KR20170124871A - 무인차량의 자율주행을 위한 라이다센서 장치 - Google Patents

무인차량의 자율주행을 위한 라이다센서 장치

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KR20170124871A
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Abstract

본 발명은 무인차량에 탑재되는 라이다센서 장치로서, 상기 라이다센서 장치는 레이저를 방출 및 검출하는 라이다센서, 일 방향을 따라 가변되는 길이확장부, 상기 길이확장부의 상단부에 고정되며, 상기 라이다센서를 상기 일 방향으로 연장되는 축을 기준으로 회전시키도록 상기 라이다센서가 고정되는 수평회전 탑재부를 포함하고, 상기 라이다센서는 상기 검출된 라이다에 대응되는 점데이터를 좌표변환 처리하는 데이터 처리부를 포함하여, 무인차량의 주변환경 및 운행속도에 근거하여 원하는 영역의 점데이터를 획득할 수 있다.

Description

무인차량의 자율주행을 위한 라이다센서 장치{LIDAR SENSOR DEVICE FOR AUTOMATIC DRIVING OF UNMANNED VEHICLES}
본 발명은 무인차량의 자율주행을 위해 주변환경을 감지하는 라이다 센서 장치에 관한 발명이다.
무인차량이 자율주행을 위해서는 플랫폼 주변의 지형 및 지물에 대한 정밀하고 조밀한 공간정보가 실시간으로 필요하다. 라이다 센서는 무인차량이 자율주행하는 경우 거리측정센서(range measurement sensor)로 이용된다. 무인차량의 자율주행에 이용되는 라이다 센서는 차량이 이동하는 동안 주변의 관심거리영역에 해당하는 지형과 장애물 표면정보를 실시간으로 스캔한다. 이러한 라이다 센서들은 복수개의 레이저 방출부/검출부 쌍이 수직으로 배열된 이루어진다. 복수의 레이저 방출부/검출부를 수평으로 회전시키거나 수평으로 왕복회전시킴으로써 지형지물의 표면을 샘플링하는 방식으로 스캔하며, 샘플링된 점 데이터를 출력한다. 레이저 방출부/검출부를 수평회전시키는 라이다 센서는 전방위 화각(FOV, Field of View)으로 점 데이터를 수집하며, 왕복회전시키는 라이다 센서의 경우에는 왕복하는 만큼의 화각을 갖는다.
레이저 방출부 및 검출부 한 쌍은 등간격으로 배열되어 있는 바, 근거리에서는 스캔 라인의 간격이 조밀하지만 거리가 멀어질수록 스캔라인 간격이 수 미터까지 증가하여 원거리 영역에 대한 조밀한 지형정보를 생성할 수 없다. 이러한 기하학적 특성으로 인하여 라이다 센서는 탑재 위치와 자세에 따라 특정 거리영역에 대해서만 높은 점밀도를 갖는 점데이터를 획득할 수 있다는 문제가 있다.
