KR20200050008A - 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 공간을 영상으로 제공하는 라이다 장치에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은 전원 공급부와 레이저 광 식별 정보를 포함하는 레이저 광을 송출하는 레이저 송신부와 상기 레이저 송신부에서 송출된 레이저 광이 개체에 반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 레이저 수신부와 상기 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보에 기초하여 반사광에 대응하는 레이저 광의 송출 방향을 식별한 정보를 처리 및 출력하는 데이터 처리부와 상기 레이저 수신부의 정보를 수신하거나 상기 데이터 처리부의 정보를 전송하는 데이터 송수신부와 데이터 송수신부에서 전송된 데이터를 기반으로 3차원 공간의 영상을 제공하는 영상 제공부를 포함하는 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치이다.

Description

3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치{Lidar apparatus using 3D space scanning technology}
본 발명은 3차원 공간을 영상으로 제공하는 라이다 장치에 관한 것이다.
일반적으로 라이다(Light detection and ranging)는 대기 중의 온도, 습도 및 먼지, 연기, 에어로졸, 구름입자 등의 존재와 이동을 측정하기 위한 레이더로서, 가시광선이나 적외선 등의 레이저광선을 이용하며, 방출된 레이저광의 펄스는 떠다니는 입자에 의하여 후방 산란되고, 이 산란된 펄스가 지상관측소에서 수신하는 방식으로 측정하게 된다.
또한, 라이다는 방위 분해능, 거리 분해능이 우수하며, 또한 레이저광은 마이크로파에 비해 도플러 효과가 크다는 것을 이용하여 미세한 저속도 목표물의 속도 측정을 하는 도플러 레이더와, 목표 물체에 대한 분자의 라만시프트에 의한 송신광과 다른파장의 수신광을 검출하여 그 파장, 강도 등으로부터 대기 성분분석 등을 동시에 실행하는 라만 레이더 등이 있다.
이를 이용한 라이다 장치는 기상 관측이다 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서, 무인 주행 차 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술을 위한 연구되고 있다.
라이다 장치의 일 예로, 대한민국 등록특허공보 10-1773020호에 개시된 라이다 센서 장치를 들 수 있다.
종래의 기술에 따른 라이다 장치는 작업자가 라이다 장치를 이용하여 물체 또는 공간을 스캐닝하는 방법에 대한 기술만 명시되어 있고, 스캔을 한 물체 또는 공간을 영상으로 나타내는 기술은 명시되어 있지 않다.
대한민국 등록특허공보 10-1773020호
따라서, 본 발명의 목적은 종래기술에 따른 문제점을 해결하는 것이다.
구체적으로 본 발명의 목적은 레이저를 조사하여 3차원 공간을 스캐닝하고, 스캐닝 한 3차원 공간의 영상을 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치로서 전원공급부와 레이저 광 식별 정보를 포함하는 레이저 광을 송출하는 레이저 송신부와 상기 레이저 송신부에서 송출된 레이저 광이 개체에 반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 레이저 수신부와 상기 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보에 기초하여 반사광에 대응하는 레이저 광의 송출 방향을 식별한 정보를 처리 및 출력하는 데이터 처리부와 상기 레이저 수신부의 정보를 수신하거나 상기 데이터 처리부의 정보를 전송하는 데이터 송수신부와 데이터 송수신부에서 전송된 데이터를 기반으로 3차원 공간의 영상을 제공하는 영상제공부를 포함하는 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치이다.
