KR20180011453A - 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다 - Google Patents

수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에 관한 것이다. 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 펄스 레이저를 출력하는 광원, 입사되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부, 회전 미러 및 제어부를 포함한다. 회전 미러는 적어도 2 이상의 반사면을 구비하고 360도 회전하며, 적어도 2 이상의 반사면을 통하여 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 전달하고, 측정 타겟 영역에서 반사된 광을 반사시켜 광검출부에 전달한다. 그리고 제어부는 광원, 광검출부 및 회전 미러의 구동을 제어하되, 회전 미러를 정속으로 회전시키고, 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면에 각각 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하되 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면 중 적어도 하나에 출력 타이밍이 상이한 펄스 레이저를 출력하도록 제어한다.

Description

수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다{SCANNING LIDAR FOR CONTROLLING HORIZONTAL RESOLUTION AND IMAGE ACQUISITION FRAME}
본 발명은 스캐닝 라이다(scanning lidar)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 반사면을 갖는 회전 미러를 활용하여 수평 분해능 및 영상획득이 제어되는 스캐닝 라이다에 관한 것이다.
최근, 지능형 차량 및 스마트카 분야에서는 돌발상황에 대한 차량의 능동적 대처기능을 요구하고 있다. 즉 보행자의 급작스런 출현을 인지하거나, 어두운 야간에 조명의 범위를 벗어난 곳에 대한 장애물을 사전에 감지하거나, 우천 시 전조등 조명의 약화로 인한 장애물을 감지하거나, 도로 파손을 사전에 감지하는 등 운전자와 보행자의 안전을 위협하는 상황을 사전에 확인할 필요가 있다.
이러한 요구에 따라 스캐너(scanner)가 개발되었다. 스캐너는 윈드실드 또는 차량의 전방에 설치되어 자체 출사광을 기반으로 차량 전방의 영상을 획득한다. 스캐너는 차량이 움직이는 경우 전방의 물체를 확인하여 사전에 운전자에게 경고할 수 있다. 스캐너는 차량 스스로가 정지 또는 장애물을 회피하는데 기초가 되는 영상을 차량의 전자제어유닛(electronic control unit; ECU)에 전달한다. ECU는 스캐너로부터 전달받은 영상을 이용하여 각종 제어를 수행하게 된다.
종래 스캐너로는 레이더(radio detection and ranging; RADAR)가 사용되었다. 레이더는 마이크로파(극초단파, 10cm 내지 100cm 파장) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 무선감시장치이다. 이러한 레이더는 차량용 스캐너에 이용되고 있으나, 가격이 고가이므로 일부 고가의 차량에만 적용되고 있는 실정이다. 이로 인해 레이더는 다양한 차종에 보급하는 데는 한계가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 라이다(light detection and ranging; LiDAR)를 이용한 스캐너가 개발되고 있다. 라이다는 펄스 레이저광을 대기 중에 발사해 그 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서, 레이저 레이더라고도 한다. 라이다는 반사광의 시간측정을 클럭펄스로 계산하며, 예컨대 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 갖는다.
현재, 차량에 탑재되는 라이다(LiDAR)로서, 360도 라이다(LiDAR)가 개발되고 있다. 하지만 종래의 스캐닝 라이다 기술은 고속의 영상을 얻기 위해 스캐닝 미러가 고속으로 회전해야 하거나, 분해능을 높이기 위해서는 펄스 레이저의 발진주파수 속도를 높여야 한다. 이를 위해서는, 스캐닝 미러를 회전시키는 모터의 용량을 확대하고, 레이저 발사기에 공급되는 전력을 증가시켜야 하기 때문에, 전력소모가 증가되는 문제가 발생한다.
한국공개특허공보 제2016-0084084호(2016.07.13.)
따라서 본 발명의 목적은 복수의 반사면을 갖는 회전 미러를 활용하여, 회전 미러의 회전각도에 따라 레이저의 발사주기와 영상 획득속도가 결정되어 스캐닝 성능이 가변되는 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 회전 미러의 회전 속도를 조정하는 기존의 방식과 대비하여, 회전 미러를 일정한 속도로 회전하도록 제어하여, 회전체의 안전성이 향상되는 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 최대 30프레임을 얻기 위해 1800rpm으로 회전 미러의 회전 속도를 조정하는 기존 방식의 절반수준인 900rpm 에서도 30프레임의 스캐닝 데이터의 획득이 가능한 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스캐닝 라이다가 탑재된 대상의 속도에 따라 물체를 탐지하는 능력이 가변되는 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 펄스 레이저를 출력하는 광원; 입사되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부; 적어도 2 이상의 반사면을 구비하고 360도 회전하며, 상기 적어도 2 이상의 반사면을 통하여 상기 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 전달하고, 상기 측정 타겟 영역에서 반사된 광을 반사시켜 상기 광검출부에 전달하는 회전 미러; 및 상기 광원, 상기 광검출부 및 상기 회전 미러의 구동을 제어하되, 상기 회전 미러를 정속으로 회전시키고, 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면에 각각 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하되 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면 중 적어도 하나에 출력 타이밍이 상이한 펄스 레이저를 출력하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 스캐닝 라이다를 제공한다.
