KR20230063363A

KR20230063363A - 장거리, 고해상도 lidar을 위한 장치 및 방법들

Info

Publication number: KR20230063363A
Application number: KR1020237011678A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에스. 홀; 매튜 리코우; 니킬 나이칼; 수닐 카타나; 스티븐 에스. 네스팅거; 아난드 고팔란
Original assignee: 벨로다인 라이더 유에스에이, 인크.
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-05-09
Also published as: EP4200634A1; WO2022056145A1; US20220075038A1

Abstract

LiDAR 시스템은 광학 전송기, 스캐너, 그 길이를 따라 분포된 개별 감지 노드들을 포함하는 세그먼트화된 광학 검출기, 및 제어기를 포함한다. 광학 전송기는 스캐너의 광학 구성요소를 통해 거리측량 신호를 전송할 수 있다. 스캐너는 거리측량 신호가 전송된 후에 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경할 수 있다. 세그먼트화된 광학 검출기는 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향에서의 변경 후에 광학 구성요소를 통해 거리측량 신호에 대응하는 복귀 신호를 수신할 수 있다. 제어기는 개별 감지 노드들의 출력들에 기반하여 복귀 신호의 복귀 스폿의 위치를 검출할 수 있다. 제어기는 복귀 스폿의 위치 및 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 기반하여 복귀 신호를 반사한 물체까지의 거리를 결정할 수 있다.

Description

장거리, 고해상도 LIDAR을 위한 장치 및 방법들

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 "Apparatus and Methods for Long Range, High Resolution Lidar"이라는 명칭으로 대리인 사건 번호 VLI-056PR 하에서 2020년 9월 9일자로 출원된 미국 가출원 제63/076,345호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 개시내용은 일반적으로 광 검출 및 거리측량(light detection and ranging)("LiDAR") 기술을 이용하여 장거리, 고해상도 공간 데이터를 제공하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것이며, 더 구체적으로는 LiDAR 시스템의 범위 및 해상도를 개선하기 위해 삼각측량-증강 비행 시간 측정들을 이용하는 장치 및 방법들에 관한 것이다.

광 검출 및 거리측량("LiDAR") 시스템들은 펄스형 레이저 광으로 타겟을 조명하고 센서들로 반사된 펄스들을 측정함으로써 그 주변 환경들의 속성들(예를 들어, 타겟의 형상, 타겟의 윤곽, 타겟까지의 거리 등)을 측정한다. 그 다음, 레이저 복귀 시간들 및 파장들의 차이들은 주변 환경의 디지털 3차원("3D") 표현들을 만드는데 이용될 수 있다. LiDAR 기술은 자율 차량들, 고급 운전자 보조 시스템들, 매핑, 보안, 측량, 로봇 공학, 지질학 및 토양학, 농업, 및 무인 항공기들, 공중 장애물 검출(예를 들어, 항공기를 위한 장애물 검출 시스템들) 등을 포함하는 다양한 애플리케이션들에서 이용될 수 있다. 애플리케이션 및 연관된 시야에 따라, 원하는 해상도의 이미지들을 생성하기 위해 복수의 채널 또는 레이저 빔이 이용될 수 있다. 더 많은 수의 채널들을 갖는 LiDAR 시스템은 일반적으로 더 많은 수의 픽셀들을 생성할 수 있다.

다중 채널 LiDAR 디바이스에서, 광학 전송기들은 복수의 "채널들"을 형성하기 위해 광학 수신기들과 페어링된다. 동작 시에, 각각의 채널의 전송기는 디바이스의 환경 내로 광학 신호(예를 들어, 레이저)를 방출하고 주변 환경에 의해 채널의 수신기로 다시 반사되는 신호의 부분을 검출한다. 이러한 방식으로, 각각의 채널은 환경의 "포인트" 측정들을 제공하고, 이는 다른 채널(들)에 의해 제공되는 포인트 측정들과 집성되어 그 환경의 측정들의 "포인트 클라우드"를 형성할 수 있다.

LiDAR 채널에 의해 수집된 측정들은 채널의 전송된 광학 신호를 다시 채널의 수신기로 반사한 환경에서의 디바이스로부터 표면까지의 거리("범위")를 결정하는데 이용될 수 있다. 표면까지의 범위는 채널의 신호의 비행 시간(예를 들어, 광학 신호의 전송기의 방출로부터 표면에 의해 반사된 복귀 신호의 수신기의 수신까지 경과된 시간)에 기반하여 결정될 수 있다.

대안적으로, LiDAR 디바이스로부터 반사 포인트까지의 범위는 삼각측량을 이용하여 결정될 수 있다. 도 1을 참조하면, LiDAR 전송기(12)로부터 반사 포인트(14)까지의 범위(R)는 (1) 전송기(12)와 LiDAR 수신기(16) 사이의 거리(X), (2) 전송기와 수신기를 연결하는 선분(20)에 대한 전송된 광학 신호(18)의 각도(α), 및 (3) 선분(20)에 대한 반사된 광학 신호(22)의 각도(β)에 기반하여 결정될 수 있다. 더 구체적으로, 사인 법칙에 의해,

이다. 그러나, 거리(X) 및 각도들(α 및 β)을 정밀하게 측정하는 것은 어려울 수 있다.

일부 경우들에서, 광학 신호를 반사시키는 표면의 반사율을 결정하는데 LiDAR 측정들이 이용될 수 있다. 표면의 반사율은, 일반적으로 표면의 반사율뿐만 아니라 표면까지의 범위, 표면에 대한 방출된 신호의 여입사각(glancing angle), 채널의 전송기의 전력 레벨, 채널의 전송기 및 수신기의 정렬, 및 다른 인자들에 의존하는, 복귀 신호 상의 강도에 기반하여 결정될 수 있다.

