KR20200116284A - 무회전 전방위 장애물 인지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ToF 센서와 콘미러를 기반으로 하여 모터의 작동없이 전방위의 장애물을 인지할 수 있는 무회전 전방위 장애물 인지 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무회전 전방위 장애물 인지 센서는 레이저 광을 발광하여 장애물을 향해 조사하는 광조사모듈과, 주변 장애물로부터 반사된 반사광을 수광하는 수광모듈과, 수광모듈에서 수광된 광을 통해 장애물과의 거리, 위치 정보를 분석하는 분석모듈을 포함하되, 상기 광조사모듈은 레이저 광을 발진하는 광발진기와, 상기 광발진기의 상부에 마련되며 상기 광발진기로부터 광이 발진되는 방향을 따라 상기 광발진기로부터 멀어질수록 외경이 점점 커지는 콘 형상의 제1 반사체를 포함하고, 상기 수광모듈은 장애물로부터 반사된 광이 입사되는 수광부와, 상기 수광부의 상부에 마련되는 어안렌즈를 포함한다.

Description

무회전 전방위 장애물 인지 센서 {Motorless omnidirectional obstacle recognition sensor}

본 발명은 무회전 전방위 장애물 인지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 ToF 센서와 콘미러를 기반으로 하여 모터의 작동없이 전방위의 장애물을 인지할 수 있는 무회전 전방위 장애물 인지 센서에 관한 것이다.

지구과학 및 우주 탐사를 목적으로 지속적으로 발전해 온 라이다 센서 기술은 현재 항공기 및 위성에 탑재되어 정밀한 지구 지형 및 환경 관측을 위한 주요 수단으로 사용되고 있으며, 우주 정거장과 우주선의 도킹 시스템, 우주 탐사 로봇에 활용되고 있다.

지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서를 비롯하여 최근에는 3차원 영상 복원을 위한 레이저 스캐너, 미래 무인자동차를 위한 3차원 영상 센서의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다.

라이다 센서는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다.

LIDAR는 Light Detection And Ranging의 약어이며, 때로는 LADAR(Laser Detection And Ranging)라는 이름으로 사용된다. LIDAR가 보다 일반적인 용어이므로 '라이다'로 명칭한다.

라이다 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용된다.

라이다 센서 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 1930년대에 처음 시도되었으나, 1960년대 레이저의 발명과 함께 비로소 본격적인 개발이 가능하였다. 1970년대 이후 레이저광원 기술의 지속적인 발전과 함께 다양한 분야에 응용 가능한 라이다 센서 기술들이 개발되었다.

항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측을 위한 중요한 관측 기술로 활용되고 있으며, 또한 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 사물까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다.

라이다를 이용한 주변 장애물 감지기술은 자동 주행 분야에서도 매우 중요한데, 사방의 장애물 감지를 위해서는 레이저광을 전방향으로 조사한 후 주변 장애물로부터 반사되어 돌아오는 반사광을 분석하여 장애물의 방향, 거리 등의 정보를 확인한다.

하나의 레이저 광원에서 조사되는 레이저 광을 전방향으로 조사하기 위해 통상적으로 전방향 감지 라이다센서의 경우에는 레이저광을 전방향으로 반사시키기 위해 모터에 의해 회전하는 제1 반사체를 포함하였다.

제1 반사체를 모터로 회전시키기 때문에 모터의 구동에 따른 전력소모 문제와, 모터의 장착공간을 확보해야 하기 때문에 센서의 소형화에 한계가 있었다.

한국공개특허 제10-2016-0034719호 : 라이다 시스템

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 모터를 장착하지 않고도 전방향으로 레이저광을 조사한 후 반사된 광을 통해 주변 장애물을 인지할 수 있는 무회전 전방위 장애물 인지 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 무회전 전방위 장애물 인지 센서는 레이저 광을 발광하여 장애물을 향해 조사하는 광조사모듈과, 주변 장애물로부터 반사된 반사광을 수광하는 수광모듈과, 수광모듈에서 수광된 광을 통해 장애물과의 거리, 위치 정보를 분석하는 분석모듈을 포함하되, 상기 광조사모듈은 레이저 광을 발진하는 광발진기와, 상기 광발진기의 상부에 마련되며 상기 광발진기로부터 광이 발진되는 방향을 따라 상기 광발진기로부터 멀어질수록 외경이 점점 커지는 콘 형상의 제1 반사체를 포함하고, 상기 수광모듈은 장애물로부터 반사된 광이 입사되는 수광부와, 상기 수광부의 상부에 마련되는 어안렌즈를 포함한다.