또한 바람직하게는, 상기 레이저 송신부는, 레이저 광을 송출하는 메인 송신모듈과 상기 메인 송신모듈 주변에 배치되어 송출된 레이저 광의 식별정보를 저장하거나 별도의 송출 동작 제어를 수행하는 적어도 하나 이상의 보조 송신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 레이저 수신부는, 반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 메인 수신모듈과 상기 메인 수신모듈 주변에 배치되어 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보를 저장하거나 별도의 수신 제어를 수행하는 보조 수신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 데이터 처리부는, 상기 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보에 기초하여 상기 반사광에 대응하는 레이저 광의 송출 방향을 식별하는 신호 처리모듈과 상기 신호 처리모듈의 식별된 정보를 기반으로 위치 정보를 정리하는 데이터 정리모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 영상 제공부는, 상기 데이터 송수신부에서 전송된 위치정보 데이터로 3차원 공간 영상을 제작하는 영상 제작모듈과 상기 영상 제작모듈에서 제작된 영상을 화면으로 제공하는 디스플레이모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 과제에 해결수단 따르면, 본 발명은 라이다 장치를 사용하는 사용자가 라이다 장치 주변을 영상으로 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치에 관한 구성 블록도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치에 대한 전면 회로도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치에 대한 후면 회로도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치에 관한 구성 블록도이며. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치에 대한 전면 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치에 대한 후면 회로도이다.
먼저, 도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 라이다 장치(1000)는, 전원공급부(100), 레이저 송신부(200), 레이저 수신부(300), 데이터 처리부(400), 데이터 송수신부(500), 영상 제공부(600)를 포함하며, 도2 내지 도3에 도시한 바와 같이, 상기 라이다 장치(1000)의 구성 전체 또는 일부가 하나의 패널에 구비될 수 있다.
라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 빛 또는 주로 레이저를 사용해서 물체와의 거리나 위치를 측정하는 방식을 의미하며, 레이저 신호의 변조 방법에 따라 time-of-flight(TOF) 방식과 phase-shift 방식으로 구분될 수 있다.
TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 것이 가능하다.
Phase-shift 방식은 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 측정 범위 내에 있는 물체로부터 반사되어 되돌아오는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 방식이다.
상기와 같은 방식을 사용한 라이다는 관측 및 거리 측정을 목적으로 주로 연구되며, 최근에는 위성에서의 기상 관측, 무인 로봇 센서 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술들이 연구된다.
Elastic-backscatter lidar는 레이저 파장의 변화없이 입자들의 운동량에 따라 backscattering되는 빛의 spectral broadening 특성을 이용하여 대기 중의 에어로졸 및 구름의 특성 측정 등에 활용되는 기술이고,
Raman lidar는 분자 에너지 상태에 따라 분산되는 레이저 빛의 주파수 변화 및 Raman band 내의 세기 분포 분석을 통하여 대기 중의 수증기 및 온도 분포 등의 측정에 활용되는 기술이며,
Differential-absorption lidar(DIAL)는 각기 다른 레이저 파장을 가지는 레이저 빔들에 대하여 측정 대상 물질의 흡수 차이를 이용하여 대기 오염물질 등의 농도 분포를 측정할 수 있는 기술이고,
Resonance fluorescene lidar는 원자, 이온 또는 분자의 에너지 천이와 동일한 에너지를 가지는 레이저 빛에 대하여 동일 파장의 빛 또는 긴 파장의 빛을 방출하는 특성을 이용하여 중간권역 대기 중의 원자 및 이온 농도를 측정하는 기술이며,
Doppler lidar는 도플러 효과에 의한 레이저 빔의 미세한 주파수 변화를 측정하여 바람 등의 속도를 측정하는 기술이고,
Laser rangefinder는 물체로부터 반사되는 레이저의 수신 시간을 측정하여 거리를 측정하는 가장 간단한 형태의 라이다 기술이며,
Imaging lidar는 레이저 빔의 진행 방향에 대한 거리 정보를 포함하여 공간에 대한 영상 모델링이 가능한 기술로써 laser rangefinder 기술을 기반으로 point-scanning을 통하여 point cloud 정보를 수집하거나 광각의 flash-laser에 대하여 반사되는 레이저 빛을 다중 배열 수신소자를 통하여 수집함으로써 3차원 영상 구현이 가능한 기술이다.
상기에 다양한 라이다를 예로 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 상기에서 예로 들지 않은 라이다를 활용할 수 있다.
