KR102438862B1

KR102438862B1 - 라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법

Info

Publication number: KR102438862B1
Application number: KR1020210039843A
Authority: KR
Inventors: 최현용
Original assignee: (주)스핀텍
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-09-01

Abstract

본 발명은 라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법에 관한 것으로, 적외선 레이저빔을 출력하는 광원부와, 상기 광원부의 적외선 레이저빔의 반사파를 수신하는 검출부를 포함하는 라이다 센서장치에 있어서, 상기 광원부는 적외선 레이저빔의 출력 방향으로 가시광인 제1가이드레이저를 출력하는 제1가이드레이저 송신부를 포함하고, 상기 검출부는 검출부의 수신부의 지향 방향으로 가시광인 제2가이드레이저를 출력하는 제2가이드레이저 송신부를 포함하여, 테스트 타겟에 맺힌 상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점거리를 이용하여 상기 광원부와 상기 테스트 타겟의 각도를 검출하여, 상기 테스트 타겟에 대한 상기 검출부의 각도를 설정할 수 있다.

Description

라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법{LIDAR sensor and alignment method thereof}

본 발명은 라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 공간에서 광원부와 검출부를 용이하게 정렬할 수 있는 라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법에 관한 것이다.

최근 자동차의 안전 사양 및 자율주행의 기초 기술로서의 라이다(LIDAR)는 레이저를 이용하여 물체와의 거리를 검출하는 장치이다.

라이다는 자동차 분만 아니라 지능형 이동 로봇, 드론 등 다양한 분야에 적용될 수 있어, 다양한 연구가 진행중이다.

공개특허 10-2020-0047290호(라이다용 레이저 발광 장치 및 균일 에너지 밀도 투사 렌즈, 2020년 5월 7일 공개)에는 라이다에 적용되는 레이저 광원장치가 기재되어 있다.

이러한 레이저 광원장치는, 다양한 파장의 레이저를 발생시키고, 반사체의 거리를 변화시키면서 거리, 속도, 재질 등 다양한 시험을 수행하고 그 시험 결과를 종합하여 개발된다.

특히, 라이다의 개발은 적용분야의 차이, 거리 측정 대상의 차이 등을 충분히 고려하여야 하기 때문에 개발에 시간과 비용을 많이 투자해야 한다.

라이다의 개발에서 수신측 장치보다는 레이저를 출력하는 송신측 장치가 개발의 주요 대상이며, 종래에는 다양한 실험을 위해서 시험 조건 마다 개별적인 광원기를 적용하여 실험하여, 적용분야에 적합한 라이다를 개발하였다.

그러나 이러한 종래의 방식은 라이다 개발에 소요되는 시간 및 비용의 투입이 상대적으로 증가할 수밖에 없는 문제점이 있었다.

또한, 광섬유를 이용하는 송신과 수신 시험은 광원부와, 상기 광원부에서 송출된 레이저의 반사레이저를 수신하는 검출부를 서로 정렬할 필요가 없다.

그러나 라이다 등 실제 응용 제품들에서는 광섬유를 이용하지 않으며, 공간에 레이저를 송출하기 때문에 검출부의 정렬이 요구된다. 종래에는 검출부의 정렬을 실험자의 감이나 광원부의 방향을 고려하여 수신장치의 방향을 결정하고, 그 결정된 방향에서 조정을 통해 최대 송수광 효율을 얻는 방향을 찾아 정렬하였다.

이러한 종래의 정렬 방식은 정확한 최대 송수광 효율 위치를 찾기 위한 정렬에 시간이 많이 소요되며, 최대 송수광 효율 위치를 정확하게 찾기 어려운 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광원부와 검출부의 정렬을 용이하게 수행할 수 있는 라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법을 제공함에 있다.

