KR20190131401A - 초소형 3차원 스캐닝 라이다 센서 - Google Patents

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Abstract

본 실시예들은 송신기 모듈과 수신기 모듈을 분리하고, 광원에서 출사된 광 또는 송신 거울에 반사된 광이 스위핑 거울의 제1 반사 영역에 반사되어 대상체로 이동하고, 대상체로부터 반사된 광이 스위핑 거울의 제2 반사 영역에 반사되어 송신 거울 또는 광 다이오드로 이동하도록 송신기, 거울, 수신기를 특정 공간에 배치하고, 광의 이동 경로를 분리하는 차단벽을 설치함으로써, 산란광을 제거하여 3차원 스캐닝이 가능한 라이다 센서의 크기를 최소화한 라이다 센서를 제공한다.

Description

초소형 3차원 스캐닝 라이다 센서{Compact 3D Scanning Lidar Sensor}
본 발명이 속하는 기술 분야는 3차원 공간을 스캔하는 라이다 센서에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
3차원 거리 측정 시스템은 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서, 초음파 센서, 레이저 센서 등 다양한 센서를 이용하여 공간의 거리를 측정한다.
통상의 3차원 거리 측정 시스템은 센서의 중심을 포함한 평면을 스캔하는 2차원 거리 센서를 회전시켜 공간을 스캔한다. 이러한 2차원 거리 센서를 이용한 장치는 비용, 크기, 및 샘플링 레이트를 제한하지 않기 때문에, 연구 목적이 아닌 상용제품으로 생산하는 데 한계가 있다.
2차원 광 다이오드 어레이(Photodiode Array)가 적용된 장치는 구조광(Structure Light) 또는 비행시간(Time of Flight)을 이용하여 거리를 측정한다. 구조광은 고유 패턴을 투사하고 대응점을 검출하여 깊이를 계산하는 방식이고, 비행시간은 시간차 또는 위상차를 측정하여 거리로 변환하는 방식이다. 2차원 광 다이오드 어레이가 적용된 장치는 화각을 넓히기 어렵고, 픽셀마다 갖는 3차원 정보가 많아 핀 포인트 측정이 곤란한 문제가 있다.
1차원 광 다이오드 어레이가 적용된 거리 측정 장치는 광 다이오드 어레이 및 레이저 다이오드 어레이(또는 레이저 다이오드와 디퓨저)를 포함한다. 광 다이오드 어레이는 실리콘 결정 위에 직선형으로 수백 내지 수천 개의 광 다이오드를 배열한 구조를 갖는다. 1차원 광 다이오드 어레이가 적용된 거리 측정 장치는 화각을 넓히기 어렵고, 구현에 필요한 고효율의 디퓨저(Diffuser), 센서 어레이, 멤스 거울(Mems Mirror) 등의 모듈들이 고가이므로 상용제품으로 생산하는 데 곤란한 문제가 있다.
기존의 라이다 센서는 구현이 용이하도록, 송신기(Transmitter)를 위한 특정 튜브를 채택하거나 송신기와 수신기로부터 거울까지의 거리를 길게 확보하는 구조로 구현하였다. 기존의 2D 라이다 센서는 방사체(Emitter)로부터 거울까지 형성된 레이저 광 튜브를 갖고, 기존의 3D 라이다 센서는 특정 튜브를 통해 긴 거리를 형성하거나 제한된 영역에서 긴 거리를 생성하는 다중 거울을 이용한 빔 조절 방식을 채택한다.
기존의 라이다 센서는 성능이 우수한 반면에 비용과 크기 측면에서 문제가 있다. 기존의 3D 라이다 센서는 효율적인 빔 경로를 형성하기 위해 복수의 고 반산율 거울을 필요하기 때문에 고가이다. 초소형 라이다는 크기가 제한되기 때문에, 기존의 튜브 또는 긴 거리 방식을 적용할 수 없다.
본 발명의 실시예들은 송신기 모듈과 수신기 모듈을 분리하고, 광원에서 출사된 광 또는 송신 거울에 반사된 광이 무빙 거울의 제1 반사 영역에 반사되어 대상체로 이동하고, 대상체로부터 반사된 광이 무빙 거울의 제2 반사 영역에 반사되어 송신 거울 또는 광 다이오드로 이동하도록 송신기, 거울, 수신기를 특정 공간에 배치하고, 광의 이동 경로를 분리하는 차단벽을 설치함으로써, 산란광을 제거하여 3차원 스캐닝이 가능한 라이다 센서의 크기를 최소화하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 포함하는 제1 각도 조절부, 상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역으로 광을 송신하는 광 송신부, 상기 제1 각도 조절부의 상기 제2 반사 영역으로부터 광을 수신하는 광 수신부, 및 상기 송신하는 광의 이동 경로와 상기 수신하는 광의 이동 경로를 분리하는 광 차단벽을 포함하는 광 송수신기를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 광원, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며, 상기 광 송수신기는, 제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 포함하는 제1 각도 조절부, 상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역으로 광을 송신하는 광 송신부, 상기 제1 각도 조절부의 상기 제2 반사 영역으로부터 광을 수신하는 광 수신부, 및 상기 송신하는 광의 이동 경로와 상기 수신하는 광의 이동 경로를 분리하는 광 차단벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치, 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 거리 측정 장치는, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며, 상기 광 송수신기는, 제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 포함하는 제1 각도 조절부, 상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역으로 광을 송신하는 광 송신부, 상기 제1 각도 조절부의 상기 제2 반사 영역으로부터 광을 수신하는 광 수신부, 및 상기 송신하는 광의 이동 경로와 상기 수신하는 광의 이동 경로를 분리하는 광 차단벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 송신기 모듈과 수신기 모듈을 분리하고, 광원에서 출사된 광 또는 송신 거울에 반사된 광이 무빙 거울의 제1 반사 영역에 반사되어 대상체로 이동하고, 대상체로부터 반사된 광이 무빙 거울의 제2 반사 영역에 반사되어 송신 거울 또는 광 다이오드로 이동하도록 송신기, 거울, 수신기를 특정 공간에 배치하고, 광의 이동 경로를 분리하는 차단벽을 설치함으로써, 산란광을 제거하여 3차원 스캐닝이 가능한 라이다 센서의 크기를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치를 예시한 블록도이다.
도 4는 광 송신기, 거울, 광 수신기의 배치에 따른 에코 현상을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기를 예시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 광 송신부를 예시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 광 수신부를 예시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 제1 각도 조절부를 예시한 블록도이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기를 예시한 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 차단벽을 예시한 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 제1 구동부를 예시한 도면이다.
