Ⅰ. 서 론

오늘날 자전거는 무동력, 무공해 교통수단으로서 아웃도어 레저용 외에도 친환경 대체 교통수단으로도 각 광 받고 있다. 이로 인해 지속적인 이용자의 증가로 교통 혼잡 및 사고 등 문제가 발생하고는 있지만, 각국 정부는 친환경 정책의 일환으로 자전거 이용 활성화를 주도하고 있어 자전거에 대한 수요는 지속적으로 증 가할 것으로 예상된다.

이렇듯 자전거 이용자수가 증가함에 따라 자전거에 따른 사고 또한 증가하는 추세인데 자전거 안전사고 발생 원인을 분석한 결과, 주행 중 부주의 또는 급정거 하면서 넘어지거나 미끄러져 다친 사례가 80% 정도 로 가장 많았고, 도로 노면 상황으로 인한 사고의 경우 도로 턱, 웅덩이 등으로 인해 넘어져 다친 사례, 난간, 쇠기둥 등에 부딪히면서 넘어져 다친 사례 등의 순이었으며, 다친 신체부위는 얼굴, 머리, 다리, 목, 어깨 등 의 순이었다. 자전거 도로 안전사고를 연령별로 분석한 결과, 20~29세가 가장 많아 대체적으로 사회적 활동 기에 사고로 인한 사회적 비용이 증가되고 있음을 알 수 있다(Na et al., 2014).

또한 자전거가 갖는 제한적인 운전조건에 따라 교통사고 발생 시 사고원인 분석에 어려움을 갖고 있어 상 황파악을 위한 자전거 블랙박스의 필요성이 대두되고 있다. 현재 자전거 블랙박스 시장을 보면 주로 카메라 영상을 이용한 제품군이 주종을 이루고 있다. 판매되고 있는 제품 중 많이 사용되는 것으로는 팅크웨어 TC-1, 사이클릭 플라이 CE 시리즈, 바이크 티 액션 카메라 등이 있다(Thinkware, 2019;BikeT, 2019;Cycliq, 2019). 이 제품들은 주로 영상 위주의 제품이며, 고해상도를 지원하고, 저장기능 및 녹화기능, 전용 앱 등을 제공하기도 하지만, 영상중심의 블랙박스는 카메라를 중심으로 하기 때문에 고가이며, 저시정의 경우 카메라 가 사용 시 시야에 제한이 있고, 야간 주행 시 특별한 추가회로가 필요하게 된다(Yu et al., 2014;Kim et al., 2014;Lee et al., 2017).

본 연구는 자전거 사고발생시 사고 상황을 파악할 수 있도록 자전거 블랙박스 기술을 구현하는 것을 목적 으로 하여 센서 위주의 저가형으로 구성하였으며, 자전거 운행상태에 대한 가속도, 기울기, 위치 데이터가 자동으로 저장되며, 사고방지를 위하여 운행자가 소유한 스마트 폰으로 실시간 운전 상태 감시가 가능하도 록 하였다.

Ⅱ. 관련 기술 동향

한국교통연구원의 연구에 따르면 자전거의 교통수단 분담율은 2% 정도에 불과하지만, 교통사고 비율은 전체 교통사고에서 5% 넘게 차지한다고 한다. 현재 일반 교통사고 사망자수는 감소 추세이지만 자전거 사고 발생 건수는 오히려 증가 추세이며, 전국의 고속도로 사망사고에 버금가는 사망사고가 발생하고 있다.

자전거 교통사고 분석 결과 자료를 보면 주요 사고 장소는 횡단보도, 교차로, 진출입로 순이었으며 자전거 교통사고 5건 중 1건은 자전거가 피해자가 아니라 오히려 가해자라는 놀라운 사실이었다. 자전거 사고의 주 요원인으로 전방 주시 태만이 가장 많은 것으로 차량을 살피지 않고 주행하다가 일어난 사고가 전체의 60% 를 넘는다. 아울러 자전거 교통사고 대부분에서 안전모 미착용 사고였고, 야간 사고 경우는 후미등을 점등하 지 않은 사고인 것으로 판명되었다.

