KR20170140003A - 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치는 회전축과 직교하는 광 평면이 형성되도록 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 레이저광을 송신하고 상기 광 평면상의 물체로부터 반사된 반사광을 수신하는 두 개의 회전 광학모듈을 포함하는 레이저 스캐너부, 상기 각각의 회전 광학모듈이 레이저광을 송신한 제1시점과 반사광을 수신한 제2시점까지의 시간을 측정하는 시간측정부, 상기 각각의 회전 광학모듈에 대하여 미리 정해진 초기 위치를 기준으로 상기 제2시점에서의 회전각을 연산하는 회전각 연산부, 및 상기 시간측정부에서 측정된 시간과 상기 회전각 연산부에서 연산된 회전각을 이용하여 상기 레이저 스캐너부와 물체 사이의 거리와 상기 물체의 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치{An Object Identification Device using Laser Scanner}

본 발명은 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 고가의 ADC를 사용하지 않더라도 두 개의 회전 광학모듈을 구비한 레이저 스캐너를 이용하여 전방 물체와의 이격거리와 전방 물체의 표면 형상을 인식할 수 있는 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치에 관한 것이다.

일반적으로 전방 물체의 형상을 인식하거나 전방 물체와의 거리를 측정하기 위해서는 광 신호나 음파 신호를 전방 물체에 송신하여 반사된 신호를 수신하는 방식을 주로 사용하는데, 이러한 방식의 대표적인 예가 레이더(RADAR), 소나(SONAR), 라이다(LIDAR) 시스템이다.

상기 레이더 시스템은 항공기와 같은 큰 물체를 탐지하고 모니터링 하는 용도로 주로 사용되고, 소나 시스템은 수중의 잠수함이나 어류 등을 탐지하고 모니터링 하는 용도로 주로 사용되며, 라이다 시스템은 측량이나 건설, 또는 차량의 탐지 등의 용도로 주로 사용된다.

이들 중, 특히 라이다(LIDAR, light detection and ranging) 시스템은 가시광선이나 적외선 영역의 레이저광을 이용하는 방식이기 때문에, 간섭이나 회절이 심한 전자기파나 초음파를 이용하는 상기 레이더 시스템이나 소나 시스템과 대비할 때 전방 물체와의 거리정보와 형상정보를 매우 정밀하게 획득할 수 있어서 최근 들어 전방 차량과의 거리를 측정하여 무인주행 또는 주행 중인 차량의 안전거리 확보 등을 가능하게 하는 스마트 차량 등에 그 활용도가 증가하는 추세에 있다.

이러한, 라이다 시스템은 전방 물체와의 거리를 측정하기 위하여 대부분 TOF(time of flight) 방식을 사용하는데, 이는 짧은 펄스 형태의 레이저광을 송신하여 전방 물체에 반사된 신호를 수신하는데 소요되는 시간을 이용하여 상기 전방 물체와의 거리를 측정하는 방식으로서 이에 관한 구체적인 내용은 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 라이다 시스템의 경우 짧은 펄스의 광신호를 수신하기 위한 수광부(또는 광검출기)의 수신 대역폭에 대비하여 타이머의 클럭 대역폭이 크기 때문에 상기 대역폭의 차이로 인하여 반사광을 수신하는데 소요되는 시간 측정의 오차가 발생하게 되고, 이로 인하여 거리 측정의 오차가 발생하게 된다.

따라서, 이러한 클럭 타이머와 수광부의 대역폭 차이에 따른 측정 오차를 최소화하기 위하여 반사광 수신신호의 샘플링 속도가 매우 빠른(즉, 거리 분해능이 우수한) 고가의 ADC(Analog-Digital Converter)를 사용하게 되는데, 이로 인하여 전체 라이다 시스템의 크기와 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

[문헌 1] 한국공개특허 제1998-044692호(1998. 9. 5. 공개)

