2009 KSAE Copyright @ 2009 KSAE KSAE09-B0170 자동차 HUD 의제어 ECU 개발에대한연구 전대홍 *1) 오준규 1) 강호준 2) 변동규 2) 손수락 2) 에스엘라이팅 *1) 에스엘주식회사 2) Study on the Development of HUD ECU in Automobile Daehong Jeon *1) Junkyu Oh 1) Hojoon Kang 2) Dongkyu Byeon 2) Surak Shon 2) *1) SL Lighting Corporation, 887-4, Genmdan-dong, Buk-gu, Daegu, Korea 2) SL Corporation, 1208-6 Sinsang-ri, Jillyang-eup, Gyeongsan-si, Gyeongbuk, Korea Abstract : By the increase of the interests on the Advanced Safety Vehicle (ASV) recently, the research on the Head-Up Display (HUD), which is the device to improve driver's sight, has been going on actively. The one of benefits of HUD is that it improves the driver's sight by showing necessary information by the image on the front glass while driver is driving to improve the driving and safety. HUD is structured with the optical device, ECU, and Display part, and also it is necessary to develop the proper ECU to automobile specifications in order to adapt to automobiles. This paper discusses about the necessary ability categories and quality elements, and we made and tested in the simulator, which has same condition as real automobile situation. Key words : HUD(Head-Up Display), Advanced Safety Vehicle(ASV), Windshield( 차량전면유리 ), BLU(Back Light Unit), Glow 현상 (LCD의배경 ) 1)1. 서론 Advanced Safety Vehicle( 이하 ASV) 에대한관심이고조되면서차량충돌예방기술에대한연구가활발히진행중이다. 이러한충돌예방기술중운전자의시계향상을위한장치로 Head-Up Display( 이하 HUD) 가있다. HUD는초기항공조정성향상을위하여개발되었으며, 최근에는자동차에 ASV 기술로적용되어가고있는추세이다. HUD를자동차에적용하고자하는큰이유는계기판의클러스터를통하여차량의운행정보를운전자에게전달하 는현재의방식의문제점 ( 운전자의시선이차량의전방을향하지않아사고의위험을내포하고있는문제점 ) 을해소하기위함이다. 운전자의전방시야이탈로인한사고는전체교통사고발생율에많은비중을차지한다. * 전대홍, E-mail: daehongjeon@sl.co.kr 그림 1. 교통사고의분석
