KR102181867B1 - 무회전 스캐닝라이다 및 그것을 이용한 하이브리드 라이다 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송광부 및 수광부를 모두 모터없이 무회전식으로 구비하여 부피를 작게 하고, 단가를 대폭 낮춘 무회전 스캐닝라이다에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 빛을 일정 범위로 방사하는 송광부; 상기 일정 범위에 포함된 측정물체에서 반사된 빛을 수광하되, 선택적으로 수광하여 스캐닝하고 수광된 빛을 전기신호로 변환하여 주는 수광부; 상기 송광부 및 수광부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 스캐닝라이다를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 라이다의 크기를 대폭 줄이면서도 고분해능 해상도를 구현할 수 있으며, 외부로부터의 빛을 차단하고 원하는 빛만 수광하여 노이즈를 저감시킴으로써 안정된 구동을 보장할 수 있다.

Description

무회전 스캐닝라이다 및 그것을 이용한 하이브리드 라이다{IRROTATIONAL SCANNING LIDAR AND HYBRID LIDAR USING THE SAME}

본 발명은 무회전 스캐닝라이다 및 그것을 이용한 하이브리드 라이다에 관한 것이며, 구체적으로 송광부 및 수광부를 모두 모터없이 무회전식으로 구비하여 부피를 작게 하고, 단가를 대폭 낮춘 무회전 스캐닝라이다 및 그것을 이용한 하이브리드 라이다에 관한 것이다.

라이다(LIDAR)는 레이저를 타겟으로 방출하고 반사되는 빛을 감지하여 타겟까지의 거리, 방향, 속도 등을 감지하는 센서이다. 최근에는 자율주행차 및 3D 영상카메라의 개발과 맞물려 그 중요성이 증가되고 있다.

라이다의 구동방식은 크게 회전형과 무회전방식으로 나뉜다. 회전형은 모터에 의해 반사거울등을 회전시켜 여러 각도로 빛을 송출하거나 수광하는 방식이고, 무회전방식은 모터를 사용하지 않고 다중배열 수신소자 등을 이용하여 영상정보를 수집하는 방식이다.

회전형 방식은 부피가 커지고 단가가 상승하며, 해상도 측면에서 불리한 단점이 있다. 즉, 회전형 방식에서 해상도를 높이려면 모듈이 커질 수 밖에 없으며, 이러한 기술의 한계를 극복하기는 쉽지 않다.

따라서, 크기를 작게 하면서도 고분해능 해상도를 구현하기 위하여 최근에는 무회전 방식의 라이다가 많이 연구되고 있다.

도 1에 나타낸 공개특허 제10-2017-0112766호에 의하면, 종래기술에 의한 스캐닝 라이다는 펄스레이저를 송출하는 광원(140), 상기 광원에서 송출된 펄스레이저를 스캐닝 방향으로 반사시키는 반사미러(150), 타겟에서 반사된 광을 반사시켜 초점에 맞추는 오목반사미러(110), 오목반사미러에 의해 반사된 광을 광검출부(130)까지 안내하는 가이드 렌즈(120) 등으로 구성된다.

하지만, 상기한 발명에서 송광부는 역시 모터(160)에 의해 반사거울(150)을 회전시켜야 하므로 무회전 방식이라고는 할 수 없다.

또한, 오목반사미러를 이용하여 비교적 작은 크기로 빛을 수광할 수 있는 장점은 있으나, 외부환경에 의해 바람직하지 않은 빛까지 수광하게 되어 노이즈가 빈번하게 발생되는 경우가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이며, 매우 작은 크기로 고분해능 해상도를 구현할 수 있는 스캐닝라이다를 제공하기 위한 것이다.

또한, 외부로부터의 바람직하지 않은 빛을 차단시켜 노이즈를 저감시킬 수 있는 스캐닝라이다를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 빛을 일정 범위로 방사하는 송광부; 상기 일정 범위에 포함된 측정물체에서 반사된 빛을 수광하되, 선택적으로 수광하여 스캐닝하고 수광된 빛을 전기신호로 변환하여 주는 수광부; 상기 송광부 및 수광부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 스캐닝라이다를 제공한다.

