KR20200059427A - 라이다 광학 장치 - Google Patents

Abstract

라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 광학 장치로서, 레이저 발신과 수신 동작을 수행하는 레이저 모듈(laser module); 상기 레이저 모듈의 전면 상에서 상기 레이저 발신과 수신에 반사 경로를 형성하는 미러 모듈(mirror module); 상기 미러 모듈의 수직 회전축에 결합하는 링크 커플러(link coupler); 상기 링크 커플러를 일정 각도 회동시켜 상기 미러 모듈을 좌우 방향에서 회동구동시키는 제1 진동모듈(first vibrating module); 상기 레이저 모듈, 상기 미러 모듈 및 상기 제1 진동모듈을 지지하는 플로팅 브라켓(floating bracket); 상기 플로팅 브라켓의 측면을 통해 상기 미러 모듈에 결합하고, 상기 미러 모듈을 상하 방향 또는 전후 방향에서 회동구동시키는 제2 진동모듈(second vibrating module); 및 상기 제2 진동모듈을 지지하는 베이스 브라켓(base bracket)을 포함한다.

Description

라이다 광학 장치{LIDAR OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미러의 수평 및 수직 회동 제어를 플로팅 구조를 이용하여 장치 구성을 단순화하면서 성능을 향상시킬 수 있는 라이다 광학 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차 또는 이동형 로봇 등에서 주변의 지형 또는 물체를 감지하기 위하여 레이저 레이다 장치(라이다, LIDAR - Light Detection And Ranging)가 많이 사용되고 있다.

이러한 라이다 장치는, 펄스 레이저광을 대기중에 발사해 그 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서, 반사광의 시간측정은 클럭펄스로 계산하며, 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.

그러므로 주변 영역으로 레이저 광을 조사하고 주변 물체 또는 지형에 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간과 강도 등을 이용함으로써, 측정 대상물의 거리와 속도, 형상을 측정하거나 주변의 물체나 지형을 정밀하게 스캔할 수 있는 것이다.

또한, 이러한 라이다는 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서도 널리 적용되고 있다.

그런데, 종래의 지상 라이다는 화각에 상응하게 빔 폭이 넓은 레이저를 방출하고 화각 내의 모든 방향으로 부터 동시에 반사광을 획득하여 반사체와의 거리를 획득하기 때문에, 출력이 매우 높은 레이저 모듈을 필요로 하며 따라서 매우 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 출력이 높은 레이저 모듈은 크기가 크고, 라이다 장치의 전체적인 크기를 키우는 요인으로 작용하게 된다.

특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비하는 라이다 장치의 경우, 송신광학계와 수신광학계를 포함하여 장치 전체가 회전하여 동작하게 된다. 그런데 이와 같은 장치 전체를 회전시키게 되는 경우 시스템 크기는 더욱 커지게 되는데, 이는 미관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라, 가격 및 소비전력 상승의 문제를 더욱 심화시키게 된다.

또한, 종래의 스캐닝 라이다의 경우, LASER의 반사, 굴절각을 산란시키기 위해서는 반사미러(Mirror)의 각도를 변경하기 위한 입사/반사각의 변경이 필요하고, 특정 관심영역에 대한 집중스캔이 어려우며, 다양한 레이저 패턴의 조사가 불가하고, 다수의 레이저 및 수광부 등의 사용으로 제조비용이 고가화 되고, 구현되는 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

이러한 본 발명의 배경기술로 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0078031(2017.07.07.)에 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것이 공지되어 있다.

상기 배경기술은 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것으로서, 측정 타겟으로 진행하는 펄스 레이저를 반사하는 반사미러를 모터를 통해 360도 회전을 제어함과 동시에, 단일 혹은 소수의 레이저와 수신부 및 수직 방향으로 미러가 회전하는 구조를 통하여, 수직 영역이 확장된 넓은 영역에 대한 스캔을 수행하여 3차원 공간정보 획득에 기반을 둔 안전성을 확보할 수 있는 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.