자전거와 차량사고의 대부분은 측면 직각 충돌사고, 자전거 단독사고는 도로이탈, 추락 사고가 많고 치사 율도 높이며, 자전거 사고 발생은 14세 이하 어린이 청소년이 가장 많고, 사망자는 61세 이상이 가장 많은 것으로 분석되었다(Choi et al., 2016).

이와 같은 사고를 미연에 방지하기 위하여 정부는 여러 가지 방안들을 모색하고 있으며, 자전거 안전과 교통사고 발생에 대비한 여러 가지 제품들 역시 출시되고 있다.

자전거 블랙박스 시장은 주로 카메라에 의한 영상 모니터링 제품이 대세이다. 영상 기술 전문 기업 H사 블랙박스는 8MB 이미지 센서를 탑재해서 360도 촬영 가능한 QHD(Quad High Definition: 쿼드)급 고해상도 자전거 블랙박스를 출시하고 있다. 이 제품은 기존의 2MB급 제품에 비해 해상도가 4배 높고, GPS 모듈 (Global Positioning System: 위성항법장치) 을 내장, 사용자 위치 정보와 속도까지 확인할 수 있다. 헬멧에 장 착하여 주변을 360도 전 방위로 촬영할 수 있다(Hexhive, 2019).

T사는 차량용 블랙박스를 포함하여 모터사이클 블랙박스 뿐만 아니라 자전거 전용 블랙박스 공급하고 있 다. 특징으로는 야간 영상 솔루션인 울트라 나이트 비전, 주행 시 격한 움직임에도 뚜렷하게 영상을 구현할 수 있도록 항공 드론에 사용되는 기술을 도입하였고 도난 방지 기술 및 실시간 위치 및 영상 구현, 확인도 가능한 전용 스마트폰 어플리케이션 등을 적용하였다(Thinkware, 2019).

이와 같이 현재 국내에서 출시되는 자전거 블랙박스는 영상위주의 고감도 카메라 장착과 360도 전 방향 감시, 고기능을 탑재하여 고가로 시판되고 있다. 그러나 고감도 카메라 해상도에도 불구하고 자전거 야간 운 전이라든지 기상 악화 시 자연적인 조건으로 영상취득에 어려운 점이 있으며, 사고발생시 육안에 의하여 자 전거 상태를 확인하고 있다.

자전거 사고가 발생하면 사고당시의 자전거 위치, 상태에 대한 기울기 및 가속도 상태 등의 데이터가 필 요하다. 본 연구에서는 이러한 자전거 상태 데이터를 운전자의 스마트 폰으로 실시간 전송과 더불어 블랙박 스 내부에 동시 저장이 가능하도록 하며, 저가형의 블랙박스로 구현하였다.

Ⅲ. 시스템 구현

본 논문에서 구현한 자전거 블랙박스는 크게 자전거에 장착되는 블랙박스와 전용 어플리케이션이 설치된 스마트 폰으로 구성된다. 블랙박스 내부에는 6축 IMU(Inertial Measuring Unit : 관성측정장치)센서와 GPS 모 듈을 장착되어 있으며, 데이터 전송을 위한 지그비와 블루투스 솔루션이 있다. 평상시 6축 IMU센서와 GPS 데이터를 기반으로 자전거의 위치 및 기울기, 속도 등의 데이터를 저장하고, 블루투스를 통해 자전거 운전자 의 스마트폰으로 이 데이터를 전송하여 운전자가 상태를 확인할 수 있다. 이와 같은 기능은 사고 발생 시 자 전거의 사고 위치, 시간 및 자전거 돌발적인 기울기와 가속도를 저장하여 사고 당시 상황 파악이 가능하도록 한다. 한편으로는 블랙박스 외부에 센서를 확장하기 위하여 지그비 솔루션이 추가되어 있으며, 데이터 저장 을 위한 SD카드(Secure Digital Card : 메모리 카드), 전원회로 및 충전회로 등이 내장된다. <Fig. 1>은 구현한 자전거 블랙박스의 시스템 구성을 나타낸다.

