KR102019338B1 - 자율주행 로봇용 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치는 무인 비행기에 장착되어 상기 무인 비행기 주변의 지형 또는 물체를 감지하는 무인 비행기용 라이다 장치로서, 일측이 상기 무인 비행기와 고정 결합되는 본체; 및 상기 본체의 타측과 회전 가능하도록 결합되는 회전체;를 포함하고, 상기 회전체는 레이저 조사부와 레이저 수광부를 포함하는 레이저 모듈과, 상기 레이저 모듈이 회전 가능하도록 설치된 회전축부를 포함하고, 상기 본체는 상기 회전축부를 회전시키는 모터와, 상기 레이저 모듈 및 모터 중 적어도 하나를 제어하는 제어 모듈을 포함한다.

Description

자율주행 로봇용 라이다 장치{LADAR APPARATUS FOR AUTONOMOUS DRIVING ROBOT}
본 발명은 라이다 장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 자율 주행 로봇에 적용될 수 있는 장치에 관한 것이다.
무인 비행기인 드론(Drone) 등을 포함하는 자율 주행 로봇(Robot)에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 최근에는 이를 이용한 무인 배송 시스템의 구축에 대한 개발이 진행되고 있는 상황이다.
특히, 상술한 시스템의 구축을 위해서는 무인 비행기 등의 로봇의 자율 주행이 이루어져야 하므로, 로봇이 주변의 장애물이나 지형 등을 확인하고 이에 기초하여 주행 경로를 설정하는 기술이 전제가 되어야 한다.
한편, 주변의 장애물이나 지형 등의 확인을 위한 라이다 장치(LIDAR Apparatus: Light Detection And Ranging Apparatus)가 제공되고 있으며, 이러한 라이다 장치는 레이저를 목표물을 향하여 조사하고, 목표물로부터 반사된 광을 수신함으로써, 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있다.
라이다 장치는 기상 관측이나 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서, 무인 자동차 또는 비행기 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술을 위하여 연구되고 있다.
특히, 전방위 방향에 배치된 사물 등을 감지하기 위해서는 레이저를 발사하는 부분이 회전하도록 설계된 회전식 라이다 장치가 개발되고 있는 실정이다.
그러나 이동체가 기울어진 상황에서 라이다 장치가 주변의 장애물을 검출하는 경우나 또는 라이다 장치의 회전 속도가 불균일할 경우 주변 장애물의 정확한 위치의 검출이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 하기 선행문헌에는 구름 특성 측정용 라이다 장치 및 구름 특성 측정용 라이다 장치의 동작 방식에 대한 기술이 개시되어 있으며, 본 발명의 기술적 요지를 포함하고 있지 않다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0038389호
본 발명에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
무인 비행기가 기울어진 상태에서 라이다 장치를 통하여 주변의 장애물이나 지형 등을 검출하거나 또는 라이다 장치를 회전시키기 위한 모터의 회전 속도가 일정하지 않은 경우라도 주변의 장애물이나 지형 등을 정확히 검출할 수 있는 라이다 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치는 무인 비행기에 장착되어 상기 무인 비행기 주변의 지형 또는 물체를 감지하는 무인 비행기용 라이다 장치로서, 일측이 상기 무인 비행기와 고정 결합되는 본체; 및 상기 본체의 타측과 회전 가능하도록 결합되는 회전체;를 포함하고, 상기 회전체는 레이저 조사부와 레이저 수광부를 포함하는 레이저 모듈과, 상기 레이저 모듈이 회전 가능하도록 설치된 회전축부를 포함하고, 상기 본체는 상기 회전축부를 회전시키는 모터와, 상기 레이저 모듈 및 모터 중 적어도 하나를 제어하는 제어 모듈을 포함한다.