이에 본 발명은 무인차량의 운용모드에 따른 관심거리에 해당하는 지형 및 지물의 표면을 조밀하게 샘플링하기 위하여 라이다센서가 수직 및 수평으로 이동하는 라이다센서 장치를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 무인차량에 탑재되는 라이다센서 장치는 레이저를 방출 및 검출하는 라이다센서, 일 방향을 따라 가변되는 길이확장부, 상기 길이확장부의 상단부에 고정되며, 상기 라이다센서를 상기 일 방향으로 연장되는 축을 기준으로 회전시키도록 상기 라이다센서가 고정되는 수평회전 탑재부를 포함하고, 상기 라이다센서는 상기 검출된 레이더에 대응되는 점데이터를 좌표변환 처리하는 데이터 처리부를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 라이다센서는 방출부 및 검출부가 단일 또는 복수개의 쌍으로 이루어져 있으며, 수평방향으로 회전 또는 왕복하는 스캔구동 방식이며, 상기 수평회전 탑재부는 상기 라이다센서를 수직으로 세워 탑재할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 수평회전 탑재부에 수직으로 세워저 탑재된 상기 라이다센서는 수직방향으로 회전 또는 왕복하는 스캐닝을 수행하며, 이와 동시에 상기 라이다센서를 탑재한 상기 수평회전 탑재부는 상기 라이다센서를 수평회전시켜 상기 라이다센서가 전방향으로 스캐닝할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 데이터 처리부는 상기 라이다센서에 의하여 수집된 점데이터 및 기 저장된 기준지형데이터에 근거하여 상기 무인차량의 주변지형을 단순지형, 복잡지형, 험지지형으로 구분할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 점데이터에 의하여 홀영역이 검출되는 경우 상기 험지지형으로 판단된다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 데이터 처리부는 주변지형의 구분에 따라 단순지형인 경우 고속, 복잡지형인 경우 중속, 험지지형인 경우 저속으로 무인차량에 속도제어 명령을 전달할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 길이확장부는 상기 무인차량의 주변지형이 단순한 지형이거나 험지지형인 경우, 상기 수직확장 높이를 제1높이로 확장되고, 상기 무인차량의 주변지형이 복잡지형인 경우, 상기 수직확장 높이를 상기 제1높이보다 낮은 제2높이로 확장될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 길이확장부의 높이에 근거하여 상기 수평회전 탑재부에 의한 상기 라이다센서의 회전속도를 결정할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 길이확장부의 높이가 제1높이인 경우, 상기 수평회전 탑재부는 무인차량의 진행방향인 전방의 일부관심 영역만을 집중적으로 스캔할 수 있는 제1회전속도로 회전할 수 있다. 상기 길이확장부의 높이가 제2높이인 경우, 상기 수평회전 탑재부는 무인차량의 전방위 영역을 스캔할 수 있는 제2회전속도로 회전할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 수평회전 탑재부 연결되어 엔코더 정보에 항법시간을 태깅하기 위한 항법장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 라이다센서에 연결되어, 상기 라이다 데이터와 항법시간을 태깅하기 위한 항법장치를 더 포함하고, 상기 데이터 처리부는 태깅된 항법시간을 근거로 상기 라이다 데이터와 상기 엔코더 정보의 시간동기화를 수행할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 데이터 처리부는 시간동기화 된 상기 엔코더 정보를 이용하여 상기 라이다센서에서 출력된 점좌표를 상기 수평회전 탑재부의 내부좌표계로 변환할 수 있다.
본 발명에 따르면 레이저장치의 수직이동 및 수평회전에 근거하여 무인차량의 운용속력에 따라 필요한 거리영역에 해당하는 지형지물에 대한 샘플링된 점데이터를 획득할 수 있다.
이에 따라 무인차량의 기동능력을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평회전 탑재부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 길이확장부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다센서 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도4는 상기 길이확장부의 높이가 제1높이인 경우, 무인차량의 진행방향 영역만을 집중적으로 스캔할 수 있는 제1회전속도 획득된 점데이터에 해당된다.
도 5는 상기 길이확장부의 높이가 제2높이인 경우, 무인차량의 전방위 영역을 스캔할 수 있는 제2회전속도로 획득된 점데이터에 해당된다.
도 6은 라이다센서에서 출력된 점좌표를 변환하는 제어방법을 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명과 관련하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평회전 탑재부를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 길이확장부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치는 라이다 센서(10)가 장착되는 수평회전 탑재부(100) 및 수평회전 탑재부를 수직으로 지지하는 길이확장부(200)를 포함한다.
상기 수평회전 탑재부(100)는 라이다 센서(10)를 회전가능하게 장착하기 위한 센서장착부(130), 상기 라이다 센서(10)를 회전시키기 위한 구동모터유닛(120) 및 상기 길이확장부(200)에 고정하기 위한 결합부(110)를 포함한다.
상기 센서장착부(130)는 상기 구동모터유닛(120)의 모터 및 감속기와 연결되어 상기 라이다 센서(10)를 z축을 기준으로 회전시킨다. 상기 센서장착부(130)는 z축으로 연장된 축으로 형성될 수 있다.
