KR20180049937A - 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일정 조사영역으로 빛을 조사할 수 있는 매트릭스 구조를 갖는 발광부를 통해 수광부에서 일정 영역의 신호를 순차적으로 수신하여 처리하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명은 물체에 빛을 조사하는 복수의 광원이 M × n 매트릭스 구조로 배열되고, 차량으로부터 검출한 차량의 주행정보에 따라 상기 광원이 임의의 발광 패턴으로 빛을 조사하도록 설정하며, 상기 설정된 발광 패턴에 따라 빛의 출력 세기(光量)를 가변시켜 상기 광원이 동작되도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 일정 조사영역으로 빛을 조사할 수 있는 매트릭스 구조를 갖는 발광부를 통해 수광부에서 일정 영역의 신호를 순차적으로 수신하여 처리함으로써, 회로를 단순화시킬 수 있고, 발광부의 전체 픽셀중에서 일부만 순차적으로 동작시켜 발광 소자의 고주파 제어가 가능하며, 왜란광과, 잘못된 포인트 클라우드의 발생 방지와, 인체 유해성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

Description

매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING LIGHT EMITTING OF LIDAR SYSTEM WITH MATRIX STRUCTURE}

본 발명은 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 일정 조사영역으로 빛을 조사할 수 있는 매트릭스 구조를 갖는 발광부를 통해 수광부에서 일정 영역의 신호를 순차적으로 수신하여 처리하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치에 관한 것이다.

라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 빛을 이용하여 대상물을 검출하고 대상물까지의 거리를 측정하는 것을 말한다.

라이다는 기능에 있어서 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)와 유사하지만, 전파를 이용하는 레이다와 달리 빛을 이용한다는 차이가 있으며, 이러한 점에서 '영상 레이더'라고 칭해지기도 한다.

빛과 마이크로파 간의 도플러 효과 차이로 인하여, 라이다는 레이더에 비하여 방위 분해능, 거리 분해능 등이 우수하다는 특징을 가진다.

라이다 장치는 위성이나 항공기에서 레이저 펄스를 방출하고, 대기중의 입자에 의해 후방 산란되는 펄스를 지상 관측소에서 수신하는 항공 라이다가 주류를 이루어왔으며, 이러한 항공 라이다는 바람 정보와 함께 먼지, 연기, 에어로졸, 구름 입자 등의 존재와 이동을 측정하고, 대기중의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 분석하는데 사용되어왔다.

최근에는 송신계와 수신계가 모두 지상에 설치되어 장애물 탐지, 지형 모델링, 대상물까지의 위치 획득 기능을 수행하는 지상 라이다도 감시정찰로봇, 전투로봇, 무인 수상함, 무인헬기 등의 국방분야나, 민수용 이동로봇, 지능형자동차, 무인자동차 등의 민수용 분야에 대한 적용을 염두에 두고 활발히 연구가 이루어지고 있다.

지상 라이다 장치는, 통상적으로, 레이저 펄스를 방출하는 송신광학계와, 외부의 객체의 의해 반사되는 반사광을 수신하는 수신광학계와, 상기 객체의 위치를 결정하는 분석부로 구성된다.

여기서 분석부는 반사광에 대하여 송수신에 소요된 시간을 결정하여 반사된 객체까지의 거리를 계산하고, 특히 각 방향으로부터 수신되는 반사광에 대하여 거리를 계산함으로써 화각(FOV: Field of View)에 상응한 영상 내에서 거리맵을 작성할 수도 있다.

도 1은 일반적인 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 변조된 광선을 물체(30)에 조사하는 발광부(10)와, 물체(30)로부터 반사되는 반사신호를 수광하는 수광부(10)를 포함하여 구성된다.

상기 발광부(10)는 수광부(20)에서 제공되는 변조 신호를 이용하여, 각 발광 소자를 제어함으로써, 변조된 광선을 물체(30)에 조사할 수 있게 되고, 변조된 광선은 물체(30)에서 반사되어 수광부(20)에 집광된다.

