KR102343294B1

KR102343294B1 - 라이다 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR102343294B1
Application number: KR1020190122528A
Authority: KR
Inventors: 백승욱
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-12-24
Also published as: KR20210039832A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면,
라이다 시스템의 블라인드(blind) 구간에 배치되는 오브젝트에 레이저를 조사하는 광발생부와, 상기 오브젝트로부터 반사된 빛을 감지하는 광수신부 및 상기 광수신부에서 전기신호로 변환된 신호를 수신하는 수신기와, 상기 수신기로부터 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 판단하는 비교기 및 상기 비교기의 판단에 따라 상기 광발생부로부터 상기 오브젝트에 조사되는 레이저의 펄스 폭을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 라이다 시스템을 제공한다.

Description

라이다 시스템 및 그 제어 방법{Lidar System and its Control Method}

본 발명은 라이다 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 펄스 변조 신호를 이용하여 라이다 시스템의 오동작을 검증하는 라이다 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 레이저를 발사하여 산란되거나 반사되는 레이저가 돌아오는 시간과 강도, 주파수의 변화, 편광 상태의 변화 등으로부터 측정 대상물의 거리와 농도, 속도, 형상 등 물리적 성질을 측정하는 것을 말한다.

종래에는 변조 신호를 이용하여 중적외선 레이저 광의 손실을 최소화하고 원거리 광 전송을 하는 방식이 제시되어 있다.

이와 같은 종래 방식의 문제점은 변조 신호를 이용하여 광을 전송하였을 때 실제로 어떤 주파수에서 광이 전송되었는지 알 수 없고, 전방위적 송신을 하기 때문에 광을 수신할 경우 주위의 다른 파장대 영역의 빛도 수신될 수 있으며, 변조 신호를 주기적으로 입력하기 때문에 비효율적인 전력 소비가 발생할 수 있다.

공개특허공보 제 2012-0075340호

본 발명은 펄스 변조 신호를 이용하여 라이다 시스템의 오동작을 검증하는 라이다 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

바람직하게는, 상기 컨트롤러는 펄스 폭 변조를 통해 상기 광발생부의 출력 파워를 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 비교기는 상기 수신기로부터 전달되는 신호가 일정 기준 미만의 전압값인 경우 상기 컨트롤러로 플래그를 송출하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 컨트롤러는 상기 플래그에 응답하여 상기 오브젝트에 재조사되는 레이저의 펄스 폭을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 비교기는 상기 수신기로부터 상기 비교기에 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값이 될 때까지 상기 플래그를 상기 컨트롤러에 송출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 라이다 시스템의 블라인드(blind) 구간에 배치되는 오브젝트에 레이저를 조사하는 단계와, 상기 오브젝트로부터 반사되는 신호를 수신하는 단계와, 상기 수신된 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 판단하는 단계 및 상기 신호의 전압값 판단에 따라 상기 오브젝트에 조사되는 레이저의 펄스 폭을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템을 이용한 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 수신된 신호가 일정 기준 미만의 전압값인 경우 플래그를 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 플래그에 응답하여 상기 오브젝트에 재조사되는 레이저의 펄스 폭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 오브젝트에 재조사되어 반사된 신호가 일정 기준 이상의 전압값이 될 때까지 상기 플래그를 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 라이다 시스템의 블라인드 구간에서 광발생부에 입력되는 레이저의 펄스 신호를 변조시키고, 이에 따른 피드백 제어를 통해 라이다 시스템의 오동작 여부를 보다 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템을 구비한 차량을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템의 구성 및 작동을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 컨트롤러의 펄스 폭 제어에 따른 광발생부의 출력 파워 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 라이다 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템을 구비한 차량을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템(100)을 구비한 차량(10)이 도시된다. 라이다(LiDAR : light detection and ranging) 센서는 레이저 빔을 목표물에 조사하고 반사되는 빛을 수신하여 목표물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 혹은 3D 영상 정보를 수집하는데 사용될 수 있다.

공지된 라이다 센서의 경우, 레이저 신호의 변조 방법에 따라 time-of-flight(TOF) 방식과 Phase-shift 방식으로 구분될 수 있다.

이 때, TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 물체까지의 거리를 측정하는 방식이고, Phase-shift 방식은 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되어 되돌아오는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 방식이다.

한편, 본 발명에서의 레이저 신호의 변조 방법은 TOF 또는 Phase-shift 방식 중 어느 하나에 한정되지 않는다.