도 12a는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 송신 경로를 예시한 도면이고, 도 12b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 수신 경로를 예시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 제2 각도 조절부를 예시한 블록도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 제2 각도 조절부를 예시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기의 회전체 연결부를 예시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 장치가 획득한 3차원 정보를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 라이다 센서는 거리 측정 장치 또는 이동체에 적용될 수 있다. 즉, 라이다 센서는 소형 가전 등에 거리 측정이 필요한 제품 또는 드론, 자동차 등의 이동체에 적용이 가능하다. 라이다 센서는 레이저 신호를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하고, 빛의 속도를 이용하여 반사체의 거리를 측정하는 장치이다. 레이저 신호는 포토 다이오드를 통하여 전기적인 신호로 변경된다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다. 라이다 센서는 광 송수신기로 호칭될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이동체(1)는 거리 측정 장치(10) 및 이동 장치(20)를 포함한다. 이동체(1)는 도 1에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 이동체는 청소부를 추가로 포함할 수 있다.
이동체(1)는 미리 정의된 방식에 따라 특정 위치에서 다른 위치로 이동 가능하도록 설계된 장치를 의미하며, 바퀴, 레일, 보행용 다리, 날개, 멀티로터 등과 같은 이동 수단을 이용하여, 특정 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다. 이동체(1)는 센서 등을 이용하여 외부의 정보를 수집한 후 수집된 정보에 따라서 이동할 수도 있고, 사용자에 의해 별도의 조작 수단을 이용하여 이동할 수 있다. 이동체(1)의 일례로는 로봇 청소기, 장난감 자동차, 산업용 또는 군사용 목적 등으로 이용 가능한 이동 로봇 등이 있을 수 있다.
로봇 청소기는 청소 공간을 주행하면서 바닥에 쌓인 먼지 등의 이물질을 흡입함으로써 청소 공간을 자동으로 청소하는 장치이다. 일반적인 청소기가 사용자에 의한 외력으로 이동하는 것과 달리, 로봇 청소기는 외부의 정보 또는 미리 정의된 이동 패턴을 이용하여 이동하면서 청소 공간을 청소한다.
로봇 청소기는 미리 정의된 패턴을 이용하여 자동적으로 이동하거나, 또는 감지 센서에 의해 외부의 장애물을 감지한 후, 감지된 바에 따라 이동할 수도 있고, 사용자에 의해 조작되는 원격 제어 장치로부터 전달되는 신호에 따라 이동 가능하다.
감지 센서는 라이다(LIght Detection And Ranging, LIDAR)로 구현될 수 있다. 라이다는 레이저 신호를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간 및 세기를 측정하고, 빛의 속도를 이용하여 반사체의 거리를 측정하는 장치이다. 레이저 신호는 포토 다이오드를 통하여 전기적인 신호로 변경된다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치(10)가 본체의 상단부에 위치하고 있으나, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 위치에서 하나 이상으로 구현될 수 있다.
거리 측정 장치(10)는 한 쌍의 광원 및 광 다이오드를 이용하여 광을 송수신하며, 이동성 거울 및 회전체를 이용하여 주변을 3차원 스캐닝한다.
거리 측정 장치(10)는 타임 오브 플라이트(Time of Flight, TOF) 방식으로 동작할 수 있다. 타임 오브 플라이트 방식은 레이저가 펄스 또는 구형파 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 또는 구형파 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써, 측정 대상과 거리 측정 장치 사이의 거리를 측정한다.
이동 장치(20)는 대상체까지의 거리를 기반으로 주행 경로를 산출하거나 장애물을 검출하여 이동체를 이동시킨다. 이동 장치(20)는 인공표식의 상대 위치를 기반으로 이동체를 이동시킬 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 이동체에 구현되거나 독립적으로 동작하는 거리 측정 장치를 설명하기로 한다.
도 3은 거리 측정 장치를 예시한 블록도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 거리 측정 장치(10)는 광 송수신기(100) 및 거리 측정기(200)를 포함한다. 거리 측정 장치(10)는 도 3에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 거리 측정 장치(10)는 인터페이스를 추가로 포함할 수 있다.
광 송수신기(100)는 레이저 신호를 송신하고 반사된 신호를 수신한다. 광 송수신기(100)는 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 송수신기(100)는 기 설정된 검출 시간 동안 전기 신호를 출력한다.
광 송수신기(100)는 빛을 전류나 전압으로 변환하는데, 광 다이오드의 출력을 버퍼링하고 스케일링하기 위한 회로가 필요하다. 예컨대, 광 다이오드에 트랜스 임피던스 증폭기(Trans Impedance Amplifier, TIA)가 연결될 수 있다. 트랜스 임피던스 증폭기는 광 다이오드의 전류를 증폭하고 전압으로 변환하여 출력한다. 트랜스 임피던스 증폭기는 R-TIA(Resistive Feedback TIA) 및 C-TIA(Capacitive Feedback TIA)로 구분될 수 있다.
광 송수신기(100)는 신호 변환부를 포함할 수 있다. 광 송수신기(100)의 광 다이오드에 신호 변환부가 연결되고, 신호 변환부에 트랜스 임피던스 증폭기가 연결될 수 있다.
광원은 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 대상체로 광을 출사한다. 샘플링 주기는 거리 측정 장치(10)의 제어부에 의해 설정될 수 있다. 샘플링 주기는 시작 제어 신호에 따라 광 송수신기(100)가 광을 출사하고 반사된 광을 수신하고 광을 전기 신호로 변환하기까지의 시간이다. 광 송수신기(100)는 다음 샘플링 주기에서 이러한 동작들을 반복하여 수행할 수 있다.
광 다이오드는 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 다이오드는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다. 광 다이오드는 광캐리어가 소멸할 때까지 전기 신호를 출력한다. 게다가, 출력 신호의 크기가 커질수록 신호가 소멸되기까지 소요되는 시간이 증가한다.
신호 변환부는 출력 신호의 소멸 시간에 제한되지 않도록, 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 상기 전기 신호를 출력한다. 신호 변환부는 저항, 스위치, 및 커패시터를 포함할 수 있다.
저항은 광 다이오드에 연결된다. 저항의 일단은 광 다이오드에 연결되고 저항의 타단은 접지에 연결된다. 저항은 광 다이오드의 양극 또는 음극에 연결될 수 있다.
저항 값이 작으면 광이 광 다이오드를 통과하는 시간과 유사한 시간 동안 파형이 0아닌 값을 갖지만 출력 신호의 크기가 작은 문제가 있다. 따라서, 저항에 대해 기 설정된 값보다 큰 값을 갖는 저항을 사용하여 전기 신호의 크기를 증폭시킬 필요가 있다. 이러한 경우 신호의 뒤끌림 현상이 발생하게 된다.
신호의 뒤끌림 현상을 해결하기 위해 스위치를 통하여 전기 신호의 전달 경로를 변경한다. 광 송수신기(100)는 전기 신호의 크기가 감소하는 영역의 일부가 제거된 신호를 출력할 수 있다. 전기 신호의 후단을 제거하더라도, 거리 측정 장치(10)는 거리를 측정할 수 있다. 신호 판별기가 전기 신호의 종료 시점을 검출하지 않고, 전기 신호의 시작 시점 및 최대 크기 시점을 검출하여 상승 에지 및 하강 에지를 출력하기 때문이다.
