KR101906374B1 - Manless apparatus type LiDAR sensor device and processing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라이다(LiDAR) 센서 모듈을 통해 실시간 주변 환경에 대한 정밀 인지가 가능하고, 무게와 크기, 전력 소모 등을 최적화하여 초경량 저가형으로 소형 무인기기에 적용하며, 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어할 수 있도록 하는, 무인기기용 라이다 센서 장치 및 그 처리 방법이 개시된다.
개시된 무인기기용 라이다 센서 장치는, 단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하고, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지하는 라이다(LiDAR) 센서 모듈; 및 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
The present invention can be applied to a small unmanned device with an ultra-lightweight and low cost by optimizing the weight, size, and power consumption of the LiDAR sensor module, A Lada sensor device for a UAV and a method for processing the Lada sensor device are disclosed.
The disclosed LRD sensor device for a unmanned aerial vehicle can detect 360 degrees omnidirection using only a single laser light source and a photodiode and is capable of detecting a sensor and an object from a time of flight of light reflected from a target object, (LiDAR) sensor module for detecting the distance between the sensor modules; And a control unit for controlling the on-board equipment moving at a high speed in an outdoor environment through high-speed signal processing in real time on the signals received by the LIDAR sensor module.

Description

무인기기용 라이다 센서 장치 및 그 처리 방법{Manless apparatus type LiDAR sensor device and processing method thereof}[0001] The present invention relates to a LiDAR sensor device for a UAV,

본 발명은 무인기기용 라이다 센서 장치 및 그 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 라이다(LiDAR) 센서 모듈을 통해 실시간 주변 환경에 대한 정밀 인지가 가능하고, 무게와 크기, 전력 소모 등을 최적화하여 초경량 저가형으로 소형 무인기기에 적용하며, 단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하며, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지하며, 센서 모듈에서 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어할 수 있도록 하는, 무인기기용 라이다 센서 장치 및 그 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a RRD sensor device for a UAV and a method of processing the RRD sensor device. More particularly, the present invention relates to a LiDAR sensor module for precise recognition of a real-time environment and optimizing weight, size, and power consumption It is applicable to small unmanned devices with an ultra-light and low-cost type. It can detect 360 ° omnidirection by using only a single laser light source and photodiode (Photo Diode). It can detect from the time of flight of reflected light reflected from the target object, The present invention relates to a Lada sensor device for a UAV, and a method of processing the Lada sensor device, which can detect a distance between objects and control the on-board device moving at a high speed in an outdoor environment through high-speed signal processing in real time in a sensor module.

최근 자율주행 자동차에 대한 관심이 증대됨에 따라 그 핵심 부품인 라이다 (LiDAR: Light Detection and Ranging) 센서에 대한 수요가 커지고 있으나, 라이다의 평균 판매 가격은 약 39,000달러로 매우 높기 때문에 고급 차량용으로는 사용 가능 하나, 드론, 로봇, 이륜차, 청소기 등 타 저가제품에 적용하기 위해서는 저가형 라이다가 필요하게 되었다.Recently, as interest in autonomous vehicles has increased, the demand for LiDAR (Light Detection and Ranging) sensors has increased, but the average selling price of Lada is very high, about $ 39,000. However, it is necessary to use low cost to apply to other low cost products such as drone, robot, motorcycle, and cleaner.

드론, 로봇, 이륜차, 청소기 등에 사용되기 위해서는 차량용 라이다 대비 소형화가 필요하며, 또한 배터리로 구동하기 위해서는 라이다의 전력 소모에 대한 저감이 필요하게 되었다.In order to be used in drones, robots, motorcycles, cleaners, etc., it is necessary to reduce the size of the vehicle and to reduce the power consumption of the vehicle.

무인기, 자율 주행차, 해양 이동체 등의 무인 이동체는 이동체의 위치, 운동 상태와 지형, 장애물을 탐지하는 인지와 판단하는 기술이 중요하며, 소형 무인기 사용 증가 및 지속적인 무인 이동체 산업의 성장으로 인한 안전한 자율주행 운영이 필수적이다.Unmanned vehicles such as UAVs, autonomous vehicles, and marine vehicles are important to recognize and determine the location, movement, terrain, and obstacles of moving objects. The use of small UAVs and the continuous autonomous mobile industry Driving operation is essential.

이러한 무인 이동체는 인지, 판단, 제어를 위한 지능화 기술과 네트워크 기반 운영이라는 공통기술을 기반으로 완성차 업체는 물론 인터넷 무인기 업체까지 자율주행 구현을 위한 국가적인 투자와 지원이 이루어지고 있지만, 현재 세계 시장은 무인 이동체를 위한 센서의 핵심기술들을 보유한 해외 선진업체들에 의해 독과점 되고 있는 상황이다.This unmanned mobile vehicle has national investment and support for the autonomous operation of the unmanned vehicle company as well as the automobile maker based on the common technology of the intelligent technology for recognition, judgment and control and the network based operation, It is being monopolized by advanced foreign companies that have core technologies of sensors for unmanned vehicles.

라이다 관련 일부 국내업체들은 고속 센서의 사양을 낮춰 저가화 및 소형화에 집중하고 있으나, '인지기술', '센싱 시스템' 등 원천기술은 연구수준에 머무르고 있고, 상용 라이다는 전량 수입하고 있어, 선진국과의 기술 격차가 확대되고 있는 실정이다.Some domestic companies are focusing on low cost and small size by lowering the specifications of high speed sensors. However, the original technologies such as 'cognitive technology' and 'sensing system' remain at the research level, and all of them are imported. And the technology gap between them is expanding.