"레이저 안전"은 일반적으로 레이저 사고들, 특히 눈 부상들을 수반하는 사고들의 위험을 줄이기 위한 레이저들의 안전한 설계, 이용 및 구현을 지칭한다. LiDAR 시스템의 레이저(들)에 의해 생성된 에너지는 전자기 스펙트럼의 광학 부분 내에 또는 그 근처에 있을 수 있다. 비교적 적은 양의 레이저 광조차도 영구적인 눈 부상들을 유발할 수 있다. 중간 및 고전력 레이저들은 눈의 망막 또는 각막, 또는 심지어 피부를 태울 수 있기 때문에 잠재적으로 위험하다. 눈의 렌즈로부터의 포커싱에 의해 보조되는 레이저 광의 가간섭성 및 낮은 발산 각도는 레이저 방사선이 망막 상의 매우 작은 스폿 내에 집중되게 할 수 있다. 가시 내지 근적외선 범위(400-1400nm)에서의 충분히 강력한 레이저들은 안구를 관통할 수 있고, 망막의 가열을 유발할 수 있다.

본 개시내용의 양태에 따르면, LiDAR 기반 센서 시스템은 광학 전송기, 스캐너, 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는 세그먼트화된 광학 검출기, 및 제어기를 포함한다. 광학 전송기는 스캐너의 광학 구성요소를 통해 거리측량 신호를 전송하도록 동작가능하다. 스캐너는 거리측량 신호가 광학 구성요소를 통해 전송된 후에 그리고 거리측량 신호에 대응하는 복귀 신호가 수신되기 전에 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경하도록 동작가능하다. 세그먼트화된 광학 검출기는 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향에서의 변경 후에 광학 구성요소를 통해 거리측량 신호에 대응하는 복귀 신호를 수신하도록 동작가능하고, 제어기는 개별 감지 노드들 중 하나 이상의 출력들에 기반하여 복귀 신호의 복귀 스폿의 위치를 검출하도록 동작가능하다. 제어기는 복귀 스폿의 위치 및 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 기반하여 복귀 신호를 반사한 물체까지의 거리를 결정하도록 동작가능하다.

본 개시내용의 양태에 따르면, LiDAR 기반 감지 방법은, LIDAR 디바이스의 스캐너의 광학 구성요소를 통해 그리고 광학 전송기에 의해, 복수의 스캔 포인트 중 제1 스캔 포인트를 향해 거리측량 신호를 전송하는 단계; 거리측량 신호가 광학 구성요소를 통해 전송된 후에 스캐너의 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경하는 단계; 스캐너의 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경한 후에, 제1 스캔 포인트로부터 반사된 복귀 신호를 수신하는 단계 - 복귀 신호는 스캐너의 광학 구성요소를 통해 그리고 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는 세그먼트화된 광학 검출기에 의해 수신됨 -; 제어기에 의해, 개별 감지 노드들 중 하나 이상의 출력들에 기반하여 복귀 신호의 복귀 스폿의 위치를 검출하는 단계; 및 제어기에 의해, 복귀 스폿의 위치 및 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 기반하여 제1 스캔 포인트까지의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

본 개시내용의 양태에 따르면, 방법은, 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는 세그먼트화된 광학 검출기에 의해, 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 복수의 전기 신호를 생성하는 단계 - 복수의 전기 신호 내의 각각의 전기 신호는 복수의 개별 감지 노드들 내의 각각의 개별 감지 노드에 대응하고 각각의 개별 감지 노드에 의해 감지된 광학 신호를 나타냄 -; 및 제어기에 의해, 세그먼트화된 광학 검출기에 의해 생성된 복수의 전기 신호를 수신하는 단계; 거리측량 기간 동안 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 전기 신호를 복수 회 샘플링하여, 복수의 샘플링된 값을 생성하는 단계; 복수의 샘플링된 값에 기반하여, 세그먼트화된 광학 검출기가 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계; 및 제어기가 세그먼트화된 광학 검출기가 복귀 스폿을 수신했다고 결정할 때, 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계; 복귀 스폿에 대응하는 복귀 신호의 잔여 비행 시간을 결정하는 단계; 및 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 복귀 스폿을 수신했는지 그리고 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 기반하여 복귀 신호가 반사된 스캔 포인트까지의 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

본 개시내용의 양태에 따르면, LIDAR 기반 수신기 시스템은 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는 세그먼트화된 광학 검출기 및 광학 제어기를 포함한다. 세그먼트화된 광학 검출기는 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 복수의 전기 신호를 생성하도록 구성되고, 복수의 전기 신호 내의 각각의 전기 신호는 복수의 개별 감지 노드들 내의 각각의 개별 감지 노드에 대응하고 각각의 개별 감지 노드에 의해 감지된 광학 신호를 나타낸다. 제어기는, 세그먼트화된 광학 검출기에 의해 생성된 복수의 전기 신호를 수신하고; 거리측량 기간 동안 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 전기 신호를 복수 회 샘플링하여, 복수의 샘플링된 값을 생성하고; 복수의 샘플링된 값에 기반하여, 세그먼트화된 광학 검출기가 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하고; 제어기가 세그먼트화된 광학 검출기가 복귀 스폿을 수신했다고 결정할 때, 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하고; 복귀 스폿에 대응하는 복귀 신호의 잔여 비행 시간을 결정하고; 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 복귀 스폿을 수신했는지 그리고 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 기반하여 복귀 신호가 반사된 스캔 포인트까지의 거리를 결정하도록 구성된다.

구현의 다양한 신규 상세들 및 이벤트들의 조합을 포함하는, 위의 그리고 다른 바람직한 특징들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명될 것이고 청구항들에서 지적될 것이다. 본 명세서에 설명된 특정 시스템들 및 방법들은 제한으로서가 아니라 단지 예시로서 도시된다는 것을 이해할 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자가 이해하듯이, 본 명세서에서 설명되는 원리들 및 특징들은 임의의 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양하고 수많은 실시예들에서 이용될 수 있다. 전술한 그리고 이하의 설명으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 명세서에서 설명된 각각의 그리고 모든 특징, 및 둘 이상의 이러한 특징들의 각각의 그리고 모든 조합은, 이러한 조합에 포함된 특징들이 상호 불일치하지 않는 한, 본 개시내용의 범위 내에 포함된다. 또한, 임의의 특징 또는 특징들의 조합은 본 발명들 중 임의의 것의 임의의 실시예로부터 구체적으로 배제될 수 있다.