그러나 상기 종래 기술은 반사 미러를 360도 회전시키는 모터, 상기 반사 미러를 수직 방향으로 틸팅(tilting)되도록 제어하는 각도 조정부를 포함하는 구성을 개시하나, 하나의 회전모터를 이용하여 X축을 기준으로 좌우 방향으로의 일정 각도 만큼의 회전 운동 조절 및 Y축을 기준으로 일정 각도 만큼의 상하 방향 회전 운동 조절을 제공하고 있지 않으며, 반사미러의 효과적인 상하좌우로의 회전을 통한 레이저빔의 스캔성능을 향상시키는데는 한계가 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 미러의 수평 및 수직 회동 제어를 플로팅 구조를 이용함으로써 장치 구성을 단순화하면서 성능을 향상시킬 수 있는 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수평 회동 제어 수단과 미러가 결합된 플로팅 모듈을 수직 회동 제어 수단이 수직 회동하도록 이루어진 단순한 구조의 고성은 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 라이다 광학 장치는, 라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 광학 장치로서, 레이저 발신과 수신 동작을 수행하는 레이저 모듈(laser module); 상기 레이저 모듈의 전면 상에서 상기 레이저 발신과 수신에 반사 경로를 형성하는 미러 모듈(mirror module); 상기 미러 모듈의 수직 회전축에 결합하는 링크 커플러(link coupler); 상기 링크 커플러를 일정 각도 회동시켜 상기 미러 모듈을 좌우 방향에서 회동구동시키는 제1 진동모듈(first vibrating module); 상기 레이저 모듈, 상기 미러 모듈 및 상기 제1 진동모듈을 지지하는 플로팅 브라켓(floating bracket); 상기 플로팅 브라켓의 측면을 통해 상기 미러 모듈에 결합하고, 상기 미러 모듈을 상하 방향 또는 전후 방향에서 회동구동시키는 제2 진동모듈(second vibrating module); 및 상기 제2 진동모듈을 지지하는 베이스 브라켓(base bracket)을 포함한다.

일실시예에서, 상기 미러 모듈은 미러, 상기 미러를 둘러싸는 내부 미러 케이스, 및 상기 내부 미러 케이스의 수직 회전축을 지지하는 외부 미러 케이스를 구비한다. 일방향 또는 y-축 방향으로 연장하는 상기 수직 회전축은 상기 링크 커플러를 통해 상기 제1 진동모듈에 연결된다. 외부 미러 케이스는 내부 미러 케이스를 둘러싸고 지지하는 플로팅 브라켓의 일부분 또는 연장 부분에 해당할 수 있다.

일실시예에서, 상기 제2 진동모듈은 상기 플로팅 브라켓에 일체로 결합된 상기 외부 미러 케이스를 상기 y-축 방향과 직교하는 x-축 방향의 수평 회전축을 기준으로 상하 방향으로 회동시킨다.

일실시예에서, 라이다 광학 장치는 상기 외부 미러 케이스 및 상기 플로팅 브라켓과 상기 제2 진동모듈 사이에 배치되며 상기 베이스 브라켓에 의해 지지되는 수직 브라켓을 더 포함한다. 그 경우, 상기 제2 진동모듈의 상기 회전축은 상기 수직 브라켓을 관통하도록 배치된다.