상기 수광부(20)는 빛에너지를 전기에너지로 변환하고, 입력신호와 변조신호 사이의 위상 차이를 이용하여 물체의 거리를 판단하며, 산출된 물체(30)와의 거리에 기초하여 발광부(10)에서 물체(30)로 조사되는 빛의 주파수를 변조하도록 구성된다.

그러나 종래의 지상 라이다 시스템은 화각에 상응하게 빔 폭이 넓은 레이저를 방출하고 화각 내의 모든 방향으로부터 동시에 반사광을 획득하여 반사체와의 거리를 획득하기 때문에, 출력이 매우 높은 레이저 모듈을 필요로 하여 가격이 매우 비싸다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 라이다 시스템은 발광부와 수광부의 제어방식이 3D 모터식과, 2D 스캔 방식과, 3D 플래시와 맴스 미러(MEMS Mirror)를 이용한 방식이 사용된다.

3D 모터식은 발광부가 모터를 이용하여 360도 회전 가능하도록 구성되어 물체에 조사신호를 출력하지만, 모터를 이용한 발광부의 구성이 차량의 상부 외측에 설치됨으로써, 미관상의 제약이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 2D 스캔 방식은 일정영역(조사각도)만 조사할 수 있도록 다수의 광원을 배치하여 원거리 영역과 근거리 영역의 물체에 조사신호를 출력하지만, 높은 구동전력이 요구되는 문제점이 있다.

또한, 맴스 미러를 이용한 방식은 발광부의 광원을 개별 제어하고, 고속 변조가 가능하지만, 차량의 주행중 발생하는 진동으로 인해 정밀 측정이 어려운 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2016-0113794호(발명의 명칭: 전방향 라이다 장치)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 일정 조사영역으로 빛을 조사할 수 있는 매트릭스 구조를 갖는 발광부를 통해 수광부에서 일정 영역의 신호를 순차적으로 수신하여 처리하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 물체에 빛을 조사하는 복수의 광원이 M × n 매트릭스 구조로 배열되고, 차량으로부터 검출한 차량의 주행정보에 따라 상기 광원이 임의의 발광 패턴으로 빛을 조사하도록 설정하며, 상기 설정된 발광 패턴에 따라 빛의 출력 세기(光量)를 가변시켜 상기 광원이 동작되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 발광 제어장치는 물체에 빛을 조사하는 복수의 광원이 M × n 매트릭스 구조로 배열된 발광부; 제어부가 출력하는 발광정보에 따라 상기 발광부의 동작을 제어하는 발광 구동 제어부; 상기 발광부에서 조사된 빛이 물체에 반사되어 돌아오는 빛에 기초하여 상기 물체와의 거리를 검출하는 수광부; 차량 정보 검출부에서 전송되는 차량의 주행정보를 수신하고, 상기 수신된 주행정보에 대응하는 발광부의 발광 패턴과 출력 세기 정보를 검출하며, 상기 검출된 발광정보를 상기 발광 구동 제어부로 출력하는 제어부; 및 차량으로부터 주행, 주차, 사용자 설정정보를 포함한 주행정보를 검출하여 상기 제어부로 출력하는 차량 정보 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 발광 구동 제어부는 제어부에서 출력되는 발광정보에 따라 광원이 순차적으로 동작되도록 제어하고, 상기 광원으로 공급되는 전류량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 제어부는 차량 정보 검출부에서 전송되는 차량의 주행정보를 수신하여 발광부의 발광 패턴 변경 여부를 판단하는 동적 판단부; 상기 동적 판단부의 판단 결과에 따라 현재 설정된 발광부의 발광 패턴과 출력 세기 정보 또는 상기 차량 정보 검출부에서 전송되는 주행정보에 대응하는 새로운 발광부의 발광 패턴과 출력 세기 정보를 검출하는 패턴 설정부; 및 상기 패턴 설정부에서 검출된 발광 패턴과 출력 세기 정보를 발광 구동 제어부로 출력하는 광원 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 패턴 설정부는 임의의 주행정보에 대응하여 미리 설정된 발광부의 발광정보를 저장한 LUT를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 패턴 설정부는 발광부의 광원이 단위 픽셀, 행렬 단위 픽셀, 일정 형태의 그룹단위 픽셀 중 어느 하나의 패턴으로 발광되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일정 조사영역으로 빛을 조사할 수 있는 매트릭스 구조를 갖는 발광부를 통해 수광부에서 일정 영역의 신호를 순차적으로 수신하여 처리함으로써, 회로를 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 발광부의 전체 픽셀중에서 일부만 순차적으로 동작시켜 발광 소자의 고주파 제어가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 왜란광과, 잘못된 포인트 클라우드의 발생을 방지하고, 인체 유해성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