1. 블랙박스 모듈 설계 제작

블랙박스 모듈은 자전거의 운행상태를 실시간 감시하며, 사고발생시 사고 시간, 사고 위치 좌표, 사고당시 가속도 및 기울기(Yaw, Pitch, Roll)를 알 수 있어야 한다. 이를 위한 블랙박스 모듈은 <Fig. 2>과 같이 구성하 였다.

<Fig. 2>에서 기울기 센서는 MPU9250을 사용하였다. MPU9250은 MPU6050 센서의 후속제품으로 가속도 와 자이로 센서, 지자기 센서가 1개의 센서에 모두 포함하고 있는 센서이다. MPU9250은 I2C(Inter Integrated Circuit)통신 프로토콜을 통해서 데이터를 추출한다. 자이로 센서의 입력 범위를 ±250, ±500, ±1000, ±2000°/sec 단위로 조정이 가능하고, 가속도 센서는 ±2g, ±4g, ±8g, ±16g 단위로 조정이 가능하다. 지자기 센 서는 3축 실리콘 모놀리식 회로를 사용하고 있으나, 본 연구에서는 제외하였다.

한편 데이터 저장을 위한 SD카드가 있으며, 위치 좌표를 얻기 위한 GPS 모듈, 스마트폰으로 데이터 전송 을 위한 블루투스 센서가 있다. 특별히 지그비 솔루션은 블랙박스 외부 센서로부터 데이터를 수집하는 경우 에 사용할 목적으로 구성되었다. 이를테면 운전자의 헬멧 센서 등 필요에 따라 추가할 수 있다. 그러나 실험 의 복잡성을 고려하여 추가적인 외부 센서는 사용하지 않았다. 또한 부속회로로서 블랙박스 모듈용 전원회 로와 충전회로 및 전원 감시회로로 구성된다.

블랙박스는 전원이 공급되는 한 상시 운용되며, 모든 기능은 평상시 또는 긴급 상황 발생 시 동일하게 동 작된다. 자전거 위치 좌표는 GPS 모듈을 통해서 알려지고 자전거 가속도 및 기울기는 IMU 6축 센서에 의하 여 검출된다. 특별히 9축 센서를 사용하지 않은 이유는 지자기에 의한 오차도 문제지만, 본 연구에서는 불필 요하다고 생각되어 6축으로 제한하였다. 검출된 모든 데이터는 SD카드에 저장되며 한편으로는 블루투스를 통하여 자전거 운전자의 스마트폰으로 전송된다. 또한 스마트 폰에는 블랙박스 전용 앱이 설치되어있어 자 전거 운전자가 실시간으로 자신의 자전거 상태를 감시할 수 있다. MCU(Micro Controller Unit : 단일 칩 내부 프로세서)는 각종 데이터의 전송에 필요한 알고리즘을 탑재하여 취부하였다(Kim et al., 2015).

<Fig. 3a>는 부품이 실장 된 PCB(Printed Circuit Board : 인쇄 회로 기판)이며, <Fig. 3b>는 PCB 상세를 나 타내며 ①은 전원스위치, ②는 블랙박스 상태 LED로 좌측부터 전원상태, 밧데리 충전, 블루투스, 지그비, GPS를 나타내고, ③은 6축 센서, ④는 배터리 충전 포트, ⑤는 SD카드, ⑥은 GPS, ⑦은 지그비, ⑧은 블루투 스, ⑨는 MCU이다.

<Fig. 4>은 완성된 블랙박스 모듈을 나타낸다.

2. 스마트폰 어플리케이션 제작

스마트 폰 어플리케이션은 유니티(Unity) 및 안드로이드 스튜디오(Android Studio)를 사용하여 제작하였다. 유니티로 안드로이드 어플리케이션을 빌드할 경우 유니티의 블루투스 통신체계와 안드로이드 블루투스 통 신의 주소 체계가 다르기 때문에, 이를 맞춰주기 위해 안드로이드 스튜디오를 이용하여 자체 블루투스 플러 그인을 제작하여, 유니티의 함수와 직접적인 통신을 가능하게 하였다. 또한 유니티에서 사용하지 못하는 기 존의 안드로이드 기능을 수행할 수 있도록 안드로이드 UI 플러그인을 제작하여 연결을 할 때 또는 연결이 된 후 사용자에게 피드백을 줄 수 있는 기존의 안드로이드 시스템을 활용 할 수 있도록 하였다. 블루투스 통 신 간 데이터는 100ms 간격으로 데이터를 받으며, 받은 데이터는 즉시 유니티의 UI/UX에 반영이 되어 사용 자에게 보여주도록 하였다. 통신 시 전달받는 가속도 값과 GPS값은 <Table 1>, <Table 2> 로 나타내었다.