상기 라이다 장치(1000)의 레이저 송신부(200)는 송출 방향에 대응하는 레이저 광 식별 정보를 포함하는 레이저 광을 생성하고, 송출 방향을 변경하면서 생성된 레이저 광을 송출한다. 이때, 레이저 광 식별 정보는 상이한 방향으로 송출된 각각의 레이저 광이 개체에 반사되어 돌아오는 경우, 수신된 반사광이 어떤 방향으로 송출된 레이저 광에 대한 반사광인지 여부를 식별하기 위한 것이다.
상기 레이저 송신부(200)는 레이저 광을 송출하는 메인 송신모듈(210)과 상기 메인 송신모듈(210) 주변에 배치되어 송출된 레이저 광의 식별정보를 저장하거나 별도의 송출 동작 제어를 수행하는 적어도 하나 이상의 보조 송신모듈(220)를 포함하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 레이저 송신부(200)의 메인 송신모듈(210)에서 송출되는 각각의 레이저 광은 송출된 방향에 대한 식별 정보인 레이저 광 식별 정보를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 송신부(200)는 특정 방향으로 송출된 레이저 광에 대한 반사광이 레이저 수신부(300)로 수신되었는지 여부와 무관하게 송출 방향을 변경하면서 레이저 광을 송출할 수 있다.
이때, 상기 레이저 송신부(200)에서 송출되는 레이저 광은 펄스레이저인 것이 바람직하다.
한편, 상기 레이저 수신부(300)는 레이저 송신부(200)에 의해 송신된 레이저 광이 송신된 방향에 존재하는 개체에 반사되어 돌아오는 반사광을 수신한다.
상기 레이저 수신부(300)는 반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 메인 수신모듈과 상기 메인 수신모듈 주변에 배치되어 반사광에 포함된 레이저 광 식별정보를 저장하거나 별도의 수신 제어를 수행하는 보조 수신모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 레이저 송신부(200)에 의해 송출되는 각각의 레이저 광은 레이저 광 식별 정보를 가지므로, 레이저 수신부(300)로 수신되는 각각의 반사광 역시 레이저 광 식별 정보를 가지게 된다. 따라서, 상이한 방향으로 송출된 각각의 레이저 광에 대한 반사광들이 수신되더라도 어떤 방향으로 송출된 레이저 광에 대한 반사광인지 여부를 식별할 수 있게 된다.
상기 레이저 수신부(300)는 반사광을 포커싱하기 위한 포커싱 렌즈 및 수신된 반사광을 전기적 신호로 변환하는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 수신부(300)는 레이저 반사신호를 수신한 후 수신된 신호의 세기를 기록하거나, 레이저 반사신호를 수신한 후 수신된 신호의 수신시간을 측정 종료시간으로 기록할 수 있다.
여기서, 수신시간은 데이터 정리부(400)의 신호 처리모듈에서 거리를 측정하기 위해 활용될 수 있다.
한편, 데이터 처리부(400)는 레이저 수신부(300)를 통해 수신된 레이저 반사신호를 이용하여 레이저 신호의 송출방향 즉, 레이저 신호를 송신한 송신 다이오드를 확인하고, 라이다 장치(1000)와 대상물체 간의 거리, 대상물체의 위치 정보등을 산출하여 영상을 제작하는 데 필요한 데이터를 정리한다.
상기 데이터 처리부(400)는 상기 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보에 기초하여 상기 반사광에 대응하는 레이저 광의 송출방향을 식별하는 신호 처리모듈, 상기 신호 처리모듈에서 식별된 데이터를 기반으로 위치정보를 정리하는 데이터 정리모듈를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 신호처리모듈은 레이저 수신부(300)로 수신된 반사광에 포함된 광 식별정보에 기초하여 개체까지의 거리, 개체의 속도, 반사광의 강도 및 반사광의 폭 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
이 때, 신호 처리모듈는 상기 레이저 수신부(300)를 통해 수신된 레이저 반사 신호를 이용하여 레이저 신호의 송출방향 즉, 레이저 신호를 송신한 송신 다이오드를 확인하고, 라이다 장치(1000)와 대상물체 간의 거리, 대상 물체의 위치정보 등을 산출한다.
