KR101814116B1

KR101814116B1 - 광대역 보안 시스템을 위한 수신감도가 높은 라이다

Info

Publication number: KR101814116B1
Application number: KR1020170017892A
Authority: KR
Inventors: 김철영
Original assignee: (주)엠제빈
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-01-02

Abstract

본 발명은 라이다를 이용한 보안센서를 포함하는 보안시스템에 관한 것으로, 보안센서는 펄스광원부(100), 회전미러부(200), 수광부(300), 커버부(400), 케이스(500), 메인제어부(700), 모터부(800)를 포함하고, 상기 펄스광원부(100)는 소정의 펄스폭과 반복주기를 갖는 펄스형태의 광신호를 만들어내고, 상기 회전미러부(200)는 45도의 각도를 가지고 미러가 배치되고, 상기 모터)부(800)에 의해서 360도 회전하고, 상기 커버부(400)는 Anti-Reflection 코팅이 되어 있고, 상기 메인제어부(700)는 시간-디지털신호변환부(702)를 포함하고, 상기 시간-디지털신호변환부(702)에 의해서 펄스가 제어되는 것을 특징으로 하며, 상기 펄스광원부(100), 회전미러부(200), 수광부(300)는 동일축상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 적용함으로써의 효과는 고감도 센싱, 안정적인 구동을 구현하는 것이다.

Description

광대역 보안 시스템을 위한 수신감도가 높은 라이다 {HIGH SENSITIVITY LiDAR FOR SECURITY SYSTEM WITH WIDE RANGE}

본 발명은 광대역 보안 시스템을 위한 수신감도가 높은 라이다에 관한 것이다.

일반적으로, 사무실이나 주택, 빌딩 등 중요시설이 있는 곳에는 외부의 침입으로부터 인명과 재산을 보호하기 위하여 보안시스템장치을 설치하게 되는데, 이와 같은 보안시스템장치는 외부에서 침입자가 침입하였을 경우 이를 감지하여 경보를 발생함과 동시에 빠른 시간 내에 이와 같은 상황을 보안업체에 통보할 수 있는 시스템이다.

상기와 같은 보안시스템장치는 주로 외부의 침입이 용이하거나 침입이 우려되는 장소, 즉 보호영역에 사람의 육안에는 보이지 않는 적외선을 설치하여 상기 적외선이 침입자에 의해 차단되면 경보가 울리는 시스템으로 되어 있다.

그러나, 상기와 같이 육안으로 보이지 않는 적외선을 이용한 보안시스템장치의 경우에는 보안시스템이 작동 중에 침입자가 아닌 사람의 실수에 의해 적외선이 차단되어 잘못된 경보가 빈번히 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 근래에는 상기와 같이 사람의 육안에 보이지 않는 적외선을 이용한 보안시스템보다는 외부에서 육안으로 보안구역임을 확인할 수 있도록 사람의 육안으로 확인이 가능한 레이저를 이용한 보안시스템장치가 사용되고 있다.

특히, 레이저를 이용하는 보안시스템에서는 라이다(LiDAR, light detection and ranging)를 센서로 이용하는 것이, 기능적이나 성능적으로 우수하여, 이슈화되고 있다.