이러한 핵심기술은 무인기기, 자율주행자동차, 지능로봇, 토목 및 건축 환경에서의 거리와 면적 측정, 항공 등 다양한 산업에서 응용이 가능하며, 향후 드론 시장 및 무인 로봇 시장 확대와 더불어 상용 라이다의 수요도 급격히 증가할 것으로 예상되고 있다.These core technologies can be applied to various industries such as unmanned devices, autonomous vehicles, intelligent robots, distance and area measurement in civil and architectural environments, aviation, etc. In the future, with the expansion of the market of drone market and unmanned robot, Is expected to increase sharply.

따라서, 라이다(LIDAR) 기술은 무인 이동체의 센서 역할 뿐만 아니라, 지구 지형 및 환경 관측 등을 위한 위성 및 우주항공 분야, 무인 자동차, 공장 및 조선소 등에서 활용되는 트랜스포터, 크레인, 로봇 등에 활용 가능하고 육상항공해양 산업 분야의 통합적 접근을 통해 이동체간 복합 또는 협력 운용 형태로도 적용하기 위해 초경량·저가형으로 구현되어야 할 필요가 있다.Therefore, the LIDAR technology can be used not only as a sensor of an unmanned mobile body but also as a transporter, a crane, a robot, etc. used in satellite and aerospace fields, unmanned vehicles, factories and shipyards for terrestrial and environmental observations It is necessary to be implemented as an ultra-lightweight and low-cost type in order to be applied to a mobile or multimodal operation mode through an integrated approach in the field of aerospace and marine industry.

한국 공개특허공보 제10-2015-0047215호(공개일: 2015.05.04, 명칭: 라이다 센서 시스템)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0047215 (Laidar sensor system name:

전술한 요구사항을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 라이다(LiDAR) 센서 모듈을 통해 실시간 주변 환경에 대한 정밀 인지가 가능하고, 무게와 크기, 전력 소모 등을 최적화하여 초경량 저가형으로 소형 무인기기에 적용하며, 단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하며, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지하며, 센서 모듈에서 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어할 수 있도록 하는, 무인기기용 라이다 센서 장치 및 그 처리 방법을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a LiDAR sensor module capable of realizing accurate perception of a real-time environment, optimizing weight, size and power consumption, . It is able to detect 360 degrees omnidirection by using only a single laser light source and photodiode. It detects the distance between the sensor and the object from the time of flight of the light reflected from the target object. The present invention provides a sensor device and a method for processing the same, which enable a sensor module to control a high-speed moving device in an outdoor environment through high-speed signal processing in real time.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치는, 단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하고, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지하는 라이다(LiDAR) 센서 모듈; 및 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a Ridor sensor device for a UAV, which can detect 360 degrees omnidirection using only a single laser light source and a photodiode, A LiDAR sensor module that senses the distance between the sensor and the object from the time of flight; And a control unit for controlling the on-board equipment moving at a high speed in an outdoor environment through high-speed signal processing in real time on the signals received by the LIDAR sensor module.

여기서, 상기 라이다 센서 모듈은, 상기 360° 전방위 감지를 위해 회전식 미러 구조의 반사체와, 광학 렌즈 및 회전 모터를 이용하여 레이저 스캐닝을 실행할 수 있다.Here, the LIDAR sensor module may perform laser scanning using a reflector of a rotary mirror structure, an optical lens, and a rotation motor for 360-degree omni-directional sensing.

또한, 상기 라이다 센서 모듈에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전원부에서 공급되는 전원에 대해 저전력으로 소모되도록 광원부, 구동부, 수신부에 따라 분배하여 공급하도록 제어할 수 있다.The controller may further include a power supply for supplying power to the LIDAR sensor module. The controller may control the power supplied from the power supply unit to be distributed to the light source unit, the driving unit, and the receiving unit so as to be consumed with low power.

또한, 상기 라이다 센서 모듈은, 레이저 광을 발광하는 레이저 발광부; 레이저 광을 수광하는 레이저 수광부; 레이저 광을 반사시키는 스캐닝 미러; 상기 스캐닝 미러를 회전시키는 미러 회전부(Mirror Rotation)를 포함할 수 있다.The Lidar sensor module may further include: a laser emitting unit emitting laser light; A laser light receiving unit for receiving laser light; A scanning mirror for reflecting laser light; And a mirror rotator for rotating the scanning mirror.

또한, 상기 제어부는, 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리하여 센서와 물체 간의 거리를 연산하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정할 수 있다.In addition, the controller may process the signals received from the Lidar sensor module at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit to calculate the distance between the sensor and the object, or to calculate an error due to ambient noise or signal processing error Can be corrected.

또한, 상기 레이저 발광부는 레이저 다이오드를 이용하고, 상기 레이저 수광부는 포토 다이오드를 이용할 수 있다.The laser emitting unit may use a laser diode, and the laser receiving unit may use a photodiode.

그리고, 상기 라이다 센서 모듈은, 고감도 저잡음을 위한 TIA(Trans-impedance Amplifier) 증폭 회로를 포함하고, 상기 TIA 증폭 회로는 고속 동작을 위해 저 입력저항 회로와, 미세 신호 감지를 위해 저 잡음 증폭 회로 및 포토 다이오드의 바이어스를 위한 고전압 레귤레이터(Regulator) 회로를 포함할 수 있다.The TIA amplification circuit includes a low input resistance circuit for high-speed operation and a low-noise amplifier circuit for sensing a fine signal. The TIA amplification circuit includes a TIA (Trans-Impedance Amplifier) amplifying circuit for high- And a high voltage regulator circuit for biasing the photodiode.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치의 처리 방법은, (a) 라이다 센서 모듈에서 단일 레이저 광을 발광하는 단계; (b) 라이다 센서 모듈에서 포토 다이오드를 통해 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 레이저 광을 수광하는 단계; (c) 제어부가 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 수행하는 단계; (d) 제어부가 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 산출하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정하는 단계; 및 (e) 제어부가 신호 처리 결과에 근거해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of processing a sensor device for RBI for an unmanned aerial vehicle, comprising the steps of: (a) emitting a single laser beam in the RI sensor module; (b) receiving laser light reflected from the target object through the photodiode in the Raidasensor module and returning to the target object; (c) performing a high-speed signal processing in real time on the signals received by the control unit from the LIDAR sensor module; (d) calculating the distance between the sensor and the object from the time of flight of the light reflected by the control unit, or correcting an error due to ambient noise or signal processing error; And (e) controlling the on-board device moving at high speed in the outdoor environment based on the signal processing result.

