KR20170030313A - 라인 빔을 사용한 레이저 검지 장치 및 이를 이용한 차량정보 인식 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 지능형 교통 시스템에서 차량의 검지에 사용되는 레이저 검지 장치로서, 짧은 펄스의 레이저 빔을 발생하는 광원부, 상기 레이저 빔을 라인 형태의 라인(line) 빔으로 변환하는 송신부 광학계; 및 상기 라인 빔이 차량에 조사되어 후방산란 및 반사되어 돌아오는 반사 빔을 수신하여 상기 레이저 빔과 반사 빔과의 수신 시간차를 이용하여 거리값을 산출하는 수신부 광학계;를 포함하고, 상기 송신부 광학계는 상기 광원부에서 진행하는 레이저 광이 입사되는 제1 렌즈와 제2 렌즈가 순차적으로 배열되고, 상기 광원부와 상기 제1 렌즈 사이의 거리를 조절하여 상기 라인 빔의 수평축 길이를 확장 또는 축소하여 측정하고자 하는 도로의 폭과 일치시킬 수 있다. 따라서, 도로의 규모에 상관없이 레이저 검지 장치에서 조사되는 레이저 광을 지나가는 차량들의 통행 여부를 정확하게 파악하여 현재 교통 상황을 실시간으로 파악할 수 있다.

Description

라인 빔을 사용한 레이저 검지 장치 및 이를 이용한 차량정보 인식 방법{Laser Detection Apparatus Using Line Beam and Method for Acquiring Information On a Vehicle Using Thereof}
본 발명은 특정한 영역을 지나가는 차량 정보를 자동으로 인식하기 위한 레이저 검지 장치 및 차량정보 인식 방법으로서, 보다 구체적으로 도로 상이나 교차로 등에 설치된 검지 장치로부터 차량의 통행 여부 및 차량의 속도를 인식할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 보다 안전하고 편리한 교통시스템의 구축을 위해 교통시스템에 첨단 기술을 적용하여 이용자의 안전과 편의를 도모하고 운영 및 이용효율을 극대화 하려는 사업이 많이 진행되고 있다. 실제로 많은 도로에서 첨단 교통시스템을 통해 도로 위 차량의 번호판, 속도, 차종 등의 정보를 획득 하고 이를 과속 및 과적 차량 단속에 이용한다. 이와 같은 정보를 얻기 위해서는 우선 통행 차량을 검지해야 하며 이를 위해 루프 검지기, 레이더, 영상, 초음파 등의 센서 기술이 사용 된다. 이 중 구성이 간단한 루프 매립 방식이 가장 많이 사용된다. 이 방법은 도로 위에 설치된 루프에 의하여 형성된 검지영역을 차량이 통과하거나, 정차해 있는 경우 루프의 인덕턴스 변화를 검지하여 통과 또는 존재 유무를 판단한다. 하지만 루프 매립 방식은 설치를 위해 도로 훼손이 불가피하며 과적 차량에 의해 파손되는 경우가 발생하기도 한다. 이와 같은 루프 매립 방식의 단점을 보완하는 또 다른 차량 검지 방법으로 TOF(Time-of-flight) 방식의 레이저 검지기가 사용된다.
도 1은 종래 차량을 검지하는 방법으로서 레이저를 스캔하는 방식으로 구성된 교통 시스템을 나타낸 것이다.