상기 송광부는 펄스 레이저를 출력하는 복수 개의 광원을 포함하고, 상기 광원은 다른 각도로 펄스 레이저를 방사할 수 있다.

상기 수광부는 각도에 따라 선택적으로 수광하는 복수 개의 광도파로를 갖는 광도파로모듈을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 상기 수광부에서 스캐닝한 결과를 기초로 광도파로모듈을 패터닝하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제어부는 수광부에서 움직이는 물체가 감지되고 상기 물체와의 거리가 일정 거리 이하이면, 광도파로모듈에서 상기 물체로부터 반사되는 빛에 대응하는 부분을 온시켜 집중적으로 스캔할 수 있다.

상기 광도파로모듈은 복수 개의 광도파로가 인접하여 부채꼴 형태로 구비되고, 상기 제어부는 복수 개의 광도파로 중 적어도 하나를 일정속도로 순차적으로 온시키는 것이 바람직하다.

상기 광도파로모듈의 끝단에는 볼록렌즈가 구비될 수 있다.

상기 제어부는 상기 복수 개의 광도파로 중 적어도 하나 이상을 그룹으로 묶어 선택적으로 스위칭할 수 있다.

상기 제어부는 수광부에서 감지된 물체의 크기에 따라 상기 그룹에 속한 광도파로의 개수를 변화시키는 것이 바람직하다.

상기 스캐닝라이다는 상기 측정물체에서 반사된 빛을 일정한 위치로 반사시켜 상기 광도파로모듈의 끝단에 초점을 형성시키는 오목반사거울을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 라이다의 크기를 대폭 줄이면서도 고분해능 해상도를 구현할 수 있으며, 외부로부터의 빛을 차단하고 원하는 빛만 수광하여 노이즈를 저감시킴으로써 안정된 구동을 보장할 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 스캐닝라이다의 구성을 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명에 의한 스캐닝라이다의 구성을 나타내는 구성도;
도 3은 도 2에서 송광부의 작동을 나타내는 설명도;
도 4는 도 2에서 오목거울의 작동을 나타내는 설명도;
도 5는 도 2에서 광도파로모듈의 구조를 나타내는 구성도;
도 6 내지 도 9는 도 5에서 스위칭부의 실시예를 나타내는 예시도;
도 10은 제어부에 의한 스캐닝 실시예를 나타내는 예시도.

본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 무회전 스캐닝라이다는 광원(200) 및 렌즈부를 포함한 송광부, 오목거울(500), 광도파로모듈(300), 수광소자(400)를 포함한 수광부, 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.

상기 광원(200)은 펄스 레이저를 방출하는 레이저 다이오드 등으로 구성될 수 있으며, 복수 개의 레이저 발진기가 일정 각도를 이루며 조합될 수도 있다.

본 실시예에서, 상기 광원은 넓은 범위로 레이저가 방사되도록 구비되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 도 3을 참조하면, 광원에서 방출된 레이저는 확산렌즈(270)를 거쳐 부채꼴 모양으로 좌우 옆쪽으로 확산될 수 있다. 또한, 이러한 광원을 위 아래로 적층시켜 같은 방식으로 레이저를 방출하면 입체적인 영상을 얻을 수 있다.

상기 광원에서 방출된 레이저는 측정물체에 의해 반사되어 일부가 되돌아 온다. 반사되어 되돌아온 빛은 도 4와 같이 오목거울(500)에 의해 반사되어 광도파로모듈(300)로 반사된다. 이때, 평행한 빛은 상기 오목거울(500)에 의해 하나의 초점으로 모이게 되며, 상기 광도파로모듈(300)의 끝단은 상기 오목거울에 의한 초점상에 위치하게 된다.

상기 광도파로모듈(300)는 반원 또는 부채꼴 형상으로 구비될 수 있으며, 오목거울(500)에서 반사된 빛을 모아 수광소자(400)로 안내하는 역할을 한다.

상기 수광소자는 빛을 감지하여 전기적인 신호로 변환시켜 주는 소자이고, 본 발명에서 상기 수광소자와 광원은 절연체를 사이에 두고 일축 상에 위치한다. 상기 수광소자와 광원이 일축 상에 배열됨으로써 측정물체에서 반사되는 빛을 가장 잘 수광할 수 있는 조건이 형성되어 효율이 극대화될 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 광도파로모듈(300)는 전체적으로 반원형상 또는 부채꼴 형상으로 구비되며, 복수 개의 광도파로(310)가 인접하여 형성된다.