<Fig. 5> 는 어플리케이션 구성도를 나타내고 있으며, <Fig. 6a>, <Fig. 6b>는 구현된 스마트 폰 어플리케이 션 UI(User Interface : 사용자 인터페이스)를 나타낸다. <Fig. 6a>는 스마트 폰에서 블루투스 연결화면을 나타 내는데 여기서 연결 디바이스를 선택하고, <Fig. 6b>로 전환되어 자전거 가속도 및 기울기 데이터를 화면에 서 확인할 수 있게 된다.

Ⅳ. 실험 및 분석

1. 블랙박스 동작시험

블랙박스 상태에 따른 기울기와 가속도 데이터의 스마트 폰 간의 수신여부와 블랙박스 내부의 SD카드 저 장여부를 확인하기 위하여 실험을 실시하였다.

<Fig. 7>은 블랙박스와 스마트폰 간의 통신 테스트를 보여준다. 여기서 년, 월, 시간, 위도, 경도, 가속도 및 기울기 데이터를 확인할 수 있다. <Fig. 7a>은 YAW 0, PITCH 0, ROLL –87°인 경우를 나타내며, <Fig. 7b> 인 경우는 YAW 0, PITCH -44, ROLL –47°를 나타내고 있다. 실험을 통하여 블랙박스의 기울기와 가속도는 움직임에 따라 민감하게 반응하고 있음을 확인하였고, 모든 데이터는 SD카드에 저장됨을 확인할 수 있었다.

<Table 3>은 블랙박스의 SD카드 데이터를 나타낸다. GPS 및 6축 센서 데이터를 주기적으로 저장하며 각 각의 데이터는 탭(‘￦t’)으로 구분하고, 데이터 필드는 CR, NL(‘￦r’, ‘￦n’)으로 구분한다.

GPS데이터는 날짜(yymmdd), 시간(hhmmss), 위도, 경도, 속도(km/h) 순이고, 가속도(ACC)는 accX accY accZ 순이며, 자이로(Gyro)는 gyroX gyroY gyroZ 순으로 기울기(Angle)는 Yaw Pitch Roll 순으로 나타낸다. 여기서 6축 센서 출력 범위는 가속도가 -32768(-2G)에서 32767(+2G)(1G = 16383)이며, 자이로는 –32768(-250degree/sec) 에서 32767(+250degree/sec)범위를 나타낸다.

<Fig. 8>은 필요에 따라 블랙박스 외부에 센서를 추가하는 경우, 외부 센서 데이터를 지그비로 전송하였을 경우를 나타낸다. 지그비 전송시험을 위하여 외부 센서를 가정한 임의의 지그비 모듈을 사용하였다. 지그비 전송상태 시험은 시리얼 웍스를 통해 실험하였고, <Fig. 8a>는 데이터 전송 상태를 보여주며, <Fig. 8b>는 컴 퓨터의 시리얼웍스 수신 상태를 나타내고 있다.

자전거에 부착된 블랙박스의 기울기와 가속도 데이터를 실시간 얻기 위해서는 자전거를 운행하면서 고속 으로 촬영을 해야 하기 때문에, 본 실험에서는 임의의 기울기를 만들어 실험을 수행하였다. 또한 블랙박스와 스마트 폰 간의 통신을 위해 스마트 폰 UI의 첫 페이지에서 디바이스를 연결하면 전송되는 데이터를 확인할 수 있었다.

2. 자전거 야외 주행 블랙박스 시험

<Fig. 9>은 자전거 주행 시험을 모습을 나타낸다. <Fig. 9b>는 실험을 위하여 블랙박스를 자전거 후면 몸 체에 장착하였고, 블랙박스로부터 블루투스 데이터 전송 확인을 위하여 <Fig. 9c>와 같이 자전거 운전자 왼 팔에 스마트 폰을 착용하였다.

