KR20220050542A - 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라이다 스캐닝 장치에 관한 것으로서, 광원부와, 광경로부와, 상기 광경로부를 통해 전달된 레이저광을 반사하는 상부미러부와, 상기 상부미러부로부터 전달된 레이저광을 반사하는 하부미러부와, 상기 하부미러부를 회전구동시키는 회전구동부를 포함하여 구성되며, 상기 하부미러부는 상기 하부미러부의 둘레를 따라 반사각도가 가변되도록 형성되어, 복수의 레이저나 복수의 모터를 설치하는 등 복잡한 구조가 필요없이도 상기 하부미러부를 이용하여 360°회전하면서 상하 방향의 영역을 용이하게 스캐닝할 수 있고, 상기 하부미러부의 1회전당 주사수에 따라 상기 하부미러부의 회전속도를 조절하고, 상기 하부미러부의 회전속도에 맞추어 상기 제 1 미러의 회전속도를 조절할 수 있다.

Description

3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치{LIDAR DEVICE FOR SCANNING 3D SPACE}
본 발명은 라이다 스캐닝 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 360°회전하면서 상하 방향의 영역을 용이하게 스캐닝할 수 있는 3차원 스캔가능항 라이다 스캐닝 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)는 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. 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.
종래의 스캐닝 라이다는 레이저를 고정된 특정 방향으로 방사한 뒤, 360도 회전시켜 정해진 영역에 대한 스캐닝 정보를 얻기 때문에, 측정영역에 한계점을 가지는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해경하기 위한 방법으로서, 다수의 수직방향에 대한 정보를 획득하기 위한 여러 개의 레이저를 각각의 특정 방향으로 방사하여 스캐닝 정보를 얻는 방법이 있으나, 이러한 방법의 경우, 넓은 영역의 수직방향 정보를 획득하기 위해는 적어도 4개 내지 64개 이상의 다수의 레이저를 수직방향으로 적층하여 스캐닝 정보를 획득하기 때문에, 다수의 레이저 및 수광부 등의 사용으로 제조 비용이 고가화되고, 구현되는 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
또한, 수직방향에 대한 정보를 획득하기 위한 방법으로서, 광원이나 미러를 360°회전시키는 모터와, 광원이나 미러를 상하방향으로 이동시키는 모터를 설치하여 2개의 모터에 의해 광원이나 미러를 회전시키면서 상하방향으로 이동시켜 수직방향 또는 상하방향에 대한 정보를 획득하는 방법이 제시되고 있다.
그러나, 2개의 모터에 의해 회전시키면서 상하 이동시키는 구조는 장치의 구조가 복잡해지고 제조비용이 고가가 될 뿐만 아니라, 장치 자체를 기계적으로 회전시켜야 하므로 장치의 내구성이 저하되는 문제가 있다.
또한 확산렌즈를 이용하여 스캔영역을 확장시키는 방안으로 수직방향의 정보를 획득하는 방법도 제시되고 있으나, 라이다 장치의 경우, 레이저의 확산으로 인해 측정 거리가 줄어드는 문제가 있다.