상기 결합부(110)는 상기 길이확장부(200)의 상부가 끼워질 수 있도록 개구영역을 포함한다. 도 2를 참조하면, 상기 개구영역에 상기 길이확장부(200)의 상부에 장착된다.
도면에 도시되지 아니하였으나, 상기 수평회전 탑재부(100) 방위각 데이터를 출력하는 엔코더(미도시) 및 상기 모터와 감속기를 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다. 상기 제어부는 장착된 라이다 센서(10)의 스캔패턴을 고려하여 회전속도를 조절하도록 상기 모터 및 감속기를 제어한다.
이에 따라 본 발명에 따른 라이다센서 장치는 z축을 방향으로 회전 및 z축 방향을 따라 길이확장 및 축소가 가능하다. 이하, 라이다센서 장치의 제어방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다센서 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 차량 주변의 지현환경 특성에 근거하여 각기 다른 운용모드가 적용된다. 예를 들어, 지형환경이 단순한 경우 무인차량의 구동속력을 증가시키고, 수직확장높이를 높여서 라이다 센서의 가시권을 확장시킨다. 그리고 차량 진행방향인 전방의 지형을 스캔하여 지형특성을 분석하고 장애물을 탐지한다. 예를 들어, 지형환경이 복잡한 경우 무인차량의 구동속력을 줄이고, 수직확장높이를 낮추어서 라이다 센서의 가시권을 축소시켜, 차량을 중심으로한 모든 방향의 주변지형에 대한 스캔밀도를 높인다. 그리고 수집된 점데이터를 근거로 지형특성을 분석하고 장애물을 탐지한다. 예를 들어, 지형환경이 험지인 경우 무인차량은 매우 저속으로 이동하며, 수직확장높이를 높이고 전방의 근거리 지형만을 집중적으로 스캔하여, 차량이 회피해야하는 큰 도랑이나, 낭떠러지와 같은 험지를 감지한다.
상기 데이터 처리부는 기 저장된 기준지형데이터와 라이다 센서 데이터를 근거로 상기 무인차량의 주변지형의 특성을 판단한다(S300). 상기 기준지형데이터는 지형의 복잡도에 대한 등급정보를 포함할 수 있다. 상기 무인차량의 주변지형이 단순지형으로 판단된 경우(S311), 수직확장 높이를 제1높이로 조정한다(S312). 상기 제1높이에서 상기 라이다센서는 차량 진행방향의 지형지물에 대한 점데이터를 획득한다. 그리고 상기 제어부는 상기 무인차량의 진행방향의 지형지물의 점데이터의 점밀도가 높고, 점분포가 고르게 나타나도록 상기 수평회전탑재부의 회전속도를 제1회전속도로 조정한다(S313). 이 경우, 무인차량은 단순한 지형을 고속으로 운행하는 동안 원거리에 존재하는 장애물을 미리 탐지하고, 지형의 형태를 감지하고 이를 분류한다.
상기 무인차량의 주변지형이 복잡지형으로 판단된 경우(S321), 수직확장 높이를 제2높이로 조정한다(S322). 상기 제2높이에서 상기 라이다센서는 차량 의 모든 방향의 지형지물에 대한 점데이터를 획득한다. 그리고 상기 제어부는 상기 무인차량 주변 지형지물의 점데이터의 점밀도가 높고, 점분포가 고르게 나타나도록 상기 수평회전탑재부의 회전속도를 제2회전속도로 조정한다(S323). 이 경우, 무인차량은 복잡 지형을 중속력으로 운행하는 동안 중거리에 존재하는 장애물을 탐지하고, 지형의 형태를 감지하고 이를 분류한다.