상기 제어 모듈은, 상기 모터의 회전을 제어하는 모터 제어부; 상기 레이저 수광부가 획득한 스캔 데이터를 전송받는 스캔 데이터 입력부; 및 상기 무인 비행기 및 외부 제어 장치 중 적어도 하나와 신호를 송수신하기 위하여 마련된 통신부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 본체는 상기 무인 비행기의 기울기를 감지하는 기울기 센서를 더 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 기울기 센서가 획득한 기울기 데이터를 전송받는 기울기 데이터 입력부; 및 상기 기울기 데이터에 기초하여 상기 스캔 데이터를 보정하는 제1 스캔 데이터 보정부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 본체는 상기 모터의 위치를 검출하는 모터 위치 센서를 더 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 모터 위치 센서가 검출한 상기 모터의 위치에 기초하여 상기 모터의 회전 주기를 산출하는 모터 회전 주기 산출부; 및 상기 모터 회전 주기에 기초하여 상기 스캔 데이터를 보정하는 제2 스캔 데이터 보정부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제어 모듈은, 상기 스캔 데이터 중 상기 무인 비행기로부터의 거리가 미리 설정된 범위를 벗어난 스캔 데이터를 필터링하는 제3 스캔 데이터 보정부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치는, 라이다 장치가 검출한 주변 장애물 및 지형의 위치 정보를 무인 비행기에 장착된 기울기 센서 또는 라이다 장치를 회전시키는 모터의 위치 센서로부터 획득한 정보에 기초하여 보정을 수행함으로써, 주변 장애물 또는 지형의 정확한 검출이 가능하다는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치를 포함하는 무인 비행기 자율 주행 운용 시스템을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치 중 제어 모듈을 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치의 제어 모듈에서 기울기 센서를 이용하여 스캔 데이터를 보정하는 내용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치를 포함하는 로봇의 자율 주행 운용 시스템 중 외부 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇용 라이다 장치를 포함하는 로봇의 자율 주행 운용 시스템 중 외부 제어 장치에 의하여 출력되는 화면을 도시한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
아울러, 본 발명에서의 로봇은 비행기, 드론, 2족 보행 로봇, 4족 보행 로봇, 자동차 등을 모두 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 자율 주행 운용 시스템 및 이에 포함되는 라이다 장치에 대하여 설명하되, 로봇은 드론(Drone)과 같은 무인 비행기임을 전제로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치를 포함하는 무인 비행기 자율 주행 운용 시스템을 간략히 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치 중 제어 모듈을 구체적으로 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치의 제어 모듈에서 기울기 센서를 이용하여 스캔 데이터를 보정하는 내용을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치를 포함하는 무인 비행기 자율 주행 운용 시스템 중 외부 제어 장치를 도시한 블록도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치를 포함하는 무인 비행기 자율 주행 운용 시스템 중 외부 제어 장치에 의하여 출력되는 화면을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기 자율 주행 운용 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 무인 비행기(10), 라이다 장치(20) 및 외부 제어 장치(30)로 구성된다.
무인 비행기(10)는 드론과 같은 복수 개의 프로펠러를 구비한 비행체일 수 있으며, 내부에 프로펠러 등을 제어하는 제어유닛을 구비할 수 있으며, 아울러 이러한 제어유닛은 후술할 라이다 장치(20) 및 외부 제어 장치(30) 중 적어도 하나와 통신을 통해 연동되도록 구성된다.
라이다 장치(20)는 무인 비행기(10)에 장착되어 무인 비행기 주변의 지형 또는 물체를 감지하는 기능을 수행한다.
이러한 라이다 장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 크게 본체(100) 및 회전체(200)로 구성될 수 있다.
본체(100)는 일측이 무인 비행기(10)와 고정 결합되는 구성이고, 회전체(200)는 본체(100) 타측과 회전 가능하도록 결합되는 구성이다.
이러한 회전체(200)는 레이저 조사부(210) 및 레이저 수광부(220)를 포함하는 레이저 모듈과, 레이저 모듈이 회전 가능하도록 설치된 회전축부를 포함한다.
본체(100) 내부에는 회전체(200)의 회전축부를 회전시키는 모터(120)와, 레이저 모듈 및 모터(120) 중 적어도 하나를 제어하는 제어 모듈(300)을 포함할 수 있다.
