KR20200049726A

KR20200049726A - 라이다 스캐너

Info

Publication number: KR20200049726A
Application number: KR1020200048870A
Authority: KR
Inventors: 원범식
Original assignee: 주식회사 에스오에스랩
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2020-05-08
Also published as: KR102359132B1

Abstract

본 개시내용은 라이다 스캐너 내부에 대상 물체를 스캐닝하는 영역 반대편인 후방영역(센서 내부영역)에 소정의 패턴을 갖는 반사체를 위치시켜 거리 정확도 보정을 위한 LUT를 생성하기 위한 라이다 스캐너를 제공함에 있다. 본 개시내용의 일 실시예에 의하면, 레이저 광을 조사하는 광 송신부(10)와, 상기 광 송신부(10)로부터 조사된 광을 일정 각도로 반사시키는 스캐닝 미러(20)와, 상기 스캐닝 미러(20)를 회전시키는 모터부(30)와, 상기 스캐닝 미러(20)를 통해 측정 대상에 도달한 후 반사되거나 산란되는 레이저 광을 스캐닝 미러(20)를 통해 수광하는 광 수신부(40)와, 상기 광 수신부(40)가 수신한 정보를 처리하는 정보처리부(50)를 포함하는 라이다 스캐너에 있어서, 상기 측정 대상의 반대편에 위치하며, 소정의 패턴을 갖는 반사체(60)를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

라이다 스캐너{LIDAR SCANNER}

본 개시내용은 라이다 스캐너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라이다 시스템이 전방 영역을 스캐닝하면서, 거리 정확도를 보정하기 위한 LUT를 생성하기 위하여 스캐너 후방 영역에 반사체가 구비된 라이다 스캐너에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.

라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)란 레이저를 발사하여 특정 대상물체에 도달하고 레이저가 반사 또는 산란되어 돌아오는 시간을 계산하여 거리를 측정함으로써 특정 물체나 장애물 등의 존재를 감지하기 위한 센서이다. 이러한 라이다는 물체 감지와 거리 측정을 하기 위한 수단이 레이저이므로 흔히 레이저 레이더 또는 3차원 스캐너라고 불린다. 일반적으로 알고있는 레이더와 비교하여 전자기파 대신 파장이 짧은 레이저를 사용하여 측정 정밀도가 높아져 주변 정보를 정확히 파악할 수 있다는 점에서 최근 이슈가 되고 있는 자율주행시스템에 적용되고 있다.

일반적으로 라이다는 레이저 광을 조사하는 광 송신부, 광 송신부로부터 조사된 광을 일정 각도로 반사시키는 스캐닝 미러를 포함하는 스캐너부, 상기 스캐닝 미러를 회전시키는 모터부, 대상 물체로부터 반사 또는 산란되어 돌아오는 레이저 광을 스캐닝 미러에서 반사되어 수광하는 광 수신부, 및 상기 광 수신부가 수신한 정보를 처리하는 신호처리부로 구성된다.

또한, 라이다의 거리측정은 비행시간 거리측정법(Time-of-Flight, ToF)을 사용하는데, 이는 펄스가 발사된 기준 시점과 측정대상물에서 반사되어 되돌아온 펄스의 검출시점 사이의 시간차를 측정하여 거리를 측정하는 원리이다.

여기서, 시간을 측정하기 위한 가장 대표적인 방법으로는, 도 1에 도시된 바와 같이 리딩 엣지 디스크리미네이터(Leading Edge Discriminator, LED) 방식을 이용한 라이다 시스템을 도식화하였다. 상기 LED 방식은 아날로그 펄스 신호(210, 220)가 기준 크기(230)보다 높을 때를 판별하여 디지털 신호를 출력하는 비교기 회로가 포함된 방식이다. LED 방식에서 상기 비교기 회로는 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)에서 레이저가 발사된 시점의 아날로그 신호와 포토 다이오드(Photo Diode, PD)로 들어오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 역할을 한다.

