시간은 525.89초, 표준편차는 36.73초였다. 자율주행 비율이 높음에도 주행 시간에 차이가 발생한 것은 실험참여자 간의 운전 경력과 주행 스타일 차이에서 비롯된 것으로 판단된다.

2) 제어권 전환 반응시간

실험참여자 간 차이가 주 인자에 미치는 영향을 최소화하기 위해 실험참여자는 블록 인자로 처리하였으며, 이상치를 제거한 후 분산분석(ANOVA)을 수행하였다. 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형 간 교호작용은 존재하지 않아 풀링 처리한 후, 분산분석 결과는 Table 4와 같았다. 리드 타임은 유의수준 0.01에서 유의한 차이를 보였으며(P = 0.000), 제어권 전환 알림 유형은 유의수준 0.1에서 유의한 차이가 있었다(P = 0.085).

Table 4

ANOVA table of response time (**P<0.01, *P<0.1)

리드 타임과 제어권 전환 알림 유형에 따른 반응시간에 대해 Tukey 사후 분석을 수행하였다. Figure 9는 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형에 따른 반응시간의 사후 분석 결과를 보여준다. Figure 9의 좌측 그래프에서, 리드 타임이 4초일 때 반응시간이 가장 짧았으며, 6초와 8초인 경우와 유의한 차이가 있었다. Figure 9의 우측 그래프에서는, 제어권 전환 알림 유형에 따른 반응시간에서 VA+T_HU1과 VA 간에 유의한 차이가 존재하였다. 그러나 VA+T_HU2, VA+T_MU, VA+T_LU 간에는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 결과적으로, 리드 타임이 짧을수록 반응시간이 짧아지는 경향을 보였으며, 제어권 전환 알림 유형 중에서는 VA+T_HU1에서 반응시간이 가장 짧았고, VA에서 가장 길었다.

Figure 9

The average of response time according to lead times and takeover request notification types

Figure 10은 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형 간의 교호작용을 보여준다. 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형 간에 교호작용은 존재하지 않았으나, 리드 타임의 수준과 상관없이 VA 수준보다 VA와 안전벨트 장력 패턴을 함께 제시했을 때 반응시간이 더 짧아지는 경향이 나타났다.

Figure 10

Interaction plot of response time

3) 수동주행 시간 분석

제어권 전환 이벤트 발생 시, 실험참여자가 브레이크를 급하게 밟거나 상황을 파악하기 위해 속도를 줄이면 수동주행 시간이 늘어날 수 있다. 제어권 전환 알림은 운전자가 신속하고 정확하게 상황을 파악하여 돌발 상황을 안전하게 피할 수 있도록 도와야 한다. 따라서 수동주행 시간이 짧다는 것은 운전자가 빠르고 안전하게 제어권 전환을 완료했다는 의미로 해석할 수 있다. 그러나 리드 타임이 길수록 운전자가 제어권 전환을 빨리 인수할 수 있어 수동주행 시간은 길어질 수밖에 없다. 이에 따라 수동주행 시간 분석에서는 리드 타임보다는 제어권 전환 알림의 영향에 더 중점을 두어 분석을 진행하였다.

리드 타임과 제어권 전환 알림 유형에 따른 수동주행 시간에 대한 분산분석(ANOVA) 결과는 Table 5와 같았다. 실험참여자는 블록 처리하였고 이상치는 제거하였으며, 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형 간 교호작용은 존재하지 않아 풀링 처리하였다. 분석 결과, 리드 타임은 유의수준 0.01에서 유의한 차이를 보였으며(P = 0.000), 제어권 전환 알림 유형 역시 유의수준 0.01에서 유의한 차이를 나타냈다(P = 0.001).