일실시예에서, 라이다 광학 장치는 상기 제1 진동모듈 상기 제2 진동모듈의 동작 타이밍을 제어하는 제어모듈을 더 포함한다. 상기 제어모듈은 상기 미러 모듈에서 반사되어 발신 및 수신되는 레이저가 기설정된 범위를 커버하도록 상기 미러 모듈의 상하 방향과 좌우 방향에서의 회동 범위를 제한하도록 구현될 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 라이다 광학 장치를 사용하면, 미러를 좌우 방향으로 회동시키는 수단과 미러 모듈과, 레이저 모듈을 플로팅 브라켓(외부 미러 케이스를 포함함)으로 지지하고, 플로팅 브라켓을 상하 방향으로 회동시키는 수단을 통해 미러가 좌우 방향 및 상하 방향으로 유기적으로 동기되어 회동할 수 있도록 구성함으로써 미러의 수평(horizontal) 및 수직(vertical) 방향에서의 왕복 회동운동을 안정적이고 신뢰성있게 제어할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 전술한 구성을 통해 레이저빔을 효율적으로 반사 및 산란시켜 공간적인 데이터를 확보할 수 있는 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 모터 등을 진동모듈에 사용하면서도 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 알고리즘을 사용할 수 있어 기존의 라이다 광학 장치 대비 효율적인 레이저빔 제어를 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 외관을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 라이다 광학 장치에서 외부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 라이다 광학 장치의 정면도이다.
도 4는 도 3에서의 B-B 단면을 개략적으로 나타낸 횡단면도이다.
도 5는 도 2의 라이다 광학 장치에서 베이스 플레이트를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 라이다 광학 장치에서 플로팅 브라켓과 제2 진동모듈과 수직 브라켓을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 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 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.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 외관을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 라이다 광학 장치에서 외부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 라이다 광학 장치의 정면도이다. 도 4는 도 3에서의 B-B 단면을 개략적으로 나타낸 횡단면도이다. 도 5는 도 2의 라이다 광학 장치에서 베이스 플레이트를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다. 그리고 도 6은 도 5의 라이다 광학 장치에서 플로팅 브라켓과 제2 진동모듈과 수직 브라켓을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 라이다 광학 장치(100)는, 외부케이스(110)와 외부케이스(110)의 일면부에 배치되어 내부의 레이저빔을 외부로 전달하고 외부에서 반사되는 레이저빔을 내부에 전달하는 윈도우(120)를 구비한다.

또한, 라이다 광학 장치(100)는, 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 레이저 발신과 수신 동작을 수행하는 레이저 모듈(400), 레이저 모듈(400)의 전면 상에서 레이저 발신과 수신에 있어 레이저 반사 경로를 형성하는 미러 모듈(200), 미러 모듈(200)의 수직 회전축에 결합하는 링크 커플러(307), 링크 커플러(307)를 미러 모듈(200)의 수직 회전축을 기준으로 수평 방향에서 일정 각도 회동시켜 미러 모듈(200)을 좌우 방향에서 일정 각도만큼 회동구동시키는 제1 진동모듈(301), 상기의 레이저 모듈(400), 미러 모듈(200) 및 제1 진동모듈(301)을 지지하는 플로팅 브라켓(305), 플로팅 브라켓(305)의 측면에 결합하고, 플로팅 브라켓(305)을 상하 방향에서 회동구동함으로써 미러 모듈(200)을 상하 방향에서 회동구동시키는 제2 진동모듈(302), 그리고 제2 진동모듈(302)을 지지하는 베이스 브라켓(500)을 구비한다.

레이저 모듈(400), 미러 모듈(200), 제1 진동모듈(301) 및 링크 커플러(307)는 플로팅 브라켓(305)에 의해 지지된다. 레이저 모듈(400), 미러 모듈(200), 제1 진동모듈(301), 링크 커플러(307) 및 플로팅 브라켓(305)의 어셈블리는 플로팅 모듈(300 또는 30)으로 지칭될 수 있다.

레이저 모듈(400)은 미러 모듈(200)의 미러(210) 전면에 배치되는 제1 레이저 송신 모듈, 제1 레이저 수신 모듈, 제2 레이저 송신 모듈 및 제2 레이저 수신 모듈을 구비한다. 각 레이저 송수신 모듈은 펄스 레이저빔을 발진하는 복수 개의 레이저 다이오드와 한 개 또는 복수 개의 포토 다이오드를 구비할 수 있다. 레이저 모듈(400)은 플로팅 브라켓(305)에 의해 지지된다.

