KR102340970B1 - 라이다 장치 및 그의 동작방법 - Google Patents

라이다 장치 및 그의 동작방법 Download PDF

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Abstract

라이다 장치 및 그의 동작방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 라이다(LiDAR) 장치에 있어서, 외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호를 기 설정된 주기마다 출력하는 광모듈과 외부 물체로부터 반사되는 라이다 펄스 신호를 수광하는 수광부와 상기 광모듈이 상기 라이다 펄스 신호의 광 경로를 변화시키거나, 상기 광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키는 광학계와 다른 라이다 장치와의 통신을 위한, 시분할된 데이터를 상기 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하는 통신부 및 상기 광학계에서 분기된 일부의 라이다 펄스 신호를 인식하여 출력되는 라이다 펄스 신호의 시점을 인지하고, 다른 라이다 장치와의 통신을 위한 데이터를 시분할하며, 시분할된 데이터를 상기 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하도록 상기 통신부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치를 제공한다.

Description

라이다 장치 및 그의 동작방법{LiDAR Apparatus and Method for Operating the Same}
본 발명은 물체의 탐색과 다른 라이다 장치와의 통신을 동시에 수행할 수 있는 라이다 장치 및 그의 동작방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)는 광을 이용하여 물체를 탐지하고 물체까지의 거리를 측정하는 기술로써, 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하고, 이를 가시화하는 형태로 발전되어 건설, 국방 등의 분야에 응용되고 있다.
최근에는 자율주행 자동차, 이동 로봇 또는 드론 등에 적용되면서 핵심 기술로 주목을 받고 있다. (자율주행) 자동차에 적용되는 경우, 라이다는 주행중인 차량이 다른 물체 또는 다른 차량의 존재 및 그것까지와의 거리를 측정할 수 있도록 한다.
한편, 라이다 장비를 장착한 장치는 동종의 장치 상호 간에 필요한 정보의 송·수신을 위해 통신을 수행한다. 예를 들어, 라이다 장비를 장착한 장치가 자율주행 자동차라면, 각 자율주행 자동차 간에 주행, 운전상황 또는 교통상황 등 다양한 정보를 송·수신해가며 주행할 수 있다.
종래의 라이다 장비를 장착한 장치는 물체 탐지를 위한 라이다로서의 동작과 동종의 장치와의 통신을 위한 동작을 각각 수행하기 위해 별개의 수단을 이용하였다. 즉, 라이다로서의 동작을 위해서 광을 이용한 반면, 동종의 장치와의 통신을 위해서는 전파를 이용하여 왔다.
그러나 전파는 다양한 통신수단에서 이용되고 있어, 간섭을 방지하기 위해 사용에 있어 엄격한 제한이 존재한다. 따라서, 라이다 장비를 장착한 장치에 통신 수단이 장착되기 위해서는 전술한 제한을 벗어날 수 있는 주파수의 선정 및 선정된 주파수가 해당 장치에 장착되어 온전히 동작할 수 있는지 여부 등이 고려되어야 하기에, 동종의 장치 간 통신에 있어 어려움이 존재하여 왔다.