그러나 상기 LED 방식을 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에서, 스캐너에서 동일한 거리에 위치하지만 상이한 반사율을 가진 서로 다른 두 개의 대상 물체로부터 반사된 펄스(pulse) 신호는 상기 ToF에 따른 거리측정 과정에서 다른 거리값을 출력하는 워크 에러(Walk error)가 발생하게 된다. 보다 상세하게는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 두 물체가 동일한 거리에 있더라도 두 물체의 반사율에 따라서 포토 다이오드에 들어오는 신호(220a, 220b)의 크기가 달라지게 되면 아날로그 신호가 디지털 신호(310a, 310b)로 변환되는 시점(t_a, t_b)이 바뀌게 되는데 그 차이는 1ns당 150mm라는 거리오차로 나타나게 되고 이와 같은 워크 에러를 개선할 필요가 있다.

US8625081B2 에서는 펄스 폭(pulse width)을 측정하여 워크 에러를 보상하는 방법을 적용시키기 위해 스캐너 구동시 자동으로 LUT(Look Up Table)를 생성하는 방법을 소개하고 있다. LUT란 한 데이터 형태에서 다른 데이터 형태로 변환하는 데 이용되는 방법으로, 단순한 계산식으로 계산이 힘들 경우나 궤환회로를 이용하여 특정 값에 수렴하게 만들기 힘든 경우에 특정 값과 변수에 대한 모든 값을 테이블화하여 만든 것을 의미한다. US8625081B2에서는 스캐너 초기 구동시 광원의 밝기를 제어하여 LUT를 생성하는 방법을 개시한다.

라이다 스캐너 내부에 대상 물체를 스캐닝하는 영역 반대편인 후방영역(센서 내부영역)에 소정의 패턴을 갖는 반사체를 위치시켜 거리 정확도 보정을 위한 LUT를 생성하기 위한 라이다 스캐너를 제공함에 있다.

또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.

본 개시내용의 일 실시예에 의하면, 레이저 광을 조사하는 광 송신부(10)와, 상기 광 송신부(10)로부터 조사된 광을 일정 각도로 반사시키는 스캐닝 미러(20)와, 상기 스캐닝 미러(20)를 회전시키는 모터부(30)와, 상기 스캐닝 미러(20)를 통해 측정 대상에 도달한 후 반사되거나 산란되는 레이저 광을 스캐닝 미러(20)를 통해 수광하는 광 수신부(40)와, 상기 광 수신부(40)가 수신한 정보를 처리하는 정보처리부(50)를 포함하는 라이다 스캐너에 있어서, 상기 측정 대상의 반대편에 위치하며, 소정의 패턴을 갖는 반사체(60)를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)는 스캐너 내부에 위치하며, 스캐닝 미러(20)를 중심으로 굽은 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)는 일측에서 타측으로 갈수록 명도가 밝아지는 규칙적인 명암패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)는 일측에서 타측으로 갈수록 명도가 불규칙적으로 배치되는 명암패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)는 일측에서 타측으로 갈수록 명도가 다른 명암패턴이 교차되어 배치되는 명암패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)의 명암패턴은 동일한 폭을 가진 바가 일측에서 타측으로 배열되는 패턴인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)의 명암패턴은 서로 다른 폭을 가진 바가 일측에서 타측으로 배열되는 패턴인 것을 특징으로 한다.

본 개시내용의 실시예에 의하면, 스캐너 내부에 반사체를 구비하여 거리 정확도 보정을 위한 LUT를 생성함으로써 실시간으로 캘리브레이션(calibration)을 진행함으로써 동일한 거리만큼 이격되어있으나 서로 다른 반사율을 가진 측정 대상들에 대해 동일한 거리값을 갖도록 보정하여 출력할 수 있게 된다.

또한, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 반사체가 임의의 패턴을 갖도록 하여 측정된 반사 신호를 이용함으로써 측정 대상의 초기 위치를 알 수 있으며, 모터부의 회전 각도를 인식하여 모터 회전에 대한 위치 보정값으로 활용할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 내지 도 3은 종래 라이다 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체가 포함된 스캐너의 작동상태도.
도 5a 및 5b는 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체의 다양한 실시예에 대한 상세도.
도 6은 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체의 일 실시예와 그에 따른 신호 패턴을 설명하기 위한 도면.
도 7a 및 7b는 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체의 또 다른 실시예에 대한 상세도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 라이다 스캐너의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 3은 상기 언급된 바와 같이, 종래 라이다 시스템에 있어서 동일한 거리에 있으나 서로 다른 반사율을 가진 물체를 스캐닝하면서 발생하는 거리 오차인 워크 에러를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체가 포함된 스캐너의 작동상태도를 도시한다.