그림 1은일본국토교통성의교통사고발생원인을나타낸통계자료이며, 교통사고의발생원인이운전자의부주의가가장큼을확인할수있다. 운전자의시야이탈을방지할경우, 교통사고율을줄일수있을것이라고판단되며운전자의시야이탈방지를위한 HUD는사고자체를방지하고자하는 Pre-Crash system의범주에포함된다고볼수있다. 그러나 HUD에차량주행에중요한필요정보이외에많은정보를 Display할경우본래의목적에서벗어나운전자의차량정보인지력을떨어뜨리며, 시야를산만하게하기때문에 Display 정보선정또한중요한요소이다. 본논문에서는 HUD의개요, 전체구성요소및기능에대하여논의하며, 차량사양에적합한 HUD 제어 ECU를개발하기위한필요기능항목및성능요소에대하여논의한다. 마지막으로제어 ECU를설계및제작하여차량환경과동일한시뮬레이터환경을구성하여기능검증을하였다 2. HUD 구성요소 HUD는운전자의시야위치에운행에필요한도로정보및차량정보를표시함으로써운전의편이성과안전성을도모하여안전운행성을향상시킬수있다. 그림3. GM사의결상이미지컨셉 HUD의결상영상은 Windshield에그림 3과같이차량경고등과속도정보등을나타나게된다. HUD의구성요소는다음과같다. 광학기구부 제어부 ( 제어 ECU) Display 부광학기구부의설계에따라 Windshield에결상되는이미지의초점과위치, 크기가결정되게된다. 제어부 ( 제어 ECU) 는차량 ECU와의통신을통하여차량정보를취득하며결상되어질 Graphic Icon으로가공하게된다. 그리고출력할결상영상의생성과밝기제어, 높이조절을제어하는기능을가진다. 최종적으로 Display부는제어부에서가공된영상을 LCD상으로나타내게된다. 광학부 제어부 ( 제어 ECU) 그림 2. HUD 컨셉도 그림 2는 HUD의컨셉을나타낸다. 차량데쉬보드에장착된 HUD는이미지소스를반사미러를통하여윈드쉴드에차량정보를결상함으로서운전자시선의초점변화없이차량정보의습득이가능하게된다. Display 부 그림 4. HUD 의구성요소
3. HUD 제어 ECU 개요 HUD에서제어 ECU의주기능은차량정보를결상되어질이미지로가공및 HUD의기능을제어하는것이다. HUD는 Human Machine interface( 이하 HMI) 범위에속하므로, 사용자의편의성을최대한반영하여야설계되어야한다. 그러므로사용자의관점에서다음의사항이고려되어야할것이다. 사용자의눈높이가같지않음. - Windshield의결상영상높이조절필요. 사용자마다밝기의평가가주관적임. - 주야간시인성을고려한자동밝기조절및사용자의수동영상밝기조절기능필요. 사용자는차량경보 / 속도정보를 Windshield 에서인식할수있어야함. - HUD의 Display 항목사양결정필요. Night Vision과같은 application과의연동을통한사용자편의성을가져야함. - HUD의외부입력 Video port 필요. 3.1 HUD 제어 ECU 설계 HUD 제어 ECU를사용자의입장을고려하여설계되어야한다. 1) 결상영상의높이조절결상영상의높이제어를위해서는모터를이용하여반사 mirror의조절기능이필요하다. 2) 결상영상밝기제어결상영상의밝기는 Display부의 BLU(Back Light Unit) 에의하여결정된다. BLU는 Matrix 구조의 LED Type으로구성되어있으며, LED Drive를이용하여 control이되도록설계하였다. BLU 밝기가너무높을경우 Glow 현상 ( 표현할이미지이외의 LCD 전체형태나나타나는현상 ) 이발생하므로사용자의밝기변화폭에대한제약이필요하다. BLU Grow 현상그림6. BLU 및 Grow 현상 3) HUD의 Display Graphic symbol 생성 HUD는운전자의시야이탈없이차량정보를 Windshield에서인식이가능하여야한다. 그러므로차량주행중가장필요한정보인차량의경보정보와속도정보를표현할필요가있다. 이러한정보는자동차의 ECU에서전송되어진정보를기반으로 Graphic symbol화되어지게된다. 기능구현을위하여 CAN 통신이가능하도록회로를구현하고 Graphic symbol 생성을위한 GPU(Graphic process unit) 회로를구현설계하였다. 표1. Graphic symbol 사양신호 Graphic symbol 차속 0부터9까지숫자 기어위치 그림5. 결상이미지높이조절컨셉도그림5는결상이미지의높이조절을위한모터제어기능컨셉도이다. PWM를이용하여반사 mirror 모터를제어하도록설계하였다. 엔진 / 연료 / 배터리경고방향지시표1은차량 ECU의정보에따른Graphic symbol 사양이다.