본 발명의 일 실시예는, 물체의 탐색과 다른 라이다 장치와의 통신을 동시에 수행할 수 있는 라이다 장치 및 그의 동작방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 물체의 탐색과 다른 라이다 장치와의 통신을 수행함에 있어 상호 간의 간섭을 방지할 수 있는 라이다 장치 및 그의 동작방법을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 라이다(LiDAR) 장치에 있어서, 외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호를 기 설정된 주기마다 출력하는 광모듈과 외부 물체로부터 반사되는 라이다 펄스 신호를 수광하는 수광부와 상기 광모듈이 상기 라이다 펄스 신호의 광 경로를 변화시키거나, 상기 광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키는 광학계와 다른 라이다 장치와의 통신을 위한, 시분할된 데이터를 상기 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하는 통신부 및 상기 광학계에서 분기된 일부의 라이다 펄스 신호를 인식하여 출력되는 라이다 펄스 신호의 시점을 인지하고, 다른 라이다 장치와의 통신을 위한 데이터를 시분할하며, 시분할된 데이터를 상기 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하도록 상기 통신부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 상기 광모듈이 상기 라이다 펄스 신호의 광 경로를 변화시키기 위한 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광학계는 광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키기 위한 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 빔 스플리터는 상기 광모듈에서 출력되는 라이다 펄스 신호의 일부를 상기 수광부로 분기시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 수광부는 분기된 라이다 펄스 신호의 일부를 수광하여 센싱하고, 센싱값을 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 라이다 장치가 외부 물체를 탐색하는 동시에 다른 라이다 장치와 통신을 수행하는 방법에 있어서, 외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호를 기 설정된 주기마다 출력하는 출력과정과 외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호의 출력 시점을 인지하는 인지과정과 다른 라이다 장치로 전송할 데이터를 시분할하는 시분할과정 및 상기 시분할과정에서 시분할된 데이터를 출력되고 있는 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하는 송수신과정을 포함하는 라이다 장치 동작방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 라이다 장치는 상기 출력과정에서 출력되는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 라이다 장치는 분기된 라이다 펄스 신호의 일부를 수광하는 센싱하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 라이다 장치는 센싱한 센싱값을 토대로 외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호의 출력 시점을 인지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 기판과 상기 기판 상에 배치된 레이저 다이오드와 상기 기판 및 상기 레이저 다이오드 상에 배치되는 패시베이션층과 상기 기판의 일 부분에 배치되는 드라이버 및 상기 기판의 일 부분에 배치되는 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치용 광 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 레이저 다이오드는 상기 기판에 와이어 본딩되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 드라이버는 상기 기판 내 상기 레이저 다이오드가 배치된 방향과 반대방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 캐패시터는 상기 기판 내 상기 레이저 다이오드가 배치된 방향과 반대방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 물체의 탐색과 다른 라이다 장치와의 통신 모두를 광을 이용하여 동시에 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 물체의 탐색과 다른 라이다 장치와의 통신 모두를 광을 이용하여 수행하더라도 간섭을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 광소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 광소자의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 종래의 라이다 장치로부터 출력되는 광 신호를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치 내 구성의 구현예를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치로부터 출력되는 광 신호를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치로부터 출력되는 신호의 프레임 구조를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치가 동작하는 방법을 도시한 순서도이다.
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.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
라이다 장비를 장착한 장치(110, 이하에서 '라이다 장치'로 약칭함)는 라이다 장치(110) 외부의 물체를 탐색하기 위한 라이다 신호와 함께, 다른 라이다 장치(130)와 통신을 위한 통신신호를 송·수신한다.
라이다 장치(110)는 라이다 신호를 송·수신함으로써, 외부 물체를 탐지하고 자신과 얼마만큼 떨어져 위치하고 있는지를 감지한다. 라이다 신호는 광(레이저) 신호로서, 일정한 주기의 펄스 형태를 갖는다. 라이다 장치(110)는 일정한 주기마다 펄스 형태의 라이다 신호를 출력하고, 반사광의 수광여부에 따라 외부에 물체가 존재하는지, 얼마만큼 떨어진 위치에 존재하는지를 파악한다.
라이다 장치(110)는 통신신호를 송·수신함으로써, 다른 라이다 장치(130)와 필요한 정보를 송·수신한다. 이때, 이용되는 통신신호 역시, 라이다 신호와 마찬가지로 광 신호가 이용된다. 라이다 장치(110)는 광 무선통신(OWC: Optical Wireless Communication)를 수행하여 라이다 장치 간에 정보를 송·수신한다. 라이다 장치(110)는 외부 물체 탐지를 위해 광신호를 이용하면서, 다른 라이다 장치와의 통신을 위해서도 광신호를 이용하기에, 별도로 라이다 장치 간 통신을 위해 전파를 이용하지 않는다. 이에 따라, 라이다 장치(110)는 통신을 위한 주파수 선택 등의 문제에 있어 자유롭다. 한편, 라이다 장치(110)는 외부 물체 탐지 및 다른 라이다 장치와의 통신 모두에 있어 광 신호를 이용하기에, 양자 간에 간섭이 발생할 가능성이 존재한다. 이러한 문제를 해소하고자, 라이다 장치(110)는 통신을 위한 데이터를 시분할하여 라이다 펄스 신호의 간격마다 전송한다. 이에 따라, 라이다 장치(110)는 광 신호 간의 간섭은 방지하면서, 별도의 전파 이용없이 외부물체 탐지와 다른 라이다 장치와의 통신을 광신호로 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치(110, 130)는 광모듈(210), 수광부(220), 광학계(230), 통신부(240) 및 제어부(250)를 포함한다.