전술한 요약은 독자가 본 개시내용을 이해하는 것을 돕기 위한 것이며, 청구항들 중 임의의 것의 범위를 결코 제한하지 않는다.

본 명세서의 일부로서 포함되는 첨부 도면들은 현재 바람직한 실시예들을 예시하고, 위에서 주어진 일반적인 설명 및 이하에서 주어진 바람직한 실시예들의 상세한 설명과 함께, 본 명세서에서 설명된 원리들을 설명하고 교시하는 역할을 한다.
도 1은 삼각측량을 이용하여 타겟까지의 범위를 결정하는 LiDAR 시스템의 예의 동작의 예시이다.
도 2a는 LiDAR 시스템의 예의 동작의 예시이다.
도 2b는 LiDAR 시스템의 예의 동작의 다른 예시이다.
도 2c는 진동형 미러를 갖는 LiDAR 시스템의 예의 예시이다.
도 2d는 3차원("3D") LiDAR 시스템의 예의 예시이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른, 세그먼트화된 광학 검출기의 블록도이다.
도 4a는 일부 실시예들에 따른, 복귀 스폿들을 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4b는 일부 실시예들에 따른, 복귀 스폿들을 검출하기 위한 방법의 예시이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 장거리, 고해상도 LiDAR 트랜시버의 블록도이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른, 컴퓨팅 디바이스/정보 처리 시스템의 블록도이다.
본 개시내용은 다양한 수정들 및 대안적인 형태들의 대상이지만, 그 특정 실시예들은 도면들에서 예로서 도시되었고, 본 명세서에서 상세하게 설명될 것이다. 본 개시내용은 개시된 특정 형태들로 제한되지 않고, 오히려, 본 개시내용의 사상 및 범위 내에 드는 모든 수정들, 등가물들, 및 대안들을 커버하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

장거리, 고해상도 LiDAR 스캔들을 위한 장치 및 방법들이 개시된다. 예시의 단순성 및 명료성을 위해, 적절한 것으로 고려되는 경우, 대응하거나 유사한 요소들을 나타내기 위해 도면들 사이에 참조 번호들이 반복될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 상세가 제시된다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 본 명세서에서 설명된 예시적인 실시예들은 이들 특정 상세들 없이도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

용어들

측정들, 크기들, 양들 등은 범위 포맷으로 본 명세서에 제시될 수 있다. 범위 포맷의 설명은 단지 편의 및 간결성을 위한 것이며, 본 발명의 범위에 대한 융통성 없는 제한으로서 해석되어서는 안 된다. 따라서, 범위의 설명은 모든 가능한 하위범위들은 물론, 그 범위 내의 개별 수치 값들을 구체적으로 개시하는 것으로 고려되어야 한다. 예를 들어, 10-20 인치와 같은 범위의 설명은 10-11 인치, 10-12 인치, 10-13 인치, 10-14 인치, 11-12 인치, 11-13 인치 등과 같은 구체적으로 개시된 하위 범위들을 갖는 것으로 고려되어야 한다.

또한, 도면들 내의 구성요소들 또는 시스템들 사이의 접속들은 직접 접속들로 제한되도록 의도되지 않는다. 오히려, 이러한 구성요소들 사이의 데이터 또는 신호들은 중간 구성요소들에 의해 수정되거나, 재포맷되거나, 또는 다른 방식으로 변경될 수 있다. 또한, 추가적인 또는 더 적은 접속들이 이용될 수 있다. 용어들 "결합된", "접속된", 또는 "통신가능하게 결합된"은 직접 접속들, 하나 이상의 중간 디바이스를 통한 간접 접속들, 및 무선 접속들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 "일 실시예", "바람직한 실시예", "실시예", "일부 실시예들", 또는 "실시예들"에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 특성, 또는 기능이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되고 하나보다 많은 실시예에 있을 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서의 다양한 곳들에서의 전술한 문구들의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예 또는 실시예들을 언급하는 것은 아니다.

본 명세서의 다양한 곳들에서의 특정 용어들의 사용은 예시를 위한 것이며, 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 서비스, 기능, 또는 리소스는 단일 서비스, 기능, 또는 리소스로 제한되지 않고; 이러한 용어들의 사용은 분산되거나 또는 집성될 수 있는 관련 서비스들, 기능들, 또는 리소스들의 그룹화를 지칭할 수 있다.

더구나, 본 기술분야의 통상의 기술자는 (1) 특정 단계들이 선택적으로 수행될 수 있다는 것; (2) 단계들이 본 명세서에 제시된 특정 순서로 제한되지 않을 수 있다는 것; (3) 특정 단계들이 상이한 순서들로 수행될 수 있다는 것; 및 (4) 특정 단계들이 동시에 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같은 "대략"이라는 용어, "~과 대략 동일한"이라는 문구, 및 다른 유사한 문구들(예를 들어, "X는 대략 Y의 값을 갖는다" 또는 "X는 Y와 대략 동일하다")은 하나의 값(X)이 다른 값(Y)의 미리 결정된 범위 내에 있음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 달리 표시되지 않는 한, 미리 결정된 범위는 플러스 또는 마이너스 20%, 10%, 5%, 3%, 1%, 0.1% 또는 0.1% 미만일 수 있다.

본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같은 단수형은, 명확하게 반대로 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같은 문구 "및/또는"은 그렇게 결합된 요소들, 즉, 일부 경우들에서 결합적으로 존재하고 다른 경우들에서는 분리적으로 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 열거된 복수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉, 그렇게 결합된 요소들의 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들 이외의 다른 요소들이, 구체적으로 식별된 이들 요소들과 관련되든 관련되지 않든, 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 참조는, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A만(선택적으로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시예에서, B만(선택적으로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서, A 및 B 둘 다(선택적으로 다른 요소들을 포함함)를 지칭하는 식일 수 있다.