즉, 회전체(200)의 회전에 의하여 레이저 모듈은 무인 비행기(10) 기준으로 전방위의 장애물 또는 지형을 검출할 수 있게 된다.
특히, 본체(100) 내부의 제어 모듈(300) 및 회전체(200) 내부의 레이저 모듈 간에는 무선으로 연결될 수도 있으나 유선으로 연결될 수도 있는데, 유선으로 연결될 경우 회전체(200)의 회전에 의하여 와이어가 꼬이는 것을 방지하기 위하여 슬립링을 추가하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치의 제어 모듈(300)에 대하여 도 3을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치의 제어 모듈(300)은 스캔 데이터 입력부(310), 스캔 데이터 보정부(340), 통신부(350) 및 모터 제어부(360) 등을 포함하도록 구성될 수 있다.
스캔 데이터 입력부(310)는 레이저 수광부(220)가 획득한 스캔 데이터를 전송받는 기능을 수행한다.
스캔 데이터 보정부(340)는 스캔 데이터 입력부(310)로부터 전달받은 스캔 데이터를 무인 비행기(10)의 무인 비행기(10)의 기울임 상태 또는 회전체(200)를 회전시키는 모터(120)의 회전 상태 등에 기초하여 보정하는 기능을 수행하며, 이에 대한 자세한 내용은 후술하도록 한다.
통신부(350)는 무인 비행기(10) 및 외부 제어 장치(30) 중 적어도 하나와 신호를 송수신하기 위하여 마련된 구성이며, 모터 제어부(360)는 모터(120)로 인가되는 전원을 제어함으로써 모터(120)를 구동시키는 기능을 수행한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치는 무인 비행기(10) 주변의 장애물 및 지형을 좀 더 정확하게 수행하기 위하여 레이저 수광부(220)가 획득한 스캔 데이터를 보정하는 스캔 데이터 보정부(340)를 구비하고 있는데, 이하 이에 대한 여러 실시예를 설명하도록 한다.
제1 실시예로써, 무인 비행기(10)의 기울임에 기초하여 스캔 데이터를 보정하는 내용을 도 3 및 도 4를 참조하여 살펴보도록 한다.
여러 무인 비행기(10)들 중 특히 드론은 한쪽 방향으로 전진할 때 기체가 수평을 이루지 않고 도 4와 같이 한쪽 방향으로 기울어진 상태로 전진하게 된다.
이로 인하여 무인 비행기(10)에 결합되는 라이다 장치(10) 또한 기울어진 상태로 무인 비행기(10) 주변의 지형 또는 물체를 감지하게 됨으로써 부정확한 정보를 획득하게 된다.
이러한 문제점을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치는 본체(100)에 무인 비행기(10)의 기울기를 감지하는 기울기 센서(110)를 더 포함하며, 기울기 센서(110)로는 자이로센서가 적용될 수 있다.
또한, 제어 모듈(300)에는 기울기 데이터 입력부(320) 및 제1 스캔 데이터 보정부(341)를 더 포함할 수 있다.
기울기 데이터 입력부(320)는 기울기 센서(110)가 획득한 기울기 데이터를 전송받는 기능을 수행하고, 제1 스캔 데이터 보정부(341)는 기울기 데이터에 기초하여 스캔 데이터를 보정하는 기능을 수행한다.
예를 들면, 도 4와 같이 무인 비행기(10)가 이동방향 대비 A도만큼 아래로 기울어진 상태로 주행하게 되면, 기울기 센서(110)는 현재 무인 비행기(10)가 Z축상에서 A도 만큼 아래로 기울어지고 있음을 감지하게 된다.
제어 모듈(300)의 기울기 데이터 입력부(320)는 기울기 센서(110)로부터 기울기 데이터를 전송받는다.
이후, 제1 스캔 데이터 보정부(341)는 스캔 데이터 입력부(310) 및 기울기 데이터 입력부(320)로부터 각각 스캔 데이터 및 기울기 데이터를 전송받은 후, 스캔 데이터를 기울기 데이터에 기초하여 보정한다.