광 모듈(210)은 기 설정된 주기를 갖는 라이다 펄스 신호를 광학계(230)를 거쳐 외부로 출력한다. 광 모듈(210)은 내부에 별도의 드라이버(미도시)를 포함하여, 스스로 라이다 펄스 신호를 생성한다. 광 모듈(210)은 제어부(250)로부터 제어를 받아 광 모듈(210)의 동작여부는 제어를 받으나, 광 모듈(210)의 동작 시 동작(라이다 펄스 신호의 출력)에 대해서는 제어부(250)의 별도의 제어없이 스스로 동작한다. 광 모듈(210)에 관한 상세한 설명은 도 3 내지 5를 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 광소자의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 종래의 광소자의 회로도이다.
도 3 및 4를 참조하면, 종래의 광소자(300)는 기판(310) 상에 레이저 다이오드(320)가 배치되어, 레이저 다이오드(320)가 기판의 상부로 광을 조사하였다. 레이저 다이오드(320)는 기판(310)과 와이어 본딩(330)이 수행되었으며, 기판(310)과 레이저 다이오드(320)가 외부 환경으로부터 보호될 수 있도록 기판(310)과 레이저 다이오드(320) 상에 패시베이션(Passivation)층(340)이 배치되었다.
다만, 종래의 광 소자(300)는 내부에 별도의 드라이버를 구비하지 않았고, 광 소자(300)의 동작을 제어하기 위한 별도의 드라이버(410)가 외부에 반드시 배치되어야 했으며, 광 소자(300)의 과전류 또는 과전압의 방전을 위한 캐패시터(420) 역시 광 소자(300)의 외부에 배치되었다. 이에 따라, 종래의 광 소자(300)를 구동하기 위해서는 광 소자(300)를 구동하기 위한 드라이버(410)가 전기적으로 연결되어야만 하였고, 마찬가지로, 캐패시터(420)도 별도로 연결되어야만 하는 불편이 존재하였다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈(210)은 다음과 같이 구성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈(210)은 종래의 광소자(300)에 추가적으로 내부에 드라이버(410)와 캐패시터(420)를 더 포함한다.
드라이버(410)와 캐피시터(420)는 기판(310)의 일 부분에 각각 배치된다. 특히, 드라이버(410)와 캐피시터(420)는 각각 기판(310)에 레이저 다이오드(320)가 배치된 방향과 반대되는 방향으로 기판(310)에 배치된다.
드라이버(410)는 제어부(250)로부터 광 모듈(210) 자체의 동작 여부에 대한 제어는 받는다. 다만, 제어부(250)로부터 광 모듈(210)이 동작하도록 하는 제어를 받을 경우, 드라이버(410)는 외부의 제어없이 자체적으로 광 모듈(210, 보다 구체적으론 레이저 다이오드(320))이 라이다 펄스 신호를 출력하도록 제어한다.
이처럼, 드라이버(410)와 캐패시터(420)가 광 모듈(210) 내에 배치됨에 따라, 별도로 드라이버(410)와 캐패시터(420)가 외부에서 전기적으로 연결될 필요가 없어 하나의 모듈로서 온전히 동작할 수 있으며, 크기 역시 그에 따라 작아질 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 수광부(220)는 광 모듈(210)에서 출력되는 광의 일부나 광 모듈(210)에서 출력되어 외부의 물체로부터 반사된 반사광을 수광한다.
수광부(220)는 광 모듈(210)에서 출력되는 광의 일부를 수광한다. 광 모듈(210)에서 출력되는 광은 광학계(230)를 거치며 외부로 출력되는데, 이 중 일부는 분기되어 수광부(220)로 입사한다. 수광부(220)는 입사하는 광(라이다 펄스 신호)을 수광하여 센싱값을 제어부(250)로 전달한다. 수광부(220)가 출력광의 일부를 센싱함에 따라, 제어부(250)가 라이다 펄스 신호가 출력되는 시점과 펄스의 출력주기를 인지할 수 있도록 한다.