본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 리스트에서 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉, 다수의 요소들 또는 요소들의 리스트 중 적어도 하나를 포함하지만, 또한 그 하나 초과를 포함하고, 선택적으로, 추가적인 열거되지 않은 항목들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~ 중 단지 하나" 또는 "~ 중 정확히 하나", 또는 청구범위에서 사용될 때 "~로 이루어진"과 같이 명확히 달리 표시되는 용어들만이 다수의 요소들 또는 요소들의 리스트 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 이용된 바와 같은 용어 "또는"은 "~ 중 어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 단지 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은 배타성의 용어들이 선행될 때, 배타적인 대안들(즉, "둘 모두가 아니라 하나 또는 다른 것")을 표시하는 것으로만 해석되어야 한다. 청구항들에서 사용될 때 "~로 본질적으로 구성되는"은 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 가져야 한다.

본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 리스트와 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 요소들의 리스트 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하는 것은 아니며, 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이 정의는 또한, "적어도 하나"라는 문구가 언급하는 요소들의 리스트 내에서 구체적으로 식별된 요소들 이외의 요소들이, 구체적으로 식별된 요소들과 관련되든 관련되지 않든, 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등가적으로, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는, 하나 초과를 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 A(그리고 선택적으로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는, 하나 초과를 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 B(그리고 선택적으로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서, 하나 초과를 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 A, 및 하나 초과를 선택적으로 포함하는 적어도 하나의 B(그리고 선택적으로 다른 요소들을 포함함)를 지칭하는 식일 수 있다.

"포함하는", "갖는", "함유하는", "수반하는", 및 그 변형들의 사용은 그 후에 열거된 항목들 및 추가적인 항목들을 망라하는 것으로 의도된다.

청구항 요소를 수식하기 위해 청구항들에서 "제1", "제2", "제3" 등과 같은 서수 용어들을 사용하는 것은 그 자체로 하나의 청구항 요소의 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선순위, 선행, 또는 순서, 또는 방법의 동작들이 수행되는 시간적 순서를 내포하지는 않는다. 서수 용어들은 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를 동일한 명칭을 갖는(그러나 서수 용어의 이용을 위한) 다른 요소와 구별하여 청구항 요소들을 구별하기 위한 라벨들로서 사용될 뿐이다.

일부 실시예들에 대한 동기부여 및 그 이점들

LiDAR 시스템들은 환경 스캐닝, 유인 또는 무인 차량들의 내비게이션, 및 물체 검출을 포함하는, 매우 다양한 애플리케이션들을 위해 이용될 수 있다. 고속 이동 차량들(예를 들어, 항공기, 선박 등)의 경우, 스캐닝, 내비게이션, 및/또는 물체 검출 시스템이 비교적 장거리, 고해상도, 큰 시야(FOV), 및 높은 스캐닝 레이트를 가지는 것이 매우 유익하여, 차량의 경로 내의 물체들(예를 들어, 위험 물체들)이 검출될 수 있고, 이러한 물체들과의 충돌들이 회피될 수 있다. 예를 들어, 일부 항공기(예를 들어, 헬리콥터, 소형 비행기, 무인 항공기 등)는, 이들이 유틸리티 라인(예를 들어, 전력 라인) 또는 가이드 와이어(예를 들어, 라디오 탑 또는 유틸리티 탑의 경우)와 충돌한다면 재앙적 손상을 겪을 수 있다. 많은 LiDAR 시스템들이 큰 시야들 및 높은 스캐닝 레이트들을 갖지만, 이러한 시스템들은 일반적으로 제한된 범위(예를 들어, 수백 미터) 및/또는 더 긴 범위들(예를 들어, 1km 이상의 범위들)에서 낮은 해상도를 갖는다. 따라서, 향상된 범위 및 장거리 해상도를 갖는 LiDAR 시스템들이 필요하다.

물체 검출 도구는 LiDAR 시스템에 의해 수집된 데이터를 이용하여 LiDAR 시스템에 의해 스캐닝된 환경에서 물체를 자동으로 검출하고 식별할 수 있다. 장거리 LiDAR 스캔들로부터 물체들(예를 들어, 유틸리티 라인들, 가이드 와이어들 등)을 검출하고 식별하기 위한 개선된 기술들이 필요하다.

본 명세서에 설명된 장치 및 방법들의 일부 실시예들은 비교적 긴 범위(예를 들어, 1km, 1.5km, 2km 또는 그 이상) 및 고해상도(예를 들어, 스캔 라인들의 갭이 없는 그리드)의 LiDAR 기반 스캐닝을 제공한다. 일부 실시예들에서, 유틸리티 라인들, 가이드 와이어들, 및 다른 위험 물체들은 1-2km 이상의 범위들에서 신뢰성있게 검출되고 식별된다.

LiDAR 시스템들의 일부 예들

광 검출 및 거리측량("LiDAR") 시스템은 시스템을 둘러싸는 환경의 형상 및 윤곽을 측정하는데 이용될 수 있다. LiDAR 시스템들은 자율 내비게이션 및 표면들의 항공 매핑을 포함하는 수많은 애플리케이션들에 적용될 수 있다. 일반적으로, LiDAR 시스템은 시스템이 동작하는 환경 내의 물체들에 의해 후속하여 반사되는 광 펄스들을 방출한다. 각각의 펄스가 방출되는 것으로부터 수신되는 것으로 이동하는 시간(즉, 비행 시간("TOF" 또는 "ToF"))은 LiDAR 시스템과 펄스를 반사하는 물체 사이의 거리를 결정하기 위해 측정될 수 있다. LiDAR 시스템들의 과학은 광 및 광학의 물리학에 기반한다.