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 고가의 ADC를 사용하지 않더라도 전방의 수평 방향으로 레이저광을 송신하고 전방 물체의 표면으로부터 반사된 광을 수신하는 두 개의 회전 광학모듈을 포함하는 레이저 스캐너를 이용하여 각각의 광학모듈이 반사광을 수신하는데 소요되는 시간과 회전 각도 사이의 관계에 의해 전방 물체와의 이격거리와 전방 물체의 표면 형상을 정확하게 인식할 수 있는 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치는 회전축과 직교하는 광 평면이 형성되도록 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 레이저광을 송신하고 상기 광 평면상의 물체로부터 반사된 반사광을 수신하는 두 개의 회전 광학모듈을 포함하는 레이저 스캐너부, 상기 각각의 회전 광학모듈이 레이저광을 송신한 제1시점과 반사광을 수신한 제2시점까지의 시간을 측정하는 시간측정부, 상기 각각의 회전 광학모듈에 대하여 미리 정해진 초기 위치를 기준으로 상기 제2시점에서의 회전각을 연산하는 회전각 연산부, 및 상기 시간측정부에서 측정된 시간과 상기 회전각 연산부에서 연산된 회전각을 이용하여 상기 레이저 스캐너부와 물체 사이의 거리와 상기 물체의 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시간측정부는 클럭 타이머이고, 상기 제어부는 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 상기 클럭 타이머의 클럭수 변화를 이용하여 상기 물체의 표면 형상을 인식하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 각각의 회전 광학모듈이 반사광을 수신한 제2시점이 복수인 경우 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 상기 클럭 타이머의 클럭수 변화를 이용하여 각각의 회전 광학모듈이 동일한 물체를 인식한 회전각을 특정하고, 상기 특정된 회전각에서 인식된 물체 각각에 대하여 상기 거리와 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치는 두 개의 회전 광학모듈 각각이 레이저광을 송신한 후 반사광을 수신하는데 걸린 반사광 수신시간과 반사광을 수신할 때의 회전각을 이용하여 전방 물체와의 거리 및 전방 물체의 표면 형상을 인식하도록 구성되는데, 이 경우 상기 회전 광학모듈 각각의 반사광 수신시간에 포함된 측정 오차(즉, 클럭 대역폭과 수광부 대역폭의 차이에 따른 오차)가 서로 상쇄됨으로써 고가의 ADC를 별도로 구비하지 않더라도 통상의 클럭 타이머와 연산회로만으로도 상당히 정확한 거리정보와 표면 형상정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치에 적용되는 레이저 스캐너의 동작구성을 설명하기 위한 도면,
도2a와 도2b는 각각 도1에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치에 의해 전방 물체와의 거리 및 전방 물체의 표면 형상을 인식하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치에 적용되는 레이저 스캐너의 동작구성을 설명하기 위한 도면이고, 도2a와 도2b는 도1에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치에 의해 전방 물체와의 거리 및 전방 물체의 표면 형상을 인식하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치는 회전축과 직교하는 광 평면이 형성되도록 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 레이저광을 송신하고, 상기 광 평면상의 물체로부터 반사된 반사광을 수신하는 두 개의 회전 광학모듈을 포함하는 레이저 스캐너부, 상기 각각의 회전 광학모듈이 레이저광을 송신한 제1시점과 반사광을 수신한 제2시점까지의 시간을 측정하는 시간측정부, 상기 각각의 회전 광학모듈에 대하여 미리 정해진 초기 위치를 기준으로 상기 제2시점에서의 회전각을 연산하는 회전각 연산부, 및 상기 시간측정부에서 측정된 시간과 상기 회전각 연산부에서 연산된 회전각을 이용하여 상기 레이저 스캐너부와 물체 사이의 거리와 상기 물체의 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하는 제어부를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 두 개의 회전 광학모듈은 일정 거리만큼 서로 이격되어 설치되고, 각각의 회전 광학모듈은 가시광선 또는 적외선 영역의 레이저광을 송신하는 발광모듈, 상기 발광모듈에서 송신되는 레이저광을 미리 정해진 제1방향으로 굴절시키는 회전거울, 상기 회전거울에서 반사된 광이 회전축에 직교하는 방향의 광 평면을 형성할 수 있도록 상기 회전축을 중심으로 회전거울을 회전시키는 구동모터, 상기 광평면상에 존재하는 물체로부터 반사된 반사광을 미리 정해진 제2방향으로 굴절시키는 반사렌즈, 및 상기 반사렌즈에서 굴절된 반사광을 수신하는 수광모듈을 포함하여 구성된다.