아울러 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 라이다 센서의 최대 측정 가능 거리의 설계를 위한 송수광 각도 및 위치 특성을 쉽게 분석할 수 있는 라이다 센서장치 및 이의 정렬 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 라이다 센서장치는, 적외선 레이저빔을 출력하는 광원부와, 상기 광원부의 적외선 레이저빔의 반사파를 수신하는 검출부를 포함하는 라이다 센서장치에 있어서, 상기 광원부는 적외선 레이저빔의 출력 방향으로 가시광인 제1가이드레이저를 출력하는 제1가이드레이저 송신부를 포함하고, 상기 검출부는 검출부의 수신부의 지향 방향으로 가시광인 제2가이드레이저를 출력하는 제2가이드레이저 송신부를 포함하여, 테스트 타겟에 맺힌 상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점거리를 이용하여 상기 광원부와 상기 테스트 타겟의 각도를 검출하여, 상기 테스트 타겟에 대한 상기 검출부의 각도를 설정할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점거리는 적외선 카메라에 의해 검출할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 검출부의 각도는 회전스테이지에 의해 조정될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 회전스테이지는 2축 또는 3축의 스테이지에 실장되며, 상기 스테이지에 의해 상기 테스트 타겟에 맺힌 제1가이드레이저의 초점과 상기 제2가이드레이저의 초점을 일치시켜, 상기 광원부와 검출부를 정렬시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 광원부와 상기 검출부가 정렬된 상태에서, 상기 회전스테이지를 이용하여 상기 검출부의 각도를 조정하면서, 반사파를 수신하여 상기 광원부의 방사각도를 검출할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 정렬 방법은, 적외선 레이저빔의 출력방향으로 가시광인 제1가이드레이저를 출력하는 광원부와, 테스트 타겟에서 상기 적외선 레이저빔이 반사된 반사파를 수신하는 수신부를 포함하고, 수신부의 지향 방향으로 가시광인 제2가이드레이저를 출력하는 검출부를 정렬시키는 방법으로서, a) 상기 테스트 타겟에 맺힌 상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점간 거리를 검출하여 상기 광원부와 상기 테스트 타겟의 각도를 검출하는 단계와, b) 상기 검출부를 회전시켜 상기 테스트 타겟과의 각도를 상기 적외선 레이저빔의 반사파 반사 방향에 부합하도록 위치시키는 단계와, c) 상기 검출부를 이동시켜 상기 테스트 타겟 상에서 제1가이드레이저의 초점과 제2가이드레이저의 초점을 일치시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 a) 단계는, 적외선 카메라를 이용하여 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점간 거리를 검출할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 b) 단계는, 회전스테이지를 이용하여 상기 검출부를 회전시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 c) 단계는, 2축 또는 3축 스테이지를 사용하여 상기 검출부를 이동시킬 수 있다.

본 발명은 라이다 센서의 개발 단계에서, 라이다 센서를 구성하는 광원부와 검출부 각각에 가이드레이저를 부가하고, 각각의 가이드레이저의 초점을 일치시킴으로써, 검출부의 응시 방향을 쉽게 정렬시킬 수 있으며, 최대 수광 효율을 손쉽게 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 검출부의 각도 조절이 가능하도록 하여 반사체에 조사된 광원부 가이드레이저 위치에 검출부의 가이드레이저 위치를 일치시켜 정렬함으로써, 송신장치와 수신장치의 정렬 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 센서장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 블록 구성도이다.
도 3은 광원부의 각도 검출 설명도이다.
도 4는 본 발명의 검출부 이동 구조의 예시도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 센서장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 센서장치의 블록 구성도이다.

본 발명은 라이다 센서의 개발과정에서 광원부의 특징을 테스트할 수 있는 라이다 센서장치에 관한 것이다. 광원부의 특징은 최대 측정 가능 거리, 반사물체의 특성 검출, 기후 환경 특성을 포함할 수 있다.

도 1과 도 2를 각각 참조하면 본 발명은 레이저빔을 출력하는 광원부(10)와, 테스트 타겟(30)에서 반사된 상기 광원부(10)의 레이저빔의 반사광을 수신하는 검출부(20)를 포함하되, 상기 광원부(10)는 상기 레이저빔의 송출 방향으로 가시광을 송출하는 제1가이드레이저 송신부(11)를 포함하고, 상기 검출부(20)는 검출부(20)의 수광부분이 향하는 방향으로 가시광을 송출하는 제2가이드레이저 송신부(21)를 포함한다.