상기 광 송신부(10)에서는 레이저 광을 스캐닝 미러(20)를 향해 조사한다. 상기 스캐닝 미러(20)는 스캐너 내부에 위치하며 상기 광 송신부(10)로부터 조사된 광을 측정 대상을 향해 반사시키는 역할을 한다. 상기 스캐닝 미러(20)는 회전축을 기준으로 소정의 각도만큼 기울여 위치되며, 이를 360° 회전시키는 모터부(30)와 연결되어 있어 모터의 구동에 의하여 회전축을 중심으로 회전한다. 상기 광 송신부(10)로부터 조사되어 스캐닝 미러(20)를 통해 반사된 레이저 광이 측정 대상을 스캐닝하기 위하여 스캐너 일부가 개방된 구조로 이루어져 있다. 따라서, 스캐닝 미러(20)가 회전하면서 개방된 영역을 향해 위치될 때, 레이저 광이 측정 대상을 향해 조사되고 다시 스캐닝 미러(20)를 향해 반사 또는 산란되어 되돌아오는 레이저 광이 광 수신부(40)에서 수신된다. 레이저 광이 수신되는 광 수신부(40)와 스캐닝 미러(20) 사이에는 수신되는 광을 집광할 수 있도록 하는 집광 렌즈가 더 포함될 수 있다. 또한, 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너는 상기 광 수신부(40)가 수신한 정보를 처리하는 정보처리부(50)를 포함할 수 있다. 상기 정보처리부(50)(도면에 도시되지 않음)는 광 송신부(10)로부터 레이저 광이 조사된 시점으로부터 측정 대상에서 반사되어 광 수신부(40)로 되돌아온 광의 검출 시점 사이의 시간차를 측정하여 라이다 스캐너와 측정 대상과의 거리를 획득한다.

여기서, 도 4의 작동상태도에 도시된 바와 같이, 상기 스캐닝 미러(20)가 스캐너의 개방된 영역을 향해 위치될 때에 레이저 광이 측정 대상을 향해 조사되고, 상기 스캐닝 미러(20)가 모터부(30)에 의해 회전되면서 비개방 영역을 향해 위치될 때에는 레이저 광이 측정 대상 반대편에 위치하는 반사체(60)를 향해 조사되어 다시 스캐닝 미러(20)를 향해 반사시킨다. 상기 반사체(60)는 바람직하게는 스캐너 내부에서 측정 대상의 반대편에 굽은 형상으로 구성될 수 있다. 이는 스캐닝 미러(20)가 회전축을 중심으로 회전하므로 상기 회전축을 중심으로 하여 동일한 반경을 가지는 굽은 형상으로 구성되는 것이다. 또한, 상기 반사체(60)는 기 설정된 패턴을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 반사체의 일측(a)에서 타측(a')으로 갈수록 어두운 색에서 밝은 색으로 명암이 규칙적으로 변화하는 형상을 가질 수 있으며, 도 5b에 도시된 바와 같이, 반사체의 일측(b)에서 타측(b')으로 갈수록 어두운 색과 밝은 색이 불규칙적으로 구성되는 형상을 가질 수도 있다.

여기서 상기 반사체(60)는, 스캐닝 미러(20)가 개방된 영역을 통해 측정 대상을 스캐닝하고 난 후에 스캐너 내부의 반사체(60)를 향해 레이저 광이 조사되어 스캐닝하면서 종래 라이다 스캐너가 가지고 있던 문제점인 워크 에러를 보상하기 위한 LUT를 생성하기 위한 구성이다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 스캐너로부터 동일한 거리에 있으나 서로 다른 반사율을 가진 물체로부터 레이저 광이 조사되어 반사된 광이 광 수신부(40)를 통해 수신하면 정보처리부(50)에서는 동일한 거리에 위치한 서로 다른 측정대상에 대해 다른 거리값을 출력해내게 되는데, 이를 보정하기 위하여 상기 스캐닝 미러(20)가 반사체(60)를 향해 위치될 때 레이저 광이 반사체(60)를 스캐닝하면서 거리 정확도 보정을 위한 LUT를 생성한다. 여기서 이미 알고 있는 거리에 대해 다른 반사율을 갖는 측정대상에 대한 거리를 측정하면 펄스폭 보상을 위한 LUT 생성이 가능하므로, 이와 같이 생성된 LUT를 통해 실시간으로 캘리브레이션(Calibration)을 진행하면서 거리 정확도를 보정한다. 그에 따라, 서로 다른 반사율을 가진 물체에 대해 같은 거리만큼 이격된 것으로 보정되어 출력될 수 있는 것이다.