한편, 수광부(220)는 라이다 장치(110) 외부로 출력되어, 외부의 물체를 맞고 반사되는 반사광을 수광한다. 수광부(220)는 외부의 물체를 맞고 반사되는 반사광을 수광하여, 센싱값을 제어부(250)로 전달한다. 이에, 제어부(250)는 일정 반경 내 외부 물체의 존부 및 외부 물체의 거리(위치)를 파악할 수 있고, 나아가 외부 물체의 외형까지도 파악할 수 있다.
광학계(230)는 광모듈(210)이 출력하는 출력광(라이다 펄스 신호) 또는 반사광의 광 경로를 가변하고, 출력광의 일부를 분기하여 수광부(220)로 반사시킨다.
광학계(230)는 출력광 또는 반사광의 광 경로를 가변시키는 광학부품을 포함하여, 출력광이 외부로 조사되거나 반사광이 수광부(220)로 수광될 수 있도록 한다. 출력광이 분사되지 않고 조사를 위한 영역으로 곧게 조사될 수 있도록, 광학계(230)는 콜리메이션(Collimation) 렌즈를 포함할 수 있다. 한편, 반사광이 입사하는 경우 수광부(220)로 온전히 포커싱될 수 있도록, 광학계(230)는 집광렌즈를 포함할 수 있다.
광학계(230)는 출력광의 일부를 분기하여 수광부(220)로 반사시킨다. 광학계(230)는 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 광학계(230)는 광 모듈(210)로부터 출력되는 출력광의 광 경로에 빔 스플리터를 배치하여, 일부는 외부로 출력되도록 하고 나머지 일부는 수광부(220)로 분기되도록 한다. 이에 따라, 수광부(220)가 출력광을 수광하여 센싱할 수 있다.
통신부(240)는 광원(244)과 수광부(248)를 포함하여, 다른 라이다 장치(130)와 광 통신을 수행한다.
광원(244)은 광 무선통신을 이용하여 다른 라이다 장치(130)로 송신할 데이터를 전송한다. 광 무선통신(OWC: Optical Wireless Communication)은 광원의 빠른 응답속도 특성을 이용하여 온/오프 신호 패턴으로 구성되는 가시광 데이터를 전송하는 무선 통신기술이다. 광원(244)은 다른 라이다 장치(130)로 송신할 데이터를 광 무선통신 포맷의 데이터로 변환하며, 제어부(250)의 제어에 따라, 라이다 펄스 신호의 펄스 간격에 해당 데이터를 전송한다. 제어부(250)의 제어에 따라, 광원(244)은 다른 라이다 장치(130)로 송신할 데이터를 시분할하고, 시분할된 데이터를 각각 광 무선통신 포맷의 데이터로 각각 변환하여 출력한다. 광원(244)은 광모듈(210)과 같이 데이터의 전송을 위해 광을 이용하나, 광모듈(210)과의 간섭을 피하기 위해 출력할 데이터를 시분할하여 라이다 펄스 간격에만 전송하기 때문에 간섭이 발생하지 않는다.
수광부(248)는 다른 라이다 장치(130)로부터 전송되는 데이터를 수광한다. 마찬가지로, 수광부(248)는 다른 라이다 장치(130) 내 광원으로부터 출력되는 광 무선통신 포맷의 데이터를 수광하고 수광한 데이터를 제어부(250)로 전송한다.
제어부(250)는 라이다 장치 내 각 구성(210 내지 260)의 동작을 제어하며, 특히, 수광부(220)가 수광한 라이다 펄스 신호를 분석하여 펄스 간격 내에 광 무선통신 데이터를 출력하도록 통신부(240)를 제어한다.
제어부(250)는 광 모듈(210)의 동작 여부를 제어한다. 제어부(250)는 광 모듈(210) 자체가 동작하거나 동작하지 않도록 제어하며, 광 모듈(210)의 동작에 있어서는 광 모듈(210) 내부에 포함된 드라이버에 의해 자체적으로 제어되어 동작한다.
제어부(250)는 수광부(220)과 수광한 정보를 토대로, 라이다 펄스 신호의 출력 시점과 외부 물체의 존부 및 위치를 파악한다.