한국특허 10-1903960호(라이다 장치)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 수광각도가 서로 다른 미러 어레이를 이용하여 360°회전하면서 상하 방향의 영역을 용이하게 스캐닝할 수 있는 3차원 스캔가능항 라이다 스캐닝 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수광각도가 서로 다른 미러 어레이 또는 미러 밴드를 이용하여, 장치 자체가 회전하지 않고 구동부에 의해 미러를 회전구동시킴으로써 구조가 간단하고 내구성이 향상된 3차원 스캔가능항 라이다 스캐닝 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치는 레이저광을 조사하는 광원부와, 상기 광원부로부터 조사된 레이저광을 전달하는 광경로부와, 상기 광경로부를 통해 전달된 레이저광을 반사하는 상부미러부와, 상기 상부미러부로부터 전달된 레이저광을 반사하는 하부미러부와, 상기 하부미러부를 회전구동시키는 회전구동부를 포함하여 구성되며, 상기 하부미러부는 상기 하부미러부의 둘레를 따라 반사각도가 가변되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부미러부는 둘레를 따라 서로 인접하여 배치되는 복수의 미러 플레이트를 가지며, 상기 복수의 미러 플레이트는 광경로에 대하여 서로 다른 반사각도를 가지도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부미러부는 일체로 연속하여 형성되는 하나의 반사체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부미러부는, 평평한 상부면과 평평한 하부면을 가지고, 상기 상부면과 상기 하부면은 각각 타원형 형상으로 형성되고, 상기 상부면의 타원의 장방향 중심축과 상기 하부면의 타원의 장방향 중심축은 서로 직교하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 내부 상단에 상기 상부미러부가 설치되고 내부 하단에 상기 하부미러부가 설치되는 프레임을 구비하며, 상기 프레임의 하부에는 상기 프레임을 관통하여 상기 회전구동부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 광경로부는 상기 프레임을 관통하여 설치되고, 상기 광경로부는 하부끝단에 설치되어 상기 광원부로부터 조사된 레이저광을 상기 상부미러부를 향하여 반사시키는 제 1 미러를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 프레임의 상부에 설치되고 상기 광경로부의 상기 제 1 미러를 회전구동시키는 제 1 모터를 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 모터는 상기 광경로부가 삽입하여 관통하는 중공모터로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 상부미러부는 상부 반사체 프레임과 상기 상부 반사체 프레임의 내주면에 부착되는 상부미러를 포함하며, 상기 상부 반사체 프레임은 하향으로 외측으로 경사져 형성되어 삿갓모양으로 마련되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부미러부는 하부 반사체 프레임과 상기 하부 반사체 프레임의 외주면에 부착되는 하부미러를 포함하며, 상기 하부 반사체 프레임은 하향으로 외측으로 경사져 형성되어 삿갓모양으로 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 하부미러부의 1회전당 주사수에 따라 상기 하부미러부의 회전속도를 조절하고, 상기 하부미러부의 회전속도에 맞추어 상기 제 1 미러의 회전속도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 종래의 라이다 스캐닝 장치에서와 같이 복수의 레이저나 복수의 모터를 설치하는 등 복잡한 구조가 필요없이, 반사각도가 서로 다른 미러 어레이로 구성되는 하부미러부 또는 3차원 타원형 하부미러부를 이용하여 360°회전하면서 상하 방향의 영역을 용이하게 스캐닝할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 반사각도가 서로 다른 미러 어레이로 구성되는 하부미러부 또는 3차원 타원형 하부미러부의 구성에 의해 장치나 구동부 자체가 회전하지 않고 회전구동부에 의해 하부미러부를 회전구동시킴으로써, 회전구동부에 전기케이블의 연결이 필요하지 않아 구조를 간단히 할 수 있고, 내구성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 하부미러부의 일예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 의한 하부미러부에 의해 상하방향으로 다양한 각도로 반사되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 하부미러부의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 4a는 그 사시도, 도 4b는 그 평면도, 도 4c는 배면에서 본 도면, 도 4d는 측면에서 본 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 4c에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치(1)는 광원부(2)와, 제 1 모터(10)와, 광경로부(11)와, 프레임(20)과, 회전구동부(30)와, 상부미러부(40)와, 하부미러부(50)를 포함한다.
상기 광원부(2)는 거리측정 대상물을 스캐닝하기 위한 레이저광을 발생하여 조사한다.
상기 광경로부(11)는 상기 광원부로부터 조사된 레이저광을 전달하는 광경로를 형성한다. 상기 광경로부(11)는 대략 중공 원통형 형상으로 형성되며, 상기 프레임(20)의 상단을 관통하여 설치된다. 상기 광경로부(11)는 내부의 하부끝단에는 제 1 미러(41)가 설치된다.
상기 제 1 미러(41)는 상기 광경로부의 끝단에 설치되되 상기 광경로부의 광경로에 대하여 대략 45°의 각도를 가지도록 설치되어, 상기 광원부(2)로부터 조사된 상기 광경로부(11)를 통과한 레이저광을 후술하는 상부미러부(40)를 향하여 반사하도록 구성된다.
