KR20160129487A - 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법 - Google Patents

2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 차량의 전면 범퍼에 장착된 제1 레이저 스캐너로부터 반사 레이저의 신호세기 데이터를 수집하여 차선의 점 데이터를 획득하고 차량의 전면 범퍼에 장착된 제2 레이저 스캐너로부터 주변 장애물과의 거리 데이터를 수신하여 주행 가능 공간 정보를 획득하며 주행 가능 공간이 표시되는 맵 상에 상호 매칭하여 점 데이터를 축적하며 축적된 데이터를 허프 변환하여 주행 가능 공간 및 차선을 검출하는 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법을 제공한다.

Description

2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법{APPARATUS FOR DETECTING LANE USING 2D LASER SCANNERS IN VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 차량의 차선 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 두 대의 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
무인 자율주행차량의 핵심 기술 중 하나는 차선 인식에 관한 것이다. 기존 차선 인식에 활용되고 있는 센서로는 비전 센서(카메라)를 통하여 많은 연구가 진행 되고 있다.
카메라 기반 차선 인식은 개발이 용이하고 정확한 명령 및 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 카메라 영상 내에서 도색된 차선 경계들과 같은 시각적 도로 표지들을 검출하기 위해 영상 처리를 수행해야 하며, 비교적 많은 처리 절차에 따라 연산 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다.
또한, 카메라의 경우 빛이 존재하지 않는 어두운 환경과 빛이 매우 강한 환경 모두에서 장애물의 유무와 종류 등 어떠한 데이터도 획득할 수 없기 때문에 실외 환경의 조건에 따라 차선 검출이 어려운 문제가 있다.
아울러, 이러한 문제점을 해결하기 위해 3차원 레이저 스캐너 기반의 차선 인식 연구가 진행되고 있지만, 3차원 레이저 스캐너의 가격이 고가이어서 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
한국등록특허 제10-1483742호 (2015. 01. 12 등록)
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 어두운 환경 및 빛이 강한 환경과 같은 환경의 제약 없이 어떠한 환경에서도 차선 검출이 가능한, 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치는 차선 검출을 위한 제1 2차원 레이저 스캐너, 차량 주변 상태를 인지하기 위한 제2 2차원 레이저 스캐너, 상기 제1 2차원 레이저 스캐너에 의하여 획득된 반사된 레이저의 신호세기 데이터로부터 허프 변환을 통하여 차선을 검출하는 차선 검출부, 상기 제2 2차원 레이저 스캐너로부터 획득된 주변 장애물과의 거리 데이터를 이용하여 차량 진행 방향의 주행 가능 공간을 인지하는 주변상태 인지부, 상기 검출된 차선 및 상기 인지된 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 하나의 맵 상에 표시하는 맵 생성부, 및 차선 검출 및 주행 가능 공간 인지에 관련된 전반적인 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 방법은, 제1 레이저 스캐너로부터 획득된 반사 레이저의 신호세기 데이터를 이용하여 차선을 검출하는 차선 검출 단계, 제2 레이저 스캐너로부터 획득된 주변 장애물과의 거리 데이터를 이용하여 차량의 주행 가능 공간을 인지하는 주변상태 인지 단계, 및 상기 검출된 차선 및 상기 인지된 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 맵 상에 표시하는 맵 생성 단계를 포함한다.
본 발명은 차선 검출 장치에 두 대의 2차원 레이저 스캐너를 이용함으로써 어두운 환경 및 빛이 강한 환경과 같은 환경의 제약 없이 어떠한 환경에서도 차선 검출이 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명은 가격이 고가인 3차원 레이저 스캐너(2차원 레이저 스캐너의 약 10~15배 정도임) 대신에 비교적 저렴한 2차원 레이저 스캐너 2 대를 이용함으로써 비용이 저렴한 효과가 있다.
본 발명을 통해 차량 진행 방향의 차선을 검출하고 추정함으로써 차선유지지원시스템, 차선이탈경보장치 등의 기술 발전에 기여할 수 있다.