Table 5

ANOVA table of manual driving time (**P<0.01, *P<0.1)

리드 타임과 제어권 전환 알림 유형별 수동주행 시간에 대한 Tukey 사후 분석 결과는 Figure 11과 같았다. 예상대로 리드 타임이 길수록 수동주행 시간이 길어지는 경향을 확인할 수 있었다. VA+T_HU1과 VA+T_LU 간에는 유의한 차이가 있었으며, 수동주행 시간은 VA+T_LU에서 가장 짧았고 VA+T_HU1에서 가장 길었다. 나머지 알림 유형 간에는 유의한 차이가 나타나지 않았다. 이는 긴급도가 높은 VA+T_HU1 유형에서 빠르게 수동운전으로 전환했기 때문에 수동주행 시간이 길어진 것으로 해석된다.

Figure 11

The average of manual driving time according to lead time and takeover request notification types

4) 차선이탈 및 충돌 횟수

실험 전체 이벤트 중(총 300회)에서 차선이탈은 총 13회, 장애물 충돌은 총 2회 발생하였다. 대부분의 실험참여자들은 제어권 전환 이벤트가 발생했을 때 핸들을 돌리기보다는 브레이크를 강하게 밟는 경향을 보였다. 이에 따라 차선이탈이나 장애물 충돌은 적게 나타났다.

제어권 전환 이벤트의 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형별 차선이탈 횟수는 Table 6에 제시하였다. 총 13회의 차선이탈 중, 리드 타임이 4초일 때 6회로 가장 많이 발생했고, 8초일 때 5회, 6초일 때 2회 발생했다. 이는 4초라는 짧은 리드 타임 내에 장애물을 피해야 했으므로, 일부 실험참여자들이 급하게 핸들을 꺾으면서 차선이탈이 발생한 결과로 해석된다. 제어권 전환 알림 유형에서는 VA+T_MU 수준에서 6회, VA 수준에서 4회의 차선이탈이 발생했다. 긴급도가 중간인 VA+T_MU 수준에서는 운전자가 긴급성을 충분히 느끼지 못해, 장애물을 빠르게 피하지 못하고 뒤늦게 회피하려다 차선이탈이 발생한 것으로 보인다. 시각 및 청각 알림만 제공된 VA 수준에서는, 운전자가 비운전 과제를 수행하면서 시각 알림을 거의 인지하지 못하고 청각 알림에만 반응해 급하게 핸들을 틀다 차선이탈이 발생했다. 충돌 횟수는 모두 리드 타임 4초 × VA+T_MU 조건에서 총 2회 발생했다.

Table 6

The number of lane departures

5) 비운전 과제 정답률

비운전 과제였던 1-back test의 평균 정답률은 96.905%였다. Table 7은 비운전 과제 수행도에 대한 분산분석(ANOVA) 결과를 보여준다. 리드 타임과 제어권 전환 알림 유형 간에는 유의미한 차이가 존재하지 않았다.

Table 7

ANOVA table of non-driving task performance (**P<0.01, *P<0.1)

6) 주관적 만족도

안전벨트 장력 패턴의 효과성, 신뢰성, 만족성에 관한 설문 결과, 효과성은 평균 4.5점, 신뢰성은 4.6점, 만족성은 4.6점으로 나타났다. 전반적으로 실험참여자들은 안전벨트 장력 패턴에 대해 긍정적인 반응을 보였다.

6. 결론

본 연구는 자동차 안전벨트를 당기고 푸는 장력을 이용한 촉각 알림 패턴의 변수를 정의하고, 이를 바탕으로 서로 다른 긴급도의 장력 패턴을 디자인하였다. 또한, 운전자에게 안전벨트 장력 패턴을 활용한 자율주행 제어권 인수요청 알림을 제공했을 때의 효과를 자율주행 시뮬레이터를 통해 실험하였다.

본 연구에서는 안전벨트 장력 패턴을 구성하는 변수를 장력(Tension Amplitude, N), 장력 지속시간(Duration, s), 장력 간격(Interval, s), 펄스 수(Number of Pulses)로 정의하였다. 운전자가 차이를 명확히 인지할 수 있도록 장력 3N과 지속시간 0.4초를 기준으로 설정하였으며, 이를 바탕으로 두 가지 높은 긴급도의 패턴(VA+T_HU1, VA+T_HU2)과 중간 긴급도 패턴(VA+T_MU), 낮은 긴급도 패턴(VA+T_LU) 등 총 4가지 안전벨트 장력 패턴을 디자인하였다. 또한, 설계된 장력 패턴을 적용한 제어권 전환 알림 시스템을 탑재한 자율주행 시뮬레이터를 개발하여, 세 가지 리드 타임(4, 6, 8초)과 다섯 가지 알림 유형(VA 및 네 가지 VA+T)의 제어권 전환 효과를 실험하였다.