LiDAR 시스템에서, 광은 고속 발사 레이저로부터 방출될 수 있다. 레이저 광은 매질을 통해 이동하고 환경 내의 표면들(예를 들어, 건물들, 나무 가지들, 차량들 등의 표면들)의 포인트들로부터 반사한다. 반사된 광 에너지는 기록되어 환경을 매핑하는데 이용될 수 있는 LiDAR 검출기로 복귀한다.

도 2a는 일부 실시예들에 따른 LiDAR 시스템(100)의 동작을 도시한다. 도 2a의 예에서, LiDAR 시스템(100)은 방출된 광 신호(110)를 전송하는 전송기(104)(예를 들어, 레이저), 복귀 광 신호(114)를 검출하는 수신기(106)(예를 들어, 포토다이오드), 및 제어 및 데이터 취득 모듈(108)을 포함할 수 있는 LiDAR 디바이스(102)를 포함한다. LiDAR 디바이스(102)는 LiDAR 트랜시버 또는 "채널"이라고 지칭될 수 있다. 동작 시에, 방출된 광 신호(110)는 매질을 통해 전파되고 물체(112)에서 반사되며, 이에 의해 복귀 광 신호(114)는 매질을 통해 전파되고 수신기(106)에 의해 수신된다.

제어 및 데이터 취득 모듈(108)은 전송기(104)에 의한 광 방출을 제어할 수 있고 수신기(106)에 의해 검출된 복귀 광 신호(114)로부터 도출된 데이터를 기록할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 및 데이터 취득 모듈(108)은 광을 방출할 때 전송기가 동작하는 전력 레벨을 제어한다. 예를 들어, 전송기(104)는 복수의 상이한 전력 레벨에서 동작하도록 구성될 수 있고, 제어 및 데이터 취득 모듈(108)은 전송기(104)가 임의의 주어진 시간에 동작하는 전력 레벨을 선택할 수 있다. 임의의 적절한 기술이 전송기(104)가 동작하는 전력 레벨을 제어하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 및 데이터 취득 모듈(108)은 수신기(106)에 의해 검출된 복귀 광 신호(114)의 특성들을 결정(예컨대, 측정)한다. 예를 들어, 제어 및 데이터 취득 모듈(108)은 임의의 적절한 기술을 이용하여 복귀 광 신호(114)의 강도를 측정할 수 있다.

LiDAR 트랜시버는 하나 이상의 광학 렌즈 및/또는 미러(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 전송기(104)는 복수의 펄스를 갖는 레이저 빔을 특정 시퀀스로 방출할 수 있다. 수신기(106)의 설계 요소들은 그 수평 시야(이하, "FOV") 및 그 수직 FOV를 포함할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 FOV 파라미터들이 특정 LiDAR 트랜시버에 관한 가시 영역을 효과적으로 정의한다는 것을 인식할 것이다. 더 일반적으로, LiDAR 시스템의 수평 및 수직 FOV들은 단일 LiDAR 디바이스(예를 들어, 센서)에 의해 정의될 수 있거나, 복수의 구성가능한 센서(이는 배타적으로 LiDAR 센서들일 수 있거나 상이한 유형들의 센서들을 가질 수 있음)에 관련될 수 있다. FOV는 LiDAR 시스템에 대한 스캐닝 영역으로 고려될 수 있다. 스캐닝된 FOV를 획득하기 위해 스캐닝 미러 및/또는 회전 어셈블리가 이용될 수 있다.

LiDAR 시스템은 또한 제어 및 데이터 취득 모듈(108)로부터 접속(116)을 통해 출력을 수신하고 데이터 분석 기능들을 수행할 수 있는 데이터 분석 및 해석 모듈(109)을 포함할 수 있다. 접속(116)은 무선 또는 비접촉 통신 기술을 이용하여 구현될 수 있다.

도 2b는 일부 실시예들에 따른 LiDAR 시스템(202)의 동작을 도시한다. 도 2b의 예에서는, 2개의 복귀 광 신호(203 및 205)가 도시된다. 레이저 빔들은 일반적으로 이들이 매질을 통해 이동함에 따라 발산하는 경향이 있다. 레이저 빔의 발산으로 인해, 단일 레이저 방출은 복수의 복귀 신호들을 생성하는 복수의 물체들에 부딪칠 수 있다. LiDAR 시스템(202)은 복수의 복귀 신호를 분석하고 복귀 신호들 중 하나(예를 들어, 가장 강한 복귀 신호, 마지막 복귀 신호 등) 또는 하나보다 많은(예를 들어, 모든) 복귀 신호를 보고할 수 있다. 도 2a의 예에서, LiDAR 시스템(202)은 근거리 벽(204) 및 원거리 벽(208)의 방향으로 레이저를 방출한다. 도시된 바와 같이, 빔의 대부분은 영역(206)에서 근거리 벽(204)에 부딪쳐 복귀 신호(203)를 야기하고, 빔의 다른 부분은 영역(210)에서 원거리 벽(208)에 부딪쳐 복귀 신호(205)를 야기한다. 복귀 신호(203)는 복귀 신호(205)와 비교하여 더 짧은 TOF 및 더 강한 수신 신호 강도를 가질 수 있다. 단일 및 복수 복귀 LiDAR 시스템들 둘 다에서, 정확한 TOF가 계산되도록 각각의 복귀 신호가 전송된 광 신호와 정확하게 연관되는 것이 중요하다.