제어부(250)는 라이다 펄스 신호의 출력 시점을 파악한다. 수광부(220)가 출력광(라이다 펄스 신호)을 센싱한 정보를 이용하여, 제어부(250)는 라이다 펄스 신호에서 펄스가 출력되는 시점을 파악한다. 전술한 대로, 라이다 펄스 신호는 기 설정된 주기마다 펄스가 출력되는 형태를 갖기 때문에, 제어부(250)는 센싱값을 이용하여 펄스가 출력되는 시점과 펄스의 주기를 파악한다.
제어부(250)는 외부 물체의 존부 및 위치를 파악한다. 제어부(250)는 외부 물체로부터 반사되어 되돌아오는 반사광이 존재하는지 여부 및 출력광이 출력된 후 반사광이 수광되기까지 소모된 시간을 분석하여, 외부 물체의 존부 및 위치를 파악한다.
제어부(250)는 라이다 펄스 신호의 펄스 간격마다 다른 라이다 장치(130)로 전송할 데이터를 출력하도록 광원(244)을 제어한다. 제어부(250)는 수광부(220)가 센싱한 정보를 토대로, 라이다 펄스 신호의 펄스 출력시점을 온전히 파악할 수 있다. 제어부(250)는 아무런 신호처리가 이루어지지 않는 펄스 간 간격을 이용하여, 다른 라이다 장치(130)로 전송할 데이터를 출력하도록 한다. 다만, 데이터의 크기는 통상적으로 펄스 간 간격보다 월등히 크기 때문에, 데이터 모두를 펄스 간격 사이에 출력하기는 곤란하다. 이에, 제어부(250)는 출력할 데이터를 시분할(Time Division)한다. 제어부(250)는 펄스간 간격보다 작게 데이터를 시분할하고, 각 간격마다 분할된 데이터들을 출력하도록 제어한다. 출력할 데이터를 시분할하여 출력하기에, 라이다 장치는 라이다 펄스 신호와 간섭을 방지하면서도 별도의 전파이용없이 다른 라이다 장치와 통신을 수행할 수 있다. 라이다 장치(110) 내 구성의 구체적인 동작은 도 8 내지 10을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 종래의 라이다 장치의 구성을 도시한 도면이다.
종래의 라이다 장치는 제어부(640)의 지속적인 제어에 따라 외부에 위치한 드라이버(410)가 라이다 펄스 신호를 출력하도록 레이저 다이오드(320)를 제어하고, 출력된 라이다 펄스 신호는 빔 스플리터(610)와 광학부품(620)을 거쳐 외부 물체(120)로 조사된다. 빔 스플리터(610)에서 분기된 일부의 라이다 펄스 신호는 수광부(630)로 입사되어 센싱되며, 센싱값은 제어부(640)로 전달되며 제어부(640)가 펄스 신호의 출력 시점을 인지한다.
외부 물체(120)로부터 반사된 반사광은 광학부품(620)을 거쳐 수광부(635)에서 센싱되며, 센싱값이 제어부(640)로 전달되며 제어부(640)가 외부 물체의 존부와 위치를 인지한다.
도 7은 종래의 라이다 장치로부터 출력되는 광 신호를 도시한 도면이다.
종래의 라이다 장치로부터 출력되는 라이다 펄스 신호는 일정한 폭(W2)을 갖는 펄스가 출력되며, 외부 물체의 존부를 지속적으로 탐지하기 위해 펄스는 일정한 주기(W1)마다 반복적으로 출력된다. 다만, 종래의 라이다 장치는 이처럼 펄스를 일정한 주기마다 출력하기에, 펄스가 출력된 시점부터 다음 펄스가 출력될 시점까지는 광 신호가 출력되지 않는 공백기간(W1)이 존재하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치(110)는 이와 같은 공백기간을 효율적으로 이용하고자 다음과 같이 동작한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치 내 구성의 구현예를 도시한 도면이다.
제어부(250)는 광 모듈(210) 내 드라이버(410)로 동작을 하도록 하는 제어신호를 전송하고, 제어신호를 수신한 드라이버(410)는 스스로 라이다 펄스 신호를 출력하도록 레이저 다이오드(320)를 제어한다.