또한, 필요에 따라서는 상기 수광모듈과 반사렌즈 사이에는 반사광을 상기 수광모듈로 집중시키기 위한 집광렌즈를 더 설치하여 수광모듈의 수광효율을 더욱 향상시키도록 구성될 수도 있다.

또한, 상기 발광모듈은 미리 정해진 짧은 대역폭을 가지는 펄스 형태의 레이저광을 송신하도록 구성될 수 있으며, 상기 시간측정부는 발진자 등에 의하여 펄스 신호를 발생시키는 통상의 클럭 타이머를 이용하여 바람직하게 구성될 수 있다.

이 경우, 종래의 라이다 시스템에 사용되는 레이저 스캐너는 상기 레이저광의 펄스 대역폭이 클럭 타이머의 펄스 대역폭보다 짧기 때문에 상기 대역폭의 차이에 따른 반사광 수신시간의 측정오차가 발생되기 때문에, 이를 해결하기 위한 수신 신호의 샘플링 시간이 매우 짧은 고가의 ADC를 사용하게 된다.

그러나, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치는 각각의 회전 광학모듈이 반사광을 수신한 시간정보에 앞서 설명한 대역폭의 차이에 따른 오차가 모두 포함되어 있기 때문에, 이들 오차가 포함된 시간을 이용하여 물체와의 거리를 연산할 경우 상기 오차들이 서로 상쇄됨으로써 고가의 ADC를 사용하지 않더라도 통상의 클럭 타이머와 연산회로만으로도 매우 정확한 수준의 거리측정 및 물체의 표면형상 인식이 가능해지는 장점을 가지게 된다.

한편, 상기 회전각 연산부와 제어부는 통상의 연산회로, 로직회로, 또는 마이콤 등을 이용하여 바람직하게 구성될 수 있다.

다음으로, 도2a와 도2b를 이용하여 본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물치 인식장치에 의한 물체와의 거리측정 및 물체의 표면형상 인식이 이루어지는 방식을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 회전 광학모듈1(광스캐너 #1)과 회전 광학모듈2(광스캐너 #2)가 서로 거리 D만큼 이격되어 있고 각각 시계 반대방향으로 회전한다고 가정할 경우, 모터의 초기 위치(도면상에서 9시 방향)와 모터의 회전 속도를 알 수 있기 때문에 상기 회전각 연산부는 각각의 회전 광학모듈이 전방 물체를 최초로 인식할 경우 반사광을 수신한 제2시점에서의 회전각(θ₁₁,θ₂₁)을 연산할 수 있게 된다.

또한, 상기 시간측정부는 각각의 회전 광학모듈이 레이저광을 송신한 제1시점과 반사광을 수신한 상기 제2시점 까지의 시간인 반사광 수신 시간을 측정하게 되는데, 상기 제어부는 상기 측정 결과를 클럭수로 인식하게 된다.

또한, 상기 각각의 회전 광학모듈은 전방 물체를 최초로 인식한 때부터 전방 물체의 표면을 따라 연속적으로 인식하게 되기 때문에 상기 제2시점은 도2b의 그래프에서 나타낸 바와 같이 연속적으로 변화되는 회전각으로 나타낼 수 있으며, 이와 같이 연속적으로 나타난 제2시점에 대한 클럭수(즉, 반사광 수신 시간)의 변화량을 그래프로 나타낼 수 있다.

즉, 도2b에 도시한 바와 같이 회전 광학모듈1과 회전 광학모듈2의 경우 각각 제2시점이 θ₁₁에서 θ₁₂과 θ₂₁에서 θ₂₂까지의 범위로 나타나며, 상기 회전각 구간에서의 반사광 수신 시간 변화량을 클럭 타이머의 클럭수로 나타낼 수 있게 된다.

이 경우, 상기 제어부는 일예로서 상기 전방 물체를 최초로 인식한 때의 회전각(θ₁₁,θ₂₁)과 회전 광학모듈 사이의 이격 거리를 이용하여 삼각 측량법에 의하여 레이저 스캐너부와 상기 전방 물체 사이의 거리를 계산하게 되는데, 필요에 따라서 상기 제어부는 전방 물체를 마지막으로 인식한 때의 회전각(θ₁₂,θ₂₂)을 이용하여 거리를 계산하거나 상기 제2시점을 나타내는 회전각 구간 중 임의 시점에서의 회전각을 이용하여 상기 전방 물체와의 거리를 연산하도록 구성될 수도 있다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 클럭수의 변화량을 그래프로 나타내면 그 프로파일이 전방 물체의 표면형상(구체적으로는 레이저 스캐너부와 대향하는 표면의 형상)에 대응되는 형상으로 나타나는 것을 알 수 있는데, 이를 이용하여 상기 제어부는 통상의 라이다 시스템과 유사하게 전방 물체와의 거리뿐만 아니라 전방 물체의 표면 형상도 인식할 수 있게 된다.