제2 실시예로써, 모터(120)의 회전 속도에 기초하여 스캔 데이터를 보정하는 내용에 대하여 살펴보도록 한다.
상술한 바와 같이 회전체(200)에 배치된 레이저 수광부(220)가 주기적으로 360도 회전하면서 무인 비행기(10) 주변의 장애물 또는 지형을 검출하는데, 수광부(220)를 회전시키는 모터(120)의 회전 속도가 일정하지 않고 변화하는 경우, 레이저 수광부(220)가 획득한 스캔 데이터의 방향을 정확히 특정하기 어렵다는 문제가 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치는 본체(100)에 모터(120)의 위치를 검출하는 모터 위치 센서(121)를 더 포함하고, 이러한 위치 센서(121)로는 홀 센서가 적용될 수 있다.
또한, 제어 모듈(300)에는 모터 회전 주기 산출부(320) 및 제2 스캔 데이터 보정부(342)를 더 포함할 수 있다.
모터 회전 주기 산출부(320)는 모터 위치 센서(121)가 획득한 모터의 위치 정보를 전송받은 후 이를 통하여 모터의 회전 주기 산출하는 기능을 수행한다.
제2 스캔 데이터 보정부(342)는 모터 회전 주기 산출부(320)에서 전달받은 모터 회전 주기에 기초하여 스캔 데이터를 보정하는 기능을 수행한다.
예를 들면, 모터(121)의 주기가 1초이고, 레이저 수광부(220)가 검출하는 스캔 데이터의 샘플링 주기를 0.1초라고 할 때, 레이저 수광부(220)는 360도 회전하는 1초동안 10개의 샘플링된 스캔 데이터를 획득하게 된다.
그런데, 무인 비행기(10)에 장착된 전원에 이상이 있거나 또는 그 밖에 여러 상황에 의하여 모터(121)의 회전 속도가 절반으로 줄게 되면, 먼저 모터 위치 센서(121)가 이를 감지하여 모터의 위치 정보를 모터 회전 주기 산출부(320)로 전달하게 된다.
모터 회전 주기 산출부(320)는 모터 위치 센서(121)로부터 전달받은 모터의 위치 정보에 기초하여 현재 모터의 회전 주기가 1초에서 2초로 변경된 내용을 산출하게 된다.
제2 스캔 데이터 보정부(342)는 스캔 데이터 입력부(310) 및 모터 회전 주기 산출부(320)로부터 각각 스캔 데이터 및 모터 회전 주기를 전송받은 수, 스캔 데이터의 샘플링 주기를 0.2초로 보정하는 등, 모터 회전 주기에 상응하도록 보정한다.
제3 실시예로써, 무인 비행기로부터의 거리에 따라 스캔 데이터를 필터링하는 내용에 대하여 살펴보도록 한다.
레이저 수광부가 획득한 스캔 데이터 중 무인 비행기(10)와 너무 먼 거리에 위치한 장애물 또는 지형 정보는 불필요하기 때문에 필터링되는 것이 바람직하다.
또한, 무인 비행기(10)와 너무 가까운 거리에 위치한 장애물 또는 지형 정보는, 무인 비행기(10)의 기구 형상에 의한 간섭이나 또는 레이저 수광부에 부착된 이물 등일 가능성이 높으므로, 이 또한 필터링되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 비행기용 라이다 장치에서는 스캔 데이터 중 무인 비행기(10)로부터의 거리가 미리 설정된 범위를 벗어난 스캔 데이터를 필터링하는 제3 스캔 데이터 보정부(343)를 포함할 수 있다.
앞에서는 본 발명에 따른 무인 비행기 자율 주행 운용 시스템 중 라이다 장치(20)를 중점적으로 설명하였으며, 이하 도 5 및 도 6을 참조하여 무인 비행기(10) 및 라이다 장치(20) 중 적어도 하나와 통신하는 외부 제어 장치(30)에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.
외부 제어 장치(30)는 도 5에 도시된 바와 같이 데이터 변환부(31) 및 출력부(32)로 구성될 수 있다.