상기 제어부는 상기 광검출부에서 수신한 전기신호로부터 상기 적어도 2 이상의 반사면에 대응하는 적어도 2 이상의 상이한 스캐닝 데이터를 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다는, 상기 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하여 상기 제어부로 전송하는 엔코더;를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제어부는 상기 엔코더로부터 수신한 검출 신호에 따라서 펄스 레이저가 출력되도록 제어할 수 있다.
상기 엔코더는, 상기 적어도 2 이상의 반사면에 1 대 1로 대응되어 상기 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하는 적어도 2 이상의 슬릿영역(slit region)을 구비한다.
상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 각각은, 적어도 2 이상의 슬릿(slit)을 포함한다.
상기 적어도 2 이상의 슬릿은, 상기 펄스 레이저가 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 서로 교번(alternation)하여 상기 측정 타겟 영역에 전달되도록, 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역에 따라 비대칭 구조로 각각 배치된다.
상기 제어부는, 상기 스캐닝 데이터를 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 병합(통합)하여 하나의 프레임(frame)으로 출력하거나, 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력한다.
상기 제어부는, 상기 스캐닝 라이다가 탑재되는 대상의 이동 속도에 따라 상기 스캐닝 데이터의 병합 여부를 결정한다. 즉 상기 제어부는 상기 대상의 이동 속도가 미리 설정된 기준값보다 낮은 저속인 경우, 상기 스캐닝 데이터를 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 병합하여 하나의 프레임으로 출력한다. 상기 제어부는 상기 대상의 이동 속도가 상기 미리 설정된 기준값보다 높은 고속인 경우, 상기 스캐닝 데이터를 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력한다.
상기 회전 미러는, 2개의 반사면을 구비하는 양면 미러일 수 있다. 이때 상기 엔코더는, 적어도 2 이상의 제1 슬릿을 구비하는 제1 슬릿영역; 및 적어도 2 이상의 제2 슬릿을 구비하는 제2 슬릿영역;을 포함한다. 상기 적어도 2 이상의 제1 슬릿과 상기 적어도 2 이상의 제2 슬릿은 광 경로상 서로 교번되는 비대칭 구조로 배치된다.
상기 엔코더는 원판 형태를 가지며, 회전 중심에 대해서 서로 마주보게 상기 제1 슬릿영역과 상기 제2 슬릿영역이 형성될 수 있다.
상기 광원은, 서로 다른 채널에 해당하는 적어도 2 이상의 펄스 레이저를 출력하는 다채널 광원일 수 있다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다는, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 회전 미러를 미리 설정된 속도로 정속 회전시키는 모터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 펄스 레이저를 출력하는 광원; 입사되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부; 적어도 2 이상의 반사면을 구비하고 360도 회전하며, 상기 적어도 2 이상의 반사면을 통하여, 상기 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 전달하고 상기 측정 타겟 영역에서 반사된 광을 반사시켜 상기 광검출부에 전달하는 회전 미러; 상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하여 상기 제어부로 전송하는 엔코더; 및 상기 회전 미러를 정속으로 회전시키고, 상기 엔코더로부터 수신한 검출 신호로부터 상기 펄스 레이저의 출력 타이밍을 결정하고, 결정된 출력 타이밍에 따라서 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면에 각각 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하되 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면 중 적어도 하나에 출력 타이밍이 상이한 펄스 레이저를 출력하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 스캐닝 라이다를 제공한다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 복수의 반사면을 갖는 회전 미러를 활용함으로써, 회전각도에 따라 레이저의 발사주기와 영상 획득속도를 결정하여 스캐닝 성능을 가변할 수 있다.
회전 미러의 회전 속도를 조정하는 기존의 방식과 대비하여, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 회전 미러를 일정한 속도로 회전하도록 제어하기 때문에, 회전체의 안전성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 복수의 반사면을 갖는 회전 미러를 이용하여 복수의 반사면에 대응하는 스캐닝 데이터를 획득하고, 획득한 스캐닝 데이터 별로 복수의 프레임으로 출력하거나 획득한 스캐닝 데이터를 병합하여 하나의 프레임으로 출력할 수 있다.