다만, 이 경우 동일 평면에서 레이저광이 반사되는 경우 모터의 회전속도(또는 회전 광학모듈의 회전각 변화)에 대한 클럭수 변화량 사이의 관계가 메모리 등에 미리 저장된 경우이면, 이를 이용하여 도2b의 반사광 수신 시간과 회전각 사이의 관계를 보정할 경우 전방 물체의 표면 형상과 더욱 유사한 프로파일을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 제어부는 각각의 회전 광학모듈이 반사광을 수신한 제2시점이 복수인 경우 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 상기 클럭 타이머의 클럭수 변화를 이용하여 각각의 회전 광학모듈이 동일한 물체를 인식한 회전각을 먼저 특정하고, 상기 특정된 회전각에서 인식된 물체 각각에 대하여 상기 거리와 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하도록 구성된다.

즉, 상기 레이저 스캐너부의 전방에 복수의 물체가 존재하는 경우 앞서 설명한 바와 같이 회전각이 연속적으로 변화되는 구간으로 나타나는 상기 제2시점은 회전 광학모듈마다 복수 개 나타나게 된다.

이 경우, 상기 제어부는 각각의 회전 광학모듈에 대하여 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 클럭수의 변화량 그래프의 프로파일을 서로 비교하여 상기 프로파일 형상이 서로 대응되는 제2시점의 회전각을 회전 광학모듈1,2가 동일한 물체를 인식한 회전각(즉, 제2시점)으로 측정하고, 상기 특정된 회전각에서 인식된 물체 각각에 대하여 앞서 설명한 방식으로 거리와 표면 형상을 측정하게 된다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치는 고가의 ADC를 별도로 구비하지 않더라도 두 개의 회전 광학모듈 각각의 반사광 수신시간과 반사광을 수신할 때의 회전각을 이용하여 통상의 클럭 타이머와 연산회로만으로도 전방 물체에 대해 상당히 정확한 수준의 거리정보와 표면 형상정보를 획득할 수 있는 장점이 있으며, 이는 전방 차량과의 거리, 충돌 가능성 등을 인식하는 차량용 라이다 시스템이나 광학계를 이용한 터치패널(또는 터치센서) 등에 적용될 수 있다.

Claims (3)

1. 회전축과 직교하는 광 평면이 형성되도록 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 레이저광을 송신하고, 상기 광 평면상의 물체로부터 반사된 반사광을 수신하는 두 개의 회전 광학모듈을 포함하는 레이저 스캐너부;
   상기 각각의 회전 광학모듈이 레이저광을 송신한 제1시점과 반사광을 수신한 제2시점까지의 시간을 측정하는 시간측정부;
   상기 각각의 회전 광학모듈에 대하여 미리 정해진 초기 위치를 기준으로 상기 제2시점에서의 회전각을 연산하는 회전각 연산부; 및
   상기 시간측정부에서 측정된 시간과 상기 회전각 연산부에서 연산된 회전각을 이용하여 상기 레이저 스캐너부와 물체 사이의 거리와 상기 물체의 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시간측정부는 클럭 타이머이고,
   상기 제어부는 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 상기 클럭 타이머의 클럭수 변화를 이용하여 상기 물체의 표면 형상을 인식하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는 각각의 회전 광학모듈이 반사광을 수신한 제2시점이 복수인 경우 연속적으로 변화되는 제2시점의 회전각에 대한 상기 클럭 타이머의 클럭수 변화를 이용하여 각각의 회전 광학모듈이 동일한 물체를 인식한 회전각을 특정하고, 상기 특정된 회전각에서 인식된 물체 각각에 대하여 상기 거리와 표면 형상 중 적어도 어느 하나를 인식하는 것을 특징으로 하는 레이저 스캐너를 이용한 물체 인식장치.

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