도 1에 개시된 교통 시스템은 도로의 폭 방향으로 연장된 구조물에 레이저 거리 측정기(5)가 부착된 채로 고정되며, 레이저 거리 측정기(5)는 레이저 빔(6)을 회전하는 반사체를 이용하여 일정 방향으로 광 경로를 변경시켜 도로 폭을 스캔 한다. 스캔되는 각 지점에 레이저 빔(6)이 조사되고 반사되어 돌아오는 레이저 신호로부터 거리 값을 도출한다. 레이저 빔(3)이 스캔하는 영역에 차량(4)이 지나가면 그 높이에 따라 레이저 빔의 반사 거리가 짧아져 도로상 차량 유무를 판단할 수 있다. 그러나, 이 방식은 반사체를 움직이는 모터와 같은 구동부가 필요하므로 진동 및 모터 수명에 따른 성능 저하의 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 도로상의 특정 영역에서 차량의 통행 여부 및 속도를 정확히 판단할 수 있는 교통 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 도로상의 특정 영역에 차량의 통행 여부를 파악할 수 있을 뿐 아니라, 도로상을 주행하는 차량들의 속도를 파악하여, 현재 통행하고 있는 차량에 대해서 파악할 수 있는 교통 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 지능형 교통 시스템에서 차량의 검지에 사용되는 레이저 검지 장치로서, 짧은 펄스의 레이저 빔을 발생하는 광원부; 상기 레이저 빔을 라인 형태의 라인(line) 빔으로 변환하는 송신부 광학계; 및 상기 라인 빔이 차량에 조사되어 후방산란 및 반사되어 돌아오는 반사 빔을 수신하여 상기 레이저 빔과 반사 빔과의 수신 시간차를 이용하여 거리 값을 산출하는 수신부 광학계;를 포함하고, 상기 송신부 광학계는 상기 광원부에서 진행하는 레이저 광이 입사되는 제1 렌즈와 제2 렌즈가 순차적으로 배열되고, 상기 광원부와 상기 제1 렌즈 사이의 거리를 조절하여 상기 라인 빔의 수평축 길이를 확장 또는 축소하여 측정하고자 하는 도로의 폭과 일치시킬 수 있다.
실시예에서 상기 제1 렌즈는 상기 라인 빔의 수평축 길이를 가변시키고, 상기 제2 렌즈는 상기 라인빔의 수직축 길이를 가변시킬 수 있다.
실시예에서 수신부 광학계는 차량에 의해 반사되는 반사 빔이 입사하는 제4 렌즈와, 상기 제4 렌즈와 일렬로 배치되는 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제3 및 제4 렌즈의 배율을 계산하여 포토 센서에 집광되어 맺히는 상의 크기를 계산하며, 상기 제4 렌즈 및 상기 제3 렌즈 사이의 거리조절 또는 제3 렌즈의 크기를 가변시킴으로써 상의 크기를 조절할 수 있다.
실시예는 레이저 검지 장치의 광원으로 라인 빔을 사용하기 때문에 도로의 규모에 상관없이 레이져 검지기의 레이저 광을 지나가는 차량들의 통행 여부를 정확하게 파악하여 현재 교통 상황을 실시간으로 파악할 수 있다. 실시예에서 사용되는 라인 빔은 레이저 검지기와 레이저 광 영역을 지나가는 차량 사이의 거리를 측정하여 통행 차량의 유무를 파악할 수 있고 도로 위 차량의 정체 상황, 과속 및 화물 높이 초과 차량과 같은 교통의 흐름을 더욱 상세히 파악할 수 있다.
또한, 실시예는 종래와 같이 모터와 같은 구동부를 포함하지 않으므로 진동의 영향이 없고 모터 수명에 따른 성능 저하 등의 문제가 발생하지 않으므로 잦은 교체가 필요 없고 제품의 수명 또한 연장시킬 수 있다.
도 1은 종래 차량을 검지하는 방법으로서 레이저를 투사하는 방식으로 구성된 레이저 검지 장치
도 2는 실시예에 따른 교통 상황을 인지하는 레이저 검지 장치
도 3은 실시예의 레이저 검지 장치의 거리 측정 방법을 나타낸 도면
도 4(a) 내지 도 4(c)는 실시예의 레이저 검지 장치를 이용하여 차량을 검지하는 예시를 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 레이저 검지 장치의 광학계 구성을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 레이저 검지 장치의 수광부 광학계를 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 레이저 검지 장치에서 라인 빔의 길이를 변경하는 예시를 나타낸 도면
도 8은 실시예에 따른 레이저 검지 장치에서 라인 빔의 폭을 변경하는 예시를 나타낸 도면
도 9는 실시예에 따른 레이저 검지 장치로 지나가는 차량의 속도를 검출하는 방법을 나타낸 도면
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 레이저 검지 장치를 나타낸 도면이다. 도 2에서 레이저 검지 장치의 내부 구성은 도시되지 않았으나, 실시예에서 레이저 검지 장치(10)는 라인 형태의 레이저가 조사되도록 하는 광원부와 광경로를 제공하는 광학계로 구성될 수 있다.