또한, 상기 (d) 단계에서 상기 제어부는, 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리하여 센서와 물체 간의 거리를 연산하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정할 수 있다.In addition, in the step (d), the controller may process the signals received by the Lidar sensor module at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit to calculate the distance between the sensor and the object, The error due to the signal processing error can be corrected.

그리고, 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계에서 상기 라이다 센서 모듈은, 회전식 미러 구조의 반사체와, 광학 렌즈 및 회전 모터를 이용하여 레이저 스캐닝을 실행하여 360° 전방위 감지를 수행할 수 있다.In the steps (a) and (b), the LIDAR sensor module may perform laser scanning using a reflector of a rotary mirror structure, an optical lens, and a rotary motor to perform 360-omni-directional sensing .

본 발명에 따른 라이다 센서 모듈을 스마트 무인기, 무인 택배 드론, 무인 청소기, 무인 이륜차, 무인 로봇에 적용할 수 있다.The Lada sensor module according to the present invention can be applied to a smart UAV, an unmanned delivery drones, an unmanned vacuum cleaner, an unmanned two-wheeled vehicle, and an unmanned robot.

또한, 본 발명에 따른 라이다(LIDAR) 기술은 초경량·저가형으로 구현함으로써 무인 이동체의 센서 역할 뿐만 아니라, 지구 지형 및 환경 관측 등을 위한 위성 및 우주항공 분야, 무인 자동차, 공장 및 조선소 등에서 활용되는 트랜스포터, 크레인, 로봇 등에 활용 가능하고 육상항공해양 산업 분야의 통합적 접근을 통해 이동체간 복합 또는 협력 운용 형태로도 적용할 수 있다.In addition, the LIDAR technology according to the present invention can be utilized in satellite and aerospace fields, unmanned vehicles, factories, and shipyards for the terrestrial terrain and environmental observation as well as sensors of unmanned moving objects by realizing the ultra-light and low- It can be applied to transporters, cranes, robots, etc., and can be applied as a hybrid or cooperative operation type of mobile bodies through an integrated approach in the field of maritime aviation and marine industry.

도 1은 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치의 주요 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈의 360도 레이저 스캔 원리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈에서 레이저 광을 수광하는 원리를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈과 제어부의 구현 예 및 적용 분야를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 라이다 센서 모듈에서 신호 검출을 위해 이용하는 APD 구동 회로의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈의 아날로그 수신부에 대한 회로 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치의 처리 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈을 통해 수신한 신호들을 고속으로 처리하기 위한 TDC 회로 구성 예를 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a RLayer sensor device for a UAV according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a principle of 360-degree laser scanning of a Lidar sensor module according to an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a principle of receiving laser light in a Lidar sensor module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing an embodiment and an application of the LIDAR sensor module and the control unit according to the embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing an example of an APD driving circuit used for signal detection in the Raidasensor module according to the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of the circuit configuration of the analog receiving unit of the Rida sensor module according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of processing a RDA sensor apparatus for a UAV according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
8 is a diagram illustrating an example of a configuration of a TDC circuit for processing signals received through the Raidasensor module at a high speed according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.If any part is referred to as being "on" another part, it may be directly on the other part or may be accompanied by another part therebetween. In contrast, when a section is referred to as being "directly above" another section, no other section is involved.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.The terms first, second and third, etc. are used to describe various portions, components, regions, layers and / or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish any moiety, element, region, layer or section from another moiety, moiety, region, layer or section. Thus, a first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as a second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. The singular forms as used herein include plural forms as long as the phrases do not expressly express the opposite meaning thereto. Means that a particular feature, region, integer, step, operation, element and / or component is specified and that the presence or absence of other features, regions, integers, steps, operations, elements, and / It does not exclude addition.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.Terms indicating relative space such as "below "," above ", and the like may be used to more easily describe the relationship to other portions of a portion shown in the figures. These terms are intended to include other meanings or acts of the apparatus in use, as well as intended meanings in the drawings. For example, when inverting a device in the figures, certain parts that are described as being "below" other parts are described as being "above " other parts. Thus, an exemplary term "below" includes both up and down directions. The device can be rotated by 90 degrees or rotated at different angles, and terms indicating relative space are interpreted accordingly.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치의 주요 구성을 나타낸 블록 구성도이다.FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a RLayer sensor device for a UAV according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치(100)는, 라이다(LiDAR) 센서 모듈(110), 전원부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the Rada sensor device 100 for a UAV according to the present invention includes a LiDAR sensor module 110, a power source 120, and a controller 130.

여기서, 라이다 센서 모듈(110)은, 레이저 광을 발광하는 레이저 발광부(112); 레이저 광을 수광하는 레이저 수광부(114); 레이저 광을 반사시키는 스캐닝 미러(116); 스캐닝 미러를 회전시키는 미러 회전부(Mirror Rotation)(118)를 포함할 수 있다.Here, the RIDAR sensor module 110 includes a laser emitting unit 112 for emitting laser light; A laser light receiving unit 114 for receiving laser light; A scanning mirror 116 for reflecting the laser beam; And a mirror rotation unit 118 for rotating the scanning mirror.