복수의 프레임으로 출력하는 경우는, 고속으로 주행하는 차량에서 고속 스캔에 활용할 수 있다.
하나의 프레임으로 출력하는 경우는, 저속으로 주행하는 차량에서 정밀 스캔에 활용할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 최대 30프레임을 얻기 위해 1800rpm으로 거울의 회전 속도를 조정하는 기존 방식의 절반수준인 900rpm 에서도 30프레임의 스캐닝 데이터의 획득이 가능할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 스캐닝 라이다가 탑재된 대상, 예컨대 차량의 속도에 따라 물체를 탐지하는 능력이 가변될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다를 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에 구비되는 엔코더의 비대칭 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에서, 회전 미러의 반사면 및 엔코더에 따라 펄스 레이저가 도달되는 위치 및 이들을 병합(정합)한 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에서, 회전 미러의 반사면 및 엔코더에 따라 달라지는 펄스 레이저 도달 위치에 대응되는 스캐닝 데이터를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다가 차량에 탑재된 경우, 차량의 속도에 따라 스캐닝 데이터를 획득하는 예를 나타내는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다를 보여주는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에 구비되는 엔코더의 비대칭 구조를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다(10)는 광원(500), 광검출부(600), 회전 미러(200) 및 제어부(900)를 포함한다. 여기서 광원(500)은 펄스 레이저를 출력한다. 광검출부(600)는 입사되는 광을 전기신호로 변환한다. 회전 미러(200)는 적어도 2 이상의 반사면을 구비하고 360도 회전하며, 적어도 2 이상의 반사면을 통하여 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 전달하고, 측정 타겟 영역에서 반사된 광을 반사시켜 광검출부(600)에 전달한다. 그리고 제어부(900)는 광원(500), 광검출부(600) 및 회전 미러(200)의 구동을 제어하되, 회전 미러(200)를 정속으로 회전시킨다. 제어부(900)는 회전 미러(200)의 적어도 2 이상의 반사면에 각각 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하되 회전 미러(200)의 적어도 2 이상의 반사면 중 적어도 하나에 출력 타이밍이 상이한 펄스 레이저를 출력하도록 제어한다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 라이다(10)는 회전 미러(200)의 정속으로 회전시키는 모터(700)와, 회전 미러(200)의 회전 각도에 따라 타이밍을 맞추어 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하도록 하는 엔코더(encoder, 100)를 더 포함할 수 있다.
여기서 광원(500)은 회전 미러(200)에 구비된 반사면을 향하도록 배치되며, 펄스 레이저를 회전 미러(200)의 반사면으로 출력한다. 광원(500)은 인쇄회로기판 상에 배치될 수 있다. 광원(500)과 회전 미러(200) 사이에 위치하는 콜리메이션 렌즈를 더 포함할 수 있다.
콜리메이션 렌즈는 광원(500)에서 출력되는 펄스 레이저의 지향성을 증가시키는 구성으로, 이를 통하여, 광원(500)으로부터 출력되는 펄스 레이저가 산란되거나 또는 분산되지 않고, 목표지점 예를 들어, 회전 미러(200)의 반사면에 도달할 수 있도록 한다.
광원(500)은 회전 미러(200)가 회전하더라도 회전으로 발생되는 진동 등에 영향을 받지 않지 않고 정확한 펄스 레이저를 출력할 수 있도록, 회전 미러(200)와 이격된 위치에 배치될 수 있다.
그리고 광원(500)으로 단채널의 펄스 레이저를 출력하는 단채널 광원 또는 서로 다른 채널에 해당하는 적어도 2 이상의 펄스 레이저를 출력하는 다채널 광원이 사용될 수 있다.
광검출부(600)는 회전 미러(200)의 반사면을 향하도록 배치될 수 있으며, 측정 타겟 또는 측정 타겟 영역에서 반사되어 되돌아오는 광이 회전 미러(200)의 반사면에서 반사되어 전달되는 광을 수신하고, 이를 전기신호로 변환할 수 있다. 그리고 광검출부(600)는 이렇게 변환한 전기신호를 제어부(900)로 출력한다.
구체적으로 광검출부(600)에 의해 검출된 전기신호는 이미지 신호로서, 제어부(900)의 제어에 의해 이미지 처리부를 통해 영상으로 출력될 수 있으며, 차량의 네비게이션 등과 같은 디스플레이 장치를 통해 사용자가 시각적으로 인식할 수 있는 형태로 사용자에게 제공될 수 있다.
