KR101417431B1 - Ｌｉｄａｒ센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템 - Google Patents

Abstract

차량 휠의 외측 중심에 장착되어 휠과 함께 회전되는 2차원 LIDAR센서부; 상기 차량 휠의 회전각을 측정하는 각도센서; 및 상기 LIDAR센서부에서 측정된 2차원 정보에 각도센서에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부;를 포함하는 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템이 소개된다.

Description

ＬＩＤＡＲ센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템 {SYSTEM FOR PRODUCING 3D SPACE INFORMATION USING LIDAR SENSOR}

본 발명은 차량의 외관에 영향을 미치지 않도록 센서를 설치하면서도 유효한 공간 정보를 얻을 수 있는 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템에 관한 것이다.

본 발명은 3차원 공간 정보 생성을 위한 LIDAR(Light Detection And Ranging) 센서를 차량에 장착하기 어려운 점을 해결하기 위한 목적을 갖고 있다. 주변 상황 인지를 위한 3차원 센서는 회전형 타입이 주를 이루고 있다. 이러한 회전형 타입의 센서가 차량 상단에 장착될 경우 공기 저항의 문제 및 외형에 치명적 약점을 갖게 된다. 미래의 차량은 더욱 지능화되면서 3차원 공간 정보를 이용하여 자율 주행 및 안전 주행을 하게 됨으로써 3차원 측정 센서는 중요한 역할을 하게 된다. 이러한 센서를 알맞은 곳에 장착함과 동시에 최대의 효율을 얻기 위함을 발명의 목적으로 둔다.

3차원 LIDAR 기술은 주변 환경의 정밀 지도 제작 및 형상 인식에 주로 이용된다. 레이저는 레이다와 달리 짧은 주기를 가진 높은 에너지의 펄스를 만들 수 있다. 짧은 주기를 이용하여 고도로 밀집된 다수 측정 Points를 생성하기 때문에 정밀한 거리 관측에 많이 사용된다. 차량에서 사용되는 레이저스캐너는 주로 전방에 장착하여 충돌 예상 가능 장애물을 검출하기 위해 이용된다. 하지만 3차원 레이저스캐너의 경우 전후좌우 360도 영역을 모두 스캔하기 위해서 차량의 루프 상단에 장착하게 된다. 단일 영역의 변화에만 국한되지 않기 때문에 일반적인 도로 환경인지 이동하는 장애물인지 구분하는 것이 가능하다. 때문에 3차원 스캐너는 복잡하게 변화가 일어나는 환경에서 충돌 위험 물체 및 영역을 단일 센서로 구분 가능하다. 2차원 스캐너를 차량 휠 중심에 넣어서 3차원 스캐너 기능을 수행하려면 차량 휠의 회전각을 정확히 측정해야 된다. 고속 회전 시에는 3차원 생성 주기 정밀하게 생성하기 위한 회전각 측정 센서와 IMU(Inertial Measurement Unit) 관성측정장치를 비교하여 레이저스캐너의 종방향 각도를 입력 파라미터로 넘겨줘서 주변 환경 정보를 생성할 수 있을 것이다.

종래의 KR 10-2011-0048962 A "차량 인식 방법 및 장치"는 "카메라를 이용하여 특정 방향의 영상을 획득하는 영상 획득부; 리다(Lidar)를 이용하여 상기 특정 방향에 있는 실제 차량과의 거리정보를 획득하는 거리정보 획득부; 상기 거리정보를 영상좌표로 변환하고, 상기 영상좌표를 상기 영상에 투영시켜, 상기 영상에 투영된 상기 영상좌표에 근거하여 상기 영상에서 차량 인식을 위한 관심영역을 설정하는 관심영역 설정부; 및 상기 관심영역에 해당하는 영상을 분석하여 상기 특정 방향에 있는 상기 실제 차량을 인식하는 차량 인식부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 인식 장치"를 소개하고 있다.

그러나 이러한 장치에 의하더라도, 차량의 외관을 해치지 않으면서 LIDAR센서를 장착하고, 이를 통해 명확한 3차원 공간정보를 얻기는 어려웠던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2011-0048962 A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량의 외관에 영향을 미치지 않도록 센서를 설치하면서도 유효한 공간 정보를 얻을 수 있는 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템은, 차량 휠의 외측 중심에 장착되어 휠과 함께 회전되는 2차원 LIDAR센서부; 상기 차량 휠의 회전각을 측정하는 각도센서; 및 상기 LIDAR센서부에서 측정된 2차원 정보에 각도센서에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부;를 포함한다.