도 6은 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체의 일 실시예와 그에 따른 신호 패턴을 설명하기 위한 도면을 도시한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 반사율이 낮은 어두운 색을 가진 반사체 영역에서는 신호가 없거나 매우 약하고, 상대적으로 반사율이 높은 밝은 색을 가진 영역에서는 신호가 높게 나타난다. 따라서, 상기 반사체(60)의 패턴이 불규칙적인 패턴을 가짐에 따라 레이저 광이 반사체(60)를 통하여 반사된 신호는 특정 형태의 높낮이를 갖게 되고 이와 같은 신호 패턴을 이용하여 측정 대상의 초기 위치를 알 수 있으며, 모터부(30)의 회전 각도를 인식하여 모터 회전에 대한 위치 보정값으로 활용할 수 있다. 또한, 불규칙적인 패턴을 가진 반사체(60)를 통해 다양한 크기의 신호를 수신할 수 있고 이를 기반으로 LUT를 생성하여 거리 정확도 보정을 위해 사용될 수 있을 것이다.

도 7a 및 7b는 본 개시내용에 따른 라이다 스캐너에 있어서, 반사체의 또 다른 실시예의 상세도를 도시한다.

본 개시내용의 또 다른 실시예에 의하면, 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 반사체(60)는 일측에서 타측으로 갈수록 명도가 다른 명암패턴이 교차되어 배치되는 명암패턴을 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 언급한 규칙적인 명암패턴과 불규칙적인 명암패턴을 가진 반사체(60)의 구조에 더하여 밝은 패턴과 어두운 패턴이 교차되어 배치되도록 하여 반사체(60)를 통해 반사된 신호 패턴을 이용하여 측정 대상의 초기 위치나 모터 회전에 대한 위치 보정값으로 활용할 수 있을 것이다. 또한, 전술한 규칙적인 명암패턴, 불규칙적인 명암패턴 및 밝은 패턴과 어두운 패턴이 교차되어 배치되는 명암패턴 등을 가진 반사체(60)는 그 경계를 명확히하기 위하여, 본 개시내용의 실시예에 의하면, 상기 반사체(60)의 명암패턴은 동일한 폭을 가진 바가 일측에서 타측으로 배열되는 패턴인 것을 특징으로 한다.

본 개시내용의 또 다른 실시예에 의하면, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 반사체(60)의 명암패턴은 서로 다른 폭을 가진 바가 일측에서 타측으로 배열되는 패턴인 것을 특징으로 한다.

전술한 내용에 따른 반사체(60)는 동일한 폭을 가진 명암패턴이 일측에서 타측으로 배열된 것과는 반대로 서로 다른 폭을 가진 명암패턴이 배열될 수도 있다. 이는, 불규칙적인 명암패턴을 가진 반사체(60)를 통해 다양한 크기의 신호를 수신할 수 있고 이를 기반으로 LUT를 생성하여 거리 정확도 보정을 위해 사용될 수 있는데, 그 명암패턴의 폭까지 달리함으로써 패턴을 통해 모터의 속도 정보를 얻을때 다양한 기준점들로 사용될 수 있는 것이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 광 송신부
20 : 스캐닝 미러
30 : 모터부
40 : 광 수신부
50 : 정보처리부
60 : 반사체

Claims

레이저 광을 조사하는 광 송신부;
상기 광 송신부로부터 조사된 광을 반사시키는 스캐닝 미러;
상기 스캐닝 미러를 회전시키는 모터부;
상기 스캐닝 미러를 통해 측정 대상에 도달한 후 반사되거나 산란되는 레이저 광을 스캐닝 미러를 통해 수광하는 광 수신부;
상기 광 수신부가 수신한 정보를 처리하는 정보처리부;를 포함하는 라이다 스캐너에 있어서,
상기 스캐닝 미러로부터 일정거리 이격되어 배치되며, 적어도 일 시점에 상기 광 송신부로부터 조사된 레이저가 상기 측정 대상을 통하지 않고 상기 광 수신부로 수광되도록 상기 레이저를 반사하는 반사체를 포함하는
라이다 스캐너.