한편 도시하진 않았지만, 광원(500)과 회전 미러(200) 사이에 펄스 레이저를 회전 미러(200)로 전달하기 위한 반사 미러를 더 구비할 수 있다. 또한 광검출부(600)와 회전 미러(200) 사이에 회전 미러(200)에서 반사된 광을 광검출부(600)로 전달하기 위한 반사 미러를 더 구비할 수 있다.
회전 미러(200)는 반사면을 구비하고, 구비된 반사면을 통하여 입사되는 광을 반사시키는 구성으로, 광원(500)에서 출력된 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 도달할 수 있도록 하고, 측정 타겟 영역에서 반사되어 되돌아오는 광을 반사시켜 광검출부(600)에 전달한다.
회전 미러(200)는 적어도 2 이상의 반사면을 구비할 수 있고, 추가로 포함되는 모터(700)에서 전달되는 회전 운동에 따라 360도 회전할 수 있다.
예컨대 회전 미러(200)로는 2개의 반사면을 구비하는 양면 미러가 사용될 수 있다.
회전 미러(200)가 2개의 반사면을 구비하는 양면 미러인 경우, 회전 미러(200)의 1회전을 통하여, 측정 타겟 영역을 2회 스캐닝한 2개의 스캐닝 데이터를 획득할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 회전 미러(200)가 2개의 반사면을 구비하는 경우에 대해서 구체적으로 설명한다. 그러나 이것은 본 발명의 본질을 명확히 이해하기 위한 하나의 예일 뿐이며, 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(10)에 포함되는 회전 미러(200)가 구비한 반사면의 개수가 2개로 한정되는 것이 아님은 자명하다.
엔코더(100)는 회전 미러(200)의 회전 각도를 검출하여 제어부(900)로 전송한다. 엔코더(100)는 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 회전 미러(200)의 회전 각도를 검출하여 제어부(900)로 전송한다.
이러한 엔코더(100)는 회전 중심을 갖는 원판 형태를 가질 수 있다. 엔코더(100)는 적어도 2 이상의 슬릿영역(slit region, 110, 120)을 포함할 수 있다. 그리고 슬릿영역(110, 120) 각각은 적어도 2 이상의 슬릿(slit, 111, 121)을 포함할 수 있다.
슬릿영역(110, 120)은 회전 미러(200)에 구비되는 반사면의 개수와 동일할 수 있다. 즉 슬릿영역(100, 120)은 회전 미러(200)에 구비되는 적어도 2 이상의 반사면과 1대 1로 대응되어 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 회전 미러(200)의 회전 각도를 검출한다. 예들 들어, 회전 미러(200)가 2개의 반사면을 구비하는 양면 미러인 경우, 엔코더(100)는 제1 슬릿영역(110) 및 제2 슬릿영역(120)을 포함할 수 있다.
엔코더(100)의 회전 중심에 모터(700)의 구동축이 결합될 수 있다. 제1 슬릿영역(110)과 제2 슬릿영역(120)은 엔코더(100)의 회전 중심에 대해서 서로 마주보게 형성될 수 있다. 제1 슬릿영역(110)과 제2 슬릿영역(120)은 엔코더(100)의 가장자리 부분에 형성될 수 있다. 슬릿(111, 121)은 엔코더(100)의 회전 중심에 대해서 방사형으로 형성될 수 있다.
한편, 적어도 2 이상의 슬릿(111, 121)은 펄스 레이저가 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 서로 교번(alternation)하여 측정 타겟 영역에 전달되도록, 적어도 2 이상의 슬릿영역(100, 120)에 따라 비대칭 구조로 각각 배치될 수 있다.
엔코더(100)가 시계 방향으로 회전하는 경우, 제1 슬릿영역(110)에 포함되는 적어도 2 이상의 슬릿 중 시작점이 되는 슬릿(111)은 중심을 지나는 직선 A에 접하도록 배치될 수 있다. 그리고 제2 슬릿영역(120)에 포함되는 적어도 2 이상의 슬릿 중 시작점이 되는 슬릿(121)은 중심을 지나는 직선 A와 일치하지 않고 소정의 각도(또는 이격 거리, 130)를 이루는 직선 B에 접하도록 배치될 수 있다.
이러한 배치로 인해서, 적어도 2 이상의 슬릿(111, 121)은 펄스 레이저가 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 서로 교번하여 측정 타겟 영역에 도달할 수 있는 펄스 레이저의 출력 타이밍을 포함한 출력 주기를 제어부(900)로 전달한다.