스위치는 저항에 병렬로 연결되어 전기 신호의 전달 경로를 변경한다. 예컨대, 스위치는 트랜지스터 등으로 구현될 수 있다.
스위치는 (i) 샘플링 주기(Ts) 중에서 검출 시간(Td) 동안 전기 신호를 제1 경로로 전달하고, (ii) 샘플링 주기(Ts) 중에서 차단 시간(Tc) 동안 전기 신호를 제2 경로로 전달한다. 제1 경로는 신호가 커패시터를 통해 전달되는 경로이고, 제2 경로는 신호가 스위치를 통해 접지로 전달되는 경로이다.
거리 측정 장치(10)는 광 다이오드(140)에서 출력된 전기 신호가 뒤끌림 현상에 의해 신호 소멸 시간(T1, T2, T3)이 소요되더라도, 신호가 소멸될 때까지 대기할 필요없이 샘플링 주기에 따라 신호를 처리할 수 있다.
거리 측정 장치(10)는 샘플링 주기를 조절하고, 샘플링 주기에 따라 적절한 검출 시간을 산출하여 설정하고, 스위치(152)의 온오프 동작을 제어한다. 거리 측정 장치(10)의 제어부는 샘플링 주기, 검출 시간, 차단 시간, 출사한 광의 파형, 광원의 온오프 시간 간격, 시작 제어 신호의 펄스 폭, 정지 제어 신호의 펄스 폭, 광 송수신기의 회전 속도, 신호 판별기 및 시간 산출기의 신호 처리 및 대기 시간 등을 참조하여 스위치의 온오프 동작을 제어할 수 있다.
커패시터는 광 다이오드 및 저항이 연결된 지점에 연결되어 전기 신호를 출력한다. 커패시터는 전기 신호의 DC성분을 제거하는 기능을 한다. 커패시터의 후단에는 비반전 증폭기 회로가 연결될 수 있다.
거리 측정기(200)는 전기 신호를 변환하여 정확한 시점을 측정하고 정지 제어 신호를 출력하는 하나 이상의 신호 판별기를 포함할 수 있다.
거리 측정기(200)는 신호 판별기를 이용하여 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 상기 전기 신호를 변환하고, 변환된 전기 신호의 크기를 조절하고, 기 설정된 크기를 갖는 시점을 검출한다. 신호 판별기는 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성한다.
신호 판별기는 광 다이오드 또는 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전기 신호를 수신한다. 수신한 전기 신호, 즉, 입력 신호는 반사된 광에 의해 상승하고 하강하는 형태를 갖는다. 신호 판별기는 입력 신호에 대해 목적하는 시점을 정확하게 측정하여 전기 신호를 출력한다.
입력 신호의 형태에 따라 입력 신호는 전단 시점(Tfront), 설정된 임계치와 만나는 목표 시점(T1, T2), 피크 시점(Tmax)을 갖는다. 신호 판별기는 전단 시점(Tfront) 및 피크 시점(Tmax)에 가장 근접한 시점을 검출하기 위해 2단계 변환 과정을 수행한다. 변환한 신호는 전단 시점(Tfront), 설정된 임계치와 만나는 상승 시점(Trising1, Trising2), 설정된 임계치와 만나는 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2), 후단 시점(Tend)을 갖는다. 후단 시점(Tend)은 변환 전의 신호의 피크 시점(Tmax)과 동일한 시점이다.
신호 판별기는 입력 신호를 미분하거나 입력 신호를 일정 분율 판별(Constant Fraction Discriminator, CFD)을 이용하여 변환한다. 일정 분율 판별은 원 신호를 지연시킨 신호와 일정 크기 비율만큼 조절한 신호가 같아지는 시점이 최대 크기의 일정 비율이 되는 시점을 찾는 방식이다.
신호 판별기는 상승하고 하강하는 전기 신호에서 정확한 시점을 측정하여 신호를 출력한다. 신호 판별기는 전기 신호를 변환하고 기 설정된 기준 크기를 갖는 시점을 검출하여 정지 제어 신호를 생성한다. 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호의 기울기를 변환하면, 상승 시점(Trising1, Trising2)은 전단 시점(Tfront)에 가까워지고 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2)은 후단 시점(Tend)에 가까워진다.
신호 판별기는 변환된 입력 신호의 크기를 조절한다. 신호 판별기는 변환된 입력 신호의 크기를 N(상기 N은 자연수)차 증폭시킨다. 신호 판별기는 복수의 증폭 과정을 거쳐 신호의 기울기가 수직에 가깝도록 변환한다. 기울기가 크기 때문에, 단순히 비교기만으로 회로를 구현하더라도 정확한 시점을 획득할 수 있다.
신호 판별기는 입력 신호에서 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호를 변환한다. 예컨대, 신호의 크기가 제로가 되도록 변환한다. 거리 측정기(200)는 최대 크기를 갖는 시점을 제로로 변환하여 문턱치를 비교함으로써, 최대 크기를 갖는 시점으로부터 가까운 시점을 검출할 수 있다.
신호 판별기는 크기가 조절된 입력 신호로부터 기 설정된 기준 크기를 갖는 적어도 하나의 시점을 검출하여 신호를 출력한다. 여기서, 출력 신호는 두 개의 유형일 수 있다. 예컨대, 거리 측정기(200)는 상승 에지 및 하강 에지를 출력할 수 있다.
거리 측정기(200)는 타임 오브 플라이트 방식으로 시간 및 거리를 측정한다. 거리 측정기(200)는 시작 제어 신호 및 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정한다. 거리 측정기(200)는 빛의 속도를 이용하여 시간으로부터 거리를 산출한다.
거리 측정기(200)는 두 시간의 차이를 디지털 값으로 변환하는 하나 이상의 시간 디지털 변환기를 포함할 수 있다. 시간 디지털 변환기의 입력 신호는 동일 신호원의 펄스 형태가 될 수도 있고, 다른 신호원의 에지가 될 수도 있다. 예컨대, 거리 측정 장치(10)는 시작 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지, 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 시간차를 산출할 수 있다.
시간 디지털 변환기는 시간 지연 소자 및 플립플롭으로 구성될 수 있다. 시간 지연 소자는 인버터를 이용한 디지털 소자 또는 전류원을 이용한 아날로그 소자로 구현될 수 있다. 시간 디지털 변환기는 위상 편차 방식, 고해상도 클럭을 이용한 방식, 등가 시간 샘플링 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.
시간 디지털 변환기는 (i) 보통 카운터(Coarse Counter) 및 정밀 카운터(Fine Counter)가 카운팅한 개수(N1, N2)와 (ii) 보통 카운터의 큰 클록과 정밀 카운터의 작은 클록을 이용하여 시간을 측정한다. 보통 카운터의 큰 클록 및 정밀 카운터의 작은 클록 간의 시간차가 시간 디지털 변환기의 분해능을 결정된다.