본 발명의 실시예에서 라이다 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 차량(10)의 보닛(Bonnet) 또는 범퍼(Bumper) 등에 장착될 수 있다. 또한, 라이다 시스템(100)은 도 2에 도시된 구동부(101)의 회전에 따라 차량(10) 진행방향 전방에 위치한 라이다 측정 구간(21)에서 목표물(미도시)을 측정할 수 있다. 이 때, 라이다 측정 구간(21)은 라이다 시스템(100)의 수신기의 신호 측정 각도를 나타내는 Field of View(FOV)일 수 있다. 또한, 라이다 시스템(100)이 차량(10)의 보닛 또는 범퍼(차량(10)의 앞 부분)에 장착되므로 목표물을 측정하는 라이다 측정 구간(21)은 360도가 아니라, 한정적으로 설정될 수 있다.

한편 라이다 시스템(100)을 작동시킬 때, 광발생부와 광수신부가 제대로 동작하는지 확인할 필요성이 있다.

이 때, 상기 광발생부는 반도체 접합을 능동 매질로 사용하여 레이저를 발생시키는 레이저 다이오드(LD : Laser Diode)일 수 있으며, 상기 광수신부는 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서의 한 종류인 포토 다이오드(PD : Photo Diode)일 수 있다.

만약 라이다 시스템(100)이 측정하는 라이다 측정 구간(21)에서 라이다 시스템(100)의 오작동 여부를 검증하게 된다면, 상기 광수신부에서 감지된 광신호가 전기신호로 변환되고 상기와 같이 변환된 신호가 수신기에서 감지되지 않는 것이 광발생부의 송신 신호가 약해서인지 혹은 차량(10) 진행방향 전방에 목표물이 존재하지 않아 반사 신호가 없어서 신호가 감지되지 않는 것인지 확인할 수 없고, 이에 따라 광발생부 및 광수신부가 제대로 동작하는지 확인할 수 없다.

이 때, 라이다 측정 구간(21) 이외의 구간인 블라인드(blind) 구간(20)에 오브젝트(30)를 배치하여 광발생부 및 광수신부의 오동작 검증 및 오브젝트(30) 감지 여부를 판단할 수 있다. 바람직하게는 오브젝트(30)는 차량(10)의 내측, 상세하게는 차량(10)의 보닛 또는 범퍼의 배면측에 고정적으로 장착될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템의 구성 및 작동을 구체적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 컨트롤러의 펄스 폭 제어에 따른 광발생부의 출력 파워 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은,

라이다 시스템(100)을 구동시키는 구동부(101)와,

광발생부(40), 광수신부(50) 및 전자 칩(102)을 포함하는 전자보드(103)로 구성된다.

보다 상세하게는, 광발생부(40)는 라이다 시스템(100)의 블라인드 구간(20)에 배치되는 오브젝트(30)에 레이저를 조사할 수 있는 특정 파장 영역(예를 들면, 250㎚ ~ 11㎛의 파장 영역)의 레이저 광원일 수 있다. 또한, 광수신부(50)는 라이다 측정 구간(21)에 위치한 목표물 또는 블라인드 구간(20)에 위치한 오브젝트(30)로부터 반사된 빛을 감지할 수 있다.

이 때, 전자 칩(102)은 도 2에 도시된 바와 같이 광수신부(50)에서 전기신호로 변환된 신호를 수신하는 수신기(60), 수신기(60)로부터 전달되는 신호를 기준 신호 값과 비교하는 비교기(70) 및 광발생부(40)로부터 조사되는 레이저의 펄스 폭(pulse width)을 제어하는 컨트롤러(80)를 포함한다.

또한 구동부(101)는 바람직하게는 360도로 회전 가능한 회전 모터일 수 있으며, 구동부(101)의 회전에 따라 상기 라이다 시스템(100)은 라이다 측정 구간(21)에 위치한 목표물 또는 블라인드 구간(20)에 위치한 오브젝트(30)에 레이저를 조사하고, 목표물 또는 오브젝트(30)로부터 반사되는 광 신호를 수신할 수 있다.

이 때, 구동부(101)가 라이다 측정 구간(21)을 회전할 경우에는 라이다 시스템(100)은 차량(10)의 진행방향 전방에 위치한 목표물까지의 거리, 방향, 속도 등을 정상적으로 측정하게 되며,

구동부(101)가 블라인드 구간(20)을 회전하게 될 때에는, 광발생부(40)로 부터 블라인드 구간(20) 내의 오브젝트(30)에 레이저를 조사하고, 오브젝트(30)로부터 반사된 레이저 신호가 상기 광수신부(50), 수신기(60)를 거쳐 정확하게 검출되는지 여부를 판단하게 된다.