상기 광경로부(11) 및 상기 제 1 미러(41)는 제 1 모터(10)에 의해 회전구동된다. 상기 제 1 모터(41)는 상기 프레임(20)의 외부, 즉 상기 프레임(20)의 상부에 부착되어 설치된다.
상기 제 1 모터(41)는 중앙에 중공축을 가지고, 중공축을 중심으로 중공형 로터가 마련되는 중공 모터로 구성된다. 상기 제 1 모터(41)의 상기 중공축에는 상기 제 1 광경로부(11)가 삽입된다.
이로써, 상기 광경로부(11)의 광경로를 용이하게 확보하면서도 상기 광경로부의 회전구동에도 상기 제 1 모터에 연결된 전선케이블 등이 꼬이거나 하지 않도록 구성되어 장치가 전체적으로 간결하게 구성될 수 있다.
상기 광경로부(11)와 상기 제 1 모터(10)는 상기 프레임(20)에 설치된다. 상기 프레임(20)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 광조사 대상물측이 개방된 단면이 대략 ㄷ 자 형상으로 형성된다. 상기 프레임(20)에는 상기 광경로부(11), 상기 제 1 모터(10), 상기 상부미러부(40), 상기 하부미러부(50), 상기 회전구동부(30)가 각각 고정되어 설치된다.
상기 프레임(20)의 내측 상부에는 상기 상부미러부(40)가 설치되며, 내측 하부에는 상기 하부미러부(50)가 설치된다. 상기 프레임(20)은 상기 상부미러부와 상기 하부미러부의 거울간 거리 및 각도를 구현하도록 구성된다.
상기 프레임(20)의 외측 하부에는 상기 회전구동부(30)가 설치되며, 상기 회전구동부(30)의 회전중심축은 상기 프레임(20)을 관통하여 상기 하부미러부(50)에 연결되어, 상기 하부미러부(50)를 회전구동하도록 구성된다.
상기 상부미러부(40)는, 도 1 및 도 3a ~ 도3c에 나타낸 바와 같이, 상기 광경로부(11)의 상기 제 1 미러(41)를 통해 전달된 레이저광을 상기 하부미러부를 향하여 반사한다.
상기 상부미러부(40)는 상기 프레임(20)의 내부 상부에 고정 설치되며, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상부 반사체 프레임과 상기 상부 반사체 프레임의 내주면에 부착되는 상부미러(42)를 포함하여 구성된다. 상기 상부 반사체 프레임은 하향으로 외측으로 경사져 형성되어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 대략 삿갓모양으로 마련된다.
상기 상부미러부(40)로부터 전달된 레이저광은 하부미러부(50)에 의해 반사된다. 상기 하부미러부(50)는 하부 반사체 프레임과 상기 하부 반사체 프레임의 외주면에 부착되는 하부미러를 포함하여 구성된다. 상기 하부 반사체 프레임은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하향으로 외측으로 경사져 형성되어 삿갓모양으로 마련될 수 있다.
상기 하부미러부(50)는 복수의 미러플레이트(51a, 51b, ...51n)를 포함하며, 상기 복수의 미러플레이트(51a, 51b, ...51n)는 상기 하부미러부의 외주면을 따라 서로 인접하여 배치된다.
본 실시예에서, 상기 하부미러부는 상기 하부미러부의 둘레를 따라 반사각도가 가변되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 미러 플레이트(51a, 51b, ...51n)는 상기 광경로에 대하여 서로 다른 반사각도(θ1, θ2, ..., θn)를 가지도록 설치된다.
상기 제 1 미러플레이트(51a)는 상기 상부미러(42)로부터 반사된 레이저광의 광경로에 대하여 반사각도(θ1)를 가지며, 상기 제 2 미러플레이트(51b)는 상기 상부미러(42)로부터 반사된 레이저광의 광경로에 대하여 반사각도(θ2)를 가지며, 상기 제 n 미러플레이트(51n)는 레이저광의 광경로에 대하여 반사각도(θn)를 가지며, 상기 반사각도들은 서로 다른 크기를 갖도록 구성된다.