상기 무인차량의 주변지형이 험지지형으로 판단된 경우(S331), 수직확장 높이를 제1높이로 조정한다(S332). 상기 제1높이에서 상기 라이다센서는 차량 진행방향의 지형지물에 대한 점데이터를 획득한다. 그리고 상기 제어부는 상기 무인차량의 진행방향의 지형지물의 점데이터의 점밀도가 높고, 점분포가 고르게 나타나도록 상기 수평회전탑재부의 회전속도를 제1회전속도로 조정한다(S333). 이 경우, 낮은 수직확장 높이에서 수집된 라이다센서 데이터에서 공백이 발생함은 낮은 시선각에 의해 보이지 않는 낭떠러지나 큰 도랑일 가능성이 높으며, 이 경우 수직확장높이를 높여서 공백영역에 대한 추가데이터를 획득할 수 있다. 무인차량은 험지지형을 저속으로 운행하는 동안 근거리에 존재하는 차량이 회피해야하는 큰 도랑이나, 낭떠러지와 같은 험지를 감지한다.
도 4는 본 발명의 라이다센서장치의 1프레임(1초) 동안 획득된 지표면 점데이터를 모사한 그래프이다. 도4는 상기 길이확장부의 높이가 제1높이인 경우, 무인차량의 진행방향 영역만을 집중적으로 스캔할 수 있는 제1회전속도 획득된 점데이터에 해당된다. 이 경우 무인차량 전방의 지형만을 집중적으로 샘플링 하여 점데이터를 수집하고, 지형분석 및 고속 주행시 회피해야하는 원거리 장애물을 감지를 수행한다.
도 5는 본 발명의 라이다센서장치의 1프레임(1초) 동안 획득된 지표면 점데이터를 모사한 그래프이다. 도 5는 상기 길이확장부의 높이가 제2높이인 경우, 무인차량의 전방위 영역을 스캔할 수 있는 제2회전속도로 획득된 점데이터에 해당된다. 이 경우 무인차량 주변의 모든 방향의 지형을 골고루 샘플링한다.
상기 라이다센서(10)는 라이다센서의 내부좌표계를 기준으로 스캐닝된 점좌표를 출력한다. 다만, 본 발명에 따른 상기 라이다센서는 길이확장부(200)에 수직으로 세워진 구조로 탑재되어 수평회전시켜 운용되는 바, 상기 수평회전 탑재부의 내부좌표계 기준으로의 좌표변환이 필요하다. 상기 좌표변환은 상기 라이다센서(10)의 데이터 처리부에서 수행된다. 이하, 도 6을 참고하여 좌표를 변환하는 제어방법을 설명한다.
도 6은 라이다센서에서 출력된 점좌표를 변환하는 제어방법을 설명하기 위한 개념도이다. 상기 길이확장부가 연장되는 z축 방향을 기준으로 동쪽 방향을 x축, 북쪽 방향을 y축으로 하는 직교좌표계로 정의한다.
상기 라이다센서(10)와 수평회전 탑재부(100)에 각각 항법시간 태깅을 동기화를 위해 항법장치를 연결한다(S341). 상기 라이다센서에서 레이저 펄스의 방향과 송수신 시간차에 근거하여 라이다센서 내부좌표계 기준의 점좌표가 생성되며, 이와 동시에 점좌표에는 레이저 펄스송수신 시점의 항법시각이 태깅된다. 이와 동시에 상기 수평회전 탑재부(100)의 제어부와 항법장치가 연결됨으로서, 레이저 펄스의 송수신 때의 수평회전탑재부는 항법시각이 태깅된 엔코더의 방위각(회전각) 데이터를 출력한다(S342).
상기 라이다센서에서 출력된 점데이터와 수평회전부에서 출력된 엔코더의 방위각 데이터는 동일한 항법시각을 기준으로 태깅되며, 상기 데이터 처리부로 전송된다.
상기 데이터 처리부는 상기 항법시각을 기준으로 점데이터에서 각각의 점좌표 마다 생성된 때 수평회전부 방위각을 연결해주는, 엔코더 데이터와 라이다 데이터의 시간동기를 수행한다(S343).
상기 라이다센서(10)의 상기 데이터 처리부는 출력된 점좌표와 동일시점의 엔코더 데이터를 수식에 적용하고, 수학식 1에 근거하여 좌표변환을 수행한다(S344).
Figure pat00001
Figure pat00002
은 좌표변환이 수행된 상기 수평회전 탑재부(100)의 내부좌표계로 표현된 라이다 점좌표이다.