4) Application과의연동성. Night Vision과같은 application과의연동을위하여회로설계시 video input port를추가설계하였다. video format은 NTSC 입력을사용하도록하였으며, 별도의 mode 전환입력신호를받아 application (Night Vision) 과차량정보 mode 전환이가능하도록설계하였다. Application의영상출력을위하여 Video decoder와 GPU가주기능을담당한다. 준구동되도록설계하며, 또한차량 ECU와 CAN 통신, HUD 제어를위한각종스위치와 Interface를구현하여설계완료하였다. 4. 실험및검증 HUD 제어 ECU의실험및검증을위하여다음과같은실험환경을구축하였다. 가상의차량 ECU의신호출력과 HUD의전원공급, 제어를위하여별도의시뮬레이터 control box를제작하였다. 시뮬레이터 control box는현재양산차량인그랜저 TG의 ECU CAN 통신과동일한신호출력을가지도록구현되었다. 표 2. HUD Simulator Control box 사양표 그림7. Application(Night Vision)Mode 출력영상컨셉도 3.2 HUD 제어 ECU Block diagram HUD 제어 ECU는 HUD의기능제어를위한 Control board와 Graphic symbol 생성및제어를위한 Graphic board로 2board type으로설계되었다. 항목 CAN 통신 Image 제어 MODE 전환전원 Signal 상세차속, 경고 1. LCD 밝기 2. 반사 mirror 각도조절 1. 차량정보 2. Application mode (Night Vision) 12V/4A Turn signal 차량 ECU 밝기조절 / Mode 전환스위치 Main Power CAN Control Board MCU Graphic Board GPU Video decoder Application Video 12V Turn signal LED Drive Motor Drive LCD BLU 반사mirror motor 그림8. HUD 제어 ECU Block diagram 그림8은 HUD제어 ECU의 Block diagram이다. 2개의 MCU가사용되었으며, Control 보드에는 MCU, Graphic board에는 GPU가각각적용되어설계구현되었다. 전원은차량환경에적합한 12V기 그림9. HUD Simulator Control box 그림9 는실제제작된 HUD Simulator Control box이다. 속도와 LCD 밝기조절은다이얼노브 ( 가변저항 Type) 를조절하여출력신호를변경하도록제작하였다.
전면 Control board Graphic Board 그림 12는설계 / 제작된 HUD제어 ECU의구동되고있는그림이다. 실제양산차량인그랜저 TG의 CAN 출력과동일한신호를 HUD 제어 ECU에전송하여차량속도정보및경보신호가 Graphic symbol화되어출력됨을확인할수있었으며, 또한 Application(Night Vision) 의영상출력또한정상작동됨을확인할수있었다. 후면 5. 결론 그림10. 제작된 HUD 제어 ECU 그림 10은자동차에적용이가능하도록설계된 HUD 제어 ECU이다. Control Board와 Graphic Board는차후장착된 HUD의기구물을고려하여, 2층 Layer type으로조립가능하도록 PCB 디자인을하였으며, 구동테스트를위하여외부 Interface(LCD, 반사 Mirror 모터, BLU) 장착구성은그림 11과같다. 본논문에서는운전자의주행향상성을위한 HUD 의제어 ECU 설계를위하여항목도출및설계제작을하여검증을하였다. 그리고양산차량인그랜저 TG의 CAN 출력을시뮬레이터시켜 HUD제어 ECU를구동함으로써, 자동차용으로적합한 HUD임을확인할수있었다. GUI라할수있는 Display부의화면디자인은사용자의 Feeling에의하여주관적으로판단되므로, Graphic symbol 설계시에많은사용자의리뷰가필요할것이라고판단된다. 감사의글본연구는지식경제부의산업기술개발사업 ( 성장동력기술개발사업- 통합충돌안전제어시스템개발 ) 에의해수행되었습니다 References 그림 11. HUD 제어 ECU 와외부 interface 조립. 그림 12. HUD 제어 ECU 구동화면 1) 전자통신동향분석제 23 권제 1 호 2008 년 2 월 2) "Visibility of Head-Up display for automobiles, Human Factors and Ergonomics society", p.p 1574-1578, 1991 3) "Development of hologram Head-up Display", Society of Automotive Engineers, SAE p.p. 920600, 1992 4) "The good the bad and the ugly of Head-Up display",vol 19 No 2,2000, IEEE Engineering in medicine and biology magazine. 5) HeadUpDisplay Concepts for commercial Trucks, SAE p.p. 9116811 6) 전대홍, 오준규, 손수락, 자동차용 Head-Up Display 의시인성향상에대한연구, 한국자동차공학회 2008 년도추계학술대회논문, DVD_KSAE08-A041