또한, 상기 광도파로(310)의 끝단에는 볼록렌즈(320)가 구비되어 빛이 각각의 광도파로에 확실하게 구분되어 입사되도록 한다.

한편, 상기 광도파로(310)의 중간에는 스위칭부(330)가 구비된다. 상기 스위칭부(330)는 제어부(미도시)에 의해 제어되며, 각 광도파로(310)를 선택적으로 제어하여 빛을 통과시키거나 차단시키는 역할을 한다. 즉, 본 발명에 의하면, 각 광도파로마다 빛의 투과 또는 차단을 선택하여 모터에 의한 회전없이도 원하는 방향의 빛만 수광할 수 있도록 구성된다.

상기 스위칭부(330)는 나노자성모듈 또는 액정으로 구성될 수 있다.

도 6을 참조하여 스위칭부(330)가 나노자성모듈로 구성된 실시예를 설명한다.

상기 광도파로(310)는 코어(311) 및 클래드(312), 나노자성물질(315)을 포함하여 이루어진다.

상기 코어(311)는 빛이 입사하여 진행되는 경로를 형성하며, 상기 클래드(312)는 빛이 코어 내에서 전반사되도록 하는 굴절률을 가진 물질로 이루어진다. 이때, 빛은 대부분 외부로 굴절되지 않고 코어 내에서 전반사되는 것이 바람직하므로 전반사되는 임계각이 커지도록 코어와 클래드의 재질을 선택하는 것이 좋다.

상기 스위칭부(330)의 코어 내에는 나노자성물질(315)이 수용된다. 상기 나노자성물질의 표면에는 계면활성제가 흡착되며, 설정된 액체가 베이스 액체로 구비되어 자기장이 인가되지 않는 경우 나노자성물질이 콜로이드 상태를 유지하여 빛이 통과되며, 자기장이 인가될 경우 나노자성물질이 일정 방향으로 배열되어 빛이 통과되지 않는다.

상기 나노자성물질의 주위로는 자기장을 인가하기 위한 도선이 감겨있다. 제어부에서는 상기 도선에 전류를 인가함으로써 나노자성물질에 자기장을 가할 수 있으며, 전류의 세기를 변화시킴으로써 자기장의 세기를 변화시킬 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는 제어부에서 자기장을 인가함에 따라 자성물질이 코어를 블로킹(blocking)하거나 해제하거나 하여 빛이 차단 또는 통과된다.

도 7을 참조하여 다른 실시예를 설명한다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에서는 나노자성물질이 수용된 자성모듈이 코어의 외부에 구비된다. 상기 자성모듈은 클래드의 사이에 구비될 수 있다.

상기 나노자성물질은 자기장이 인가되면 굴절률이 변하는 성질이 있다. 따라서, 상기 나노자성물질의 주위에 감겨진 코일에 흐르는 전류를 제어하여 상기 나노자성물질의 굴절률을 변화시키면 빛의 경로를 변화시킬 수 있다.

구체적으로, 빛은 코어 내부에서 전반사되어 진행되며, 자성모듈에 자기장이 인가되면 나노자성물질의 굴절률이 변화되어 더 이상 빛은 전반사가 일어나지 못하고 굴절되어 코어 외부로 빠져 나가게 된다. 이로써 빛은 중간에 경로가 바뀌게 되어 수광소자까지 도달하지 못하게 된다.

반면, 빛을 수광소자까지 진행시키려면 굴절률의 변화를 주지 않고 빛이 코어 내부에서 전반사되어 수광소자까지 진행하도록 할 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 자성모듈의 두께는 빛의 진행방향을 따라 경사지게 형성되어 점점 두꺼워지도록 구비될 수 있다. 이에 따라, 빛의 진행방향에 대한 제어가 더욱 용이하게 된다.

한편, 도 9를 참조하여 액정을 이용한 스위칭부의 실시예를 설명한다.