예를 들면, 상기 반사각도 θ1은 상기 반사각도 θ2보다 크게 구성되고, 반사각도 θ2는 반사각도 θ3보다 크게 구성되고, 반사각도는 점차 크게 구성되다가 , 임의의 지점으로부터 다시 반사각도가 점차 작게 구성되어 반사각도 θ1에 가깝게 구성될 수 있다.
상기 하부미러부(50)가 상기 회전구동부(30)에 의해 회전구동됨에 따라, 상기 하부미러부(50)로부터 반사된 레이저광은, 도 2, 도 3a ~ 도 3c에 나타낸 바와 같이, 상하 방향의 영역을 스캐닝할 수 있다.
즉, 상기 하부미러부(50)가 1회전 구동될 때, 1주기당 상승 주사선과 하강 주사선이 각각 1회씩 생성되어, 상부영역과 하부영역을 각각 스캐닝할 수 있다.
상기 하부미러부(50)의 하부미러는 도 2에 나타낸 바와 같이, 서로 다른 반사각도를 가지는 n개의 미러 플레이트로 구성될 수도 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 연속하여 일체로 형성되도록 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 하부미러부의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 도 4a는 그 사시도, 도 4b는 그 평면도, 도 4c는 배면에서 본 도면, 도 4d는 측면에서 본 도면이다.
도 4a 내지 도 4d에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 하부미러부(50')는 일체로 연속하여 형성되는 하나의 반사체로 구성된다.
상기 하부미러부(50')는, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 3차원 타원 구조물로 형성된다.
상기 하부미러부(50')는 평평한 상부면(501)과 평평한 하부면(502)을 가지고, 상기 상부면(501)과 상기 하부면(502)은 각각 타원형 형상으로 형성된다.
여기서, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 상기 상부면(501)의 타원의 장방향 중심축(B)과 상기 하부면(502)의 타원의 장방향 중심축(A)은 서로 직교하도록 형성된다. 또한, 도 4a 및 도 4d에 나타낸 바와 같이, 상기 상부면(501)은 상기 하부면(502)에 대하여 평행하게 형성된다.
이로써, 상기 하부미러부(50')는 장축방향의 반사각도 α1과 단축방향의 반삭각도 α2는 각각 서로 다른 값을 가지면서, 동시에 타원 형상의 둘레를 따라 일련의 연속되는 반사각도를 가질 수 있다.
상기 하부미러부(50')가 상기 회전구동부(30)에 의해 회전구동됨에 따라, 상하 방향의 영역을 스캐닝할 수 있다. 여기서, 상기 하부미러부(50')가 1회전 구동될 때, 1주기당 4회의 주사선이 발생하여 상부영역과 하부영역을 각각 스캐닝할 수 있다.
여기서, 상기 하부미러부의 1회전당 주사수에 따라 상기 하부미러부의 회전속도를 조절하고, 상기 하부미러부의 회전속도에 맞추어 상기 제 1 미러의 회전속도를 조절할 수 있다.
예를 들면, 30 FPS를 구현하기 위한 회전속도 계산할 때, 수평방향 3도 분해능을 가정하면, 120 lines/rev가 필요하다. 이 때, 본 실시예에서와 같은 3차원 타원형 구조물로 형성된 반사경은 1회전당 4회 주사가 가능하고, 이에 따라 30rev/120lines이 된다.
상기 하부미러부의 반사경 회전속도를 계산하면,
- 하부미러부 반사경 회전속도 30[rev] x 30[fps] = 900[Hz] = 54,000[rpm]
- 상부미러부 반사경 회전속도 30[Hz] = 1,800[rpm]
- 스캔 분해능(하부미러부 회전속도 x 상부미러부 회전속도) : 900 x 30 = 27,000
상기한 바와 같이, 본 실시예에서와 같은 3차원 타원형 구조물로 형성된 상기 하부미러부는 반사경의 스캔속도가 매우 빠르므로 상기 하부미러부의 1회전당 주사수에 따라 상기 하부미러부의 회전속도를 조절하고, 상기 하부미러부의 회전속도에 맞추어 상기 제 1 미러의 회전속도를 조절할 수 있다.