하지만, 라이다의 경우는 광범위한 영역을 실시간으로 측정하기 위해서는 고속 스캐닝할 수 있는 기능과 안정적인 광원과 수광부(300)가 필수적으로 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 안정적인 광원과 수광부(300) 및 그 구조를 제안하고, 고속으로 스캐닝하기 위한 구조가지는 보안센서를 이용하여 고속으로 광대역으로 센싱하는 것을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제를 해결하는 수단으로 보안 시스템의 보안센서로 사용하는 라이다는 펄스광원부, 회전미러부, 수광부, 커버부, 케이스, 메인제어부, 모터부를 포함하고; 상기 펄스광원부는 소정의 펄스폭과 반복주기를 갖는 펄스형태의 광신호를 만들어내고, 상기 메인제어부는 시간-디지털신호변환부를 포함하고, 상기 시간-디지털신호변환부에 의해서 상기 펄스가 제어되고; 상기 메인제어부는 제1마이크로 컨트롤러, 수광부 구동부, 수광부 온도보상부, 통신부를 포함하며, 상기 수광부 구동부는 상기 수광부를 구동하고, 상기 수광부 온도보상부는 수신감도 향상을 위해서 상기 수광부의 온도를 검출하여, 상기 검출된 온도에 따라 수광부 구동부의 조건을 변경시키며, 상기 메인제어부는 상기 수광부에 의해서 수광된 상기 광신호의 로우크기, 하이크기를 측정하여, 수광된 상기 광신호의 크기를 보정하고; 상기 펄스광원부는 별도의 미러없이, 상기 모터부 아래에 배치되어, 상기 펄스광원부의 출력이 상기 모터부를 관통하여 출력되고, 상기 펄스광원부, 회전미러부, 수광부는 동일축상에 배치되며, 상기 라이다는 제2마이크로 컨트롤러, 증폭부, 프리드라이버를 더 포함하고, 상기 모터부의 제어는 제2마이크로 컨트롤러에 의해서 제어되며, 상기 제2마이크로 컨트롤러는 PWM신호와 증폭부를 이용해서 상기 모터부를 메인제어하고, 상기 프리드라이버를 이용해서 상기 모터부를 미세제어하며, 상기 회전미러부는 상기 모터부에 의해서 회전하게 되고, 상기 펄스광원부는 펄스광원구동부에 의해서 구동되며, 상기 펄스광원구동부는 전원부, 전원변환부, 아발란츠 드라이버, 트리거생성부, 펄스형성부, 펄스광원드라이버를 포함하며, 상기 전원변환부는 전원부에서 인가된 전원을 아발란츠 바이어싱 전압으로 변환하고, 상기 전원변환부의 출력은 아발란치 드라이버의 입력되고, 상기 아발란치 드라이버의 출력은 상기 펄스광원드라이버를 바이어싱 시키며, 상기 전원부의 전원이 인가된 트리거생성부는 트리거를 생성해서 상기 펄스형성부에 생성된 트리거를 인가하고, 상기 펄스형성부는 펄스를 형성하며, 상기 형성된 펄스는 상기 펄스광원드라이버에 전달되어, 상기 펄스광원부를 구동하는 것을 특징으로 한다.

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상기와 같은 해결 수단을 제공하면, 모터를 안정적으로 제어되어, 광범위한 지역을 안정적으로 스캐닝할 수 있는 기능을 제공하고, 높은 성능의 광원부 및 수광부(300)에 의해서 높은 해상도의 보안 센서 기능을 제공하여, 높은 보안성을 가지는 광대역 보안 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1 본 발명의 일 실시예
도 2 본 발명의 펄스광원구동부 블럭도
도 3 본 발명의 메인제어부 블럭도
도 4 본 발명의 모터제어부 블럭도
도 5 본 발명의 일 실시예

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 라이다 기반의 광대역 보안 시스템에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 라이다를 이용한 보안시스템에 적용되는 보안센서의 일 실시예이다.

보안센서는 펄스형태의 광원을 출력하는 펄스광원부(100), 상기 펄스광원부(100)의 출력을 광범위한 지역에 대해서 광대역 스캔을 하기 위해서 펄스형태의 광원을 반사시키는 회전미러부(200), 상기 회전미러부(200) 등 라이다를 보호하기 위해서 커버부(400)를 통해서 펄스형태의 광원은 송출이 되고, 보안 감시 대상에 의해 반사된 광원은 커버부(400)를 통해 회전미러부(200)로 들어오고, 회전미러부(200)는 입력된 광원을 수광부(300)로 반사시킨다. 수광부(300)는 반사된 펄스형태의 광원 입력받아서 분석해서 센싱하는 대역에 대한 정보를 추출한다.

상기 펄스광원부(100)는 라이다를 구성함에 있어서, 중요한 부분이다. 그 이유는 라이다의 기본원리가 펄스형태의 광원을 보내고, 그 광원이 돌아오는 시간을 계산해서, 물체를 식별하기 때문이다. 따라서 고퀄러티의 펄스를 만드는 것이 중요하다.

도 2는 레이저를 펄스형태로 만들기 위한 펄스광원구동부(110)의 블럭도이다. 통상 입력전원은 DC5~12V로 사용이 된다. 입력전원은 분기되어 먼저 아발란츠 바이어싱을 위해, 5~12V 전원을 고전압, 본 발명에서는 330V로 전원변환부(112)를 이용하여 변환을 하고, 변환된 전압을 아발란치 드라이버에 입력하여, 펄스를 생성하기 위해서 바이어싱을 해준다. 또한 동시에 입력된 전원은 트리서 생성부에 입력되고, 트리거 생성부(114)는 트리거를 생성하여, 트리거를 이용하여 펄스 형성부(115)는 원하는 형태의 펄스를 형성하고, 이 펄스를 바이어싱 된 펄스 광원 드라이버(116)에 전달을 한다.

상기 펄스 광원 드라이버(116)는 레이저를 직접변조를 통해서 일정한 반복주기를 갖는 펄스광원을 만들게 된다.