상기 각도센서는 회전형 엔코더일 수 있다.

상기 가공부는 차량이 정지 상태인 경우에는 3차원 공간정보의 생성을 중지할 수 있다.

상기 LIDAR센서부는 차량의 좌측 휠과 우측 휠에 각각 하나씩 마련될 수 있다.

상기 LIDAR센서부는 XY평면 상에서 물체의 윤곽을 감지할 수 있다.

상기 가공부는 각도센서에서 측정된 회전각을 이용하여 주행거리를 산출하고, LIDAR센서부에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며 주행거리를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성할 수 있다.

3차원의 관성을 측정하여 차량의 정확한 주행변위를 산출하는 IMU센서;를 더 포함하고, 상기 가공부는 LIDAR센서부에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며, IMU센서에서 측정된 주행변위를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성할 수 있다.

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상술한 바와 같은 구조로 이루어진 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템에 따르면, 차량의 외관에 영향을 미치지 않도록 센서를 설치하면서도 유효한 공간 정보를 얻을 수 있게 된다.

또한, 이를 통해 측면에서 접근해 오는 장애물을 인식하는 기능을 수행하게 되며, 전후방의 경우 접근 장애물의 인식을 레이더를 사용하여 원거리의 장애물을 인식하게 된다. 또한, 측면 환경 인식을 통해 도로 환경인지 아니면 움직이는 이동체인지 정밀한 구분을 수행하게 된다.

도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템을 운용하는 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템에 대하여 살펴본다.

도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템을 나타낸 도면이다.

본 발명의 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템은, 차량 휠(W)의 외측 중심에 장착되어 휠(W)과 함께 회전되는 2차원 LIDAR센서부(L); 상기 차량 휠(W)의 회전각을 측정하는 각도센서(S); 및 상기 LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 각도센서(S)에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부(100);를 포함한다.

본 발명의 LIDAR센서부(L)는 차량 휠(W)의 외측 중심에 장착되어 휠(W)과 함께 회전되도록 할 수 있다.

도 1과 같이, LIDAR센서부(L)는 XY평면 상으로 뿌려지는 레이저를 이용한 것으로서 2차원의 레이저를 사용한다. 그리고 그 LIDAR센서부(L)를 차량(C)의 휠(W)의의 중심에 설치함으로써 휠(W)과 함께 회전되도록 하는 것이다. 그에 따라 LIDAR센서부(L)의 레이저가 조사되는 XY평면은 a,b,c의 단계로 회전하게 된다.

한편, 차량에는 도 3과 같이 차량 휠(W)의 회전각을 측정하는 각도센서(S)와 LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 각도센서(S)에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부(100)가 포함된다.

즉, 2차원의 LIDAR센서부(L)는 지속적으로 차량의 이동과 함께 회전하며 주변을 감지하고 그 휠(W)의 회전각을 탐지함으로써 순간순간 측정되는 LIDAR센서부(L)의 XY평면의 위치를 알게 되는 것이다. 이를 통해 매 순간순간 LIDAR센서부(L)를 통해 측정되는 데이터를 측정된 회전각 만큼 회전시키며 중첩함으로써 전체적으로 주변 환경의 3차원 공간 정보를 알 수 있게 되는 것이다. 즉, 시간 t에서의 감지된 평면데이터에 t+1에서 감지된 평면데이터를 그동안 움직인 회전각만큼 회전시켜 중첩할 경우 두 가지 평면의 데이터가 하나의 시간대로 중첩되어 XYZ 3차원의 데이터로 완성될 수 있는 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 차량의 좌우측으로는 LIDAR센서부(L)를 이용하여 3차원의 정보를 얻을 수 있고, 차량의 전방으로는 레이더센서(30)로 파악하며, 사각으로는 초음파센서(20) 등을 통해 장애물을 알 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 LIDAR센서부(L)를 사용할 경우 차량의 전방위적인 범위의 장애물 정보를 알 수 있게 된다.

한편, 상기 휠의 각도를 측정하는 각도센서(S)는 회전형 엔코더로 구성하여 정확한 휠의 절대각도값을 알 수 있도록 한다.

그리고, 상기 가공부(100)는 차량이 정지 상태인 경우에는 3차원 공간정보의 생성을 중지함으로써 3차원 공간정보의 왜곡을 방지하고, 차량의 운행이 각도센서를 통해 감지될 경우 다시 가동하여 공간 정보를 생성하도록 한다.