코어 내부에는 제1편광필름(313), 제1전극부(314), 액정(316), 제2전극부(317), 제2편광필름(318)이 순차적으로 구비된다.

상기 제1편광필름과 제2편광필름은 서로 수직방향의 편광된 빛을 통과시키도록 구비되는 것이 바람직하나, 사용조건에 따라 편광각도나 형태는 조절될 수 있다.

제1전극부 및 제2전극부는 빛이 투과되는 투명전극으로 구비되는 것이 바람직하다.

제1전극부 및 제2전극부 사이에 전압을 가하지 않은 상태에서, 제1편광판을 통과한 빛은 액정의 분자배열에 따라 진행하면서 제2편광판을 통과하여 빛이 스위칭부를 통과하는 상태로 된다.

반면, 제1전극부 및 제2전극부 사이에 전압을 가하면, 액정이 한쪽방향으로 배열되면서 제1편광판을 통과한 빛은 그대로 제2편광판으로 진행하여 제2편광판에 의해 차단된다. 따라서, 이 상태는 빛이 스위칭부를 통과하지 못하는 상태로 된다.

제어부에서는 이러한 광도파로모듈을 이용하여 원하는 부분만 빛을 수광하여 수광 스캐닝을 수행할 수 있다. 또한, 이렇게 원하는 부분만 빛을 수광함으로써 외부에서 들어오는 바람직하지 않은 빛은 차단시키고 송광부에서 방사하여 측정물체에서 반사된 빛을 순차적으로 스캐닝하여 수광할 수 있는 이점이 있다.

제어부에서는 복수 개의 광도파로 중 하나 또는 수 개를 그룹으로 묶어 그룹별로 스위칭할 수도 있다. 이때, 다른 부분은 모두 빛을 차단시키고 광도파로모듈의 한쪽 끝에서부터 일정속도로 순차적으로 빛을 통과시킴으로써 전방의 상황을 전체적으로 스캔할 수 있다.

한편, 제어부에서는 상기 수광부에서 스캐닝한 결과를 분석하여 상황에 따라 광도파로모듈을 패터닝함으로써 필요한 부분의 검출을 더욱 정교하게 할 수 있다. 예를 들어, 타겟의 움직임이 관측되면 상기 타겟을 선택하여 집중적으로 스캐닝을 할 수 있다.

구체적으로, 도 10과 같이 제어부에서는 수광부에서 스캐닝 결과 움직이는 물체가 감지되고 그 움직이는 물체의 거리가 일정 거리(집중스캐닝거리) 이하이면 집중스캐닝모드로 전환시켜 광도파로모듈에서는 해당 물체로부터 반사되는 빛에 대응하는 부분을 온시켜 집중적으로 스캔을 하게 된다.

그리고, 상기 움직이는 물체가 일정 범위(알람범위) 내에 있고, 상기 물체와의 거리가 알람거리이하로 판단되면 제어부에서는 알람신호를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 알람범위는 가운데를 중심으로 좌우 15°범위가 될 수 있다.

또한, 상기 집중스캐닝거리는 라이다의 속도를 검측하여 라이다의 속도가 빨라질수록 집중스캐닝거리도 커지고, 라이다의 속도가 느려질수록 집중스캐닝거리도 작아지도록 설정되는 것이 바람직하다.

한편, 제어부는 복수 개의 광도파로 중 적어도 하나 이상을 그룹으로 묶어 관리할 수 있으며, 이때, 그룹단위로 스위칭할 수 있다. 또한, 복수 개의 광도파로를 그룹으로 묶을 때 수광부에서 감지된 움직이는 물체의 크기에 따라 하나의 그룹에 속하는 광도파로의 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 차량 등 움직이는 물체의 크기가 큰 경우에는 하나의 그룹에 속하는 광도파로의 개수를 많게 할 수 있으며, 개와 같이 움직이는 물체의 크기가 작은 경우에는 하나의 그룹에 속하는 광도파로의 개수를 적게 설정할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 무회전라이다는 회전식 스캐닝라이다와 더불어 하이브리드 라이다를 구성할 수 있다.