한편, 광발생부(40)의 레이저 출력 파워는 도 3에 도시된 바와 같이 광발생부(40)에 입력되는 펄스 폭에 따라 달라질 수 있다. 이 때, 광발생부(40)에 입력되는 펄스 폭이 커질수록 광발생부(40)로부터 오브젝트(30)에 조사되는 레이저의 출력 파워가 더 커지게 되고, 이에 따라 오브젝트(30)를 측정할 수 있는 거리가 달라지게 될 수 있다.

만약 라이다 시스템(100)이 블라인드 구간(20) 내의 오브젝트(30)를 측정할 때 광발생부(40)의 출력 파워가 기준 신호 값보다 낮은 경우, 오브젝트(30)로부터 일정 기준 미만의 전압값의 신호가 반사되어 광수신부(50)를 거쳐 수신기(60)로 전달되는 경우가 발생할 수 있다.

이 경우 비교기(70)는, 오브젝트(30)로부터 반사되어 수신기(60)로부터 비교기(70)로 전달되는 레이저 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 판단할 수 있다. 만약 비교기(70)가 수신기(60)로부터 전달되는 레이저 신호가 일정 기준 미만의 전압값이라고 판단한 경우 컨트롤러(80)로 플래그(F) 신호를 송출할 수 있다.

컨트롤러(80)는 비교기(70)에서 송출된 플래그(F) 신호를 수신하면 이에 응답하여 펄스 폭 변조를 실시하여 광발생부(40)의 출력 파워를 제어할 수 있다.

상세하게는, 컨트롤러(80)는 비교기(70)에서 송출된 플래그(F) 신호에 응답하여 도 3에 도시된 바와 같이 광발생부(40)로부터 오브젝트(30)에 재조사되는 레이저의 펄스 폭을 증가시켜 광발생부(40)의 레이저 출력 파워를 증가시킬 수 있다.

상기 과정 이후에 컨트롤러(80)의 펄스 폭 변조에 따라 출력 파워가 증가된 레이저가 오브젝트(30)에 재조사되고, 오브젝트(30)로부터 반사된 레이저 신호가 광수신부(50), 수신기(60)를 거쳐 비교기(70)로 전달될 수 있다.

이 때, 비교기(70)가 수신기(60)를 통해 전달된 신호를 여전히 일정 기준 미만의 전압값이라고 판단한 경우 다시 컨트롤러(80)로 플래그(F)를 송출할 수 있다. 이와 같이 비교기(70)는 수신기(60)로부터 비교기(70)에 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값이 될 때까지 플래그(F)를 컨트롤러(80)에 송출하는 방식으로 피드백 제어를 할 수 있다.

상기 피드백 제어를 반복하여 비교기(70)에 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값을 충족하게 되면 비교기(70)에서 더 이상 컨트롤러(80)로 플래그(F)를 송출하지 않게 되며, 라이다 시스템(100)이 정상적으로 작동하고 있다고 판단할 수 있게 된다. 한편, 광발생부(40)의 출력 파워는 Eye-safety에 위배되지 않는 조건 하에서 컨트롤러(80)의 펄스 폭 제어에 의해 조절될 수 있다.

이하 도 4를 참조하며, 도 2을 참조로 설명한 라이다 시스템(100)의 구성을 기초로 라이다 시스템(100)의 제어 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 라이다 시스템(100)의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 도 1 및 2에 도시된 라이다 시스템(100)의 블라인드 구간(20)에 배치되는 오브젝트(30)에 광발생부(40)로부터 방출되는 레이저를 조사할 수 있다(S10 단계).

이후, 오브젝트(30)로부터 반사되는 레이저 신호를 광수신부(50)에서 감지하고, 광수신부(50)에서 이를 전기적 신호로 변환하여 수신기(60)를 통해 수신할 수 있다(S20 단계).

이 때, 수신기(60)를 통해 수신된 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 비교기(70)에서 판단할 수 있다(S30 단계).

만약 오브젝트(30)로부터 반사되어 수신기(60)를 통해 수신된 신호가 일정 기준 이상의 전압값이라고 판단된 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 라이다 시스템(100)이 정상적으로 동작하고 있다고 판단할 수 있다.

그러나 상기 S30 단계에서, 수신기(60)를 통해 수신된 신호가 일정 기준 미만의 전압값이라고 판단한 경우에는 컨트롤러(80)로 플래그(F)를 송출할 수 있다(S40 단계). 상기 S40단계에서 컨트롤러(80)로 송출된 플래그(F)에 응답하여 오브젝트(30)에 재조사되는 레이저의 펄스 폭이 증가될 수 있다(S50 단계).

이 때, 컨트롤러(80)의 펄스 폭 변조에 따라 출력 파워가 증가된 레이저가 오브젝트(30)에 재조사되고, 오브젝트(30)로부터 반사된 레이저 신호가 광수신부(50), 수신기(60)를 거쳐 비교기(70)로 전달될 수 있다.