출력된 라이다 펄스 신호 중 일부는 광학계(230) 내 빔 스플리터(810)와 광학부품(820a)을 거치며 외부 물체(120)로 조사된다. 여기서, 광학부품(820a)는 라이다 펄스 신호가 분산되지 않도록 콜리메이터 렌즈로 구현될 수 있다 또한, 광학계(230)는 라이다 펄스 신호를 라이다 장치의 일정 반경으로 출력할 수 있도록, 라이다 펄스 신호가 출력되는 방향을 조정하는 별도의 구성(미도시)을 더 포함할 수 있다.
외부 물체(120)로부터 반사되어 되돌아오는 반사광은 광학부품(820b)을 거쳐 수광부(220a)로 입사되며, 수광부(220a)가 센싱한 센싱값은 제어부(250a)로 전달된다. 여기서, 광학부품(820b)은 라이다 펄스 신호가 수광부(220a)로 온전히 입사될 수 있도록 하는 집광렌즈일 수 있다. 수광부(220a)는 반사광을 센싱하여 센싱값을 제어부(250a)로 전달함으로써, 제어부(250a)가 외부 물체의 존부와 위치를 인지할 수 있도록 한다.
출력되는 라이다 펄스 신호 중 일부는 빔 스플리터(810)로부터 분기되어 수광부(220b) 방향으로 반사되고, 분기된 라이다 펄스 신호는 광학부품(820c)을 거치며 수광부(220b)로 입사된다. 여기서, 광학부품(820c)은 광학부품(820b)과 마찬가지로 집광렌즈일 수 있다. 수광부(220b)는 라이다 펄스 신호를 센싱하여 센싱값을 제어부(250a)로 전달함으로써, 제어부(250a)가 라이다 펄스 신호의 펄스 출력 시점을 인지할 수 있도록 한다.
한편, 제어부(250a)는 다른 라이다 장치(130)로 출력할 데이터를 시분할하고, 시분할된 데이터를 광 무선통신 포맷으로 출력하도록 광원(244a)을 제어한다. 이때, 제어부(250a)는 데이터를 라이다 펄스 신호간 간격 사이에 출력하도록 광원(244a)을 제어한다. 광원(244a)은 광 무선통신 데이터를 출력하며, 출력된 데이터는 광학부품(820d)을 거쳐 다른 라이다 장치(130)로 전송된다. 여기서, 광학부품(820d)도 광학부품(820a)과 마찬가지로 콜리메이터 렌즈로 구현될 수 있다. 출력된 광 무선통신 데이터는 다른 라이다 장치(130) 내 광학부품(820e)을 거쳐 수광부(248b)로 입사되며, 수광부(248b)가 센싱한 센싱값은 제어부(250b)로 전달된다. 또한, 다른 라이다 장치(130)에서도 라이다 장치(110)로 출력할 데이터가 존재할 경우, 전술한 과정과 같이, 광원(244b)이 광학부품(820f)을 거쳐 광 무선통신 데이터를 출력하며, 라이다 장치(110) 내 광학부품(820g)을 거쳐 수광부(248a)로 입사되며, 수광부(248a)가 센싱한 센싱값은 제어부(250a)로 전달된다. 여기서, 광학부품(820g)은 광학부품(820b)과 마찬가지로 집광렌즈일 수 있다.
제어부(250a)는 라이다 펄스 신호의 펄스 출력시점을 인지하여 펄스 간 간격 사이에 광 무선통신 데이터를 출력하도록 제어하거나, 해당 간격 사이에 수신된 광 무선통신 데이터를 분석한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치로부터 출력되는 광 신호를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치로부터 출력되는 신호의 프레임 구조를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 라이다 장치(110)는 펄스의 출력주기(W1) 사이에 시분할된 광 무선통신 포맷의 데이터를 출력한다. 일 예로서, 펄스 폭(W2)이 100ns이며, 펄스의 출력주기(W1)가 100㎲이며, 펄스 간 간격 사이에 광 무선통신 데이터는 10ns의 펄스 폭을 갖는 펄스(910)가 10Bit로 출력될 수 있다. 전술한 펄스는 1초당 10K 개만큼 펄스 간 간격이 발생하며, 펄스 간 간격마다 광 무선통신 데이터 펄스가 10Bit가 출력되기에, 광 무선통신 데이터의 초당 전송량은 100Kbps(10K*10 Bit)가 된다. 라이다 장치(110)는 광 무선통신과 시분할을 이용하여 별도의 전파 사용없이도, 다른 라이다 장치(110)와 라이다 신호의 간섭 없이 통신(광 무선통신)을 수행할 수 있다.