LiDAR 시스템의 일부 실시예들은 2차원("2D")(예를 들어, 단일 평면) 포인트 클라우드 방식으로 거리 데이터를 캡처할 수 있다. 이러한 LiDAR 시스템들은 산업 애플리케이션들에서, 또는 측량, 매핑, 자율 내비게이션, 및 다른 용도들을 위해 이용될 수 있다. 이러한 시스템들의 일부 실시예들은 적어도 하나의 평면에 걸친 스캐닝을 실행하기 위해 이동 미러와 결합된 단일 레이저 방출기/검출기 쌍의 이용에 의존한다. 이 미러는 전송기(예컨대, 레이저 다이오드)로부터의 방출된 광을 반사할 수 있고/있거나 복귀 광을 수신기(예컨대, 검출기)로 반사할 수 있다. 이러한 방식으로 이동식(예를 들어, 진동형) 미러를 이용하면, LiDAR 시스템이 90-180-360도의 방위각(수평) 뷰를 달성할 수 있게 하면서 시스템 설계 및 제조성 모두를 단순화할 수 있다. 많은 애플리케이션들은 단지 단일 2D 평면보다 더 많은 데이터를 요구한다. 2D 포인트 클라우드는 3차원("3D") 포인트 클라우드를 형성하도록 확장될 수 있으며, 여기서 복수의 2D 클라우드가 이용되고, 각각은 상이한 고도(수직) 각도를 가리킨다. LiDAR 시스템(202)의 수신기의 설계 요소들은 수평 FOV 및 수직 FOV를 포함할 수 있다.

도 2c는 일부 실시예들에 따른, 이동식(예를 들어, 진동형) 미러를 갖는 LiDAR 시스템(250)을 도시한다. 도 2c의 예에서, LiDAR 시스템(250)은 평면을 가로질러 효과적으로 스캐닝하기 위해 이동식 미러(256)와 결합된 단일 레이저 방출기/검출기 쌍을 이용한다. 이러한 시스템에 의해 획득된 거리 측정들은 사실상 2차원(예를 들어, 평면)일 수 있고, 캡처된 거리 포인트들은 2D(예를 들어, 단일 평면) 포인트 클라우드로서 렌더링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제한 없이, 이동식 미러(256)는 아주 빠른 속도(예컨대, 분당 수천 사이클)로 진동할 수 있다.

LiDAR 시스템(250)은 단일 광 방출기 및 광 검출기를 포함할 수 있는 레이저 전자기기(252)를 가질 수 있다. 방출된 레이저 신호(251)는 방출된 레이저 신호(251)를 이동식 미러(256) 쪽으로 반사할 수 있는 고정 미러(254) 쪽으로 지향될 수 있다. 이동식 미러(256)가 이동(예컨대, "진동")할 때, 방출된 레이저 신호(251)는 그 전파 경로에 있는 물체(258)로부터 반사될 수 있다. 반사된 신호(253)는 이동식 미러(256) 및 고정 미러(254)를 통해 레이저 전자기기(252) 내의 검출기에 결합될 수 있다. LiDAR 시스템(250)의 수신기의 설계 요소들은 스캐닝 영역을 정의하는 수평 FOV 및 수직 FOV를 포함한다.

도 2d는 일부 실시예들에 따른 3D LiDAR 시스템(270)을 도시한다. 도 2d의 예에서, 3D LiDAR 시스템(270)은 하부 하우징(271) 및 상부 하우징(272)을 포함한다. 상부 하우징(272)은 적외선 광(예를 들어, 700 내지 1,700 나노미터의 스펙트럼 범위 내의 파장을 갖는 광)에 투명한 재료로 구성된 원통형 쉘 요소(273)를 포함한다. 일 예에서, 원통형 쉘 요소(273)는 905 나노미터에 중심을 둔 파장들을 갖는 광에 투명하다.

일부 실시예들에서, 3D LiDAR 시스템(270)은 상부 하우징(272)의 원통형 쉘 요소(273)를 통해 레이저 빔들(276)을 방출하도록 동작가능한 LiDAR 트랜시버(102)를 포함한다. 도 2d의 예에서, 3D LiDAR 시스템(270)으로부터 바깥쪽으로 향하는 화살표들(275, 275')의 세트들 내의 각각의 개별 화살표는 3D LiDAR 시스템에 의해 방출된 레이저 빔(276)을 나타낸다. 시스템(270)으로부터 방출된 광의 각각의 빔은 약간 발산할 수 있어서, 방출된 광의 각각의 빔은 시스템(270)으로부터 방출된 조명 광의 원뿔을 형성한다. 일 예에서, 시스템(270)으로부터 방출된 광의 빔은 시스템(270)으로부터 100 미터의 거리에서 직경이 20 센티미터인 스폿 크기를 조명한다.

일부 실시예들에서, 트랜시버(102)는 3D LiDAR 시스템(270)에 의해 전송되는 각각의 레이저 빔(276)을 방출한다. 각각의 방출된 빔의 방향은 시스템의 중심축(274)에 대한 트랜시버의 전송기(104)의 각도 배향 ω에 의해 그리고 미러의 진동(또는 회전)축에 대한 전송기의 이동식 미러(256)의 각도 배향 ψ에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1(예컨대, 수평) 차원에서의 방출된 빔의 방향은 전송기의 각도 배향 ω에 의해 결정될 수 있고, 제1 차원에 직교하는 제2(예컨대, 수직) 차원에서의 방출된 빔의 방향은 전송기의 이동식 미러의 각도 배향 ψ에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로, 제1(예컨대, 수직) 차원에서의 방출된 빔의 방향은 전송기의 각도 배향 ω에 의해 결정될 수 있고, 제1 차원에 직교하는 제2(예컨대, 수평) 차원에서의 방출된 빔의 방향은 전송기의 이동식 미러의 각도 배향 ψ에 의해 결정될 수 있다. (예시의 목적으로, 광 빔들(275)은 3D LiDAR 시스템(270)의 비회전 좌표 프레임에 대해 하나의 각도 배향으로 예시되고, 광 빔들(275')은 비회전 좌표 프레임에 대해 다른 각도 배향으로 예시된다.)