시간 디지털 변환기는 큰 클록을 발생시키는 느린 오실레이터(Slow Oscillator) 및 작은 클록을 발생시키는 빠른 오실레이터(Fast Oscillator)를 포함한다. 위상 검출기(Phase Detector)가 큰 클록 및 작은 클록이 동기화된 시점을 검출한다.
기존의 시간 디지털 변환기는 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 버퍼의 개수를 조절하여 클록 폭을 조절한다. 기존의 시간 디지털 변환기는 버퍼 자체의 신호 지연 시간으로 인하여, 80 피코 초(ps) 정도의 분해능을 갖는다.
시간 디지털 변환기는 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터를 회로 상에서 게이트들의 위치 및 신호 경로를 변경하여 클록 폭을 조절한다. 예컨대, 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 동일한 게이트로 조합될 수 있다. 본 실시예에 따른 시간 디지털 변환기의 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 게이트들의 위치 및 신호 경로를 변경함으로써, 시간 디지털 변환기는 10 피코 초(ps) 정도의 분해능을 갖는다.
시간 디지털 변환기는 상승 에지와 하강 에지를 함께 처리하기 때문에, 느린 오실레이터 또는 빠른 오실레이터를 공유하여 설계할 수 있다.
인터페이스는 다른 장치(또는 호스트)와 정보를 송수신하는 통신 경로이다. 다른 장치는 인터페이스를 통해 거리 측정 장치(10)에 접속하여 파라미터를 설정할 수 있다. 거리 측정 장치(10)는 인터페이스를 통해 측정한 시간 및 거리를 다른 장치로 전송할 수 있다.
거리 측정 장치(10)가 신호의 기울기를 변환하는 과정에서 RC회로로 구현된 미분 방식을 적용하면, 거리 변화에 따른 신호의 주파수 특성이 변화하여 시간 오차를 발생한다. 신호의 기울기를 변환하는 과정에서 일정 분율 판별 방식을 적용하면, 신호의 기울기가 달라서 비교기의 커패시터의 충전 시간이 다르게 되고 비교기의 응답시간이 달라져서 시간 오차를 발생시킨다. 따라서, 거리 측정 장치(10)는 시간 오차를 보정하는 과정을 수행한다.
거리 측정기(200)는 정지 제어 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정한다. 일반적인 광 다이오드의 출력 신호는 펄스 폭의 변화가 심하기 때문에, 펄스 폭 대 워크에러가 1 대 N으로 매칭하여 가까운 영역이 아니면 사용하기 곤란한 문제가 있다. 본 실시예는 신호를 변환하는 과정을 거쳤기 때문에, 펄스 폭 대 워크에러 간의 관계를 간단하게 모델링할 수 있다.
거리 측정기(200)는 워크에러 및 펄스 폭 간의 함수를 모델링하고, 보정 팩터를 미리 측정한다. 거리 측정기(200)는 펄스 폭에 반비례하는 보정 팩터를 적용하여 비행시간을 보정한다. 반사 신호의 세기가 약하여 펄스 폭이 좁아지면 워크에러가 커지므로, 거리 측정기(200)는 보정 팩터를 크게 설정한다. 반사 신호의 세기가 강하여 펄스 폭이 넓어지면 워크에러가 작아지므로, 거리 측정기(200)는 보정 팩터를 작게 설정한다.
거리 측정기(200)는 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 펄스 폭을 산출하고, 펄스 폭 대 워크에러의 함수에 적용한 팩터 값을 보정 전의 비행시간에 가산한다. 거리 측정 장치(10)는 반사 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정함으로써, 정확한 비행시간을 산출할 수 있다.
라이다 센서의 크기를 줄이기 위해서는 모든 부품, 예컨대, 송신기, 거울, 및 수신기 등을 긴밀하게 통합해야 한다. 광 송수신기의 크기를 줄이기 위해서는 송신기(Emitter) 및 수신기(Receiver)로부터 거울까지의 거리를 최소화해야 한다.
도 4는 광 송신기, 거울, 광 수신기의 배치에 따른 에코 현상을 예시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 광 송신기와 광 수신기 모두 하단에 위치하고, 거울이 상단에 위치할 경우에, 부품들을 소형화하는 과정에서 부품들의 위치와 광 경로에 따른 에코의 문제에 직면한다. 거울에서 나오는 확산 또는 산란한 광 신호로부터 에코가 발생한다. 레이저 신호가 거울을 만나면 약하게 확산 또는 반사되는 신호가 광 다이오드로 입력된다. 약한 신호로 인하여 상승 에지가 지연되고 실제 대상체의 거리에 따라 하강 에지가 변경된다.
라이다 센서를 소형화하기 위해서 송수신기와 거울과의 거리를 최소화해야 한다. 수직 시야각을 확보하기 위해 거울을 움직이되, 거울이 움직이는 공간을 확보해야 하고, 에코 신호를 차단할 필요가 있다. 이를 해결하기 위하여 본 실시예는 차단벽을 설치한다.
이하에서는 도 5 내지 도 11d를 참조하여, 3차원 스캐닝이 가능한 광 송수신기의 구조를 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 광 송수신기(100)는 광 송신부(110), 광 수신부(120), 광 차단벽(130), 제1 각도 조절부(140), 및 제2 각도 조절부(150)를 포함한다. 광 송수신기(100)는 도 5에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 도 6을 참조하면, 광 송신부(110)는 광원(112), 송신 반사체(114), 및 포인트 조절부(116)를 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 광 수신부(120)는 광 다이오드(122), 및 수신 반사체(124)를 포함할 수 있다. 도 8을 참조하면, 제1 각도 조절부(140)는 반사체(142), 제1 구동부(144), 제1 주파수 조절부(146), 기준 각도 조절부(148)를 포함할 수 있다.
광 송신부(110)는 제1 각도 조절부(140)의 제1 반사 영역(143a)으로 광을 송신한다. 광 수신부(120)는 제1 각도 조절부(140)의 제2 반사 영역(143b)으로부터 광을 수신한다. 광 차단벽(130)은 송신하는 광의 이동 경로와 수신하는 광의 이동 경로를 분리한다. 제1 각도 조절부(140)는 제1 반사 영역(143a)과 제2 반사 영역(143b)을 갖고 광을 반사하며, 고정되거나 움직이도록 설치된다.
광원(112)은 광을 출사하는 장치이며, 제1 반사 영역(143a) 또는 송신 반사체(114) 등으로 광을 송신한다. 광원(112)은 레이저 다이오드(Laser Diode, LD) 등으로 구현될 수 있다. 광원(112)은 나노 초 단위의 레이저 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다. 광원(112)에는 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 광원이 출사하는 속도를 조절하여 단위시간당 획득하는 점군 데이터 수를 조절하는 포인트 조절부(112)가 연결될 수 있다. 예컨대, 포인트 조절부(116)는 초당 10K 내지 20K 포인트를 획득하도록 광원(112)의 출사 속도를 설정할 수 있다.