라이다 장치(110)로부터 출력되는 신호의 프레임 구조는 W2의 펄스 폭을 갖는 라이다 신호 펄스가 일정한 주기(W1)마다 출력되며, 펄스 간 간격 사이에 광 무선통신 데이터가 시분할되어 출력된다. 이때, 시분할되어 최초로 출력되는 광 무선통신 펄스(910a)에는 다른 라이다 장치(130)와 동기화를 하기 위한 데이터가 포함되며, 동기화를 완료한 후의 광 무선통신 펄스(910b)에는 실제 전송하고자 하는 데이터가 포함된다.
이처럼, 라이다 장치(110)는 기 설정된 주기마다 출력되는 라이다 펄스 신호의 공백기간을 이용하여, 다른 라이다 장치(130)와 통신을 위한 데이터를 광 무선통신으로 출력한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치가 동작하는 방법을 도시한 순서도이다.
라이다 장치(110)는 외부 물체(120)의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호를 기 설정된 주기마다 출력한다(S1110).
라이다 장치(110)는 외부 물체(120)의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호의 출력 시점을 인지한다(S1120).
라이다 장치(110)는 다른 라이다 장치(130)로 전송할 데이터를 시분할한다(S1130),
라이다 장치(110)는 시분할된 데이터를 출력되고 있는 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송수신한다(S1140).
도 11에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각각의 도면에 기재된 과정의 순서를 변경하여 실행하거나 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 11은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 11에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110, 130: 라이다 장치
210: 광 모듈
220: 수광부
230: 광학계
240: 통신부
244: 광원
248, 630, 635: 수광부
250, 640: 제어부
300: 광 소자
310: 기판
320: 레이저 다이오드
330: 와이어 본딩
340: 패시베이션층
410: 드라이버
420: 캐패시터
610, 810: 빔 스플리터
620, 820: 광학부풉

Claims (13)

  1. 라이다(LiDAR) 장치에 있어서,
    외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호를 기 설정된 주기마다 출력하는 광모듈;
    외부 물체로부터 반사되는 라이다 펄스 신호를 수광하는 수광부;
    상기 광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 분산을 방지하고 상기 라이다 펄스 신호가 출력되는 방향을 조정하며, 상기 광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키는 광학계;
    다른 라이다 장치와의 통신을 위한, 시분할된 데이터를 상기 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하는 통신부; 및
    상기 광학계에서 분기된 일부의 라이다 펄스 신호를 인식하여 출력되는 라이다 펄스 신호의 시점을 인지하고, 다른 라이다 장치와의 통신을 위한 데이터를 시분할하며, 시분할된 데이터를 상기 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하도록 상기 통신부를 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    상기 광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 분산을 방지하기 위한 콜리메이터 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    광모듈이 출력하는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키기 위한 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는,
    상기 광모듈에서 출력되는 라이다 펄스 신호의 일부를 상기 수광부로 분기시키는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수광부는,
    분기된 라이다 펄스 신호의 일부를 수광하여 센싱하고, 센싱값을 상기 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
  6. 라이다 장치가 외부 물체를 탐색하는 동시에 다른 라이다 장치와 통신을 수행하는 방법에 있어서,
    외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호를 기 설정된 주기마다 출력하는 출력과정;
    외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호의 출력 시점을 인지하는 인지과정;
    다른 라이다 장치로 전송할 데이터를 시분할하는 시분할과정; 및
    상기 시분할과정에서 시분할된 데이터를 출력되고 있는 라이다 펄스 신호의 간격 사이에 송·수신하는 송수신과정
    을 포함하는 라이다 장치 동작방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 라이다 장치는,
    상기 출력과정에서 출력되는 라이다 펄스 신호의 일부를 분기시키는 것을 특징으로 하는 라이다 장치 동작방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 라이다 장치는,
    분기된 라이다 펄스 신호의 일부를 수광하는 센싱하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치 동작방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 라이다 장치는,
    센싱한 센싱값을 토대로 외부 물체의 탐색을 위한 라이다 펄스 신호의 출력 시점을 인지하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치 동작방법.
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