반응시간은 리드 타임이 짧을수록 유의미하게 짧아졌으며, 이는 리드 타임이 짧을수록 반응시간이 감소한다는 탄과 장(Tan & Zhang, 2022)의 연구 결과와 일치한다(가설 1 채택). 제어권 전환 알림 유형에 대해서는 긴급도가 높은 VA+T_HU1 수준에서 반응시간이 가장 짧았고, VA 수준에서 가장 길었다. 전반적으로 시각 및 청각 알림만 제공했을 때(VA)보다 안전벨트 장력 패턴을 함께 제공했을 때(VA+T) 실험참여자의 제어권 전환 반응시간이 더 짧았다(가설2 채택). 이는 시각-청각-촉각 세 가지 모달리티를 함께 사용하면 제어권 전환 반응시간이 단축된다는 프랭크, 마틴, 토마스, 롯트, 스테판, 미르코, 마크(Frank, Martin, Thomas, Lotte, Stefan, Mirko & Mark, 2023)의 연구 결과와도 일치한다. 수동주행 시간은 리드 타임이 길수록 길어졌으며, 긴급도가 낮은 VA+T_LU 수준에서 가장 짧았고, 긴급도가 높은 VA+T_HU1 수준에서 가장 길었다(가설3 부분 채택). VA+T_HU1 수준에서 가장 빠른 반응으로 자율주행에서 수동운전으로 전환한 만큼, 수동주행 시간은 다른 알림 유형에 비해 가장 길었다. 실험참여자들은 안전벨트 장력 패턴에 대해 매우 긍정적으로 평가하였다. 실험 결과는 Table 8에 요약하였다.

Table 8

Result of main experiment (**P<0.01, *P<0.1)

실험 결과에 따르면, 안전벨트 장력 패턴은 제어권 전환 상황의 긴급도에 따라 다음과 같이 적용할 수 있다. 선행 차량의 급정지나 옆 차선의 차량이 급하게 끼어드는 등 짧은 리드 타임 상황에서는 운전자의 빠른 반응이 필요하므로, 긴급도가 높은 안전벨트 장력 패턴을 시각 및 청각 알림과 함께 제공하는 것이 효과적이다. 반면, 전면 공사 구역이나 사고 주의처럼 운전자가 다소 느리게 반응해도 되는 긴 리드 타임 상황에서는 긴급도가 낮은 안전벨트 장력 패턴을 제공하는 것이 적합하다. 이 경우, 반응시간은 느려질 수 있지만 수동주행 시간이 짧아져 제어권 전환이 더 유연하게 이루어질 수 있다.

본 연구의 한계점은 다음과 같다. 첫째, 선행 연구를 바탕으로 긴급도가 다른 안전벨트 장력 패턴을 디자인하였으나, T_HU1을 제외하고 나머지 패턴 간에는 반응시간과 수동주행 시간에서 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 이는 실험참여자들의 ‘제어권 전환 알림이 주어졌을 때 제어권 전환 상황에 집중하느라 패턴의 긴급성을 느끼기는 어려웠다’라는 의견과, ‘장력 패턴을 받았을 때 그 즉시 제어권 전환을 하려고 해 안전벨트를 당긴다는 느낌은 들었지만, 패턴의 느낌을 파악하기는 어려웠다’라는 피드백에서 그 원인을 찾을 수 있다. 이러한 결과는 안전벨트 장력 패턴이 적합한 제어권 전환 운전 상황과 장력 패턴의 디자인에 관한 추가 연구가 필요함을 시사한다. 또한, 시뮬레이터 상에서의 제어권 전환 이벤트가 도로 위에 장애물이 있는 상황 하나로만 고정된 것도 아쉬운 점이었다. 선행 차량의 급정지, 옆 차선 차량의 끼어들기 등 다양한 제어권 전환 상황에 적합한 안전벨트 장력 패턴을 개발하기 위한 추가 연구가 필요하다.