한편, 도 2에 도시된 제1 슬릿영역(110)에 포함되는 적어도 2 이상의 슬릿(111)과 제2 슬릿영역(120)에 포함되는 적어도 2 이상의 슬릿(121)은 비대칭 구조를 명확히 설명하기 위해서 일부 과장되게 도시되었으나, 두 슬릿(111, 121)이 비대칭 구조를 이루는 각도(또는 이격 거리, 130)는 하나의 슬릿영역(110, 120)에 포함되는 적어도 2 이상의 슬릿(111, 121) 사이의 간격보다 작은 것이 바람직하다.
모터(700)는 회전 미러(200)를 360도 회전시킨다. 모터(700)의 구동축 상에 회전 미러(200)와 엔코더(100)가 설치될 수 있다. 엔코더(100)는 회전 미러(200)와 모터(700) 사이에 배치될 수 있다.
그리고 제어부(900)는 스캐닝 라이다(10)를 제어하는 마이크로프로세서로서, 복수의 반사면을 갖는 회전 미러(200)를 활용하여 수평 분해능 및 영상획득을 제어한다. 제어부(900)는 광검출부(600)에서 수신한 전기신호로부터 적어도 2 이상의 반사면에 대응하는 적어도 2 이상의 상이한 스캐닝 데이터를 획득할 수 있다.
제어부(900)는 엔코더(100)로부터 수신한 검출 신호에 따라서 펄스 레이저가 출력되도록 제어한다. 즉 제어부(900)는 펄스 레이저가 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 서로 교번하여 측정 타겟 영역에 전달되도록 광원(500)을 제어할 수 있다.
제어부(900)는 스캐닝 데이터를 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 병합(통합)하여 하나의 프레임(frame)으로 출력하거나, 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력하도록 제어할 수 있다.
이때 제어부(900)는 스캐닝 라이다(10)가 탑재되는 대상의 이동 속도에 따라 스캐닝 데이터의 병합 여부를 결정할 수 있다. 예컨대 대상의 이동 속도가 미리 설정된 기준값보다 낮은 저속인 경우, 제어부(900)는 스캐닝 데이터를 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 병합하여 하나의 프레임으로 출력할 수 있다. 반대로 대상의 이동 속도가 상기 미리 설정된 기준값보다 높은 고속인 경우, 제어부(900)는 스캐닝 데이터를 적어도 2 이상의 슬릿영역(110, 120) 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력할 수 있다.
한편 제어부(900)는 광원(500), 광검출부(600), 회전 미러(200), 엔코더(100) 및 모터(700)와 일체로 설치되거나 별도로 설치될 수 있다. 제어부(900)는 전용 프로세서로 제조되거나, 스캐닝 라이다가 설치되는 기기의 프로세서에 임베디드 될 수 있다. 또는 제어부(900)의 기능 중 특정 기능, 광검출부(600)로부터 수신한 전기신호를 스캐닝 데이터로 변환하거나, 스캐닝 데이터를 프레임으로 출력하는 기능을 스캐닝 라이다가 설치되는 기기의 프로세서에 임베디드 될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(10)는 적어도 2 이상의 반사면을 구비하는 회전 미러(200)와 엔코더(100)를 통하여, 모터(700)의 용량 확대 및 광원(500)에 전달되는 전력의 증가 없이도 2배의 프레임 속도로 영상을 획득할 수 있다. 이로 인해 본 실시예에 포함되는 모터(700)는 회전 미러(200)를 일정한 속도로 정속 회전시킬 수 있다.
예컨대 정속 회전으로 2배의 프레임 속도로 영상을 획득하기 위하여, 제어부(900)는 서로 교번하여 측정 타겟 영역에 전달되는 펄스 레이저에 대응하여 반사된 광으로 획득되는 스캐닝 데이터를 슬릿영역(110, 120) 별로 병합(통합)하여 하나의 프레임으로 출력할 수 있다. 도 3을 통하여 이러한 병합을 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에서, 회전 미러(200)의 반사면 및 엔코더에 따라 펄스 레이저가 도달되는 위치 및 이들을 병합(정합)한 예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 회전 미러(200)는 2개의 반사면, 즉 제1 반사면(210)과 제2 반사면(220)을 구비한 예를 확인할 수 있다.
먼저 좌측에 도시된 거울 전면 반사를 참조하면, 도 2를 통해 설명된 엔코더(100)에 구비된 제1 슬릿영역(110)에 출력 타이밍이 매칭된 펄스 레이저(211)는 슬릿의 배치에 대응하여 적어도 2 이상의 위치(1, 3, 5 등의 홀수 위치)에 도달할 수 있다.