3D LiDAR 시스템(270)은 전송기의 배향 ω 및 전송기의 이동식 미러의 배향 ψ를 원하는 스캔 포인트(ω, ψ)로 조정하고 전송기(104)로부터 레이저 빔을 방출함으로써 그 시야 내의 특정 포인트를 스캐닝할 수 있다. 마찬가지로, 3D LiDAR 시스템(270)은 전송기의 배향 ω 및 전송기의 이동식 미러의 배향 ψ를 스캔 포인트들의 세트(ωi, ψj)로 조정하고 스캔 포인트들 각각에서 전송기(104)로부터 레이저 빔을 방출함으로써 그 시야를 체계적으로 스캐닝할 수 있다.

장거리, 고해상도 LiDAR 시스템들의 일부 실시예들

전송기(104)가 레이저 빔(110)(예컨대, 펄스 레이저 빔, "거리측량 신호", "거리측량 펄스", 또는 "펄스")을 방출한 후 그리고 수신기(106)가 대응하는 복귀 빔(114)을 수신하기 전에 시간 기간 동안 LiDAR 트랜시버의 광학 구성요소(들)(예컨대, 이동식 미러(256))가 정지된 채로 있는 것으로 가정하면, 복귀 빔은 일반적으로 검출기 상의 정지 위치(L0)에(또는 그 근방에) 중심을 둔 스폿(예컨대, "복귀 스폿")을 형성한다. 이 시간 기간은 본 명세서에서 전송 빔(110) 및 복귀 빔(114)과 연관된 스캔 포인트의 "거리측량 기간"이라고 지칭된다.

많은 LiDAR 시스템들에서, LiDAR 트랜시버의 광학 구성요소(들)는 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 정지 상태로 유지되지 않는다. 오히려, 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안, 광학 구성요소(들)는 하나 이상의 다른 스캔 포인트와 연관된 배향(들)으로 이동될 수 있고, 그 다른 스캔 포인트들을 스캐닝하는 레이저 빔들이 전송될 수 있다. 이러한 시스템들에서, 보상이 없는 경우, 트랜시버의 검출기가 복귀 빔(114)을 수신하는 스폿의 중심의 위치 Li는 일반적으로 거리측량 기간 동안 트랜시버의 광학 구성요소(들)의 배향에서의 변경에 의존하고, 이는 각도 스캔 레이트(예컨대, 이동식 미러(256)의 각운동 레이트) 및 거리측량 펄스를 반사하는 물체(112)까지의 범위에 의존한다. 복귀 빔에 의해 형성된 스폿의 위치 Li와 거리측량 기간 동안 광학 구성요소(들)의 개재하는 회전 없이 형성되었을 스폿의 공칭 위치 L0 사이의 거리는 본 명세서에서 "워크-오프(walk-off)"라고 지칭된다.

LiDAR 트랜시버(102)가 그 시야를 비교적 높은 레이트로 스캐닝할 때, 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 스캐너의 광학 구성요소(들)의 개재하는 각운동에 의해 야기되는 워크-오프는, 특히 물체(112)까지의 범위가 길 때(예를 들어, 1km 이상일 때), 무시할 수 없을 수 있다. 트랜시버의 검출기의 물리적 크기, 스캐너의 광학 구성요소(들)의 각속도, 및 반사 포인트까지의 범위에 따라, 이 개재하는 각운동은 복귀 빔의 스폿이 트랜시버의 검출기를 완전히 놓치게("검출기를 워크-오프하게") 할 수 있고, 따라서 트랜시버는 복귀 빔을 검출하지 못한다.

다른 한편으로, 복귀 빔의 스폿이 검출기를 워크-오프하지 않는 경우, 물체(112)까지의 범위는 복귀 스폿의 워크-오프에 기반하여 (예컨대, 삼각측량을 이용하여) 추정될 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 긴 거리들(예로서, R > 500m)에서, 반사 포인트(14)까지의 거리(R)는 X와

의 곱으로서 추정될 수 있으며, 여기서 X는 복귀 스폿의 워크-오프이고,

는 전송된 광학 신호(18) 및 복귀 광학 신호(22)에 대한 비행 시간 기간 동안 스캐너의 광학 구성요소가 회전하는 각도이다.

일부 실시예들에서, LiDAR 트랜시버의 검출기는 복귀 스폿의 워크-오프의 측정을 용이하게 하도록 세그먼트화될 수 있다. 도 3을 참조하면, 세그먼트화된 검출기(300)는 복수의 검출 세그먼트(302)를 포함할 수 있다. 검출 세그먼트들(302)은 검출기(300)의 길이 LD를 따라 선형으로 배열될 수 있다. 검출기(300)는 임의의 적합한 길이 LD, 임의의 적합한 수의 검출 세그먼트들(302), 및 임의의 적합한 치수들의 검출 세그먼트들(302)을 가질 수 있다. LiDAR 트랜시버의 원하는 범위 및 다른 동작 특성들에 기반하여 검출기의 길이 LD, 검출 세그먼트들의 수 num_det, 및 검출 세그먼트들의 치수들(예를 들어, 길이 LS)을 선택하기 위한 기술들의 일부 예들이 아래에 설명된다.

동작 시에, 검출기(300)는 (1) 어떠한 워크-오프도 없는 경우 제1 검출 세그먼트(302a) 상에 복귀 스폿의 적어도 일부가 형성되고, (2) 복귀 스폿의 워크-오프의 양이 증가함에 따라, 복귀 스폿이 제1 검출 세그먼트(302a)로부터 개재하는 검출 세그먼트들(302b-i)을 거쳐 마지막 검출 세그먼트(302j)로 점진적으로 이동하도록 배치될 수 있다. 검출기(300)의 길이(LD)는 복귀 빔이 트랜시버의 최대 범위(R)에서 물체(112)에 의해 반사되고 트랜시버가 그 시야를 그 최대 스캔 레이트로 스캐닝할 때 마지막 검출 세그먼트(302j)가 복귀 스폿을 수신하도록 선택될 수 있으며, 따라서 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안의 트랜시버의 광학 구성요소(들)의 각운동이 최대화된다.