광 다이오드(122)는 제2 반사 영역거울(143b) 또는 수신 반사체(124) 등으로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 장치이다. 광 다이오드(140)는 광자 에너지의 빛이 다이오드를 타격하면 이동전자와 양의 전하 정공이 생겨 전자가 활동하는 원리가 적용될 수 있다. 광 다이오드(140)는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다.
송신 반사체(114), 수신 반사체(124), 반사체(142)는 거울로 구현될 수 있다. 광의 이동 경로 사이에 렌즈(113, 123)를 위치시킬 수 있다. 광 송수신기(100)는 렌즈 등을 이용하여 분광 또는 집광하거나 평행광을 형성할 수 있다. 광 송수신기(100)는 송신 광학부 및 수신 광학부를 포함할 수 있다. 송신 광학부 및 수신 광학부는 레이저 신호의 경로이고, 경통 구조로 형성될 수 있다.
반사체(142)는 제1 반사 영역(143a)과 제2 반사 영역(143b)을 포함한다. 제1 반사 영역(143a)은 광 송신부(110)가 송신한 광을 대상체로 반사한다. 제2 반사 영역(143b) 대상체로부터 반사된 광을 광 수신부(120)로 반사한다. 광 차단벽(130)은 광 송신부(110)가 송신하는 광의 일부가 제1 반사 영역(143a)에서 확산, 산란, 또는 반사되더라도 확산, 산란, 또는 반사된 광이 광 수신기(143b)로 이동하는 경로를 차단한다.
제1 각도 조절부(140)는 제1 각도 조절부(140)의 반사체(142)를 움직이는 제1 구동부(144), 제1 각도 조절부(140)의 반사체(142)가 움직이는 주기를 조절하는 제1 주파수 조절부(146), 제1 각도 조절부(140)의 반사체(142)가 설치된 각도를 조절하는 기준 각도 조절부(148), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제1 구동부(144)는 반사체(142)를 기 설정된 주기로 움직여서 반사체(142)의 법선의 기울기를 변화시킨다. 반사체(142)는 이동성 거울이며, 휨 운동, 공진 운동, 왕복 운동, 시소 운동, 회전 운동, 또는 이들의 조합으로 움직일 수 있다. 예컨대, 스윙 거울로 구현될 수 있다.
제1 주파수 조절부(146)는 반사체(142)가 수직 방향으로 움직이는 주기를 변화시킬 수 있다. 수직 주파수 조절부(146)는 반사체(142)가 200 내지 300 Hz로 진동(Oscillation) 또는 회전하도록 설정할 수 있다.
기준 각도 조절부(148)는 반사체(142)의 법선을 수평면을 기준으로 -55도로 설정하여, 반사체(142)가 45도의 기울기로 경사지게 설정할 수 있다. 광 차단벽(130)의 끝단 또는 상단은 경사지게 형성될 수 있고, 기준 각도 조절부(148)는 반사체(142)와 광 차단벽(130)의 끝단이 맞닿는 위치와 최대 이동 각도를 고려하여, 반사체(142)를 프레임에 설치하기 위한 기준 각도를 설정할 수 있다.
광 송수신기(100)는 움직이는 반사체(142)를 이용하여 광의 이동 경로 및 각도를 조절하여, 수직 시야각(Vertical Field of View)를 확보함으로써, 기존의 단일렌즈 및 광 다이오드 어레이(Photodiode Array)로 구현된 장치와는 달리 핀 포인트 측정이 가능하다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 광 송수신기(100)는 하나의 반사체(142)로 구현될 수 있고, 두 개의 반사체(142a, 142b)로 구현될 수 있다. 하나의 반사체(142)는 제1 반사 영역(143a)과 제2 반사 영역(143b)로 구분된다. 두 개의 반사체(142a, 142b)는 제1 반사 영역(143a)과 제2 반사 영역(143b)을 각각 갖는다. 반사체(142)는 일정한 각도와 방향으로 움직이게 설계된다. 반사체(142)은 수직 스위핑(Vertical Sweeping)이 가능하다.
광 송신부(110)와 광 수신부(120)는 렌즈(113, 123)를 포함할 수 있다. 송신기와 수신기의 렌즈에 단 초점 렌즈를 사용하면 완벽한 초점을 맞추기가 어려울 수 있다. 바람직하게 일반적인 초점 길이 렌즈와 렌즈 튜브 레이를 인터페이스 보드에 장착할 수 있다.
광 송수신기(100)는 코일(144a)의 전자기력을 변화시켜서 이용하여 반사체(142)에 부착된 자석에 힘의 세기와 방향을 조절할 수 있다. 반사체(142)의 기준 각도와 반사체(142)의 이동 각도 등을 고려하여 광 차단벽(130)의 형상, 크기, 높이가 결정된다. 예컨대, 광 차단벽(130)은 휜 형상, 일부가 돌출된 형상 등으로 형성될 수 있다.
도 9c를 참조하면, 본 실시예에서 광의 송신 경로와 광의 수신 경로는 광 차단벽(130)에 의해 상호 완벽하게 격리된다. 즉, 송신기 모듈과 수신기 모듈은 광 차단벽(130)으로 구분된 특정 공간 내부에 위치한다. 송신기 모듈과 수신기 모듈은 각각의 스위핑 거울을 포함할 수 있다. 제1 각도 조절부는 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체와 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체를 포함한다. 제1 반사체와 제2 반사체는 광 차단벽에 의해 분리된 공간에 각각 위치할 수 있다.
도 9c에서는 직사각형 타입의 거울이 도시되어 있으나, 구현되는 설계에 따라 적합한 크기와 모양을 갖는 다양한 유형의 거울이 사용될 수 있다. 송신기 모듈과 수신기 모듈은 고정된 거울(114, 124)을 각각 포함할 수 있다.
도 9d를 참조하면, 광 송수신기(100)는 모터(144b)를 이용하여 각각의 스위핑 거울(142a)을 움직이게 할 수 있다. 송신기로부터 출력된 빔은 스위핑 거울로 조향된다. 스위핑 거울은 다각형 거울일 수 있으며, 스위핑 거울이 회전하여 빔의 방향을 재 조향한다.
3차원 라이다 센서, 즉 광 송수신기는 송신기 모듈, 수신기 모듈, 회전체, 및 제2 구동부를 포함한다. 송신기 모듈과 수신기 모듈은 회전체에 연결된다. 제2 구동부는 케이블, 체인 등을 통하여 회전체로 동력을 전달하며 모터 등으로 구현될 수 있다. 제2 구동부는 특정 방향으로 회전체를 회전시켜, 송신기 모듈과 수신기 모듈을 회전시킨다.
광 송수신기는 샘플링 주기, 이동 주기, 및 광의 이동 경로에 따른 시간 등을 기준으로 제1 구동부의 회전 주기를 설정할 수 있다. 송신기 모듈의 반사체와 수신기 모듈의 반사체의 형상, 회전 방향, 회전 주기는 구현되는 설계에 따라 동일하거나 상이하게 설정될 수 있으며, 제1 구동부를 공유하여 동작할 수도 있고, 별개의 동력으로 동작할 수 있다.