둘째, 시뮬레이터 구현 시 안전벨트 장력 구동을 위한 모터 출력에 한계가 있어, 모터가 가할 수 있는 장력 수준에도 제약이 있었다. 만약 더 높은 출력의 모터를 사용해 넓은 범위의 장력 값을 제공할 수 있다면, 더욱 정밀한 역치 실험을 통해 안전벨트 장력 패턴 변수에 대한 세밀한 역치 값을 도출할 수 있을 것이다.

셋째, 본 연구는 긴급도에 따른 네 가지 안전벨트 장력 패턴을 제안했으나, 모터를 안전벨트의 한쪽에만 연결하여 한 방향으로만 장력을 가했다는 한계가 있었다. 이로 인해 장력 패턴이 단순해졌고, 위/아래 방향성을 전달할 수 없었다. 후속 연구에서는 안전벨트 버클에도 모터를 장착하여 양방향으로 장력을 구동할 수 있다면, 방향성을 가진 장력 패턴을 구현할 수 있을 것이다. 이를 통해 위험 방향이나 회피 방향을 시트 진동으로 전달했던 쉬, 우, 정, 장, 장, 루, 차이(Shi, Wu, Zheng, Zhang, Zhang, Lu & Chai, 2022)의 연구처럼, 안전벨트 장력 패턴으로도 이러한 방향 정보를 제공하는 방법을 연구할 수 있을 것이다.

넷째, 동일한 안전벨트 장력 패턴이라도 운전자가 실제로 느끼는 촉감은 착용한 옷의 재질과 두께에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 여름에 얇은 상의를 입었을 때보다 겨울에 두꺼운 외투를 입었을 때는 동일한 촉감을 전달하기 위해 더 강한 장력이 필요할 수 있다. 또한, 운전자의 성별이나 신체 특성에 따라 상체의 촉감에 대한 민감도가 다를 수 있다. 따라서 옷의 두께가 촉각 인지에 미치는 영향을 정밀하게 분석할 필요가 있으며, 장력 강도를 운전자가 자동차 설정에서 조절할 수 있도록 하는 것도 유용할 것이다.

마지막으로, 제어권 전환 알림 유형에 대한 반응시간 분산분석 결과에서 P값이 0.085로, 유의수준 0.1에서만 유의한 차이를 보였다. 이에 따라 가설 3을 채택하기에는 긴급도가 다른 장력 패턴 간의 유의한 차이가 크지 않았다. 이는 실험참여자 수가 부족했기 때문으로 판단되며, 참여자 수를 늘려 후속 연구를 수행할 필요가 있다.

레벨 3단계 자율주행 자동차의 제어권 전환 알림에 관한 연구는 활발히 진행되고 있으나, 안전벨트의 장력을 활용하는 방안에 관한 연구는 그 잠재력에 비해 아직 부족하다. 자율주행 중 시각 및 청각 알림은 미디어 소음, 자동차 소음, 동승자와의 대화 등으로 인해 무시될 수 있어, 촉각 알림을 포함한 중복 코딩 설계가 필요하다. 본 연구는 레벨 3단계 자율주행 상황에서 촉각 제어권 전환 알림으로서 안전벨트 장력 패턴이 효과적임을 증명하였으며, 운전자가 장력 패턴을 통해 긴급도를 다르게 인식할 수 있음을 밝혔다. 앞으로 본 연구에서 제시된 안전벨트 장력 패턴을 기반으로 더 다양한 촉각 피드백을 설계하고, 이를 실제 자율주행 자동차의 제어권 전환 알림 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgments

This research was supported by Seoul National University of Science and Technology and published based on master’s thesis of the corresponding author.

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