도 1a는 차량의 전면 범퍼에 두 대의 2차원 레이저 스캐너가 장착된 상태를 나타내는 도면
도 1b는 차량의 전면 범퍼 우측에 제 2 레이저 스캐너가 장착된 상태를 나타내는 도면
도 1c는 차량의 전면 범퍼 좌측에 제 1 레이저 스캐너가 장착된 상태를 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치의 블럭 구성도
도 3은 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 방법을 나타내는 흐름도
도 4는 본 발명에 의한 차선 검출부가 수집된 모든 신호세기 데이터들을 그룹화하는 방법의 예시도
도 5a는 제1 레이저 스캐너로부터 획득된 모든 거리 데이터를 나타내는 도면
도 5b는 신호세기가 가장 강한 거리 데이터를 반환하여 표시한 그래프
도 5c는 제2 레이저 스캐너의 거리 데이터를 나타내는 그래프
도 6a는 도 5b의 그래프를 맵 상에 표시한 상태를 나타내는 도면
도 6b는 도 5c의 그래프를 맵 상에 표시한 상태를 나타내는 도면
도 7은 도 6a 및 도 6b를 상호 매칭하여 맵 상에 한 번에 표시한 상태를 나타내는 도면
본 발명에 의한 차량의 차선 검출 장치는 두 대의 2차원 레이저 스캐너를 이용한다. 레이저 스캐너는 전방으로 레이저를 방사하여 물체에 반사되어 돌아오는 레이저를 통해 장애물의 유무를 인식하는 것으로서, Time-of-Flight(TOF) 방식의 지상용 라이다(Light Detection and Ranging; LIDAR) 데이터 중에서 돌아오는 레이저의 시간을 계산하여 거리를 측정 하는 Laser Range Finder(LRF)의 한 종류이다.
본 발명에서 사용되는 레이저 스캐너는 LIDAR 중 가장 간단한 종류인 LRF이다. LRF는 대기 중의 물체에 대한 측정과 그로 인한 정보 제공보다는, 단순한 거리에 대한 정보만을 획득할 수 있는 장비이다. 이러한 레이저 스캐너를 통해 획득되는 데이터는 장애물 간의 거리 데이터와 장애물의 신호세기 데이터가 있다. 장애물간의 거리 데이터는 레이저 스캐너와 장애물 간의 거리 값을 나타내는 데이터를 의미하고, 이 거리 값은 물체로부터 반사되어 돌아오는 레이저의 수신 시간을 계산하여 거리를 측정하는 TOF 방식을 사용하여 획득이 가능하다. 장애물의 신호세기 데이터는 레이저 스캐너가 방사한 레이저가 장애물에 반사되어 돌아오는 반사 강도를 의미한다. 장애물을 구성하는 매질은 장애물마다 다르기 때문에 장애물에 반사되어 돌아오는 레이저의 반사 강도 역시 다르고, 이를 통해 장애물마다 각기 다른 고유한 신호세기 데이터의 획득이 가능하다.
레이저 스캐너를 통한 장애물 인식의 경우에, 카메라를 통한 장애물 인식의 경우에 비해 복잡도가 낮고 인식률이 매우 높다는 장점이 있다. 또한 실내외 어떤 환경에서도 사용할 수 있다는 장점도 있다. 실외 환경에서 사용할 수 있다는 점은 환경에 대해 강인함을 가지고 있다는 점으로 생각해 볼 수 있으며, 바로 이점이 레이저 스캐너를 사용하는 가장 큰 장점이다. 레이저 스캐너는 어두운 환경과 빛이 매우 강한 환경 모두에서 장애물 데이터를 획득할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 차량의 전면 범퍼에 두 대의 2차원 레이저 스캐너(10)(20)가 장착된 상태를 나타낸다. 도 1b는 차량의 전면 범퍼 우측에 제 2 레이저 스캐너(20)가 장착되며 제 2 레이저 스캐너(20)는 차량의 주변 상태 정보를 인지하기 위하여 사용된다. 제 2 레이저 스캐너(20)는 앞쪽을 바라보도록 설치되며, 차량 주변 상태 정보, 즉, 주행 가능한 공간을 인지한다.
도 1c는 차량의 전면 범퍼 좌측에 제 1 레이저 스캐너(10)가 장착된 상태를 나타내며 제 1 레이저 스캐너(10)는 차량 진행 방향의 차선을 검출하기 위하여 사용된다. 제 1 레이저 스캐너(10)는 지면을 바라보도록 설치된다. 일 예로 제1 레이저 스캐너(10)와 지면의 차선과 약 5m 거리로 이격되도록 설치될 수 있다.
제 1 및 제 2 레이저 스캐너(10)(20) 모두 2차원 레이저 스캐너가 사용된다.
도 2는 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치의 블럭 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치는, 차선 검출을 위한 제1 2차원 레이저 스캐너(10), 차량 주변 상태를 인지하기 위한 제2 2차원 레이저 스캐너(20), 상기 제1 2차원 레이저 스캐너(10)에 의하여 획득된 반사된 레이저의 신호세기 데이터로부터 허프 변환을 통하여 차선을 검출하는 차선 검출부(30), 상기 제2 2차원 레이저 스캐너(20)로부터 획득된 주변 장애물과의 거리 데이터를 이용하여 차량 진행 방향의 주행 가능 공간을 인지하는 주변상태 인지부(40), 상기 검출된 차선 및 상기 인지된 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 하나의 맵 상에 표시하는 맵 생성부(50), 및 차선 검출 및 주행 가능 공간 인지에 관련된 전반적인 동작을 제어하는 제어부(60)를 포함한다.