제1 각도 조절부는 기 설정된 주기로 움직여서 제1 반사 영역의 법선과 제2 반사 영역의 법선의 기울기를 변화시킨다. 제1 각도 조절부는 제1 반사 영역의 주기와 제2 반사 영역의 주기를 동기화하고, 제1 반사 영역의 법선 방향과 제2 반사 영역의 법선 방향을 일치시킨다.
본 실시예는 3차원 스캐닝 라이다 뿐만 아니라 2차원 스캐닝 라이다를 위한 프레임으로 쉽게 변환할 수 있다. 다각형 거울을 일반적인 렌즈 튜브로 교체하여 2차원 스캐닝 라이다로 사용할 수 있다.
광 송수신기(100)는 복수의 스캔라인으로 구현될 수 있다. 복수의 반사체의 각도를 상이하게 설정하여 수평 방향과 지면 방향의 장애물을 동시에 검출할 수 있다. 예컨대, 스캔라인은 각각 45도와 60도로 설정될 수 있고, 2개 이상으로 구성될 수도 있다.
3차원 라이다 센서는 제1 각도 센서 및 제2 각도 센서를 포함할 수 있다.
제1 구동부가 반사체를 제1 각도로 회전시키면, 제1 각도 센서는 반사체의 회전각을 측정한다. 제1 각도 센서는 반사체의 중심축이 회전한 각도 또는 반사면이 설정된 기준으로부터 이루는 각도를 산출할 수 있다.
제2 구동부가 회전체를 제2 각도로 회전시키면, 회전체의 회전각을 측정한다. 제2 각도 센서는 엔코더(Encoder) 또는 홀 센서(Hall Sensor) 등으로 구현될 수 있다. 증분형 엔코더(Incremental Encoder) 또는 원샷 홀 센서(One Shot Hall Sensor) 등을 적용할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d에서는 광 송수신기의 차단벽, 반사체, 광 송신부, 광 수신부가 예시되어 있다.
광 송신부(110)와 광 수신부(120)가 제1 각도 조절부의 반사체에 대향하여 위치한다. 광 송신부(110)와 광 수신부(120)는 반사체를 기준으로 양 방향이 한 방향에 위치한다. 반사체는 제1 반사 영역(143a)과 제2 반사 영역(143b)으로 구분된다. 반사체는 광 흡수 영역(143c)을 포함할 수 있다.
광 차단벽(130)은 광 송신부(110)와 광 수신부(120) 사이에 설치되며, 광 송신부(110)가 송신하는 광이 제1 각도 조절부의 제1 반사 영역(143a)에 반사 또는 산란되고, 반사 또는 산란된 광이 광 수신부(120)에 도달하지 않도록 제1 각도 조절부와의 관계에서 광 차단벽(130)이 차단 영역을 형성한다.
광 차단벽(130)은 제1 각도 조절부로부터 광 차단벽까지의 거리(Hb), 광 차단벽(130)의 두께(Wb), 제1 반사 영역(143a)으로부터 광 송신부(110)까지의 거리(H1), 하며 광 차단벽(130)으로부터 광 송신부(110)까지의 거리(W1), 제2 반사 영역(143b)으로부터 광 수신부(120)까지의 거리(H2), 광 차단벽(130)으로부터 광 수신부까지의 거리(W2), 제1 각도 조절부의 기준 각도, 반사체의 이동 각도, 또는 이들의 조합을 포함하는 길이 관계를 이용하여 차단 영역을 형성할 수 있다. W1는 광 송신부(110)의 두께를 포함하고, W2는 광 수신부(120)의 두께를 포함하는 길이이다. Wb는 산란 또는 반사된 광의 이동 경로를 차단한다. H2가 H1보다 길게 설정될 수 있다. Hb 및 H2는 Wb를 통과한 광이 광 수신부에 도달하지 못하도록 적합한 길이로 설정될 수 있다. 차단벽의 높이가 제1 반사 영역(143a) 또는 제2 반사 영역(143b)의 높이보다 높게 설정될 수 있다.
도 11a 내지 도 11d에서는 광 송수신기의 제1 구동부가 예시되어 있다.
이동성 거울인 반사체는 자석 및 코일에 의한 전자기력을 이용하여 움직일 수 있다. 제1 각도 조절부(140)는 제1 반사 영역과 상기 제2 반사 영역을 갖는 반사체를 포함하고, 반사체는 움직이도록 광 송수신기의 프레임에 설치된다. 반사체에 부착된 자석과 프레임에 설치된 코일의 전자기력을 이용하여, 반사체가 움직일 수 있다.
도 11a를 참조하면, 반사체의 중앙에 부드러운 힌지 또는 중심축이 있고 양 끝단(또는 끝단에 가까운 지점)에 영구자석이 위치한다. 반사면의 후면의 끝단(또는 끝단에 가까운 지점)에 코일을 위치시킨다. 코일에 주기적으로 방향을 달리하여 전류를 흘려주면 반사체는 흔들리게 된다. 여기에서 자석과 코일에 의해서 생기는 힘은 작기 때문에, 반사체 또는 반사체의 법선(145)이 높은 주파수로 움직이려면, 힌지가 부드럽게 움직일 수 있는 소재를 사용할 필요가 있다. 힌지의 장력(Tension)이 강할수록, 반사체가 적은 힘으로도 움직일 수도 있지만 고주파의 움직임을 만들기 어렵다. 반사체는 중심축에 의해 움직일 수도 있다.
이동성 거울은 멤스(MEMS) 기술을 사용하거나 초음파 모터(Piezo Motor)를 사용할 수도 있고, 다면체를 회전시킬 수도 있다.
제1 각도 조절부(140)는 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체와 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체를 포함하고, 제1 반사체와 제2 반사체는 다각형 기둥으로 형성되어 회전하며 움직일 수 있다. 광의 송신 경로에 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체가 위치하고, 광의 수신 경로에 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체가 위치할 수 있다. 반사체가 분리된 구조는 도 10c 및 도 10d에 예시되어 있다.
도 11a과 같은 구조는 수직 스캐닝 속도(Vertical Scanning Speed)가 낮을 수 있어, 다면체를 모터에 연결하여 회전하는 방식이 적용될 수도 있다. 도 11b에서는 이동성 거울인 반사체가 다각형 기둥으로 형성되어 중심축을 회전하며 움직일 수 있는 구조로 형성된다. 광 송수신기는 반사체의 회전 속도와 광원의 출사 속도의 관계를 조절하여 주기적인 시점마다 반사면의 법선의 기울기를 조절할 수 있다.