그리고 우측에 도시된 거울 후면 반사를 참조하면, 도 2를 통해 설명된 엔코더(100)에 구비된 제2 슬릿영역(120)에 출력 타이밍이 매칭된 펄스 레이저(221)는 슬릿의 배치에 대응하여 적어도 2 이상의 위치(2, 4, 6 등의 짝수 위치)에 도달할 수 있다.
그리고 제어부는 측정 타겟 영역 중 서로 다른 위치에 도달한 펄스 레이저에 대응하여 반사된 광으로 획득되는 스캐닝 데이터를 서로 병합(정합)한 결과는 가운데 중앙에 도시된 바와 같다. 즉 홀수 위치에 해당하는 스캐닝 데이터 사이에 각각의 짝수 위치에 해당하는 스캐닝 데이터가 위치하게 된다.
이를 통하여, 제어부는 최대 30프레임을 얻기 위해 1800rpm으로 회전 미러의 회전 속도를 조정하는 기존의 회전수 가변 방식의 절반수준인 900rpm 에서도 30프레임의 스캐닝 데이터를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다에서, 회전 미러의 반사면 및 엔코더에 따라 달라지는 펄스 레이저 도달 위치에 대응되는 스캐닝 데이터를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 제1 반사면에서 반사되어 도 2의 제1 슬릿영역(110)에 출력 타이밍이 매칭된 펄스 레이저(211)를 통해 획득되는 제1 스캐닝 데이터(310)를 확인할 수 있다.
제2 반사면에서 반사되어 도 2의 제2 슬릿영역(120)에 출력 타이밍이 매칭된 펄스 레이저(221)를 통해 획득되는 제2 스캐닝 데이터(320)를 확인할 수 있다.
그리고 제1 스캐닝 데이터(310)와 제2 스캐닝 데이터(320)를 병합하면, 하나의 완성된 차량에 가까운 스캐닝 데이터(영상)가 획득된다는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는, 하나의 반사면을 구비하는 일반적인 회전 미러를 이용하는 기존의 스캐닝 라이다와 비교하여, 회전 미러의 동일한 회전 수로 획득할 수 있는 스캐닝 데이터의 양이 2배가 될 수 있게 되고, 그에 따라 2배의 분해능을 가질 수 있게 된다.
한편 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 서로 교번하여 측정 타겟 영역에 전달되는 펄스 레이저에 대응하여 반사된 광으로 획득되는 스캐닝 데이터를 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력할 수도 있다. 도 5를 통하여 슬릿영역 별로 구분되는 복수의 프레임을 출력하는 기술을 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수평 분해능 및 영상획득 프레임이 제어되는 스캐닝 라이다가 차량에 탑재된 경우, 차량의 속도에 따라 스캐닝 데이터를 획득하는 예를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다가 이동 수단의 일 예인 차량에 탑재된 경우에 가정한다. 최근 지능형 차량 및 스마트 카 분야에서는 돌발 상황에 대한 차량의 능동적 대처 기능이 요구되고 있다.
구체적으로, 보행자의 급작스런 출현 감지, 어두운 야간에 조명의 범위를 벗어난 곳에 대한 장애물 사전 감지, 우천 시 전조등 조명의 약화로 인한 장애물 감지 및 도로 파손 등을 사전에 정확하게 감지하는 것이 차량의 운전자와 보행자의 안전을 위해 필수적으로 요구된다.
그러나 차량에 탑재되는 스캐닝 라이다는 차량의 기능 및 외관에 영향을 미치지 않는 방향으로 그 크기의 소형화, 동작에 필요한 전력 소모의 최소화 및 대량 생산에 적합한 간소화된 구조가 필요하다.
따라서 스캐닝 라이다가 탑재된 차량의 이동 속도에 따라 주변 물체를 탐지하는 능력이 적응적으로 가변되는 것이 필요하다.
구체적으로, 차량의 이동 속도가 고속인 경우에는 주변 영역에 대한 정밀한 스캐닝보다는 고속 스캐닝을 통해 주변에 위치하는 물체를 놓치지 않는 것이 중요하며, 상대적으로 저속인 경우에는 스캐닝 속도가 상대적으로 낮아지더라도 보다 정밀한 스캐닝 데이터를 획득하는 것이 중요하다.
이에 따라 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 스캐닝 라이다가 탑재되는 대상, 예컨대 차량의 이동 속도에 따라 가변하지 않고 정속으로 회전하는 적어도 2 이상의 반사면을 구비하는 회전 미러를 통해 획득되는 복수의 스캐닝 데이터를 앞서 설명한 바와 같이 병합(통합)하여 하나의 프레임으로 출력하거나 또는 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 차량의 이동 속도에 따라 회전 미러의 속도를 가변하지 않고 정속으로 회전시킴으로써, 모터의 용량을 확대하거나 광원에 전달되는 전력이 증가하는 문제를 억제할 수 있다.