도 3은 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 방법의 동작 흐름의 일부를 나타낸다.
본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 방법은, 제1 레이저 스캐너(10)로부터 획득된 반사된 레이저의 신호세기 데이터를 이용하여 차선을 검출하는 차선 검출 단계, 제2 레이저 스캐너(20)로부터 획득된 주변 장애물과의 거리 데이터를 이용하여 차량의 주행 가능 공간을 인지하는 주변상태 인지 단계, 및 상기 검출된 차선 및 상기 인지된 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 맵 상에 표시하는 맵 생성 단계를 포함한다.
상기 차선 검출 단계는, 도 3에 도시된 바와 같이, 반사된 레이저의 신호세기 데이터를 수신하는 단계(S14), 수신된 신호세기 데이터를 그룹화하는 단계(S16), 분류된 데이터 그룹들 중 최대값을 갖는 데이터 그룹을 선택하여 차선의 점 데이터를 획득하는 단계(S18), 및 획득된 점 데이터를 축적하고 축적된 점 데이터를 허프변환하여 차선을 검출하는 단계(S20)(S22)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치의 동작에 대하여 설명하기로 한다.
하나의 레이저 스캐너(10)는 차량 전면 범퍼의 좌측에 지면을 바라보게 장착하여 차선을 검출하도록 하고 다른 하나의 레이저 스캐너(20)는 전면 범퍼 우측에앞쪽을 바라보게 장착하여 도로 상황을 인지한다. 검출되는 차선 데이터와 도로 상황, 즉, 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 맵 상에 표시한다. 차선 데이터는 축적하며, 축적을 통하여 3차원 레이저 스캐너와 동일한 성능이 나타날 수 있도록 한다. 축적된, 즉, 누적된 데이터를 이미지화한 후 허프 변환을 수행하여 앞의 데이터를 예측할 수 있다. 레이저 스캐너(10)(20)는 차량용 PC, 즉, 제어부(60)와 TCP/IP 통신을 통해 통신한다.
우선, 레이저 스캐너(20)가 방사한 레이저가 차량 주변의 장애물에 반사되어 돌아오는 장애물과의 거리 데이터를 수신하고, 주변 상태 인지부(40)는 수신된 장매물과의 거리 데이터들을 기반으로 차량의 주행 가능 공간을 인지하게 된다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 흰 점들이 차량 진행 방향의 주변 장애물들을 나타내는 것이다.
다음으로, 차량 전면 범퍼의 좌측에 지면을 바라보도록 장착된 제1 2차원 레이저 스캐너(10)는 지면을 향하여 레이저를 방사하고 지면에 반사되어 돌아오는 반사 강도, 즉, 신호세기(Intensity) 데이터를 수신한다. 차선 검출부(30)는, 수신된 신호세기 데이터들을 기반으로 차선을 검출한다(S10-S22).
장애물을 구성하는 매질은 장애물마다 다르기 때문에 장애물에 반사되어 돌아오는 레이저의 반사 강도 역시 다르다. 이를 통해 장애물마다 각기 다른 고유한 신호세기 데이터의 획득이 가능하다. 차선은 유리알 도료라는 반사 강도가 매우 높은 물질을 이용하기 때문에, 아스팔트와 비교하면 높은 신호세기를 갖는다. 이에, 신호세기 데이터 그룹 중 최대값을 갖는 데이터 그룹을 차선이라고 인식하는 것이 가능하다.
또한, 차도와 레이저 스캐너(10)의 거리는 지면을 향하고 있기 때문에 항상 일정하다. 예를 들어 지면과 레이저 스캐너(10)의 거리가 5m일 경우에, 차선의 폭(한국도로공사 기준 15cm), 차도의 폭(한국도로공사 기준 3.5m)과 레이저 스캐너(10)의 각 분해능(angle resolution)을 고려했을 때 원주율과 비례식을 이용하여 차선에 해당하는 데이터의 개수를 계산할 수 있다.
그런 다음, 차선 데이터 개수로 모든 신호세기 데이터를 그룹화([data1, data2, data3], [data2, data3, data4], ...)한다.
즉, 차선 인식 동작이 시작되면, 차선 검출부(30)는 미리 정해진 거리 내에 장애물이 있을 경우 차도가 아니라고 판단하고(S12), 장애물이 없을 경우 신호세기 데이터를 수집한다. 차선 검출부(30)는 수집된 모든 신호세기 데이터들을 도 4에 도시된 바와 같은 방식으로, 소정 개수로 그룹화한다. 도 4에서는 24개 데이터들이 하나의 그룹을 이루도록 분류되었다.