이 때, 수신기(60)를 통해 수신된 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 비교기(70)에서 다시 판단할 수 있다(S60 단계).

만약 오브젝트(30)에 재조사되어 반사된 후 수신기(60)를 통해 수신된 신호가 일정 기준 이상의 전압값이라고 판단된 경우, 상기 S40 단계 및 S50 단계는 종료되고 라이다 시스템(100)이 정상적으로 동작하고 있다고 판단할 수 있다.

그러나 비교기(70)가 수신기(60)를 통해 전달된 신호를 여전히 일정 기준 미만의 전압값이라고 판단한 경우, 다시 컨트롤러(80)로 플래그(F)를 송출할 수 있다.(S40 단계 및 S50 단계 반복)

이와 같이 비교기(70)는 수신기(60)로부터 비교기(70)에 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값이 될 때까지 플래그(F)를 컨트롤러(80)에 송출하는 방식으로 피드백 제어를 할 수 있다.

상기 피드백 제어를 반복하여 비교기(70)에 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값을 충족하게 되면 비교기(70)에서 더 이상 컨트롤러(80)로 플래그(F)를 송출하지 않게 되며, 라이다 시스템(100)이 정상적으로 작동하고 있다고 판단할 수 있다.

한편, 본 발명의 도 2 내지 도 4의 실시예에서는 광발생부(40)의 펄스 폭을 제어하여 레이저의 출력 파워를 증가시키는 제어 방식에 대해서 예시적으로 설명하였으나, 이와 다르게 광수신부(50)에 인가되는 바이어스 전압의 크기를 변화시켜 오브젝트(30)로부터 반사된 레이저 신호가 광수신부(50)에서 전기적인 신호로 전환될 때, 전환된 전기 신호의 크기를 증폭시키는 방식으로 피드백 제어하는 방식도 가능할 수 있다.

또는, 수신기(60)에서 수신된 신호의 신호 증폭률을 증가시키는 방식으로 피드백 제어하는 것도 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 라이다 시스템
101 : 구동부
102 : 전자 칩
103 : 전자보드
10 : 차량
20 : 블라인드 구간
21 : 라이다 측정 구간
30 : 오브젝트
40 : 광발생부
50 : 광수신부
60 : 수신기
70 : 비교기
80 : 컨트롤러
F : 플래그

Claims

라이다 시스템에 있어서,
차량의 진행방향 전방에 위치한 라이다 측정 구간 이외의 구간인 상기 라이다 시스템의 블라인드(blind) 구간에 배치되고, 상기 차량의 내측에 배치되는 오브젝트에 레이저를 조사하는 광발생부;
상기 오브젝트로부터 반사된 빛을 감지하는 광수신부;
상기 광수신부에서 전기신호로 변환된 신호를 수신하는 수신기;
상기 수신기로부터 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 판단하는 비교기; 및
상기 비교기의 판단에 따라 상기 광발생부로부터 상기 오브젝트에 조사되는 레이저의 펄스 폭을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러는 펄스 폭 변조를 통해 상기 광발생부의 출력 파워를 제어하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 비교기는 상기 수신기로부터 전달되는 신호가 일정 기준 미만의 전압값인 경우 상기 컨트롤러로 플래그를 송출하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 플래그에 응답하여 상기 오브젝트에 재조사되는 레이저의 펄스 폭을 증가시키는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 비교기는 상기 수신기로부터 상기 비교기에 전달되는 신호가 일정 기준 이상의 전압값이 될 때까지 상기 플래그를 상기 컨트롤러에 송출하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
라이다 시스템을 이용한 제어 방법에 있어서,
차량의 진행방향 전방에 위치한 라이다 측정 구간 이외의 구간인 상기 라이다 시스템의 블라인드(blind) 구간에 배치되고, 상기 차량의 내측에 배치되는 오브젝트에 레이저를 조사하는 단계;
상기 오브젝트로부터 반사되는 신호를 수신하는 단계;
상기 수신된 신호가 일정 기준 이상의 전압값인지 판단하는 단계; 및
상기 신호의 전압값 판단에 따라 상기 오브젝트에 조사되는 레이저의 펄스 폭을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제 6항에 있어서,
상기 수신된 신호가 일정 기준 미만의 전압값인 경우 플래그를 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.,
제 7항에 있어서,
상기 플래그에 응답하여 상기 오브젝트에 재조사되는 레이저의 펄스 폭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제 8항에 있어서,
상기 오브젝트에 재조사되어 반사된 신호가 일정 기준 이상의 전압값이 될 때까지 상기 플래그를 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.