실시예는 도로의 폭(t)과 일치하도록 레이저 빔을 라인 형태로 조사함으로써, 도로의 폭 전체가 검지 영역이 될 수 있다. 또한, 실시예는 도로의 폭(t)에 따라서 라인 형태의 레이저 빔 길이를 조절할 수 있어서 도로의 폭(t)에 상관없이 레이저 검지 장치가 구비된 도로를 지나가는 차량의 통행 여부를 파악할 수 있다.
도 3은 실시예의 레이저 검지 장치의 거리 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 실시예는 펄스 비행시간(TOF) 방식을 사용하여 거리정보를 획득하는 장치이다. 송신부로부터 송출되는 광 펄스 신호는 대상물체로 투사되고 대상물체의 표면에서 난반사되어 돌아오는 일부 광을 수신부를 통해 받아들인다. 시간 디지털 변환기에서는 수신부를 통해 측정된 펄스 신호와 송신부의 펄스 신호를 비교하여 두 신호의 시간차를 얻어내고, 이를 디지털 값으로 변환한 후에 최종적으로 변환된 값을 환산하여 거리 값을 얻어낼 수 있다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 실시예의 레이저 검지 장치를 이용하여 차량을 검지하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 4(a)의 경우는 차량이 지나가지 않는 경우이며, 도로에 조사된 라인 빔은 동일 평면상의 각 단위 영역에서 반사되어 수신부를 통해 각각 수신 된다. 이 때 동일 평면상의 영역에서 반사되어 돌아온 수신 신호를 하나의 펄스 신호로 볼 수 있다.
도 4(b)와 도 4(c)는 차량이 라인 빔 일부에 해당하는 영역에 들어오게 되는 경우이며, 레이저 검지 장치와 상대적으로 가까운 차량으로부터 반사된 신호가 레이저 검지 장치에 먼저 도달 하고, 도로에서 반사된 신호가 소정의 시간차를 가지고 도달한다. 이렇게 도로에서 반사된 신호보다 먼저 들어오는 신호가 감지되면 레이저 검지 장치 하부에 차량이 존재한다는 것을 판별할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 레이저 검지 장치의 광학계 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 레이저 광원(11)으로부터 나오는 레이저 빔은 송신부 광학계(12)를 통해 그 형상이 결정된다. 송신부 광학계(12)는 제1 렌즈(12a)과 제2 렌즈(12b)로 구성되었으며, 제1 렌즈(12a)를 통해 레이저 빔의 수평 축의 크기가 조절되고 제2 렌즈(12b)를 통해 레이저 빔의 수직 축의 크기가 조절 된다. 즉, 레이저 빔의 수평축 및 수직축의 길이를 변경함에 따라, 제2 렌즈(12b)를 통해 나온 레이저 빔은 라인 형태로 조사될 수 있다.
송출된 라인 빔은 대상물체(16)에 조사되고 조사된 영역에서 난반사된 빔의 일부가 수신부 광학계(15)를 통해 포토 센서(13)로 수광된다. 이때 수광되는 레이저 빔의 크기는 송출된 레이저 빔의 크기에 비례한다.
도 6은 실시예에 따른 레이저 검지 장치의 수광부 광학계를 나타낸 도면이다.
수신부 광학계(15)는 제3 및 제4 렌즈(15a, 15b)로 구성될 수 있다. 라인 빔 크기의 절반에 해당하는 H1, 제4 렌즈(15b)의 초점거리 F1, 제3 렌즈(15a)의 초점거리 F2, 측정 거리 L1과 두 렌즈 사이의 거리 D를 알고 있을 때 다음의 수학식 1을 이용하여 제3 렌즈(15a)으로부터 제3 렌즈(15a)를 통해 생성된 상까지의 거리 L2'을 계산 한다.
Figure pat00001
L2'은 제3 렌즈(15a)와 포토 센서(13) 사이의 간격을 의미한다. 수학식 1을 다음의 수학식 2에 대입하여 제4 렌즈와 제3 렌즈의 배율을 계산 한다.
Figure pat00002
이어서 배율 값을 다음의 수학식 3에 대입하여 포토 센서에 맺히는 상의 크기 H3을 계산 한다.