또한, 라이다 센서 모듈(110)은 단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하고, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지한다. 이때, 라이다 센서 모듈(110)은, 도 2에 도시된 바와 같이 360° 전방위 감지를 위해 회전식 미러 구조의 반사체와, 광학 렌즈 및 회전 모터를 이용하여 레이저 스캐닝을 실행할 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈의 360도 레이저 스캔 원리를 나타낸 도면이다. 라이다 센서 모듈(110)은 기계적 광학 시스템(Mechanical optical system)의 경우에 미러 회전부(118)에서 회전 기계장치를 통해 스캐닝 미러(116)를 회전시켜 광원부로부터 발광된 빛을 굴절시켜 방사하게 된다. 비기계적 광학 시스템(Non-mechanical optical system)의 경우에 광원부로부터 발광된 빛이 빔 스티어링(Beam Steering) 광학계를 통해 스캔 광학계에 전달되는 구조를 갖는다. Beam steering에 의한 좁은 영역의 스캔을 aspheric mirror를 이용하여 전방위 스캐닝이 가능하다.In addition, the RIDAR sensor module 110 can detect 360 degrees omni-directional using only a single laser light source and a photodiode. The RIDAR sensor module 110 can detect the time of flight of the light reflected from the target object, Detect the distance between objects. At this time, as shown in FIG. 2, the RIDAR sensor module 110 can perform laser scanning using a reflector of a rotary mirror structure, an optical lens, and a rotary motor for 360-degree omnidirectional sensing. FIG. 2 is a diagram illustrating a principle of 360-degree laser scanning of a Lidar sensor module according to an embodiment of the present invention. In the case of a mechanical optical system, the Lidar sensor module 110 rotates the scanning mirror 116 through the rotating mechanical unit in the mirror rotating unit 118 to refract light emitted from the light source unit and emit the light. In the case of a non-mechanical optical system, light emitted from the light source unit is transmitted to a scanning optical system through a beam steering optical system. Beam steering enables scanning in a narrow area using an aspheric mirror for omni-directional scanning.

또한, 라이다 센서 모듈(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 센서로부터 40 m 떨어져 있는 물체에서 반사 및 산란되어 되돌아오는 신호를 수광하여 신호를 검출한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈에서 레이저 광을 수광하는 원리를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 물체 표면에서 산란된 광은 Lambertian profile을 가진다. 도 3과 같이 산란되어 돌아오는 전체 광선속 중 유효 검출 면적에 들어오는 광으로부터 신호를 검출하여 물체의 측정 거리에 따른 광 효율을 분석할 수 있다. Also, as shown in FIG. 3, the RIDAR sensor module 110 receives and reflects a signal reflected and scattered by an object 40 m away from the sensor and detects the signal. 3 is a view illustrating a principle of receiving laser light in a Lidar sensor module according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the light scattered at the object surface has a Lambertian profile. As shown in FIG. 3, the light efficiency of the object can be analyzed by detecting a signal from the light entering the effective detection area among the total light beams returning from scattering.

또한, 라이다 센서 모듈(110)은 레이저 발광부(112)에 대해 도 4에 도시된 바와 같이 레이저 광원을 펄스 광 형태로 발광하는 레이저 펄스광 발광부로 구현하고, 출력광을 보정하는 회로를 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈과 제어부의 구현 예 및 적용 분야를 나타낸 도면이다. 도 4에서, 레이저 수광부(114)는 APD 렌즈와 신호 검출 APD(avalanche photodiode), 아날로그 센서 및 거리 측정 기술을 포함할 수 있다. 제어부(130)는 레이저 발광부(112)의 제어에 대해 레이저 신호를 생성해 레이저 모듈을 제어하는 구성을 포함하고, 스캔부 제어에 대해 모터 회전 제어와 오차 보정 제어를 수행하며, 레이저 수광부(114)의 제어에 대해 데이터 신호 처리와 데이터 보정 제어를 수행한다. 제어부(130)는 MCU(Micro Control Unit)로 구현하고, 탑재기기 알고리즘과 탑재기기 제어 SW, 시스템 인터페이스(System Interface) 및 제어를 수행한다. 따라서, 이러한 구성의 라이다 센서 모듈(110)은 드론이나 로봇 청소기 및 이륜차 등에 적용할 수 있다.4, the LIDAR sensor module 110 includes a circuit for implementing the laser light emitting unit 112 as a laser pulse light emitting unit that emits the laser light source in the form of a pulse light and corrects the output light, can do. FIG. 4 is a view showing an embodiment and an application of the LIDAR sensor module and the control unit according to the embodiment of the present invention. In Fig. 4, the laser light receiving section 114 may include an APD lens and a signal detecting APD (avalanche photodiode), an analog sensor, and a distance measuring technique. The control unit 130 includes a configuration for controlling the laser module by generating a laser signal for the control of the laser emitting unit 112. The control unit 130 performs motor rotation control and error correction control for the scan unit control, And performs data signal processing and data correction control. The control unit 130 is implemented as an MCU (Micro Control Unit), and performs onboard device algorithm, onboard device control SW, system interface, and control. Accordingly, the Lidar sensor module 110 having such a configuration can be applied to a drones, a robot cleaner, a motorcycle, and the like.

라이다 센서 모듈(110)에서는 라이다용 펄스 광원은 905 나노미터(nm) 펄스 광원을 사용하는데, 태양광 출력 스펙트럼과 외부 노이즈 제거가 유리하다는 장점을 가진다. 905 nm 파장대역은 Si 기반의 검출기로 측정이 가능하므로 검출기의 가격이 낮아진다는 장점을 가지고, 905 nm 광원을 사용하여 time of flight (ToF) 방식 기반의 거리 측정을 위해 pulse modulation을 통한 pulse 광원을 이용하며, RC 회로 기반 driver의 출력 pulse width와 repetition ratio는 회로의 resistance와 capacitance 변화에 의존하게 된다.In the LIDAR sensor module 110, the LIDAR pulse light source uses a 905-nanometer (nm) pulse light source, and has an advantage that the solar light output spectrum and external noise are advantageously eliminated. Since the 905 nm wavelength band can be measured with a Si-based detector, it has the advantage that the price of the detector is lowered. In order to measure the distance based on the time of flight (ToF) method using a 905 nm light source, The output pulse width and repetition ratio of RC circuit based driver depend on circuit resistance and capacitance variation.