본 발명의 무회전 전방위 장애물 인지 센서는 일방향을 향해 레이저광을 조사하는 보조광조사모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 어안렌즈의 상부에 마련되며, 장애물로부터 반사된 후 상기 어안렌즈로 입사되지 않고 상방으로 진행하는 반사광을 상기 어안렌즈 측으로 반사하는 제2 반사체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 무회전 전방위 장애물 인지 센서는 모터를 장착하지 않고도 레이저 광을 전방향으로 조사한 후 이를 수광 및 분석함으로써 전방향에 대한 장애물 감지가 가능하기 때문에 모터를 생략하는데 따른 제조단가 절감, 기기의 소형화가 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무회전 전방위 장애물 인지 센서의 개념도,
도 2는 수광모듈의 광수신위치에 따른 장애물의 방향 분석에 대한 개념도,
도 3은 무회전 전방위 장애물 인지 센서의 연결구조를 도시한 블럭도,
도 4는 무회전 전방위 장애물 인지센서의 다른 실시예의 개념도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 무회전 전방위 장애물 인지 센서에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도면을 참조하면, 본 발명의 무회전 전방위 장애물 인지 센서(1)는 광조사모듈(10)과, 수광모듈(20) 및 분석모듈(30)을 포함한다.

광조사모듈(10)은 장애물(O)을 향해 레이저광을 조사하는 것으로, 수평방향 상에서 전(全)방향으로 광을 조사하도록 형성되어 있다.

이를 위해 광조사모듈(10)은 레이저 광을 발진하는 광발진기(11)와, 광발진기(11)의 광을 전방향으로 반사하는 제1 반사체(12)를 포함한다.

도 1에 도시되어 있는 것처럼, 광발진기(11)는 상방으로 레이저광을 발진하도록 배치되며, 상기 제1 반사체(12)는 광발진기(11)의 상부에 형성된다.

제1 반사체(12)는 광발진기(11)의 상부에서 상방을 향해 연장될수록 외경이 점점 커지는 콘 형상으로 형성되며, 외주면에는 레이저 광을 반사할 수 있는 반사면이 형성된다.

상기 광발진기(11)는 제1 반사체(12)의 최하단 중심부를 향해 레이저광을 조사하며, 광발진기(11)에서 조사된 레이저광은 제1 반사체(12)에 의해 사방으로 반사되어 진행한다.

상기 수광모듈(20)은 상기 광조사모듈(10)로부터 발진된 레이저광이 외부 장애물(O)에 의해 반사되어 되돌아 오는 광을 수광하는 것이다.

상기 수광모듈(20)은 장애물(O)로부터 반사된 광이 입사되는 수광부(22)와, 상기 수광부(22)의 상부에 마련되는 어안렌즈(21)를 포함한다.

수광부(22)는 평면의 광감지센서이며, 장애물(O)로부터 반사된 반사광이 수광부(22)로 입사되면 수광부(22)에서는 광의 수신을 감지하며, 후술하는 분석모듈(30)에서 이를 기초로 장애물(O)의 방향과 거리를 분석한다.

상기 수광부(22)의 상부에 마련된 어안렌즈(21)는 장애물(O)로부터 반사된 광을 수광부(22)를 향해 굴절시키는 렌즈이다.

상기 제1 반사체(12)는 콘 형상으로 형성되어 있기 때문에 제1 반사체(12)에서 반사된 광은 수평방향을 따라 진행하게 된다. 이렇게 진행되는 광은 장애물(O)로부터 반사된 후에도 거의 수평방향을 따라 진행하면서 어안렌즈(21) 측으로 진행하게 되는데, 이렇게 진행하는 반사광이 수광부(22)에 바로 입사되기 어려우므로 어안렌즈(21)를 통해 반사광을 수광부(22)를 향해 굴절시킨다.

어안렌즈(21)는 전(全) 방향으로부터 입사되는 반사광을 수광부(22)로 굴절시킬 수 있다.

상기 분석모듈(30)은 상술한 것처럼 광조사모듈(10)에서 발진된 광이 수광모듈(20)로 입사된 정보를 기초로 장애물(O)의 거리와 위치를 판별하는 것이다.

본 발명의 무회전 전방위 장애물 인지 센서(1)는 ToF 센서를 기반으로 하는 것이며, 광조사모듈(10)에서 광이 발진된 시점으로부터 수광모듈(20)에서 광이 입사되는 시점까지의 시간차를 통해 장애물(O)과 센서 사이의 거리를 계산한다.

또한 도 2에 도시되어 있는 것처럼 수광부(22)에서 반사된 광이 입사하면, 반사된 광이 수광부(22)의 수광영역 내에서 특정 위치에 입사하게 되며, 광이 입사된 위치를 통해 장애물(O)의 방향을 인지할 수 있다.