Figure pat00003
계산된 H3 값이 포토 센서를 벗어나게 되면 제4 렌즈를 통해 집광된 빔을 제3 렌즈가 모두 수광 할 수 있는 범위 내에서 두 렌즈 사이의 거리 D 또는 제3 렌즈의 크기를 줄이고 앞의 계산 과정을 반복한다. 최종으로 얻은 값을 적용하여 수신부 광학계(15)를 구성하며, 구성된 광학계는 라인 빔을 포토 센서에 집광시킬 수 있다.
이와 같이 라인 빔을 측정 영역에 조사하고 난반사된 빔을 포토 센서에 집광시킴으로써 수신 신호를 얻고 송신 신호와의 시간 차이를 통해 거리 값을 얻는다. 실시예는 이와 같이 비교적 넓은 도로에 대해서도 레이저 포인트 빔 회전 구동부 없이 차량의 유무를 검지 할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 레이저 검지 장치에서 라인 빔의 수평축 길이를 변경하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 레이저 검지 장치에서 라인 빔의 수평축 길이는 제1 렌즈(12a)와 레이저 광원(11)과의 거리를 조절하여 가변시킬 수 있다. 레이저 광원(11)에서 제1 렌즈(12a) 사이의 간격(d)이 초점거리일 때 레이저 빔은 평행 시준(collimation)된다. 제1 렌즈(12a)를 레이저 광원(11) 방향으로 d1만큼 이동시켜 제1 렌즈(15a)와 레이저 광원(11)간의 간격을 d2로 설정하면, 변경된 간격인 d2는 d보다 작은 값을 가지게 된다. 따라서, 조사되는 레이저 빔의 수평축 길이는 M1에서 일정한 길이만큼 증가하여 M2와 같이 나타난다.
도 8은 실시예에 따른 레이저 검지 장치에서 라인 빔의 수직축 길이를 변경하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 레이저 검지 장치에서 라인 빔의 수직축 길이는 제2 렌즈(12b)와 레이저 광원(11)과의 거리를 조절하여 가변시킬 수 있다. 레이저 광원(11)에서 제2 렌즈(12b) 사이의 간격(K)이 초점거리일 때 레이저 빔은 평행 시준(collimation)된다. 제2 렌즈(12b)를 레이저 광원(11) 방향으로 K1만큼 이동시켜 제2 렌즈(15b)와 레이저 광원(11)간의 간격을 K2로 설정하면, 변경된 간격 K2는 K보다 작은 값을 가지므로 조사되는 레이저 빔의 수직축 길이는 W1에서 일정한 길이만큼 증가하여 W2와 같이 나타난다.
즉, 실시예의 레이저 검지 장치는 내부에 구성된 광학계 중에서 송신부 광학계(12)에 해당되는 렌즈의 위치를 가변시킴에 따라 라인 빔의 수평축 또는 수직축의 길이를 가변시킬 수 있어, 도로의 폭에 따라 레이저 검지 장치를 다르게 설계할 필요가 없이 모든 도로에 적용할 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 레이저 검지 장치로 지나가는 차량의 속도를 검출하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 라인 빔 레이저 검지 장치(10)에서 조사되는 레이저 빔은 주행하는 차량의 앞단이 수직하며 y1의 높이를 가진다고 할 때, 앞단의 하단부에 초기 접촉하게 되며 상기 앞단의 이동거리에 따라서 차량의 속도를 도출할 수 있다.
차량의 속도는 하기의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00004
y0를 도로지면과 레이저 검지 장치(10) 간의 수직거리, y1을 차량 앞단의 지면과 수직하는 부분의 높이, z0은 차량이 최초 검지되었을 때 차량과 레이저 검지 장치 사이의 거리, θ는 지면과 레이저 검지 장치 사이의 각도, t는 차량이 z0에서 z1까지 변위를 측정하는데 걸리는 시간, x0는 차량이 최초 검지되었을 때 차량과 스캐너가 설치된 지점 사이의 거리, x1은 차량이 x0이후 검지되었을 때 차량과 스캐너가 설치된 지점 사이의 거리로 표현될 수 있다. y0와 y1은 실측되는 거리일 수 있다.