도 1 은 일반적인 라이다 시스템을 나타낸 블록도.
도 2 는 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치를 나타낸 블록도.
도 3 은 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치의 제어부 구성을 나타낸 블록도.
도 4 는 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치의 발광부 동작과정을 나타낸 예시도.
도 5 는 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치의 발광부 동작과정을 나타낸 다른 예시도.
도 6 은 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치의 발광부 동작과정을 나타낸 또 다른 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치를 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치의 제어부 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 발광 제어장치(100)는 물체에 빛을 조사하는 복수의 광원(111)이 M × n 매트릭스 구조로 배열되고, 차량으로부터 검출한 차량의 주행정보에 따라 상기 광원(111)이 임의의 발광 패턴으로 빛을 조사하도록 설정하며, 상기 설정된 발광 패턴에 따라 빛의 출력 세기(光量)를 가변시켜 상기 광원(111)이 동작되도록 발광부(110)와, 발광 구동 제어부(120)와, 수광부(130)와, 제어부(140)와, 차량 정보 검출부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 발광부(110)는 물체에 빛을 조사하는 구성으로서, 복수의 광원(111)이 M × n 매트릭스 구조로 배열되고, 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드로 이루어지며, 바람직하게는 동일한 전류에 대비하여 상대적으로 강한 광 출력을 획득할 수 있고, 탐지 거리의 향상과 왜란광에 대하여 강한 특성을 갖는 레이저 다이오드로 구성된다.

상기 발광 구동 제어부(120)는 제어부(140)가 출력하는 발광정보에 따라 상기 발광부(110)의 동작을 제어하는 구성으로서, 상기 제어부(140)에서 출력되는 발광 패턴과 광원(111)의 출력 세기를 포함한 발광정보에 따라 M × n 매트릭스 구조로 배열된 광원(111) 중에서 임의의 광원(111)을 선택하여 동작할 수 있도록 제1 MUX(121)와, 제2 MUX(122)를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2 MUX(121, 122)의 선택을 통해 구동되는 광원(111)으로 공급되는 전류량을 제어하여 상기 광원(111)의 출력 세기가 제어될 수 있도록 한다.

상기 수광부(130)는 발광부(110)에서 조사된 빛이 물체에 반사되어 되돌아오는 빛에 기초하여 상기 물체와의 거리를 검출하는 구성으로서, 상기 물체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 수광하는 수광렌즈와, 상기 수광렌즈를 통해 수광한 빛을 전기신호로 변환하는 수광소자를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 수광부(130)는 APD(avalanche photo diode), SPAD(Single Photon Avalanche Diode)와 같은 광전소자로 이루어지고, 바람직하게는 높은 분해능을 갖는 SPAD 어레이 센서로 이루어진다.

상기 SPAD 어레이 센서는 단일 광자 픽셀 어레이(Single-Photon Pixel Array)가 임의의 m*n 픽셀로 이루어지고, 상기 단일 광자 픽셀 어레이의 각 픽셀은 SPAD를 이용하여 광의 입자를 검출한다.

또한, 상기 수광부(130)는 수광소자에 수광되는 빛의 수신감도를 조절하여 광원의 발광강도에 대한 조정시에 전류검출, 연산 및 증폭을 통해 수신감도가 조절될 수 있도록 한다.