먼저 420단계에서 스캐닝 라이다는 차량에 구비된 전자제어유닛(ECU, 410)을 통해 차량의 이동 속도 정보를 획득할 수 있다.
다음으로 430단계에서 스캐닝 라이다는 주변 영역에 대한 스캐닝 데이터를 획득할 수 있다.
다음으로 440단계에서 스캐닝 라이다는 전자제어유닛(410)으로부터 전달된 차량의 이동 속도가 고속인지 저속인지 여부를 판단할 수 있다.
440단계에서의 판단 결과, 차량의 이동 속도가 미리 설정된 기준값보다 낮은 저속인 경우, 460단계에서 스캐닝 라이다는 스캐닝 데이터를 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 병합(또는 정합)하여 하나의 프레임으로 출력할 수 있다.
440단계에서의 판단 결과, 차량의 이동 속도가 미리 설정된 기준값보다 높은 고속인 경우, 450단계에서 스캐닝 라이다는 스캐닝 데이터를 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력할 수 있다.
450단계에 따라 스캐닝 라이다가 스캐닝 데이터를 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력하는 과정을 도 4를 통하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 스캐닝 라이다는 도 4의 상단에 도시된 전면 거울에 의해 획득된 제1 스캐닝 데이터(310)와 도 4의 하단에 도시된 후면 거울에 의해 획득된 제2 스캐닝 데이터(320)를 병합(또는 정합)하지 않고, 각각 별도의 프레임으로 출력하게 된다.
이후, 470단계에서 하나의 프레임 또는 복수의 프레임으로 출력된 스캐닝 데이터는 영상처리 작업 등을 통해 사용자가 인식할 수 있는 형태로 처리될 수 있을 것이다.
즉, 위와 같이 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 탑재된 차량의 속도에 따라 주변 물체를 탐지하는 능력이 적응적으로 가변되기 때문에, 고속인 경우에는 주변 영역에 대한 고속 스캐닝으로 주변 물체를 놓치지 않게 되고, 상대적으로 저속인 경우에는 스캐닝 속도가 상대적으로 낮아지더라도 보다 정밀한 스캐닝 데이터를 획득할 수 있게 된다.
한편, 앞서 설명된 이동 속도의 고속 또는 저속을 판단하는 미리 설정된 기준값은 차량의 운행 환경, 차량 제조사, 차량 사용자, 스캐닝 라이다 제조사 또는 스캐닝 라이다 사용자에 따라 자유롭게 변경될 수 있다.
결국, 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 회전 미러의 양면을 활용하여, 회전각도에 따라 펄스 레이저의 발사주기와 영상 획득속도를 결정하여 스캐닝 성능을 변화시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 회전 미러가 일정한 속도로 회전하도록 제어하기 때문에, 회전체의 안전성이 향상될 수 있으며, 스캐닝 라이다가 탑재된 대상의 속도에 따라 물체를 탐지하는 능력이 적응적으로 가변될 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 엔코더(이하 '제1 엔코더'라 함)를 이용하여 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 회전 미러의 회전 각도를 검출하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 엔코더(이하 '제2 엔코더'라 함)로 회전 미러의 회전 각도를 검출하고, 제어부가 검출된 회전 각도에 따라 펄스 레이저의 출력 타이밍을 결정할 수도 있다. 제1 엔코더는 회전 미러의 반사면의 개수와 동일한 슬릿영역을 구비한다. 제2 엔코더는 원주면 전체가 하나의 슬릿영역으로 형성된다.