또한, 라이다 센서 모듈(110)은 거리 측정을 위해 ToF(Time of Flight) 방식을 이용하며, 일정 간격으로 pulse 신호를 발생시키고, 시간에 따라 반사, 산란되어 돌아오는 신호를 측정하여 시간에 따른 신호 획득하며, 공기 중에서 시간에 따른 빛의 전파거리 관계식을 이용하여 시간에 따른 신호를 거리에 따른 신호 정보로 변환하는 것이다. 여기서, 광원의 repetition ratio, pulse width, 검출기의 responsivity, 속도에 따라 LiDAR 시스템의 분해능, 측정 거리 등의 성능이 결정될 수 있다. In addition, the Raidasensor module 110 uses a time-of-flight (ToF) method to measure the distance, generates a pulse signal at a predetermined interval, measures a signal reflected and scattered over time, And converts the time-dependent signal into the signal information based on the distance using the distance-dependent relation of light in the air over time. Here, the performance of the LiDAR system and the measurement distance can be determined according to the repetition ratio of the light source, the pulse width, the responsivity of the detector, and the speed.

따라서, 제어부(130)는 라이다 센서 모듈(110)을 통해 광원부터 반사되어 돌아온 신호의 시간 차를 계산하여 다음 수학식1에 따라 물체 간의 거리를 산출한다.Accordingly, the control unit 130 calculates the time difference of the signal reflected back from the light source through the Raidasensor module 110, and calculates the distance between the objects according to the following equation (1).

Figure 112017000814432-pat00001
Figure 112017000814432-pat00001

여기서, c는 빛의 속도를 나타내고, Δt는 펄스 간 지연시간 차를 나타낸다.Here, c represents the speed of light, and? T represents the difference in delay time between pulses.

또한, 라이다 센서 모듈(110)은 신호 검출을 위해 도 5에 도시된 바와 같이 APD 구동 회로를 이용할 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 라이다 센서 모듈에서 신호 검출을 위해 이용하는 APD 구동 회로의 한 예를 나타낸 도면이다. 도 5에서, APD(avalanche photodiode) 구동 회로는 수광된 신호의 세기가 작으므로 민감도가 높은 APD 소자를 사용하고, 전 방향에서 수광된 빛이 수광 광학계를 통해 평행광으로 검출부에 입사되며, 광학계 구성을 통해 검출기의 센서 면에 집광될 수 있다.In addition, the LIDAR sensor module 110 may use an APD driving circuit as shown in FIG. 5 for signal detection. 5 is a diagram showing an example of an APD driving circuit used for signal detection in the Raidasensor module according to the present invention. In FIG. 5, an avalanche photodiode (APD) driving circuit uses an APD element with high sensitivity because the intensity of the received signal is small. Light received in all directions is incident on the detection portion as parallel light through a light receiving optical system, To be condensed on the sensor surface of the detector.

전원부(120)는 라이다 센서 모듈(110) 및 제어부(130)의 동작에 필요한 전원을 공급한다. 전원부(120)로부터 공급받아 동작하는 라이다 센서 모듈(110)의 소모 전력에 대해 바람직하게는 5 와트(W) 이하가 되도록 구현할 수 있다.The power supply unit 120 supplies power necessary for the operation of the LIDAR sensor module 110 and the control unit 130. The power consumption of the radar sensor module 110, which is supplied from the power source unit 120 and is operated, is preferably 5 watts or less.

제어부(130)는 라이다 센서 모듈(110)에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어한다.The control unit 130 controls high-speed signal processing in real time on the signals received by the Raidasensor module 110 to perform high-speed movement in the outdoor environment.

또한, 제어부(130)는 전원부(120)에서 공급되는 전원에 대해 저전력으로 소모되도록 광원부, 구동부, 수신부에 따라 분배하여 공급하도록 제어할 수 있다.In addition, the control unit 130 may control the power supplied from the power supply unit 120 to be distributed according to the light source unit, the driving unit, and the receiving unit so as to be consumed with low power.

또한, 제어부(130)는, 라이다 센서 모듈(110)에서 수신한 신호들에 대해 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리하여 센서와 물체 간의 거리를 연산하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정할 수 있다.The control unit 130 processes the signals received by the Raidasensor module 110 at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit to calculate the distance between the sensor and the object, The error caused by the error can be corrected.

또한, 레이저 발광부(112)는 레이저 다이오드를 이용하고, 레이저 수광부(114)는 포토 다이오드를 이용할 수 있다.Further, the laser emitting unit 112 may use a laser diode, and the laser light receiving unit 114 may use a photodiode.

그리고, 라이다 센서 모듈(110)은, 도 6에 도시된 바와 같이 고감도 저잡음을 위한 TIA(Trans-impedance Amplifier) 증폭 회로를 이용할 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈의 아날로그 수신부에 대한 회로 구성 예를 나타낸 도면이다. TIA 증폭 회로는 고속 동작을 위해 저 입력저항 회로와, 미세 신호 감지를 위해 저 잡음 증폭 회로 및 포토 다이오드의 바이어스를 위한 고전압 레귤레이터(Regulator) 회로를 포함할 수 있다.The RIA sensor module 110 may use a TIA (Trans-impedance Amplifier) amplification circuit for high sensitivity and low noise as shown in FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the circuit configuration of the analog receiving unit of the Rida sensor module according to the embodiment of the present invention. The TIA amplification circuit may include a low input resistance circuit for high speed operation, a low noise amplification circuit for fine signal sensing, and a high voltage regulator circuit for biasing the photodiode.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치의 처리 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of processing a RDA sensor apparatus for a UAV according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 7에 도시된 바와 같이, 라이다 센서 모듈(110)에서 단일 레이저 광을 발광한다(S710).As shown in FIG. 7, the laser sensor module 110 emits a single laser beam (S710).