상기 데이터 처리부(400)의 데이터 정리모듈은 신호 처리모듈에서 산출된 데이터를 이용하여 3차원 공간을 그릴 수 있도록 데이터를 정리한다.
한편, 데이터 송수신부(500)는 상기 레이저 수신부(300)의 데이터를 수신하여 데이터 처리부(400)로 송신하거나 상기 데이터 처리부(400)의 데이터를 수신하여 영상 제공부(600)로 송신한다.
이때, 데이터 처리부(400)의 정보는 상기 데이터 송수신부(400)를 거치지 않고 영상 제공부(600)로 송신할 수 있다.
한편, 영상제공부(600)는 상기 데이터 송수신부(500)에서 전송된 정보를 기반으로 3차원 공간의 영상을 제공한다.
상기 영상 제공부(600)는 상기 데이터 송수신부(500)에서 전송된 위치정보를 이용하여 3차원 공간의 영상을 제작하는 영상 제작모듈과 상기 영상 제작모듈에서 제작된 영상을 화면으로 제공하는 디스플레이모듈을 포함한다.
상기 영상 제작모듈은 상기 데이터 송수신부(500)에서 전송된 위치정보를 이용하여 대상물체 또는 라이다 장치 주변을 3차원 영상으로 제작할 수 있다.
상기 영상제작모듈에서 제작된 영상은 디스플레이모듈을 통하여 사용자가 대상물체 또는 라이다 장치 주변을 육안으로 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 도면에 도시한 실시 예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.
1000 : 라이다 장치
100 : 전원 공급부
200 : 레이저 송신부
210 : 메인 송신모듈
220 : 보조 송신모듈
300 : 레이저 수신부
310 : 메인 수신모둘
320 : 보조 수신모듈
400 : 데이터 처리부
500 : 데이터 송수신부
600 : 영상 제공부

Claims (5)

  1. 전원 공급부;
    레이저 광 식별 정보를 포함하는 레이저 광을 송출하는 레이저 송신부;
    상기 레이저 송신부에서 송출된 레이저 광이 개체에 반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 레이저 수신부;
    상기 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보에 기초하여 반사광에 대응하는 레이저 광의 송출 방향을 식별한 정보를 처리 및 출력하는 데이터 처리부;
    상기 레이저 수신부의 정보를 수신하거나 상기 데이터 처리부의 정보를 전송하는 데이터 송수신부;
    상기 데이터 송수신부에서 전송된 데이터를 기반으로 3차원 공간의 영상을 제공하는 영상 제공부;를 포함하는 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 송신부는,
    레이저 광을 송출하는 메인 송신모듈;
    상기 메인 송신모듈 주변에 배치되어 송출된 레이저 광의 식별정보를 저장하거나 별도의 송출 동작 제어를 수행하는 적어도 하나 이상의 보조 송신모듈;을 포함하는 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 수신부는,
    반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 메인 수신모듈;
    상기 메인 수신모듈 주변에 배치되어 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보를 저장하거나 별도의 수신 제어를 수행하는 보조 수신모듈;을 포함하는 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 수신된 반사광에 포함된 레이저 광 식별 정보에 기초하여 상기 반사광에 대응하는 레이저 광의 송출 방향을 식별하는 신호 처리모듈;
    상기 신호처리모듈의 식별된 정보를 기반으로 위치정보를 정리하는 데이터 정리모듈;을 포함하는 3차원 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 영상 제공부는,
    상기 데이터 송수신부에서 전송된 위치정보 데이터로 3차원 공간 영상을 제작하는 영상 제작모듈;
    상기 영상 제작모듈에서 제작된 영상을 화면으로 제공하는 디스플레이모듈;을 포함하는 3차원 공간 스캐닝 기술을 활용한 라이다 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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