도 11c에 도시된 제1 각도 조절부는 도 11a와 반대되는 원리로 동작한다. 제1 각도 조절부는 제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 갖는 반사체를 포함하고, 반사체는 움직이도록 광 송수신기의 프레임에 설치되며, 프레임에 설치된 자석과 반사체에 부착된 코일의 전자기력을 이용하여, 반사체가 움직일 수 있다. 자석에 연결된 요크는 자속 경로를 형성한다. 도 11d를 참조하면, 코일에 흐르는 전류의 세기와 방향을 변경하여 반사체에 작용하는 힘을 조절할 수 있다.
본 실시예들은 광 송신부와 광 수신부를 반사면을 기준으로 동일한 방향에 위치시키고 광 차단벽에 의해 광의 송신 경로와 광의 수신 경로를 분리하고 광의 이동 경로를 단축함으로써, 라이다 센서가 에코 현상에 의한 오차를 최소화한 핀 포인트 측정이 가능하면서 라이다 센서의 부피를 최소화할 수 있다.
라이다 센서에서 광의 송신 경로는 광 송신부에서 제1 반사 영역으로 형성되고, 광의 수신 경로는 제2 반사 영역에서 광 수신부로 형성된다. 제1 반사 영역과 제2 반사 영역이 동일한 방향을 바라보면 일정 각도로 움직인다. 도 12a에서는 광의 송신 경로가 광원(112)->송신 렌즈(113)->송신 반사체(114)->제1 반사체(142a)->대상체로 형성될 수 있다. 필요에 따라 광의 수신 경로는 광원(112)->제1 반사체(142a)로 형성될 수도 있다. 도 12b에서는 광의 수신 경로가 대상체->제2 반사체(142b)->수신 반사체(124)->수신 렌즈(123)->광 다이오드(122)로 형성될 수 있다. 필요에 따라 광의 수신 경로는 제2 반사체(142b)->광 다이오드(122)로 형성될 수도 있다. 제1 반사체와 제2 반사체는 광 차단벽을 관통하거나 광 차단벽을 넘어 연결되며, 일체로 구현될 수도 있다.
도 13 및 도 14에서는 광 송수신기의 제2 각도 조절부가 예시되어 있다.
제2 각도 조절부(150)는 회전체(152), 제2 구동부(154), 제2 주파수 조절부(156), 및 회전체 연결부(160)를 포함한다. 회전체(152)는 광 송신부, 광 수신부, 및 광 차단벽이 부착되어 회전한다. 제2 구동부(154)는 회전체(152)에 연결되어 회전체(152)를 회전시킨다. 제2 주파수 조절부(156)는 회전체(152)가 회전하는 속도를 조절한다. 제2 주파수 조절부(156)는 회전체(152)가 5 내지 10 Hz로 회전(Rotation)하도록 설정할 수 있다. 회전체 연결부(160)는 광 송수신기의 베이스와 회전체(152)를 연결한다. 회전체 연결부는 회전체 내부로 파워를 전달하고 데이터를 통신한다.
회전체 연결부(160)는 회전체(152) 내부에서 도체가 물리적으로 접촉하여 전력을 전달하는 파워 라인 및 회전체(152) 내부에서 회전체(152)와 무선으로 연결되어 데이터를 전달하는 데이터 통신부를 포함한다.
베이스에서 전달된 파워는 도체를 통해서 상단의 도체 부분과 접촉한다. 접촉하는 부분은 충분한 내구성을 확보하기 위해서 스프링을 통해서 지속적으로 밀도록 구현된다. 파워 라인은 도체에서 마모되는 부분에 도체가 접촉된 방향으로 압력을 가한다. 지속적인 마찰로 인해서 도체 부분이 닳아서 없어지더라도 파워를 전달하는데 문제가 없도록 하단에서 상단으로 파워를 전달하는 부분은 도체 부분보다 상대적으로 무른 소재를 사용한다. 파워를 전달하는 부분의 두께를 충분히 확보하고 하단에서 상단으로 스프링이 밀고 있는 형태로 구현한다.
데이터를 전달하는 통신 라인은 제품에서 방출되는 전기적 노이즈 및 서지나 다이오드 스위칭에서 발생하는 방사 노이즈에 취약하기 때문에, 무선으로 연결된다. 통신 부분은 선을 완전히 제거하기 위해 적외선 통신 방식을 채택할 수 있다. 각각 상단 회전체와 하단 베이스의 중앙에는 적외선 송신기과 적외선 수신기가 구비되고, 이를 통해서 데이터를 양방향으로 송수신할 수 있다. 레이저와 빛의 간섭을 최소화하기 위해 차폐막을 설치하고, 레이저와 적외선이 서로 간섭되지 않도록 한다.
거리 측정 장치는 FPGA 등으로 구현된 제어부를 통해 제1 각도 조절부의 반사체의 수직 스캐닝 움직임을 조절한다. 제어부는 주기적으로 +/- 시그널을 송신하여, 반사체를 스윙시킨다. 반사체는 -10도 내지 +10도 각도로 스윙할 수 있다. 시그널이 주기파형이면, 주기적인 시점에 따라 거울의 각도가 일정하다. 필요에 따라서는 거울의 후면에 PSD(Position Sensitive Diode) 센서를 장착하여 각도를 측정할 수 있다. 거리 측정 장치는 FPGA 등으로 구현된 제어부를 통해 회전체의 수평 회전 움직임을 조절한다. 제어부는 회전체의 회전 속도를 제어하고 회전체 내부 또는 외부에 있는 엔코더를 통해서 회전 각도를 측정한다.
반사체의 수직 스캐닝 움직임을 조절하는 제어부 및 회전체의 수평 회전 움직임을 조절하는 제어부는 각각 독립된 모듈로 구현될 수 있다.
거리 측정기는 반사체의 수직 스캐닝 움직임을 조절하는 제어부로부터 수직 각도를 수신하고, 수평 회전 움직임을 조절하는 제어부로부터 수평 각도를 수신하여, 수직 각도와 수평 각도를 저장한다.
거리 측정 장치는 광원에서 출사된 광을 광 다이오드에서 수신하여, 비행기간(ToF)을 산출한다. 거리 측정 장치는 인터페이스를 통하여 호스트로 수직 각도, 수평 각도, 및 비행시간을 전달한다. 비행기간은 보정 또는 캘리브레이션될 수 있다. 거리 측정 장치는 수직 각도, 수평 각도, 및 비행시간 중에서 적어도 하나에 대해 노이즈를 제거하는 필터링을 수행한 후 호스트로 데이터를 전송할 수 있다.
도 16은 광 송수신기를 이용하여 거리 측정 장치가 획득한 3차원 정보(점군 데이터)를 예시한 도면이다. 3차원 점군 데이터의 위치 단위는 미터이다. 거리 측정 장치는 바닥면과 벽면에 관한 점군 데이터를 획득할 수 있다.
포인트 조절부(112), 기준 각도 조절부(148), 제1 구동부(144), 제1 주파수 조절부(146), 제2 구동부(154), 및 제2 주파수 조절부(156)가 설정하는 수치는 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.