이어, 라이다 센서 모듈(110)에서 포토 다이오드를 통해 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 레이저 광을 수광한다(S720).Then, the laser sensor module 110 receives the laser light reflected from the target object through the photodiode and returns (S720).

여기서, 라이다 센서 모듈(110)은, 회전식 미러 구조의 반사체와, 광학 렌즈 및 회전 모터를 이용하여 레이저 스캐닝을 실행하여 360° 전방위 감지를 수행할 수 있다.Here, the RIDAR sensor module 110 can perform 360-degree omnidirectional sensing by performing laser scanning using a reflector of a rotary mirror structure, an optical lens, and a rotary motor.

이어, 제어부(130)가 라이다 센서 모듈(110)에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 수행한다(S730).Then, the control unit 130 performs high-speed signal processing on the signals received from the Lada sensor module 110 in real time (S730).

즉, 제어부(130)는, 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 도 8에 도시된 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리할 수 있다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈을 통해 수신한 신호들을 고속으로 처리하기 위한 TDC 회로 구성 예를 나타낸 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이 TDC 회로는 Thermometer-to-Binary Converter를 포함한다.That is, the control unit 130 can process the signals received from the Raidasensor module at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit shown in FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a configuration of a TDC circuit for processing signals received through the Raidasensor module at a high speed according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the TDC circuit includes a thermometer-to-binary converter.

이어, 제어부(130)가 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 산출하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정한다(S740).Then, the control unit 130 calculates the distance between the sensor and the object based on the time of flight of the reflected light, or corrects the error due to the ambient noise or the signal processing error (S740).

즉, 제어부(130)는, 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 도 8에 도시된 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리하여 센서와 물체 간의 거리를 연산하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정할 수 있다.That is, the control unit 130 processes the signals received from the Raidasensor module at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit shown in Fig. 8 to calculate the distance between the sensor and the object, The error due to the signal processing error can be corrected.

그리고, 제어부(130)는 신호 처리 결과에 근거해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어한다(S750).Then, the control unit 130 controls the on-board device moving at high speed in the outdoor environment based on the signal processing result (S750).

한편, 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치(100)는 도 9에 도시된 바와 같이 저전력, 저잡음 전원 관리부를 포함할 수 있다. 도 9는 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치에 저전력, 저잡음 전원 관리부를 구성한 예를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 무인기기용 라이다 센서 장치(100)는 고감도 LIDAR 센서를 위한 저잡음 전원부를 구성하고, 저전력 LIDAR 모듈을 위한 저전력 전원 관리부를 구성할 수 있다. 동작 전압으로 3.8V ~ 36V를 사용하고, 시동(Start up) 전압으로 4.5V 이상을 사용할 수 있다. 도 9와 같이 역 배터리 보호(Reverse Battery Protection) 전압으로 24V DC, 과전압 보호(Over Voltage Protection) 전압으로 12V DC, 부하 덤프 보호(Load Dump Protection) 전압으로 5V DC를 사용할 수 있다.Meanwhile, the RL sensor device 100 for a UAV according to the present invention may include a low-power, low-noise power management unit as shown in FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which a low-power, low-noise power management unit is configured in the RRD sensor device for a UAV according to the present invention. As shown in FIG. 9, the RI sensor device 100 for a UAV constitutes a low-noise power source for a high-sensitivity LIDAR sensor and a low-power power source for a low-power LIDAR module. It is possible to use 3.8V to 36V as the operating voltage and 4.5V or more as the start up voltage. As shown in FIG. 9, it is possible to use 24V DC as the reverse battery protection voltage, 12V DC as the overvoltage protection voltage, and 5V DC as the load dump protection voltage.

또한, 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치(100)는 탑재기기 제어를 위한 알고리즘으로, 상황별 탑재기기 회피 방안 구현을 위한 알고리즘이나 장애물 회피를 위한 탑재기기 제어 알고리즘을 이용할 수 있다.In addition, the RRAS sensor device 100 for a UAV according to the present invention is an algorithm for controlling an onboard device, and it is possible to use an algorithm for implementation of avoiding a mounted device according to a situation or an onboard device control algorithm for obstacle avoidance.

그리고, 본 발명에 따른 무인기기용 라이다 센서 장치(100)는 다음과 같은 기능을 구현할 수 있다.The RL sensor device 100 for a UAV according to the present invention can implement the following functions.

먼저, 고감도 광 감지를 위한 아날로그 수신부 구현에 대해, 광학계 및 모듈 구조와의 연동을 고려한 Photodiode 배치, 요구 동작 속도를 만족하기 위한 아날로그 증폭 회로의 연동, 요구 센싱 감도를 만족하기 위한 Photodiode 구조, 광학계와의 연동을 고려한 Photodiode 픽셀 배치, 고감도/저잡음 TIA(Trans-impedance Amplifier) 증폭 회로 구현, 고속 동작을 위한 저 입력 저항 TIA 회로 구현, 신호 대 잡음비를 고려한 저 잡음 증폭 회로 구현, Photodiode의 안정적인 바이어스를 위한 고전압 Regulator 회로를 적용하고 있다.First, the implementation of the analog receiver for high sensitivity optical sensing, the arrangement of the photodiode considering interlocking with the optical system and the module structure, the interlocking of the analog amplifier circuit to satisfy the required operation speed, the photodiode structure for satisfying the required sensing sensitivity, , Low noise TIA (Trans-impedance Amplifier) amplification circuit implementation, low input resistance TIA circuit implementation for high speed operation, implementation of low noise amplification circuit considering signal to noise ratio, stable bias for Photodiode High-voltage regulator circuit is applied.