차량의 앞단이 실질적으로 움직인 거리는 x0-x1이며, 차량의 이동 속도(v)는 x0-x1의 거리를 이동한 시간으로 나누어 도출할 수 있다. 레이저 검지 장치가 차량을 최초로 검지했을 때의 거리는 z0이고, t초 후에 z1의 거리에서 측정이 수행되었다고 하면, 차량의 실제 이동거리인 x0-x1는 z0-z1에 cosθ를 곱해줌으로써 도출할 수 있다. 즉, 차량의 속도(v)는 도출된 x0-x1를 t로 나누어줌으로써 도출될 수 있다.
상술한 바와 같이 실시예의 레이저 검지 장치는 지나가는 차량들의 속도를 파악할 수 있어, 레이저 검지 장치가 위치한 영역에서 차량의 정체 상황과 같은 교통의 흐름을 상세히 파악할 수 있다. 또한, 실시예는 레이저 검지 장치의 광학계가 라인 빔을 형성하도록 구성되기 때문에 도로의 규모에 상관없이 레이저 검지 장치에서 조사되는 레이저 광을 지나가는 차량들의 존재 유무를 정확하게 파악하여 현재 교통 상황을 실시간으로 파악할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 지능형 교통 시스템에서 차량의 검지에 사용되는 레이저 검지 장치로서,
    짧은 펄스의 레이저 빔을 발생하는 광원부;
    상기 레이저 빔을 라인 형태의 라인(line) 빔으로 변환하는 송신부 광학계; 및
    상기 라인 빔이 차량에 조사되어 후방산란 및 반사되어 돌아오는 반사 빔을 수신하여 상기 레이저 빔과 반사 빔과의 수신 시간차를 이용하여 거리값을 산출하는 수신부 광학계;를 포함하고,
    상기 송신부 광학계는 상기 광원부에서 진행하는 레이저 광이 입사되는 제1 렌즈와 제2 렌즈가 순차적으로 배열되고, 상기 광원부와 상기 제1 렌즈 사이의 거리를 조절하여 상기 라인 빔의 수평축 길이를 확장 또는 축소하여 측정하고자 하는 도로의 폭과 일치시키는 레이저 검지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈는 상기 라인 빔의 수평축 길이를 가변시키고, 상기 제2 렌즈는 상기 라인빔의 수직축 길이를 가변시키는 레이저 검지 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수신부 광학계는
    차량에 의해 반사되는 반사 빔이 입사하는 제4 렌즈와, 상기 제4 렌즈와 일렬로 배치되는 제3 렌즈를 포함하고, 상기 제3 및 제4 렌즈의 배율을 계산하여 상기 제4 렌즈로 집광된 빔을 상기 제3 렌즈가 모두 수광할 수 있도록 두 렌즈 사이의 거리를 조절하거나 제3 렌즈의 크기를 가변하는 레이저 검지 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제3 렌즈에 수광된 광을 집광시키는 하나의 포토 센서를 더 포함하는 레이저 검지 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 상기 광원부 사이의 거리가 초점 거리보다 가까워지면, 대상 물체로 조사되는 라인 빔의 수평축 길이가 증가하는 레이저 검지 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 렌즈와 상기 광원부 사이의 거리가 초점 거리보다 가까워지면, 대상 물체로 조사되는 라인 빔의 수직축 길이가 증가하는 레이저 검지 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 차량 앞단이 수직하며 y1의 높이를 가진다고 할 때, 상기 라인 빔은 차량 앞단의 하단부에 초기 접촉하게 되며, 상기 앞단의 이동거리에 따라 차량의 속도가 측정되며, 상기 차량의 속도는 하기의 수학식에 의해 표현되는 레이저 검지 장치.
    [수학식]
    Figure pat00005

    (y0: 도로지면과 레이저 검지 장치간의 수직거리, y1: 차량 앞단의 지면과 수직하는 부분의 높이, z0: 차량이 최초 검지되었을 때 차량과 레이저 검지 장치 사이의 거리, θ: 지면과 레이저 검지 장치 사이의 각도, t: z0에서 z1까지 측정하는데 걸리는 시간, x0: 차량이 최초 검지되었을 때 차량과 스캐너가 설치된 지점 사이의 거리, x1: 차량이 x0이후 검지되었을 때 차량과 스캐너가 설치된 지점 사이의 거리)
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