이와 같은 방식으로 본 발명의 무회전 전방위 장애물 인지 센서(1)는 별도의 모터장치를 구비하지 않고도 센서를 중심으로 전(全) 방향에 대한 장애물(O) 인지가 가능하다.

도 4에는 본 발명의 무회전 전방위 장애물 인지 센서(1)의 다른 실시예가 도시되어 있다.

본 실시예의 무회전 전방위 장애물 인지 센서(1)는 일방향으로 레이저광을 조사하는 보조광조사모듈(40)을 더 구비한다.

상기 광조사모듈(10)은 전방향으로 레이저광을 조사할 수는 있지만 조사되는 광이 수평방향 상에서만 광조사가 이루어질 수 있으므로, 광조사모듈(10)보다 상대적으로 낮은 위치에 있는 장애물(O)에 대해서는 장애물(O)의 인지가 어려울 수 있다.

따라서 광조사모듈(10)보다 하부나 상부로 레이저광을 조사할 수 있는 보조광조사모듈(40)을 더 구비한다.

보조광조사모듈(40)에서 조사된 광은 장애물(O)에 반사된 후 수광모듈(20)로 입사되며 분석모듈(30)에서는 광조사모듈(10) 및 보조광조사모듈(40)에서 발진된 광으로부터 입사된 광 정보를 통해 장애물(O)의 위치와 거리를 분석한다.

상기 보조광조사모듈(40)은 본 실시예의 경우 광조사모듈(10)의 하부 일측에 하나마 마련되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 상기 제2 반사체(50)가 상하로 연장되는 중심축을 기준으로 원주방향을 따라 소정간격 이격되도록 복수개가 마련될 수도 있다.

아울러 본 실시예의 경우 상기 어안렌즈(21)의 상측에 장애물(O)로부터 반사된 반사광을 어안렌즈(21) 측으로 반사하기 위한 제2 반사체(50)가 마련되어 있다.

상기 보조광조사모듈(40)에서 조사된 광은 상하방향으로 광이 조사되기 때문에 보조광조사모듈(40)에서 조사된 광은 장애물(O)로부터 반사된 후 상하방향으로 다양한 방향을 따라 진행하게 될 수 있다. 그 중 일부는 어안렌즈(21)를 벗어나 상방으로 진행할 수 있는데, 이렇게 어안렌즈(21)를 벗어나 진행하는 반사광을 제2 반사체(50)에서 어안렌즈(21) 측으로 반사시켜 수광부(22)에서 감지할 수 있도록 한다.

이렇게 제2 반사체(50)를 통해 보조광조사모듈(40)로부터 발진된 광 중 장애물(O)로부터 반사된 후 수광모듈(20)에서 인식되지 못하는 광을 최소화하여 장애물(O) 감지의 정확도를 향상시킨다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 무회전 전방위 장애물 인지 센서(1)는 모터가 마련되어 있지 않지만 콘 형상의 제1 반사체(12)를 통해 레이저 광을 전방향으로 발진하여 전 방향에 대한 장애물(O) 인지가 가능하다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

1: 모터리스 전방위 장애물 인지센서
10: 광조사모듈
11: 광발진기
12: 제1 반사체
20: 수광모듈
21: 어안렌즈
22: 수광부
30: 분석모듈
40: 보조광조사모듈
50: 제2 반사체
O: 장애물

Claims (3)

1. 레이저 광을 발광하여 장애물을 향해 조사하는 광조사모듈과;
   주변 장애물로부터 반사된 반사광을 수광하는 수광모듈과;
   수광모듈에서 수광된 광을 통해 장애물과의 거리, 위치 정보를 분석하는 분석모듈을 포함하되,
   상기 광조사모듈은 레이저 광을 발진하는 광발진기와,
   상기 광발진기의 상부에 마련되며 상기 광발진기로부터 광이 발진되는 방향을 따라 상기 광발진기로부터 멀어질수록 외경이 점점 커지는 콘 형상의 제1 반사체를 포함하고,
   상기 수광모듈은 장애물로부터 반사된 광이 입사되는 수광부와, 상기 수광부의 상부에 마련되는 어안렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는
   무회전 전방위 장애물 인지 센서.
   
2. 제 1항에 있어서,
   일방향을 향해 레이저광을 조사하는 보조광조사모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   무회전 전방위 장애물 인지 센서.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 어안렌즈의 상부에 마련되며, 장애물로부터 반사된 후 상기 어안렌즈로 입사되지 않고 상방으로 진행하는 반사광을 상기 어안렌즈 측으로 반사하는 제2 반사체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   무회전 전방위 장애물 인지 센서.
   

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