그런 다음, 분류된 데이터 그룹들 중에 모든 데이터들의 총합이 최대값을 갖는 데이터 그룹을 선택한다. 반사강도가 높은 차선에 반사된 레이저의 신호세기 데이터는 차선 이외의 차도, 즉, 아스팔트에 반사된 신호세기 데이터보다 높기 때문에, 차선 검출부(30)는 최대값을 갖는 데이터 그룹이 차선이라고 인식한다.
차선 검출부(30)는 선택된 최대값을 갖는 데이터 그룹의 거리 데이터를 반환하여 맵에 점으로 표시한다. 도 5a는 제1 레이저 스캐너(10)로부터 획득된 모든 거리 데이터를 나타내고, 도 5b는 신호세기가 가장 강한 거리 데이터를 반환하여 표시한 그래프이다. 도 5c는 제2 레이저 스캐너(20)의 거리 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 도 5b의 그래프를 맵 상에 표시한 상태이다. 도 6a에 도시된 점은 최대값을 갖는 데이터 그룹의 거리 데이터를 축적하기 위하여 맵 상에 표시한 것으로서, 차선의 점 데이터를 축적하기 위한 것이다. 도 6b는 도 5c의 그래프를 맵 상에 표시한 상태이다. 도 6b에 도시된 흰색의 공간이 주행 가능 공간을 나타낸다. 도 7은 도 6a 및 도 6b를 상호 매칭하여 맵 상에 한 번에 표시한 것으로서 축적한 상태를 나타낸다. 즉, 도 7은 차량의 주행 가능 공간과 그 주행 가능 공간 내부에 직선으로 표현된 차선이 표시되어 있음을 확인할 수 있다.
차선 검출부(30)는 주변 상태 인지부(40) 및 맵 생성부(50)와 연동하여, 인식된 차선 데이터를 주행 가능 공간 맵 상에 축적하여 표현한다. 축적된 차선 데이터는 허프 변환을 사용하여 정확한 차선 데이터로 예측될 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 그러므로 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제 1 레이저 스캐너 20: 제 2 레이저 스캐너
30: 차선 검출부 40: 주변 상태 인지부
50: 맵 생성부 60: 제어부

Claims (5)

  1. 차선 검출을 위한 제1 2차원 레이저 스캐너;
    차량 주변 상태를 인지하기 위한 제2 2차원 레이저 스캐너;
    상기 제1 2차원 레이저 스캐너에 의하여 획득된 반사된 레이저의 신호세기 데이터로부터 허프 변환을 통하여 차선을 검출하는 차선 검출부;
    상기 제2 2차원 레이저 스캐너로부터 획득된 주변 장애물과의 거리 데이터를 이용하여 차량 진행 방향의 주행 가능 공간을 인지하는 주변상태 인지부;
    상기 검출된 차선 및 상기 인지된 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 하나의 맵 상에 표시하는 맵 생성부; 및
    차선 검출 및 주행 가능 공간 인지에 관련된 전반적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하는, 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차선 검출부는,
    상기 제2 2차원 레이저 스캐너로부터 수신된 상기 신호세기 데이터를 수집하고, 수집된 신호세기 데이터들을 그룹화하며, 그룹화된 복수 개의 신호세기 데이터 그룹들 중 데이터 총합이 최대값을 갖는 데이터 그룹을 선택하며, 선택된 데이터 그룹의 거리 데이터를 점 데이터로 획득하며, 획득된 점 데이터를 축적한 후 허프 변환을 수행하여 차선을 검출하는, 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 2차원 레이저 스캐너는 차량 전면 범퍼의 좌측에 설치되며,
    상기 제2 2차원 레이저 스캐너는 차량 전면 범퍼의 우측에 설치되는, 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 장치.
  4. 제1 레이저 스캐너로부터 획득된 반사 레이저의 신호세기 데이터를 이용하여 차선을 검출하는 차선 검출 단계;
    제2 레이저 스캐너로부터 획득된 주변 장애물과의 거리 데이터를 이용하여 차량의 주행 가능 공간을 인지하는 주변상태 인지 단계; 및
    상기 검출된 차선 및 상기 인지된 주행 가능 공간을 상호 매칭하여 맵 상에 표시하는 맵 생성 단계를 포함하는, 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 차선 검출 단계는,
    반사된 레이저의 신호세기 데이터를 수신하는 단계,
    수신된 신호세기 데이터를 그룹화하는 단계,
    분류된 데이터 그룹들 중 최대값을 갖는 데이터 그룹을 선택하여 차선의 점 데이터를 획득하는 단계, 및
    획득된 점 데이터를 축적하고 축적된 점 데이터를 허프변환하여 차선을 검출하는 단계를 포함하는, 2차원 레이저 스캐너를 이용한 차선 검출 방법.
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