<Fig. 10>은 경사를 주행하면서 사고를 가정한 모습을 나타낸다. 실험을 통하여 자전거에 부착된 블랙박스 에서의 주행 중 기울기와 가속도 데이터가 스마트 폰으로 양호하게, 실시간으로 자전거 운전자의 왼팔에 착 용된 스마트 폰으로 전송되고 있음을 확인하였으며, 동시에 블랙박스 SD카드에도 정상적으로 저장되고 있음 을 확인하였다. SD카드의 데이터 확인은 주행 후 PC에서 확인하였다.

<Fig. 11>은 도로의 회전구간을 주행하면서 사고를 가정한 모습을 나타낸다. 실험을 통하여 자전거에 부착 된 블랙박스에서의 주행 중 기울기와 가속도 데이터 및 사고를 가정하여 자전거가 쓰러지는 경우의 기울기 와 가속도 데이터가 실시간으로 자전거 운전자의 왼팔에 착용된 스마트 폰으로 전송됨과 동시에 블랙박스 SD카드에도 저장되고 있음을 확인하였다.

Ⅴ. 결 론

자전거는 무동력, 무공해 교통수단으로 아웃도어 레저용 외에도 친환경 대체 교통수단으로도 각광 받고 있어 그 사고 또한 증가 추세이다. 본 연구는 자전거 사고발생시 자전거의 상태를 정량적 데이터로 제공하여 사고 정황을 파악할 수 있도록 자전거 블랙박스 기술을 구현하는 것을 목적으로 하였다.

자전거 사고 발생 시 가장 중요한 정보는 사고당시 위치, 사고당시 자전거 상태 등의 정보가 필요하다. 본 연구에서 블랙박스 내부에 GPS 모듈을 사용하여 위치와 좌표를 얻었으며, IMU 센서에 의하여 사고당시 자 전거의 기울기, 가속도 데이터를 확보하도록 하였다. 또한 실시간으로 자전거 운행 시 자전거의 위치 좌표, 기울기, 가속도 데이터들은 블랙박스 내부 SD카드에 저장되고 동시에 블루투스를 통하여 자전거 운전자의 스마트 폰으로 전송하도록 하였다. 운전자는 스마트 폰 어플리케이션을 통하여 자전거의 상태를 확인할 수 있다. 또한 추가적인 외부 센서의 확장을 위해 지그비 모듈을 내장하였고, 추가 외부 센서 데이터 역시 SD카 드로 저장되게 하였다.

블랙박스 시험은 블루투스에 의한 스마트 폰 전송시험과 지그비 수신 시험을 수행하였으며, 외부에서 자 전거 주행시험을 통하여 이를 확인하였다. 이를 통해 블랙박스의 인위적인 3차원 위치에 따라 기울기 및 가 속도가 스마트 폰으로 전송되고 있음을 확인하였고, 동시에 SD 카드에 저장됨을 확인하였다. 지그비 모듈 시험은 임의 지그비 모듈을 사용하여 PC상에서 지그비 전용 수신 프로그램을 통하여 이를 확인하였다.

야외에서 자전거 주행시험은 블랙박스를 자전거에 장착하고, 스마트 폰은 운전자의 왼팔에 착용하여 실시 하였다. 자전거의 경사 주행, 회전 주행 등의 여러 번의 주행시험과 사고를 가정한 자전거가 쓰러지는 상태 를 연출하여 전송상태를 확인하였다. 각 상태에 따라 GPS에 의한 위치, IMU에 의한 기울기, 가속도 데이터 가 스마트 폰 UI상에서 전송됨을 확인하였고, 동시에 SD카드에도 저장됨을 확인하였다. 이를 통하여 블랙박 스의 기능은 양호한 것으로 판단되었다.

향후 본 연구를 바탕으로 보다 소형, 경량화를 통하여 저가형의 자전거 블랙박스 제품화가 기대되며 긴급 구호를 위한 자동 긴급구조 신호 전송 장치와 같은 부가적인 회로의 보완이 필요할 것으로 생각된다.