미러 모듈(200)의 내부 미러 케이스(220)는 링크 커플러(320)와 연동하여 제1 진동모듈(301)의 회전 동력을 받아 미러(210)가 좌우 방향으로 일정 각도 회동 왕복 운동하도록 설치될 수가 있다.

링크 커플러(307)는 미러(210)에 일정 각도를 갖는 좌우 방향에서의 회전 동력을 제공하기 위하여 제1 진동모듈(301)의 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 변환하는 크랭크축 또는 크랭크샤프트와 같은 연결 장치를 구비할 수 있다.

플로팅 브라켓(305)은 수직 브라켓(510)에 의해 지지되고, 수직 브라켓(510)을 관통하는 제2 진동모듈(302)의 수평 회전축(306)에 의해 상하 방향에서 미리 설정된 회전 각도 범위에서 회동구동한다. 수직 브라켓(510)은 베이스 브라켓(500)의 일부 구성일 수 있다. 수직 브라켓(510)은 베이스 브라켓(500)의 적어도 일부를 구성하는 베이스 플레이트에 고정 결합될 수 있다.

미러 모듈(200)은 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 미러(210), 미러(210)를 둘러싸는 내부 미러 케이스(220), 및 내부 미러 케이스의 수직 회전축(222)을 지지하는 외부 미러 케이스(230)를 구비한다. 내부 미러 케이스(220)의 수직 회전축(222)은 링크 커플러(307)를 통해 제1 진동모듈(301)에 연결된다.

제2 진동모듈은 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 플로팅 브라켓(305)에 일체로 결합된 외부 미러 케이스(230)를 x-축 방향의 수평 회전축을 기준으로 상하 방향으로 회동시키도록 배치된다.

외부 미러 케이스(230) 및 플로팅 브라켓(305)과 제2 진동모듈(302) 사이에는 수직 브라켓(510)이 배치된다. 수직 브라켓(510)은 베이스 브라켓(500) 상에 고정 지지된다. 수직 브라켓(510)은 베이스 브라켓(500)에 일체로 형성될 수 있다.

제2 진동모듈(302)의 수평 회전축(306)은 수직 브라켓(510)을 관통하도록 설치된다. 제2 진동모듈(302)은 수직 브라켓(510)과 보호 브라켓(520) 사이에 배치될 수 있다. 제2 진동모듈(302)의 회전축과 수평 회전축(306) 사이에는 감속유닛(304)이 배치될 수 있다. 감속유닛(304)은 수직 브라켓(510)을 사이에 두고 수평 회전축(306)과 연결될 수 있다.

본 실시예에 따른 라이다 광학 장치(100)는 제1 진동모듈(301) 및 제2 진동모듈(302)의 동작 타이밍을 제어하는 제어모듈(600)을 더 구비한다. 제어모듈(600)은 베이스 브라켓(500)에 배치될 수 있다. 제어모듈(600)은 미러 모듈(200)에서 반사되어 발신 및 수신되는 레이저(레이저빔)가 외부 감지 대상에 대한 기설정된 범위를 커버하도록 미러 모듈(200)의 상하 방향과 좌우 방향에서의 회동 범위를 제한한다. 또한, 제어모듈(600)은 레이저 모듈(400) 간의 시간 동기를 통해 레이저빔의 발신과 수신을 제어하는 기능을 구비할 수 있다.

전술한 제어모듈(600)은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 라이다 광학 장치(100)는 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있다. 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치를 구비할 수 있고, 그에 의해 라이다 광학 장치를 착탈식을 사용할 수 있도록 기능하는 구성을 포함할 수 있다. 또한, 라이다 광학 장치(100)는 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하기 위한 통신모듈을 구비할 수 있다. 그 경우, 라이다 광학 장치(100)는 감지된 타겟이나 감지된 타켓과의 거리 등에 대한 신호 혹은 정보를 외부 장치에 전송할 수 있다.