구체적으로, 도 11을 참조하면, 하이브리드 라이다는 무회전라이다(1000), 회전식 스캐닝라이다(2000), 브라켓(3000), 지지부(4000), 각도조절부(4500)를 포함하여 구성된다.

본 하이브리드 라이다에서 상기 회전식 스캐닝라이다(2000)는 모터에 의해 회전거울 등을 이용하여 레이저 반사각을 제어함으로써 송광부에서의 레이저 출력이 크고 방사범위가 넓기 때문에 비교적 멀리 있는 물체를 탐지하는데 사용되고, 상기 무회전라이다(1000)는 작은 크기로 제작이 가능하며 상기 회전식 스캐닝라이다의 아래쪽에서 하부방향으로 경사지게 구비되어 비교적 가까이 있는 물체를 탐지하는데 사용된다.

상기 하이브리드 라이다는 지지부(4000)에 의해 지지될 수 있으며, 상기 각도조절부(4500)에 의해 무회전라이다(1000)의 경사각(α)이 조절될 수 있다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 본 실시예에 의한 하이브리드 라이다는 포크레인과 같은 건설장비에 사용될 수 있으며, 포크레인의 후방에 장착되어 포크레인 작업자의 시야에 들어오지 않는 후방부분을 감시할 수 있다.

본 실시예에 의하면 하이브리드 라이다에 의한 감시영역은 반경 15m의 원거리영역 및 반경 1m의 근거리영역으로 나뉜다. 원거리영역은 하이브리드 라이다에 포함된 회전식 스캐닝라이다에 의해 감시가 이루어지고, 근거리영역은 무회전라이다에 의해 감시가 이루어진다.

제어부(미도시)에서는 하이브리드 라이다에 움직이는 물체가 감지된 경우 알람을 표시할 수 있으며, 이때, 회전식 스캐닝라이다에 의해 감지된 경우 및 무회전라이다에 의해 감지된 경우 다른 방법으로 알람을 표시하여 줌으로써 작업자가 조심해야 할 위치를 알려줄 수 있다.

상기 회전식 스캐닝라이다는 원거리영역을 감시할 수 있으나, 레이저 방사범위에 한계가 있어 근거리영역에 있는 물체는 감지할 수가 없다. 이러한 근거리영역에 있는 물체는 무회전라이다에 의해 감지가 이루어지므로 본 실시예에 의하면 사각지대가 사라져 작업자가 안심하고 전방작업에 몰두할 수 있는 환경을 만들어 준다.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

200 : 광원 270 : 확산렌즈
300 : 광도파로모듈 310 : 광도파로
320 : 볼록렌즈 330 : 스위칭부
400 : 수광소자 500 : 오목거울

Claims (10)

1. 빛을 일정 범위로 방사하는 송광부;
   
   상기 일정 범위에 포함된 측정물체에서 반사된 빛을 수광하되, 선택적으로 수광하여 스캐닝하고 수광된 빛을 전기신호로 변환하여 주는 수광부;
   
   상기 송광부 및 수광부를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되며,
   
   상기 수광부는 무회전상태에서 다른 각도로 배열되어 각도에 따라 선택적으로 수광하는 복수 개의 광도파로를 갖는 광도파로모듈을 포함하고,
   
   상기 제어부는 복수 개의 광도파로를 각각 온오프시켜 특정 광도파로만 빛이 통과하도록 제어하는 스캐닝라이다.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 송광부는 펄스 레이저를 출력하는 복수 개의 광원을 포함하고, 상기 광원은 다른 각도로 펄스 레이저를 방사하는 것을 특징으로 하는 스캐닝라이다.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 광도파로모듈의 끝단에는 볼록렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 스캐닝라이다.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 광도파로모듈은 복수 개의 광도파로가 인접하여 부채꼴 형태로 구비되고,
   상기 제어부는 복수 개의 광도파로 중 적어도 하나를 일정속도로 순차적으로 온시키는 것을 특징으로 하는 스캐닝라이다.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 복수 개의 광도파로 중 적어도 하나 이상을 그룹으로 묶어 선택적으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 스캐닝라이다.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어부는 수광부에서 감지된 물체의 크기에 따라 상기 그룹에 속한 광도파로의 개수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 스캐닝라이다.
   
10. 삭제

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