또한, 상기 수광부(130)는 제어부(140)로부터 출력되는 수신감도 제어신호에 의해 수광소자에 수광되는 빛의 수신 감도가 조절되도록 구성할 수 있으며, 이를 위해 발광부(110)에서 조사되는 빛과 수광소자에 수신된 빛의 위상 차이를 산출하고, 상기 산출된 위상 차이를 기초로 하여 물체와의 거리를 산출하여 각 픽셀 별로 거리정보를 검출할 수 있다.

상기 제어부(140)는 차량 정보 검출부(150)에서 전송되는 차량의 주행정보를 수신하고, 상기 수신된 주행정보에 대응하는 발광부(110)의 발광 패턴과 출력 세기 정보를 검출하며, 상기 검출된 발광정보를 상기 발광 구동 제어부(120)로 출력하는 구성으로서, 동적 판단부(141)와, 패턴 설정부(142)와, 광원 제어부(143)를 포함하여 구성된다.

상기 동적 판단부(141)는 차량 정보 검출부(150)에서 전송되는 차량의 주행정보를 수신하여 발광부(110)의 발광 패턴 변경 여부를 판단하는 구성으로서, 차량의 ECT 또는 TCU 등의 제어장치로부터 수신한 주행정보에서 차량이 주행중인지, 주차중인지, 정차중인지 여부를 판단하여 주행모드를 분석하고, 상기 분석된 주행모드에 따라 현재 설정된 발광 패턴의 변경 여부를 결정한다.

즉 상기 주행모드에 따른 발광 패턴 정보는 차량이 주행중이면 원거리(예를 들면, 100m 이상) 오토 크루즈 콘트롤 지원을 위한 원거리 발광 제어를 위해 도 4와 같이, 발광부(110)의 광원(111)이 단위 픽셀(111a) 마다 발광되도록 발광 패턴이 설정되도록 하고, 각 단위 픽셀(111a)의 출력 세기(光量)도 함께 증가되도록 발광 패턴의 변경을 결정한다.

또한, 차량이 일정 속도범위, 전진 및 후진 등의 반복에 의한 주차 또는 주차 보조 지원을 위한 근거리 발광 제어인 경우, 도 5와 같이 발광부(110)의 광원(111)이 세로방향 또는 가로방향의 행렬단위 픽셀(111b)이 발광되도록 발광 패턴을 설정하거나 또는 도 6과 같이 물체의 중심부 검출이 용이할 수 있게 집중 조명에 의한 그룹단위 픽셀(111c)이 발광되도록 발광 패턴으로 변경되도록 한다.

또한, 근거리에서 검출되는 객체가 많은 경우 낮은 광 출력이 이루어지도록 설정된 출력 세기가 조절되되도록 제어하고, 이를 통해 포화현상이 방지될 수 있도록 한다.

상기 패턴 설정부(142)는 동적 판단부(141)의 판단 결과에 따라 현재 설정된 발광부(110)의 발광 패턴과 출력 세기 정보 또는 상기 차량 정보 검출부(150)에서 전송되는 주행정보에 대응하는 새로운 발광부(110)의 발광 패턴과 출력 세기 정보를 검출하는 구성으로서, 상기 패턴 설정부(142)는 임의의 주행정보에 대응하여 미리 설정된 발광부(110)의 발광정보 즉 광원(111)의 발광 패턴과 이에 따른 광원(111)의 출력 세기를 저장한 LUT(LooK Up Table)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 LUT는 차량의 주행정보에 대응하여 발광부(110)의 동작 특성을 정의한 데이터이다.

상기 광원 제어부(143)는 패턴 설정부(142)에서 검출된 광원(111)의 발광 패턴과 상기 광원(111)의 출력 세기 정보를 발광 구동 제어부(120)로 출력한다.