도 3은 메인제어부(700)의 블럭도이다. 메인제어부(700)는 펄스신호의 생성되고, 그 생성된 신호를 다시 받아서 분석하여 그 거리를 계산하게 된다.

상기 메인제어부(700)는 제1 마이크로 컨트롤러(701)에 의해서 모든 제어가 이루어진다. 제어를 위해 사용되는 디지털 신호는 시간-디지털신호변환부(702)에 의해서 펄스 신호를 제어 및 연산을 하게 된다. 또한, 상기 메인제어부(700)는 수광부(300)를 구동할 수 있는 수광부(300) 구동부가 있고, 수광부(300)는 고성능을 사용하기 위해서 아발란츠 포토 다이오드가 사용될 수 있다. 또한, 높은 수신감도를 위해서는 수광부(300)의 온도를 검출하고 그 온도에 따라 수광부 온도보상부를 이용하여 수광부 구동부(704)의 조건은 변경하여 높은 수신감도를 높게 할 수 있다. 이런 조건의 변경도 제1 마이크로 컨트롤러(701)에 의해서 시간-디지털신호변환부(702)와 연동하여, 그 조건값에 따라서 거리측정 및 분석하는 조건을 변화시킨다.

또한 상기 메인제어부(700)는 통신부(708)를 구비하여, 다양한 정보를 입출력할 수 있고, 모터를 제어하는 제2 마이크로 컨트롤러와 통신을 하여 모터제어에 대한 정보를 얻어서 펄스 신호를 분석을 한다.

또한 입출력되는 펄스형태의 광신호는 전기신호로 변경되는 과정에서 대역폭의 문제 등의 이유로 펄스형태가 변화하게 된다. 변화된 펄스는 시간 오차를 유발하고, 보안 대상의 분석에 오차를 발생시킨다. 따라서 상기 메인제어부(700)는 펄스형태를 보정하는 기능을 수행한다. 보정은 펄스의 크기에 대해 로우크기, 하이크기를 선정하고, 로우크기와 하이크기 사이에 들어오는 시간축의 펄스의 차이 즉, 워크 에러를 분석하고, 워크에러 만큼 신호의 크기에 대한 보정작업을 한다.

상기 회전미러부(200)는 모터부(800)에 의해서 회전을 하게 된다. 통상의 모터는 정밀한 제어가 필요없이 PWM신호를 이용하여 구동하게 된다. 하지만, 라이다의 경우에는 모터의 속도 및 위치(이 위치는 나중에 회전미러부(200)의 위치로 환산이 된다.)를 정확히 알아야지만, 반사되서 돌아오는 펄스 광신호를 정확히 분석하고, 센싱을 할 수 있다.

본 발명에서는 상기 모터부(800)를 제어하기 위해서, 도4와 같은 모터)제어부(810)를 사용하였다. 모터의 메인제어를 위해서 PWM신호를 이용하여 증폭부(804)를 이용해서 모터를 메인제어한다. 또한 프리드라이버(806)를 이용해서 미세제어를 하게 된다. 안정적인 미세제어를 위해서는 아이솔로레이터를 이용하게 된다. 모터의 정확한 위치를 파악하기 위해서 포지션 셍싱을 하고 이를 제2 마이크로 컨트롤러에 보내지게 된다. 상기 모터제어부(810)는 제2통신부(803)에 의해서 메인제어부(700)와 통신을 한다.

도 5는 본 발명 라이다가 적용된 센서의 단면형상이다. 상부에는 수광부(300)과 위치하고, 회전미러부(200), 모터부(800), 펄스광원부(100)를 포함한다.

회전미러부(200)는 45도 경사를 가지고 미러가 위치하고 있으며, 아래부분으로 모터가 연결되어 360도 회전을 하게 된다. 펄스광원부(100)는 별도의 미러 없이, 모터의 아래에 배치되도록 되어지고, 수광부(300), 회전미러부(200), 펄스광원부(100)는 효율을 증대하기 위해서 동일 축상에 배치되고, 이를 위해서, 펄스광원부(100)의 출력이 모터를 관통하는 형상일 수 있다. 동일 축상에 배치를 안할 경우에는 콜리메이터와 미러등을 별도로 사용해야 하고, 각각의 광소자마다 삽입손실이 존재하여, 펄스형태의 광신호의 출력세기가 낮아지고, 수신될 수 있는 감도가 낮아지는 단점이 있다.