라이다 센서(광 송수신기) 및 거리 측정 장치에 포함된 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
거리 측정 장치 및 거리 측정기는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
거리 측정 장치 및 거리 측정기는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 이동체 10: 거리 측정 장치
20: 이동 장치 100: 광 송수신기
110: 광 송신부 120: 광 수신부
130: 광 차단벽 140: 제1 각도 조절부
150: 제2 각도 조절부 160: 회전부 연결부
200: 거리 측정기

Claims (20)

  1. 제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 포함하는 제1 각도 조절부;
    상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역으로 광을 송신하는 광 송신부;
    상기 제1 각도 조절부의 상기 제2 반사 영역으로부터 광을 수신하는 광 수신부; 및
    상기 송신하는 광의 이동 경로와 상기 수신하는 광의 이동 경로를 분리하는 광 차단벽
    을 포함하는 광 송수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 차단벽은 상기 광 송신부와 상기 광 수신부 사이에 설치되며, 상기 광 송신부가 송신하는 광이 상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역에 반사 또는 산란되고, 상기 반사 또는 산란된 광이 상기 광 수신부에 도달하지 않도록 상기 제1 각도 조절부와의 관계에서 상기 광 차단벽이 차단 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체와 상기 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체를 포함하고, 상기 제1 반사체와 상기 제2 반사체는 상기 광 차단벽에 의해 분리된 공간에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 차단벽은 상기 제1 각도 조절부로부터 상기 광 차단벽까지의 거리(Hb), 상기 광 차단벽의 두께(Wb), 상기 제1 반사 영역으로부터 상기 광 송신부까지의 거리(H1), 상기 광 송신부의 두께를 포함하는 상기 광 차단벽으로부터 상기 광 송신부까지의 거리(W1), 상기 제2 반사 영역으로부터 상기 광 수신부까지의 거리(H2), 상기 광 수신부의 두께를 포함하는 상기 광 차단벽으로부터 상기 광 수신부까지의 거리(W2), 상기 제1 각도 조절부의 기준 각도, 상기 제1 각도 조절부의 이동 각도, 또는 이들의 조합을 포함하는 길이 관계를 이용하여 상기 차단 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 기 설정된 주기로 움직여서 상기 제1 반사 영역의 법선과 상기 제2 반사 영역의 법선의 기울기를 변화시키고,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역의 주기와 상기 제2 반사 영역의 주기를 동기화하고, 상기 제1 반사 영역의 법선 방향과 상기 제2 반사 영역의 법선 방향을 일치시키는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 휨 운동, 공진 운동, 왕복 운동, 시소 운동, 회전 운동, 또는 이들의 조합으로 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역과 상기 제2 반사 영역을 갖는 반사체를 포함하고, 상기 반사체는 움직이도록 상기 광 송수신기의 프레임에 설치되며, 상기 반사체에 부착된 자석과 상기 프레임에 설치된 코일의 전자기력을 이용하여, 상기 반사체가 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역과 상기 제2 반사 영역을 갖는 반사체를 포함하고, 상기 반사체는 움직이도록 상기 광 송수신기의 프레임에 설치되며, 상기 프레임에 설치된 자석과 상기 반사체에 부착된 코일의 전자기력을 이용하여, 상기 반사체가 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체와 상기 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체를 포함하고, 상기 제1 반사체와 제2 반사체는 다각형 기둥으로 형성되어 회전하며 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부의 반사체를 움직이는 제1 구동부, 상기 제1 각도 조절부의 반사체가 움직이는 주기를 조절하는 제1 주파수 조절부, 상기 제1 각도 조절부의 반사체가 설치된 각도를 조절하는 기준 각도 조절부, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 송신부는 광을 출사하는 광원, 광을 반사하는 송신 반사체, 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 광 수신부는 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드, 광을 반사하는 수신 반사체, 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 상기 광원이 출사하는 속도를 조절하여 단위시간당 획득하는 점군 데이터 수를 조절하는 포인트 조절부, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 송수신기는 제2 각도 조절부를 추가로 포함하며,
    상기 제2 각도 조절부는 상기 광 송신부, 상기 광 수신부, 및 상기 광 차단벽이 부착되어 회전하는 회전체; 상기 회전체에 연결되어 상기 회전체를 회전시키는 제2 구동부; 및 상기 광 송수신기의 베이스와 상기 회전체를 연결하는 회전체 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회전체 연결부는 상기 회전체 내부에서 도체가 물리적으로 접촉하여 전력을 전달하는 파워 라인 및 상기 회전체 내부에서 상기 회전체와 무선으로 연결되어 데이터를 전달하는 데이터 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 파워 라인은 상기 도체에서 마모되는 부분에 상기 도체가 접촉된 방향으로 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  15. 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기;
    상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며,
    상기 광 송수신기는,
    제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 포함하는 제1 각도 조절부;
    상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역으로 광을 송신하는 광 송신부;
    상기 제1 각도 조절부의 상기 제2 반사 영역으로부터 광을 수신하는 광 수신부; 및
    상기 송신하는 광의 이동 경로와 상기 수신하는 광의 이동 경로를 분리하는 광 차단벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광 차단벽은 상기 광 송신부와 상기 광 수신부 사이에 설치되며, 상기 광 송신부가 송신하는 광이 상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역에 반사 또는 산란되고, 상기 반사 또는 산란된 광이 상기 광 수신부에 도달하지 않도록 상기 제1 각도 조절부와의 관계에서 상기 광 차단벽이 차단 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 거리 측정기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체와 상기 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체를 포함하고, 상기 제1 반사체와 상기 제2 반사체는 상기 광 차단벽에 의해 분리된 공간에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 거리 측정기.
  18. 이동체에 있어서,
    상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치; 및
    상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며,
    상기 거리 측정 장치는,
    시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기;
    상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며,
    상기 광 송수신기는,
    제1 반사 영역과 제2 반사 영역을 포함하는 제1 각도 조절부;
    상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역으로 광을 송신하는 광 송신부;
    상기 제1 각도 조절부의 상기 제2 반사 영역으로부터 광을 수신하는 광 수신부; 및
    상기 송신하는 광의 이동 경로와 상기 수신하는 광의 이동 경로를 분리하는 광 차단벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광 차단벽은 상기 광 송신부와 상기 광 수신부 사이에 설치되며, 상기 광 송신부가 송신하는 광이 상기 제1 각도 조절부의 상기 제1 반사 영역에 반사 또는 산란되고, 상기 반사 또는 산란된 광이 상기 광 수신부에 도달하지 않도록 상기 제1 각도 조절부와의 관계에서 상기 광 차단벽이 차단 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 이동체.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 각도 조절부는 상기 제1 반사 영역을 갖는 제1 반사체와 상기 제2 반사 영역을 갖는 제2 반사체를 포함하고, 상기 제1 반사체와 상기 제2 반사체는 상기 광 차단벽에 의해 분리된 공간에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 이동체.
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