상기 광원부(10)는 레이저출력을 조정하는 제어입력을 입력받는 입력부(13)와, 입력부(13)의 제어입력에 따라 전류를 제어하는 전류제어부(14)와, 전류제어부(14)의 전류를 입력받아 특정 주파수의 발진신호를 출력하는 발진부(15)와, 상기 발진부(15)의 발진 신호에 따라 제어신호를 출력하는 제어부(12)와, 상기 제어부(12)의 제어에 따라 특정 파장의 레이저빔을 출력하는 레이저 출력부(16)와, 상기 제어부(12)를 통해 전원이 공급되면 상기 레이저 출력부(16)의 레이저빔 출력방향으로 가시광을 출력하는 제1가이드레이저 송신부(11)를 포함하여 구성된다.

상기 검출부(20)는, 레이저 출력부(16)에서 출력된 레이저빔의 반사파를 수신하는 수신부(24)와, 상기 수신부(24)에 수신된 반사파를 전기적인 신호로 변환하는 트랜스미터(25)와, 상기 트랜스미터(25)의 전기신호를 해석하여 신호출력부(26)를 통해 출력하는 제어부(22)와, 외부에서 검출 설정을 입력받아 상기 제어부(22)에 제공하는 입력부(23)와, 상기 제어부(22)의 제어에 따라 상기 수신부(24)가 향하는 방향측으로 가시광을 출력하는 제2가이드레이저 송신부(21)를 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라이다 센서장치의 구성과 작용에 대하여 설명한다. 이 과정에서 본 발명의 다른 측면에 따른 정렬 방법도 함께 설명한다.

먼저, 라이다 센서의 개발을 위하여 라이다 센서의 광원부(10)를 설계한다.

광원부(10)의 설계에는 여러가지 고려할 요소들이 있으며, 광원부(10) 자체의 무게나 부피와 같은 외형 물리적인 요소와 레이저빔 자체의 특성과 같은 광학 물리적 요소를 포함한다.

도면에서 광원부(10)와 검출부(20)에는 각각 전원부공급부가 생략된 것으로 한다.

광원부(10)의 입력부(13)는 스위치 등 다양한 입력수단을 포함하는 것이며, 입력부(13)의 선택에 따라 전류제어부(14)는 서로 다른 전류량을 발진부(15)에 제공할 수 있다.

전류제어부(14)의 레이저 구동전류는 발진부(15)에 공급되고, 발진부(15)는 레이저 구동전류의 값에 따라 서로 다른 출력의 레이저를 발진시킬 수 있다.

발진부(15)에서 발진되는 레이저는 적외선 레이저이며, 905nm의 파장을 가지는 것으로 한다. 출력광의 펄스폭은 5 내지 8ns의 내에서 제어될 수 있다.

제어부(12)는 발진부(15)에서 발진된 레이저를 레이저출력부(16)를 통해 출력할 수 있다. 이때 레이저출력부(16)는 다양한 렌즈의 조합일 수 있다.

본 발명은 레이저출력부(16)에서 출력되는 레이저빔이 라이다 센서의 광원으로 적용되었을 때의 특성을 검출한다.

상기 레이저출력부(16)에서 출력되는 레이저빔의 출력 방향으로 제1가이드레이저 송신부(11)의 레이저 출력이 함께 이루어진다.

제1가이드레이저 송신부(11)의 가이드레이저는 가시광이며, 특히 녹색 또는 적색광이 사용될 수 있다.

이처럼 레이저출력부(16)에서 출력되는 레이저빔은 테스트 타겟(30)에서 반사되며, 광원부(10)와 테스트 타겟(30)의 각도에 따라 레이저빔의 입사각과 반사각이 결정된다.