또한, 모터와 회전미러부(200)의 사이에, 베이링을 넣어서, 모터의 진동을 최소화하여, 정확한 검출을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 라이다는 광학기계가 들어가기 때문에 정밀한 부품보호가 필요하고 이런 부품 보호를 위해서는 커버부(400)가 필수적으로 필요하다. 커버부(400)는 Anti-Reflection 코팅이 되어 있는 필수적이고, 그 이유는 출력되고, 입력되는 광신호의 세기를 최대한 유지하기 위함이다.

또한, 상기 펄스광원부, 회전미러부, 수광부, 모터부는 결합 시, 외부 충격이나 진동에 영향을 줄이기 위해서, 완충부를 더 포함하며, 상기 완충부는 소정의 충격완화 소재가 사용되어 질 수 있으며, 상기 펄스광원부, 회전미러부, 수광부, 모터부가 결합될 때, 사이에 완충부가 포함되어 질 수 있다.

또한, 상기 커버부, 케이스는 방수 및 방진을 위해서, 방수방진부를 더 포함할 수 있으며, 방수방진부는 브라켓, 홈 등을 이용해서, 커버부와 케이스 등, 외부와 노출되는 부품들이 결합되는 곳에 위치할 수 있다.

100 펄스광원부
200 회전미러부
300 수광부
400 커버부
500 케이스
600 거리측정부
700 메인제어부
800 모터부
110 펄스광원구동부
111 전원부
112 전원변환부
113 아발란츠 드라이버
114 트리거 생성부
115 펄스 형성부
116 펄스 광원 드라이버
701 제1 마이크로 컨트롤러
702 시간-디지털신호변환부
704 수광부 구동부
705 수광부 온도보상부
706 피크검출기
707 ADC
708 통신부
810 모터제어부
801 제2 마이트로 컨트롤러
802 전원관리부
803 제2통신부
804 증폭부
806 프리드라이버
807 포지션 센싱
808 아이솔레이터
820 모터
830 베어링

Claims

보안 시스템의 보안센서로 사용하는 라이다에 있어서,
상기 라이다는 펄스광원부, 회전미러부, 수광부, 커버부, 케이스, 메인제어부, 모터부를 포함하고;
상기 펄스광원부는 소정의 펄스폭과 반복주기를 갖는 펄스형태의 광신호를 만들어내고,
상기 메인제어부는 시간-디지털신호변환부를 포함하고, 상기 시간-디지털신호변환부에 의해서 상기 펄스가 제어되고;
상기 메인제어부는 제1마이크로 컨트롤러, 수광부 구동부, 수광부 온도보상부, 통신부를 포함하며, 상기 수광부 구동부는 상기 수광부를 구동하고, 상기 수광부 온도보상부는 수신감도 향상을 위해서 상기 수광부의 온도를 검출하여, 상기 검출된 온도에 따라 수광부 구동부의 조건을 변경시키며, 상기 메인제어부는 상기 수광부에 의해서 수광된 상기 광신호의 로우크기, 하이크기를 측정하여, 수광된 상기 광신호의 크기를 보정하고;
상기 펄스광원부는 별도의 미러없이, 상기 모터부 아래에 배치되어, 상기 펄스광원부의 출력이 상기 모터부를 관통하여 출력되고, 상기 펄스광원부, 회전미러부, 수광부는 동일축상에 배치되며,
상기 라이다는 제2마이크로 컨트롤러, 증폭부, 프리드라이버를 더 포함하고,
상기 모터부의 제어는 제2마이크로 컨트롤러에 의해서 제어되며, 상기 제2마이크로 컨트롤러는 PWM신호와 증폭부를 이용해서 상기 모터부를 메인제어하고, 상기 프리드라이버를 이용해서 상기 모터부를 미세제어하며,
상기 회전미러부는 상기 모터부에 의해서 회전하게 되고,
상기 펄스광원부는 펄스광원구동부에 의해서 구동되며, 상기 펄스광원구동부는 전원부, 전원변환부, 아발란츠 드라이버, 트리거생성부, 펄스형성부, 펄스광원드라이버를 포함하며, 상기 전원변환부는 전원부에서 인가된 전원을 아발란츠 바이어싱 전압으로 변환하고, 상기 전원변환부의 출력은 아발란치 드라이버의 입력되고, 상기 아발란치 드라이버의 출력은 상기 펄스광원드라이버를 바이어싱 시키며, 상기 전원부의 전원이 인가된 트리거생성부는 트리거를 생성해서 상기 펄스형성부에 생성된 트리거를 인가하고, 상기 펄스형성부는 펄스를 형성하며, 상기 형성된 펄스는 상기 펄스광원드라이버에 전달되어, 상기 펄스광원부를 구동하는 것을 특징으로 라이다.
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