상기 차량 정보 검출부(150)는 차량으로부터 주행, 주차, 사용자 설정정보를 포함한 주행정보를 검출하여 상기 제어부(140)로 출력하는 구성으로서, 차량의 메인 프로세서로서, ECU 또는 TCT로 이루어지고, 차량에 설치된 엔진 제어장치, 변속기 제어장치, 휠센서, 조향센서, 속도센서 등의 차량 주행상태를 검출하는 구성들로부터 차량의 주행정보를 검출하고, 상기 검출된 주행정보를 제어부(140)로 출력한다.

따라서, 일정 조사영역으로 빛을 조사할 수 있는 매트릭스 구조를 갖는 발광부를 통해 수광부에서 일정 영역의 신호를 순차적으로 수신하여 처리함으로써, 회로를 단순화시킬 수 있고, 발광부의 전체 픽셀중에서 일부만 순차적으로 동작시켜 발광 소자의 고주파 제어가 가능하며, 왜란광과, 잘못된 포인트 클라우드의 발생 방지와, 인체 유해성을 개선할 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

100 : 발광 제어장치
110 : 발광부
111 : 광원
111a : 단위 픽셀
111b : 행렬단위 픽셀
111c : 그룹단위 픽셀
120 : 발광 구동 제어부
121 : 제1 MUX
122 : 제 MUX
130 : 수광부
140 : 제어부
141 : 동적 판단부
142 : 패턴 설정부
143 : 광원 제어부
150 : 차량 정보 검출부

Claims (6)

1. 물체에 빛을 조사하는 복수의 광원(111)이 M × n 매트릭스 구조로 배열되고, 차량으로부터 검출한 차량의 주행정보에 따라 상기 광원(111)이 임의의 발광 패턴으로 빛을 조사하도록 설정하며, 상기 설정된 발광 패턴에 따라 빛의 출력 세기(光量)를 가변시켜 상기 광원(111)이 동작되도록 제어하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 발광 제어장치는 물체에 빛을 조사하는 복수의 광원(111)이 M × n 매트릭스 구조로 배열된 발광부(110);
   제어부(140)가 출력하는 발광정보에 따라 상기 발광부(110)의 동작을 제어하는 발광 구동 제어부(120);
   상기 발광부(110)에서 조사된 빛이 물체에 반사되어 돌아오는 빛에 기초하여 상기 물체와의 거리를 검출하는 수광부(130);
   차량 정보 검출부(150)에서 전송되는 차량의 주행정보를 수신하고, 상기 수신된 주행정보에 대응하는 발광부(110)의 발광 패턴과 출력 세기 정보를 검출하며, 상기 검출된 발광정보를 상기 발광 구동 제어부(120)로 출력하는 제어부(140); 및
   차량으로부터 주행, 주차, 사용자 설정정보를 포함한 주행정보를 검출하여 상기 제어부(140)로 출력하는 차량 정보 검출부(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 발광 구동 제어부(120)는 제어부(140)에서 출력되는 발광정보에 따라 광원(111)이 순차적으로 동작되도록 제어하고, 상기 광원(111)으로 공급되는 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부(140)는 차량 정보 검출부(150)에서 전송되는 차량의 주행정보를 수신하여 발광부(110)의 발광 패턴 변경 여부를 판단하는 동적 판단부(141);
   상기 동적 판단부(141)의 판단 결과에 따라 현재 설정된 발광부(110)의 발광 패턴과 출력 세기 정보 또는 상기 차량 정보 검출부(150)에서 전송되는 주행정보에 대응하는 새로운 발광부(110)의 발광 패턴과 출력 세기 정보를 검출하는 패턴 설정부(142); 및
   상기 패턴 설정부(142)에서 검출된 발광 패턴과 출력 세기 정보를 발광 구동 제어부(120)로 출력하는 광원 제어부(143)를 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 패턴 설정부(142)는 임의의 주행정보에 대응하여 미리 설정된 발광부(110)의 발광정보를 저장한 LUT를 포함하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 패턴 설정부(142)는 발광부(110)의 광원(111)이 단위 픽셀, 행렬 단위 픽셀, 일정 형태의 그룹단위 픽셀 중 어느 하나의 패턴으로 발광되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 매트릭스 구조를 갖는 라이다 시스템의 발광 제어장치.

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