이때 반사각은 테스트 타겟(30)의 특성에 따라 차이가 있을 수 있다.

상기 제1가이드레이저 송신부(11)의 가이드레이저 역시 테스트 타겟(30)에 조사되며, 테스트 타겟(30) 상에 가이드 포인트를 형성하게 된다.

이때, 상기 제1가이드레이저 송신부(11)의 가이드레이저와 레이저출력부(16)에서 출력된 적외선레이저는 테스트 타겟(30)과의 각도에 따라 간격이 변화된다.

도 3에는 광원부(10)와 테스트 타겟(30) 사이의 각도 변화에 따라 가이드레이저와 적외선레이저 사이의 간격이 변화되는 예를 도시하였다.

광원부(10)의 방출면이 테스트 타겟(30)과 평행한 경우, 가이드레이저와 적외선레이저는 테스트 타겟(30)에 수직으로 입사되며, 따라서 가이드레이저와 적외선레이저의 간격(d1)은 광원부(10)의 제1가이드레이저 송신부(11)와 레이저출력부(16) 사이의 간격과 동일하게 된다.

도 3에서 테스트 타겟(30)을 시계 반대방향으로 45도 회전시켰을 때, 상기 가이드레이저와 적외선레이저의 테스트 타겟(30) 입사각은 45도가 되며, 이때의 가이드레이저와 적외선레이저의 간격(d2)은 앞선 예의 d1에 비하여 더 증가하게 된다.

이와 동일하게 테스트 타겟(30)을 시계 반대방향으로 15도 더 회전시키면, 입사각은 30도가 되며, 가이드레이저와 적외선레이저의 테스트 타겟(30) 상의 거리(d3)는 더 증가하게 된다.

따라서 테스트 타겟(30) 상에 맺힌 가이드레이저와 적외선레이저의 초점간 거리를 이용하여, 광원부(10)와 테스트 타겟(30)의 각도를 알 수 있게 된다.

이때 가이드레이저와 적외선레이저의 초점간 거리는 적외선 카메라를 이용하여 확인할 수 있다.

이와 같은 상태에서 검출부(20)에서 검출되는 최대 출력지점을 찾기 위하여 검출부(20)와 테스트 타겟(30) 사이의 각도를 조정한다. 도 4에 도시한 바와 같이 상기 검출부(20)는 적어도 2축 또는 3축의 스테이지(50)에 의해 2축 또는 3축 방향으로 이동 가능한 회전스테이지(40)에 고정된 것일 수 있다.

상기 스테이지(50)와 회전스테이지(40)는 수동 또는 마이크로 컴퓨터에 의해 자동으로 조작될 수 있는 것으로 한다.

회전스테이지(40)에 의하여 검출부(20)의 지향 각도를 조정할 수 있으며, 상기 레이저출력부(16)의 레이저빔이 테스트 타겟(30)에서 반사된 반사파의 반사 방향에 부합하게 조정할 수 있다.

이와 같은 검출부(20)의 각도는 최대 출력지점을 확인할 수 있는 각도의 설정이며, 입사각과 반사각이 동일하다는 가정하게 검출부(20)의 각도를 조정한다.

그 다음, 스테이지(50)를 이용하여 검출부(20)의 제2가이드레이저 송신부(21)에서 출력되는 가시광인 가이드레이저의 초점을 상기 제1가이드레이저 송신부(11)의 가이드레이저의 초점에 맞춰 광원부(10)와 검출부(20)를 정렬한다.

이처럼 광원부(10)의 가이드레이저의 초점과 검출부(20)의 가이드레이저의 초점을 일치시키면, 광원부(10)의 레이저빔의 검출부(20) 수신 효율이 최대가 될 수 있어, 최대 효율을 얻을 수 있다.

상기 검출부(20)는 수신부(24)를 통해 반사파를 수신하며, 트랜스미터(25)를 통해 수신된 반사파를 전기적인 신호로 변환한다.