본 실시예에 따른 스캐닝 라이다는 엔코더를 사용하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 홀센서를 이용하여 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 회전 미러의 위치를 검출하고, 제어부가 검출 신호를 수신하면 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하도록 제어할 수 있다. 이때 회전 미러의 위치는 회전 미러를 회전시키는 모터의 구동축의 위치를 감지하는 홀센서로부터 감지할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 스캐닝 라이다
100 : 엔코더
200 : 회전 미러
500 : 광원
600 : 광검출부
700 : 모터
900 : 제어부

Claims (12)

  1. 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    입사되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부;
    적어도 2 이상의 반사면을 구비하고 360도 회전하며, 상기 적어도 2 이상의 반사면을 통하여 상기 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 전달하고, 상기 측정 타겟 영역에서 반사된 광을 반사시켜 상기 광검출부에 전달하는 회전 미러; 및
    상기 광원, 상기 광검출부 및 상기 회전 미러의 구동을 제어하되, 상기 회전 미러를 정속으로 회전시키고, 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면에 각각 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하되 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면 중 적어도 하나에 출력 타이밍이 상이한 펄스 레이저를 출력하도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 스캐닝 라이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광검출부에서 수신한 전기신호로부터 상기 적어도 2 이상의 반사면에 대응하는 적어도 2 이상의 상이한 스캐닝 데이터를 획득하는 스캐닝 라이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하여 상기 제어부로 전송하는 엔코더;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 엔코더로부터 수신한 검출 신호에 따라서 펄스 레이저가 출력되도록 제어하는 스캐닝 라이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 엔코더는,
    상기 적어도 2 이상의 반사면에 1 대 1로 대응되어 상기 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하는 적어도 2 이상의 슬릿영역(slit region)을 구비하고,
    상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 각각은,
    적어도 2 이상의 슬릿(slit)을 포함하고,
    상기 적어도 2 이상의 슬릿은,
    상기 펄스 레이저가 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 서로 교번(alternation)하여 상기 측정 타겟 영역에 전달되도록, 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역에 따라 비대칭 구조로 각각 배치되는 스캐닝 라이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스캐닝 데이터를 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 병합(통합)하여 하나의 프레임(frame)으로 출력하거나, 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력하는 스캐닝 라이다.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스캐닝 라이다가 탑재되는 대상의 이동 속도에 따라 상기 스캐닝 데이터의 병합 여부를 결정하되,
    상기 대상의 이동 속도가 미리 설정된 기준값보다 낮은 저속인 경우, 상기 스캐닝 데이터를 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 병합하여 하나의 프레임으로 출력하고,
    상기 대상의 이동 속도가 상기 미리 설정된 기준값보다 높은 고속인 경우, 상기 스캐닝 데이터를 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 구분하여 복수의 프레임으로 출력하는 스캐닝 라이다.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 회전 미러는,
    2개의 반사면을 구비하는 양면 미러이고,
    상기 엔코더는,
    적어도 2 이상의 제1 슬릿을 구비하는 제1 슬릿영역; 및
    적어도 2 이상의 제2 슬릿을 구비하는 제2 슬릿영역;을 포함하고,
    상기 적어도 2 이상의 제1 슬릿과 상기 적어도 2 이상의 제2 슬릿은 광 경로상 서로 교번되는 비대칭 구조로 배치되는 스캐닝 라이다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 엔코더는
    원판 형태를 가지며, 회전 중심에 대해서 서로 마주보게 상기 제1 슬릿영역과 상기 제2 슬릿영역이 형성된 스캐닝 라이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원은,
    서로 다른 채널에 해당하는 적어도 2 이상의 펄스 레이저를 출력하는 다채널 광원인 스캐닝 라이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 회전 미러를 미리 설정된 속도로 정속 회전시키는 모터;
    를 더 포함하는 스캐닝 라이다.
  11. 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    입사되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부;
    적어도 2 이상의 반사면을 구비하고 360도 회전하며, 상기 적어도 2 이상의 반사면을 통하여, 상기 펄스 레이저를 반사시켜 측정 타겟 영역에 전달하고 상기 측정 타겟 영역에서 반사된 광을 반사시켜 상기 광검출부에 전달하는 회전 미러;
    상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하여 상기 제어부로 전송하는 엔코더; 및
    상기 회전 미러를 정속으로 회전시키고, 상기 엔코더로부터 수신한 검출 신호로부터 상기 펄스 레이저의 출력 타이밍을 결정하고, 결정된 출력 타이밍에 따라서 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면에 각각 일정 주기로 펄스 레이저를 출력하되 상기 회전 미러의 적어도 2 이상의 반사면 중 적어도 하나에 출력 타이밍이 상이한 펄스 레이저를 출력하도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 스캐닝 라이다.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 엔코더는,
    상기 적어도 2 이상의 반사면에 1 대 1로 대응되어 상기 펄스 레이저의 출력 타이밍에 대응하는 상기 회전 미러의 회전 각도를 검출하는 적어도 2 이상의 슬릿영역(slit region)을 구비하고,
    상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 각각은,
    적어도 2 이상의 슬릿(slit)을 포함하고,
    상기 적어도 2 이상의 슬릿은,
    상기 펄스 레이저가 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역 별로 서로 교번(alternation)하여 상기 측정 타겟 영역에 전달되도록, 상기 적어도 2 이상의 슬릿영역에 따라 비대칭 구조로 각각 배치되는 스캐닝 라이다.
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