데이터 변환부(31)는 라이다 장치(20)의 통신부(350)로부터 전달받은 데이터를 화면에 디스플레이될 수 있도록 데이터 변환을 수행하는 구성이다.
출력부(32)는 데이터 변환부(31)에 의하여 변환된 데이터를 디스플레이에 출력하는 기능을 수행한다.
구체적으로 출력부(32)는 도 6과 같이 무인 비행기(10) 주변의 지형 또는 물체를 디스플레이에 2차원으로 구현된 화면에 출력한다.
이러한 화면에는 동일한 중심(C)을 갖고 각각 다른 반지름을 갖는 복수 개의 거리 참조원(E) 및 지형 또는 물체를 나타내는 표시원(D)을 포함한다.
거리 참조원(E) 들의 중심으로부터 수직 방향으로 연장되는 선을 기준선(B)이라고 정의할 수 있으며, 이러한 기준선(B)은 무인 비행기(10)의 진행 방향으로 정의될 수도 있을 것이다.
또한 기준선(B)과 표시원(D) 사이의 각도(θ)는 무인 비행기(10)의 진행 방향을 기준으로 장애물 또는 지형의 위치 방향을 의미하며, 중심(C)과 표시원(D) 사이의 거리(r)는 무인 비행기(10)와 장애물 또는 지형의 거리를 의미한다.
나아가, 화면에는 무인 비행기(10)의 현재 기울기 상태를 표시하기 위한 보조창(F)을 더 포함할 수 있으며, 무인 비행기(10)의 기울기 상태는 앞에서 언급한 기울기 센서(110)에 의하여 획득 가능할 것이다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 무인 비행기
20: 라이다 장치
30: 외부 제어 장치
100: 몸체
200: 회전체
300: 제어 모듈

Claims (5)

  1. 무인 비행기에 장착되어 상기 무인 비행기 주변의 지형 또는 물체를 감지하는 자율 주행 로봇용 라이다 장치에 있어서,
    일측이 상기 무인 비행기와 고정 결합되는 본체; 및 상기 본체의 타측과 회전 가능하도록 결합되는 회전체;
    를 포함하고,
    상기 회전체는 레이저 조사부와 레이저 수광부를 포함하는 레이저 모듈과, 상기 레이저 모듈이 회전 가능하도록 설치된 회전축부를 포함하고,
    상기 본체는 상기 회전축부를 회전시키는 모터와, 상기 레이저 모듈 및 모터 중 적어도 하나를 제어하는 제어 모듈과, 상기 모터의 위치를 검출하는 모터 위치 센서를 포함하고,
    상기 제어 모듈은,
    상기 모터의 회전을 제어하는 모터 제어부;
    상기 레이저 수광부가 획득한 스캔 데이터를 전송받는 스캔 데이터 입력부;
    상기 무인 비행기 및 외부 제어 장치 중 적어도 하나와 신호를 송수신하기 위하여 마련된 통신부;
    상기 모터 위치 센서가 검출한 상기 모터의 위치에 기초하여 상기 모터의 회전 주기를 산출하는 모터 회전 주기 산출부; 및
    상기 모터 회전 주기에 기초하여 상기 스캔 데이터를 보정하는 제2 스캔 데이터 보정부;
    를 포함하는 자율 주행 로봇용 라이다 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 상기 무인 비행기의 기울기를 감지하는 기울기 센서를 더 포함하고,
    상기 제어 모듈은 상기 기울기 센서가 획득한 기울기 데이터를 전송받는 기울기 데이터 입력부; 및 상기 기울기 데이터에 기초하여 상기 스캔 데이터를 보정하는 제1 스캔 데이터 보정부;를 더 포함하는 자율 주행 로봇용 라이다 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어 모듈은,
    상기 스캔 데이터 중 상기 무인 비행기로부터의 거리가 미리 설정된 범위를 벗어난 스캔 데이터를 필터링하는 제3 스캔 데이터 보정부;를 더 포함하는 자율 주행 로봇용 라이다 장치.
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