제어부(22)는 전기적인 신호를 입력받아 전압 또는 전류의 크기 또는 펄스폭을 이용하여 최대값을 찾을 수 있다.

이와 같은 정렬 상태에서 상기 회전스테이지(40)를 이용하여 검출부(20)의 각도를 조정하면서, 광원부(10)의 레이저빔의 수신 상태를 확인함으로써, 광원부(10)의 방사 각도를 분석할 수 있다.

이처럼 본 발명은 상대적으로 간단한 구조를 부가하여 최대 출력지점을 확인할 수 있으며, 검출부(20)를 정렬 상태를 기준으로 특정 방향으로 회전 또는 이동시키면서 광원부(10)의 방사각 등을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10:광원부 11:제1가이드레이저 송신부
12:제어부 13:입력부
14:전류제어부 15:발진부
16:레이저출력부 20:검출부
21:제2가이드레이저 송신부 22:제어부
23:입력부 24:수신부
25:트랜스미터 26:신호출력부
30:테스트 타겟 40:회전스테이지
50:스테이지

Claims

적외선 레이저빔을 출력하는 광원부와, 상기 광원부의 적외선 레이저빔의 반사파를 수신하는 검출부를 포함하는 라이다 센서장치에 있어서,
상기 광원부는 적외선 레이저빔의 출력 방향으로 가시광인 제1가이드레이저를 출력하는 제1가이드레이저 송신부를 포함하고,
상기 검출부는 검출부의 수신부의 지향 방향으로 가시광인 제2가이드레이저를 출력하는 제2가이드레이저 송신부를 포함하여,
테스트 타겟에 맺힌 상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점거리를 이용하여 상기 광원부와 상기 테스트 타겟의 각도를 검출하여, 상기 테스트 타겟에 대한 상기 검출부의 각도를 설정하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치.
제1항에 있어서,
상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점거리는 적외선 카메라에 의해 검출하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치.
제2항에 있어서,
상기 검출부의 각도는 회전스테이지에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치.
제3항에 있어서,
상기 회전스테이지는 2축 또는 3축의 스테이지에 실장되며,
상기 스테이지에 의해 상기 테스트 타겟에 맺힌 제1가이드레이저의 초점과 상기 제2가이드레이저의 초점을 일치시켜,
상기 광원부와 검출부를 정렬시키는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치.
제4항에 있어서,
상기 광원부와 상기 검출부가 정렬된 상태에서,
상기 회전스테이지를 이용하여 상기 검출부의 각도를 조정하면서, 반사파를 수신하여 상기 광원부의 방사각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치.
적외선 레이저빔의 출력방향으로 가시광인 제1가이드레이저를 출력하는 광원부와, 테스트 타겟에서 상기 적외선 레이저빔이 반사된 반사파를 수신하는 수신부를 포함하고, 수신부의 지향 방향으로 가시광인 제2가이드레이저를 출력하는 검출부를 정렬시키는 방법으로서,
a) 상기 테스트 타겟에 맺힌 상기 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점간 거리를 검출하여 상기 광원부와 상기 테스트 타겟의 각도를 검출하는 단계;
b) 상기 검출부를 회전시켜 상기 테스트 타겟과의 각도를 상기 적외선 레이저빔의 반사파 반사 방향에 부합하도록 위치시키는 단계; 및
c) 상기 검출부를 이동시켜 상기 테스트 타겟 상에서 제1가이드레이저의 초점과 제2가이드레이저의 초점을 일치시키는 단계를 포함하는 라이다 센서장치의 정렬 방법.
제6항에 있어서,
상기 a) 단계는,
적외선 카메라를 이용하여 적외선 레이저빔과 제1가이드레이저의 초점간 거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치의 정렬 방법.
제6항에 있어서,
상기 b) 단계는,
회전스테이지를 이용하여 상기 검출부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치의 정렬 방법.
제6항에 있어서,
상기 c) 단계는,
2축 또는 3축 스테이지를 사용하여 상기 검출부를 이동시키는 것을 특징으로 하는 라이다 센서장치의 정렬 방법.