즉, 상기 하부미러부의 회전속도를 낮추고, 상기 상부미러부의 회전속도를 증가시켜도 동일한 스캔 분해능을 구현할 수 있다.
예를 들면, 상기한 경우에서, 하부미러부의 회전속도를 180 Hz로 낮출 경우, 상부미러부 회전속도를 150 Hz로 맞추어 동일한 스캔분해능을 구현할 수 있다.
- 하부미러부 반사경 회전속도 : 180[Hz] x 60 = 10,800[rpm]
- 상부미러부 반사경 회전속도 : 150[Hz] x 60 = 9,000[rpm]
- 스캔 분해능(하부미러부 회전속도 x 상부미러부 회전속도) : 180 x 150 = 27,000
상술한 바와 같이, 본 발명의 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치에 의하면, 복수의 레이저나 복수의 모터를 설치하는 등 복잡한 구조가 필요없이도 상기 하부미러부를 이용하여 360°회전하면서 상하 방향의 영역을 용이하게 스캐닝할 수 있다. 또한, 상기 하부미러부의 1회전당 주사수에 따라 상기 하부미러부의 회전속도를 조절하고, 상기 하부미러부의 회전속도에 맞추어 상기 제 1 미러의 회전속도를 조절할 수 있다.
본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.
1 : 라이다 스캐닝장치
2 : 광원부
10 : 제 1 모터 11 : 광경로부
20 : 프레임
30 : 회전구동부
40 : 상부미러부
50 : 하부미러부

Claims (11)

  1. 레이저광을 조사하는 광원부와,
    상기 광원부로부터 조사된 레이저광을 전달하는 광경로부와,
    상기 광경로부를 통해 전달된 레이저광을 반사하는 상부미러부와,
    상기 상부미러부로부터 전달된 레이저광을 반사하는 하부미러부와,
    상기 하부미러부를 회전구동시키는 회전구동부를 포함하여 구성되며,
    상기 하부미러부는 상기 하부미러부의 둘레를 따라 반사각도가 가변되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부미러부는 둘레를 따라 서로 인접하여 배치되는 복수의 미러 플레이트를 가지며,
    상기 복수의 미러 플레이트는 광경로에 대하여 서로 다른 반사각도를 가지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부미러부는 일체로 연속하여 형성되는 하나의 반사체로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하부미러부는 평평한 상부면과 평평한 하부면을 가지고,
    상기 상부면과 상기 하부면은 각각 타원형 형상으로 형성되고,
    상기 상부면의 타원의 장방향 중심축과 상기 하부면의 타원의 장방향 중심축은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    내부 상단에 상기 상부미러부가 설치되고 내부 하단에 상기 하부미러부가 설치되는 프레임을 구비하며, 상기 프레임의 하부에는 상기 프레임을 관통하여 상기 회전구동부가 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광경로부는 상기 프레임을 관통하여 설치되고,
    상기 광경로부는 하부끝단에 설치되어 상기 광원부로부터 조사된 레이저광을 상기 상부미러부를 향하여 반사시키는 제 1 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프레임의 상부에 설치되고 상기 광경로부의 상기 제 1 미러를 회전구동시키는 제 1 모터를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 모터는 상기 광경로부가 삽입하여 관통하는 중공모터로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부미러부는 상부 반사체 프레임과 상기 상부 반사체 프레임의 내주면에 부착되는 상부미러를 포함하며,
    상기 상부 반사체 프레임은 하향으로 외측으로 경사져 형성되어 삿갓모양으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  10. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 하부미러부는 하부 반사체 프레임과 상기 하부 반사체 프레임의 외주면에 부착되는 하부미러를 포함하며,
    상기 하부 반사체 프레임은 하향으로 외측으로 경사져 형성되어 삿갓모양으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부미러부의 1회전당 주사수에 따라 상기 하부미러부의 회전속도를 조절하고,
    상기 하부미러부의 회전속도에 맞추어 상기 제 1 미러의 회전속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캔가능한 라이다 스캐닝장치.

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