또한, 거리 분해능 향상을 위한 TDC 기술 구현에 대해, 아날로그 신호 도착 시간 감지를 위한 고속 비교기 회로 구현, 신호 질 향상을 위한 비교기 기준 전압 제어 기술 구현, 디지털 신호 생성을 위한 고속 비교기 회로 구현, 고속 시간 분해능을 갖는 TDC 구조, 고속 시분할 데이터 변환이 가능한 카운팅 기술 구현, 물체의 거리 및 반사율에 따른 walk error 보정 기술 구현, 고해상도 ToF 신호 검출을 위한 TDC 회로를 구현하고 있다.In addition, implementation of TDC technology for distance resolution improvement, realization of high speed comparator circuit for detecting the arrival time of analog signal, implementation of comparator reference voltage control technology for improving signal quality, implementation of high speed comparator circuit for digital signal generation, , Implementation of counting technology capable of fast time-division data conversion, implementation of walk error correction technique according to object distance and reflectance, and TDC circuit for high-resolution ToF signal detection.

또한, 라이다 센서 모듈(110)에서 점군 데이터 생성을 위한 거리 변환 및 오차 보정 기술을 구현하고, ToF 신호 기반 거리 변환 연산 알고리즘 구현, 대기 조건 및 잡음에 의한 에러 신호 보상 기술을 구현하며, 거리 변환을 위한 ToF 신호 처리 아키텍처 구현, 고속 점군 데이터 전송을 위한 인터페이스 기술을 구현하고 있다.In addition, a distance conversion and error correction technique for generating point cloud data is implemented in the RIDAR sensor module 110, an implementation of a ToF signal-based distance conversion calculation algorithm, an error condition compensation technique based on an atmospheric condition and a noise, Implementation of ToF signal processing architecture for high-speed point-to-point data transmission.

그리고, 라이다 센서 모듈(110)에 대해, 그 크기를 808050mm3 이하로 하고, 무게를 0.5Kg 이하로 하며, 충돌회피 시간을 1초 이내로 하며, 센싱 거리를 40m 이상으로 구현할 수 있다.The size of the sensor module 110 is 808050 mm 3 or less, the weight is 0.5 kg or less, the collision avoidance time is 1 second or less, and the sensing distance is 40 m or more.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 라이다(LiDAR) 센서 모듈을 통해 실시간 주변 환경에 대한 정밀 인지가 가능하고, 무게와 크기, 전력 소모 등을 최적화하여 초경량 저가형으로 소형 무인기기에 적용하며, 단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하며, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지하며, 센서 모듈에서 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어할 수 있도록 하는, 무인기기용 라이다 센서 장치 및 그 처리 방법을 실현할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to precisely recognize real-time ambient environment through a LiDAR sensor module, optimize weight, size, power consumption, etc., It can detect 360 ° omnidirection using only a laser light source and photodiode. It detects the distance between sensor and object from the time of flight of light reflected from the target object, A high-speed signal processing can be performed to control the on-board device moving at a high speed in an outdoor environment, and a Lada sensor device for a UAV and a processing method thereof can be realized.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims and their equivalents. Only. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100 : 무인기기용 라이다 센서 장치
110 : 라이다 센서 모듈
112 : 레이저 발광부
114 : 레이저 수광부
116 : 스캐닝 미러
118 : 미러 회전부
120 : 전원부
130 : 제어부
100: Lada sensor device for UAV
110: Raidasensor module
112: laser emitting part
114: laser light receiving portion
116: scanning mirror
118:
120:
130:

Claims (10)