Figure pat00003
는 특정시각(
Figure pat00004
)에서 출력된 상기 라이다센서(10) 내부좌표계로 표현된 라이다 점좌표이다.
Figure pat00005
는 상기 라이다센서(10)를 수직으로 세워 상기 수평회전 탑재부(100)에 탑재한 것을 반영한, y축을 기준으로 90도(
Figure pat00006
) 회전하는 행렬을 의미한다.
Figure pat00007
는 수평회전 탑재부(100)에 의하여 라이다센서(10)가 수평 회전함을 반영하는 z축 기분의 회전행렬이다.
Figure pat00008
는 특정시각(t)에서 라이다센서가 라이다 점좌표를 출력할때의 수평회전 탑재부의 엔코더값, 즉 방위각을 의미한다.
Figure pat00009
는 상기 라이다센서(10)를 상기 수평회전 탑재부(100)에 탑재할 때 정확하게 수직으로 세우지 못한 틀어짐을 의미한다.
Figure pat00010
는 상기 라이다센서(10)를 상기 수평회전 탑재부(100)에 탑재할 때, 상기 수평회전 탑재부(100)의 z축 회전기준에 라이다센서(10)의 원점을 정확하게 일치시키지 못해서 나타나는, 상기 수평회전 탑재부(100) 좌표계의 원점과 상기 라이다센서(10) 좌표계의 원점간의 이격벡터이다. 이상의 변수들은 시스템오차(정오차) 요소로서 최소제곱법으로 추정(estimate)하여 값을 결정한다.
상기 데이터 처리부는 변환된 좌표를 출력한다(S345).
본 발명에 따르면 레이저장치의 수직이동 및 수평회전에 근거하여 무인차량의 운용속력에 따라 필요한 거리영역에 해당하는 지형지물에 대한 샘플링된 점데이터를 획득할 수 있다.
상기와 같이 설명된 레이저센서장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 무인차량에 탑재되는 라이다센서 장치로서, 상기 라이다센서 장치는,
    레이저를 방출 및 검출하는 라이다센서;
    일 방향을 따라 가변되는 길이확장부;
    상기 길이확장부의 상단부에 고정되며, 상기 라이다센서를 상기 일 방향으로 연장되는 축을 기준으로 회전시키도록 상기 라이다센서가 고정되는 수평회전 탑재부를 포함하고,
    상기 라이다센서는 상기 검출된 라이다에 대응되는 점데이터를 좌표변환 처리하는 데이터 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    기 저장된 기준지형데이터와 라이다센서에 의하여 감지되는 센서 데이터를 근거로, 상기 무인차량의 주변지형을 단순지형, 복잡지형 및 험지지형 중 하나로 분류하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 길이확장부는 상기 무인차량의 주변지형이 단순지형 또는 험지지형으로 분류된 경우,상기 수직확장 높이를 제1높이로 확장되고, 상기 무인차량의 주변지형이 복잡지형으로 판단된 경우 상기 수직확장 높이를 상기 제1높이보다 낮은 제2높이로 확장되는 것을 특징으로 하는 라이다센서 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 점데이터에 의하여 홀영역이 검출되는 경우 상기 험지로 판단되는 것을 특징으로 하는 라이다 센서 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 길이확장부의 높이와 상기 무인차량의 주변지형 특성에 근거하여 상기 수평회전 탑재부에 의한 상기 라이다센서의 수평 회전속도가 결정되는 것을 특징으로 하는 라이다센서 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수평회전 탑재부 연결되어 엔코더 정보에 항법시간을 태깅하기 위한 항법장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 라이다센서에 연결되어, 상기 라이다 데이터와 항법시간을 태깅하기 위한 항법장치를 더 포함하고,
    상기 데이터 처리부는 항법시간이 태깅된 상기 라이다 데이터와 상기 엔코더 정보의 시간동기화를 수행하는 것을 특징으로 하는 라이다센서 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는 시간동기화 된 상기 엔코더 정보를 이용하여 상기 라이다센서에서 출력된 점좌표를 상기 수평회전 탑재부의 내부좌표계로 변환하는 것을 특징으로 하는 라이다센서 장치.
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