한편, 상기 LIDAR센서부(L)는 차량의 좌측 휠과 우측 휠에 각각 하나씩 마련될 수 있으며, 바람직하게는 후륜측에 하나씩 마련할 수 있다. 각 방향에 하나의 LIDAR센서부(L)를 배치하는 것만으로도 도 2와 같이 전방위적인 180도의 위치에 해당하는 영역(20)의 공간 정보를 얻을 수 있기 때문이다.

또한, 상기 LIDAR센서부(L)는 XY평면 상에서 물체의 윤곽을 감지하도록 할 수 있다. 그리고 물체의 Z좌표는 앞서 살핀 바와 같이, 회전각의 측정을 통해 반영하여 알 수 있게 된다.

또한, 상기 가공부(100)는 각도센서(S)에서 측정된 회전각을 이용하여 주행거리를 산출하고, LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며 주행거리를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성할 수 있게 된다. 즉, t시간에 측정된 데이터에 t+1시간에 측정된 데이터를 회전시킨 후 이동량만큼 즉, 차이가 나는 시간만큼의 주행거리를 시프팅함으로써 완벽히 일정 시간대에 중첩된 3차원의 공간정보를 얻을 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템은, 3차원의 관성을 측정하여 차량의 정확한 주행변위를 산출하는 IMU센서(200);를 더 포함하고, 상기 가공부(100)는 LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며, IMU센서(200)에서 측정된 주행변위를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성할 수 있다.

즉, 차량이 저속인 경우에는 휠과 지면의 슬립이 일어나지 않아 비교적 정확한 이동거리가 파악된다고 할 수 있다. 그러나 차속이 고속인 경우에는 다소의 슬립이 일어나기 때문에 이동거리를 정확히 측정하기 위해서는 IMU센서(200)를 이용함이 바람직하다. IMU(Inertial Measurement Unit, 관성측정장치)센서는 3축의 자이로와 가속도 또는 이에 더하여 지자계까지 구비됨으로써 항공장비나 로봇의 자세제어에 많이 이용되는 센서이다. 이는 자이로와 가속도를 통하여 변위를 측정하기 때문에 차량의 슬립이 일어나더라도 비교적 정확한 절대적인 변위를 알 수 있게 한다. 또한, 3차원 상의 변위를 알 수 있기 때문에 공간정보의 생성시 차량의 피칭 역시 파악하여 보정할 수 있다는 장점이 있다.

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도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템을 운용하는 순서도로서, 먼저 차량이 이동하는지 판단하고, 이동시에 측정을 시작한다. 그리고 차량이 고속인지를 판단하여, 저속인 경우에는 엔코더의 측정값만으로 그 회전각과 주행거리를 통해 3차원 공간정보를 생성한다. 그러나 차량이 고속인 경우에는 엔코더의 측정값과 IMU센서의 측정값을 통해 비교분석하여 오차를 줄임으로써 좀 더 정확한 회전각과 주행거리를 통해 3차원 공간정보를 형성함이 바람직한 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

C : 차량 W : 휠
L : LIDAR센서부 S : 각도센서
M : 모터 100 : 가공부
200 : IMU센서

Claims (8)

1. 차량 휠(W)의 외측 중심에 장착되어 휠(W)과 함께 회전되는 2차원 LIDAR센서부(L);
   상기 차량 휠(W)의 회전각을 측정하는 각도센서(S); 및
   상기 LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 각도센서(S)에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부(100);를 포함하고,
   상기 가공부(100)는 각도센서(S)에서 측정된 회전각을 이용하여 주행거리를 산출하고, LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며 주행거리를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간정보 생성시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 각도센서(S)는 회전형 엔코더인 것을 특징으로 하는 3차원 공간정보 생성시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가공부(100)는 차량이 정지 상태인 경우에는 3차원 공간정보의 생성을 중지하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간정보 생성시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 LIDAR센서부(L)는 차량의 좌측 휠과 우측 휠에 각각 하나씩 마련된 것을 특징으로 하는 3차원 공간정보 생성시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 LIDAR센서부(L)는 XY평면 상에서 물체의 윤곽을 감지하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간정보 생성시스템.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   3차원의 관성을 측정하여 차량의 정확한 주행변위를 산출하는 IMU센서(200);를 더 포함하고,
   상기 가공부(100)는 LIDAR센서부(L)에서 측정된 2차원 정보에 회전각을 반영하며, IMU센서(200)에서 측정된 주행변위를 이용하여 특정 시점으로 시프팅 함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 공간정보 생성시스템.
8. 삭제

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