단일 레이저 광원 및 포토 다이오드(Photo Diode)만을 이용하여 360° 전방위 감지가 가능하고, 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 감지하는 라이다(LiDAR) 센서 모듈; 및
상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 통해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 라이다 센서 모듈은, 비기계적 광학 시스템(Non-mechanical optical system)의 경우에 상기 단일 레이저 광원의 광원부로부터 발광된 빛이 빔 스티어링(Beam Steering) 광학계를 통해 스캔 광학계에 전달되며,
상기 라이다 센서 모듈은, 상기 목표 물체에서 반사 및 산란되어 되돌아오는 전체 광선속 중 유효 검출 면적에 들어오는 광으로부터 신호를 검출하여 상기 목표 물체의 측정 거리에 따른 광 효율을 분석하는,
무인기기용 라이다 센서 장치.
The sensor detects the distance between the sensor and the object from the time-of-flight of the light reflected from the target object using a single laser light source and a photodiode (LiDAR Sensor module; And
A control unit for controlling the on-board equipment moving at a high speed in an outdoor environment through high-speed signal processing in real time on signals received by the LIDAR sensor module;
Lt; / RTI >
In the case of a non-mechanical optical system, the LIDAR sensor module transmits light emitted from the light source of the single laser light source to a scanning optical system through a beam steering optical system,
Wherein the Lidar sensor module detects a signal from the light entering the effective detection area among the total light beams reflected and scattered by the target object and analyzes the light efficiency according to the measurement distance of the target object,
Lida sensor device for UAV.
제 1 항에 있어서,
상기 라이다 센서 모듈은, 상기 360° 전방위 감지를 위해 회전식 미러 구조의 반사체와, 광학 렌즈 및 회전 모터를 이용하여 레이저 스캐닝을 실행하는, 무인기기용 라이다 센서 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the LIDAR sensor module performs laser scanning using a reflector of a rotary mirror structure, an optical lens, and a rotary motor for 360-degree omnidirectional sensing.
제 1 항에 있어서,
상기 라이다 센서 모듈에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 전원부에서 공급되는 전원에 대해 저전력으로 소모되도록 광원부, 구동부, 수신부에 따라 분배하여 공급하도록 제어하는, 무인기기용 라이다 센서 장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a power supply unit for supplying power to the Raidasensor module,
Wherein the control unit controls the power source unit, the driving unit, and the receiving unit so that the power source is consumed at a low power level.
제 1 항에 있어서,
상기 라이다 센서 모듈은, 레이저 광을 발광하는 레이저 발광부; 레이저 광을 수광하는 레이저 수광부; 레이저 광을 반사시키는 스캐닝 미러; 상기 스캐닝 미러를 회전시키는 미러 회전부(Mirror Rotation)를 포함하는, 무인기기용 라이다 센서 장치.
The method according to claim 1,
The LIDAR sensor module includes: a laser emitting unit emitting laser light; A laser light receiving unit for receiving laser light; A scanning mirror for reflecting laser light; And a mirror rotation unit (Mirror Rotation) for rotating the scanning mirror.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리하여 센서와 물체 간의 거리를 연산하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정하는, 무인기기용 라이다 센서 장치.
The method according to claim 1,
The control unit processes the signals received from the Lidar sensor module at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit to calculate the distance between the sensor and the object, or corrects errors due to ambient noise or signal processing errors The sensor device for unmanned aerial vehicles.
제 4 항에 있어서,
상기 레이저 발광부는 레이저 다이오드를 이용하고, 상기 레이저 수광부는 포토 다이오드를 이용하는, 무인기기용 라이다 센서 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the laser emitting unit uses a laser diode, and the laser receiving unit uses a photodiode.
제 1 항에 있어서,
상기 라이다 센서 모듈은, 고감도 저잡음을 위한 TIA(Trans-impedance Amplifier) 증폭 회로를 포함하고, 상기 TIA 증폭 회로는 고속 동작을 위해 저 입력저항 회로와, 미세 신호 감지를 위해 저 잡음 증폭 회로 및 포토 다이오드의 바이어스를 위한 고전압 레귤레이터(Regulator) 회로를 포함하는, 무인기기용 라이다 센서 장치.
The method according to claim 1,
The TIA amplification circuit includes a low input resistance circuit for high speed operation, a low noise amplification circuit for fine signal sensing, and a low noise amplification circuit for fine signal sensing. The LIDAR sensor module includes a TIA (Trans-impedance Amplifier) amplification circuit for high- And a high voltage regulator circuit for biasing the diode.
(a) 라이다 센서 모듈에서 단일 레이저 광을 발광하는 단계;
(b) 라이다 센서 모듈에서 포토 다이오드를 통해 목표 물체에서 반사되어 되돌아오는 레이저 광을 수광하는 단계;
(c) 제어부가 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 실시간으로 고속 신호 처리를 수행하는 단계;
(d) 제어부가 반사되어 되돌아오는 빛의 비행시간(Time of Flight)으로부터 센서와 물체 간의 거리를 산출하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정하는 단계; 및
(e) 제어부가 신호 처리 결과에 근거해 실외 환경에서 고속으로 이동하는 탑재기기를 제어하는 단계;
를 포함하고,
상기 라이다 센서 모듈은, 비기계적 광학 시스템(Non-mechanical optical system)의 경우에 상기 단일 레이저 광원의 광원부로부터 발광된 빛이 빔 스티어링(Beam Steering) 광학계를 통해 스캔 광학계에 전달되며,
상기 라이다 센서 모듈은, 상기 목표 물체에서 반사 및 산란되어 되돌아오는 전체 광선속 중 유효 검출 면적에 들어오는 광으로부터 신호를 검출하여 상기 목표 물체의 측정 거리에 따른 광 효율을 분석하는,
무인기기용 라이다 센서 장치의 처리 방법.
(a) emitting a single laser beam in the Raidasensor module;
(b) receiving laser light reflected from the target object through the photodiode in the Raidasensor module and returning to the target object;
(c) performing a high-speed signal processing in real time on the signals received by the control unit from the LIDAR sensor module;
(d) calculating the distance between the sensor and the object from the time of flight of the light reflected by the control unit, or correcting an error due to ambient noise or signal processing error; And
(e) controlling the on-board device moving at high speed in the outdoor environment based on the signal processing result;
Lt; / RTI >
In the case of a non-mechanical optical system, the LIDAR sensor module transmits light emitted from the light source of the single laser light source to a scanning optical system through a beam steering optical system,
Wherein the Lidar sensor module detects a signal from the light entering the effective detection area among the total light beams reflected and scattered by the target object and analyzes the light efficiency according to the measurement distance of the target object,
A method of treating a Lada sensor device for a UAV.
제 8 항에 있어서,
상기 (d) 단계에서 상기 제어부는, 상기 라이다 센서 모듈에서 수신한 신호들에 대해 TDC(Time to Digital Converter) 회로를 통해 고속으로 처리하여 센서와 물체 간의 거리를 연산하거나, 주변 잡음이나 신호 처리 에러에 의한 오차를 보정하는, 무인기기용 라이다 센서 장치의 처리 방법.
9. The method of claim 8,
In the step (d), the control unit processes the signals received from the Ridasensor module at a high speed through a TDC (Time to Digital Converter) circuit to calculate the distance between the sensor and the object, And correcting the error due to the error.
제 8 항에 있어서,
상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계에서 상기 라이다 센서 모듈은, 회전식 미러 구조의 반사체와, 광학 렌즈 및 회전 모터를 이용하여 레이저 스캐닝을 실행하여 360° 전방위 감지를 수행하는, 무인기기용 라이다 센서 장치의 처리 방법.
9. The method of claim 8,
In the steps (a) and (b), the Raidasensor module includes a reflector of a rotary mirror structure, a laser for scanning for 360 degrees omnidirectional detection by performing laser scanning using an optical lens and a rotary motor A method of processing a sensor device.
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