전술한 라이다 광학 장치(100)는 제1 진동모듈과 제1 진동모듈에 의해 좌우 방향에서 회동 운동하는 미러를 포함하고 플로팅 배열 구조를 가지는 플로팅 모듈을 배치하고, 외부의 제2 진동모듈을 사용하여 플로팅 모듈을 상하 방향에서 회동 운동하도록 구성함으로써, 미러의 수평 방향과 수직 방향에서의 회동 운동을 효과적으로 수행할 수 있다.

전술한 구성에 의하면, 라이다 광학 장치의 레이저 모듈에서 발신되는 레이저빔을 원하는 타겟 범위로 효과적으로 반사하여 방출할 수 있고, 외부에서 반사되어 오는 레이저빔을 효과적으로 수신하여 레이저빔에 의한 타겟 감지나 타겟 측정을 효과적으로 수행할 수 있다. 즉, 미러 모듈은 미러를 통해 외부케이스 내측에서 윈도우를 통해 방출되는 레이저빔의 입사각과 반사각을 효과적으로 조정할 수 있다. 또한, 레이저 모듈과 미러 모듈의 결합 구조와 제1 및 제2 진동모듈들의 결합 관계에 의해 레이저빔의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 공간적인 데이터를 확보할 수 있는 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 전술한 실시예 외에 다양한 변형이 가능함은 당연하다. 본 발명의 라이다 광학 장치는 일반적으로 차량에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 라이다 광학 장치는 차량뿐만 아니라 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동체에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정체에도 제한 없이 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 광학 장치로서,
   레이저 발신과 수신 동작을 수행하는 레이저 모듈;
   상기 레이저 모듈의 전면 상에서 상기 레이저 발신과 수신에 반사 경로를 형성하는 미러 모듈;
   상기 미러 모듈의 수직 회전축에 결합하는 링크 커플러;
   상기 링크 커플러를 일정 각도 회동시켜 상기 미러 모듈을 좌우 방향에서 회동구동시키는 제1 진동모듈;
   상기 레이저 모듈, 상기 미러 모듈 및 상기 제1 진동모듈을 지지하는 플로팅 브라켓;
   상기 플로팅 브라켓의 측면을 통해 상기 미러 모듈에 결합하고, 상기 미러 모듈을 상하 방향 또는 전후 방향에서 회동구동시키는 제2 진동모듈; 및
   상기 제2 진동모듈을 지지하는 베이스 브라켓;
   을 포함하는 라이다 광학 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 미러 모듈은 미러, 상기 미러를 둘러싸는 내부 미러 케이스, 및 상기 내부 미러 케이스의 수직 회전축을 지지하는 외부 미러 케이스를 구비하며, 상기 내부 미러 케이스의 상기 수직 회전축은 상기 링크 커플러를 통해 상기 제1 진동모듈에 연결되는 라이다 광학 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2 진동모듈은 상기 플로팅 브라켓에 일체로 결합된 상기 외부 미러 케이스를 x-축 방향의 수평 회전축을 기준으로 상하 방향으로 회동시키는 라이다 광학 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 외부 미러 케이스 및 상기 플로팅 브라켓과 상기 제2 진동모듈 사이에 배치되며 상기 베이스 브라켓에 의해 지지되는 수직 브라켓을 더 포함하며,
   상기 제2 진동모듈의 상기 회전축은 상기 수직 브라켓을 관통하도록 배치되는 라이다 광학 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 진동모듈 상기 제2 진동모듈의 동작 타이밍을 제어하는 제어모듈을 더 포함하는 라이다 광학 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어모듈은 상기 미러 모듈에서 반사되어 발신 및 수신되는 레이저가 기설정된 범위를 커버하도록 상기 미러 모듈의 상하 방향과 좌우 방향에서의 회동 범위를 제한하는 라이다 광학 장치.

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