이 구성에서, 복귀 스폿을 수신하는 검출기 세그먼트는 복귀 신호를 반사하는 물체까지의 범위에 의존한다. 따라서, 삼각측량을 이용하여, 물체까지의 거리(D)는 다음과 같이 물체에 의해 반사된 복귀 신호의 복귀 스폿을 수신하는 검출기 세그먼트에 기반하여 추정될 수 있다:

여기서, det_index는 복귀 스폿을 수신하는 검출기 세그먼트의 인덱스이고, R은 트랜시버의 최대 범위이고, num_det는 검출기 세그먼트들의 수이다. 주어진 검출기 세그먼트 인덱스 DSi는 검출기 세그먼트들의 단위로 측정되는, 그 검출기 세그먼트와 제1 검출기 세그먼트 사이의 거리와 동일할 수 있다. (도 3의 예에서, 검출기 세그먼트들(302a-302j)의 인덱스들은 각각 0-9일 수 있다.)

예를 들어, 트랜시버의 최대 범위가 1.5km이고, 검출기 세그먼트들의 수가 (도 3의 예에서와 같이) 10이며, 검출기 세그먼트(302a)가 거리측량 펄스의 복귀 스폿을 수신하면, 시스템은 거리측량 펄스를 반사한 물체까지의 범위를 [0 * 1.5km / 10, 1 * 1.5km / 10] = 0 내지 150m로서 추정할 수 있다. 마찬가지로, 검출기 세그먼트(302e)가 거리측량 펄스의 복귀 스폿을 수신하면, 시스템은 거리측량 펄스를 반사한 물체까지의 범위를 [4 * 1.5km / 10, 5 * 1.5km / 10] = 600 내지 750m로서 추정할 수 있다. 또 다른 예로서, 검출기 세그먼트(302j)가 거리측량 펄스의 복귀 스폿을 수신하면, 시스템은 거리측량 펄스를 반사한 물체까지의 범위를 [9 * 1.5km / 10, 10 * 1.5km / 10] = 1.35km 내지 1.5km로서 추정할 수 있다.

전술한 예가 예시하는 바와 같이, 세그먼트화된 검출기(300)가 전술한 바와 같이 구성될 때, 전술한 삼각측량 기반 범위 계산의 해상도는 트랜시버의 범위를 검출기 세그먼트들의 수로 나눈 값과 동일하다. 많은 관심 애플리케이션들에 대해, 검출기가 비실용적 길이(LD) 및/또는 비실용적 수의 검출기 세그먼트들을 갖지 않는 한, 전술한 삼각측량 기반 범위 계산에 의해 제공되는 범위 해상도는 충분하지 않다.

일부 실시예들에서, 삼각측량 기반 범위 계산의 범위 해상도는 보간을 이용하여 복귀 스폿의 중심의 위치를 '특정 검출기 세그먼트의 외측 경계들 사이의 어딘가'보다 더 정확한 위치로 분해함으로써 상당히 개선될 수 있다. 도 4b를 참조하면, 많은 경우들에서, 복귀 스폿의 부분들은 세그먼트화된 검출기의 2개 이상의 세그먼트들에 의해 수신될 수 있다. 이러한 경우들에서, 복귀 스폿에 의해 커버되는 세그먼트의 비율이 증가함에 따라 복귀 스폿의 부분들을 수신하는 세그먼트들의 출력 값들이 일반적으로 증가할 수 있다. 예를 들어, 세그먼트들의 출력 값들은 복귀 스폿에 의해 커버되는 세그먼트의 비율에 비례할 수 있다. 세그먼트들의 출력들 사이에서 보간함으로써, 복귀 스폿의 중심의 위치는 특정 검출기 세그먼트의 길이를 따라 특정 위치 'det_loc'로 분해될 수 있다. (예를 들어, det_loc에 대한 4.5의 값은 복귀 스폿의 중심이 인덱스 = 4인 검출기 세그먼트의 상부 경계와 하부 경계 사이의 대략 중간임을 나타낸다.) 이어서, 물체까지의 거리(D)는 다음과 같이 추정될 수 있다:

일부 실시예들에서, 세그먼트화된 검출기의 범위 해상도는 다음과 같이 물체까지의 거리(D)를 결정하기 위해 삼각측량-증강 비행 시간(ToF) 계산을 이용함으로써 추가로 개선될 수 있다:

여기서, min_distance는 (삼각측량을 이용하여 결정될 수 있는) 물체까지의 최소 거리이고, residual_distance는 (비행 시간 분석을 이용하여 결정될 수 있는) 물체까지의 잔여 거리이다. 검출기가 위에 설명된 바와 같이 구성될 때, 물체까지의 최소 거리는 det_index * R / num_det로서 계산될 수 있고, 여기서 det_index는 복귀 스폿을 수신하는 검출기 세그먼트의 인덱스이고, R은 트랜시버의 최대 범위이고, num_det는 검출기 세그먼트들의 수이다. 물체까지의 잔여 거리는 residual_ToF * c / 2로서 계산될 수 있으며, 여기서 residual_ToF는 전송 및 복귀 빔들의 잔여 비행 시간이고, c는 전송 및 복귀 빔들이 이동하는 매질에서의 광의 속도이다. 개념적으로, 잔여 비행 시간은 트랜시버와 물체 사이의 최소 거리(min_distance)를 횡단하기 위해 전송 및 복귀 빔들에 대해 요구되는 비행 시간을 넘어서는 전송 및 복귀 빔들의 추가적인 비행 시간이다. 잔여 비행 시간(residual_ToF)은 복귀 빔의 복귀 시간과 가장 최근에 전송된 거리측량 펄스의 전송 시간 사이의 차이를 결정함으로써 계산될 수 있다.

시야를 스캐닝하는 동안, 트랜시버는 세그먼트화된 검출기(300)에 의한 복귀 스폿의 수신을 검출하고, 검출기 세그먼트들(302) 중 어느 것이 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하고/하거나, 복귀 스폿을 생성한 복귀 빔 및 전송 빔의 잔여 비행 시간을 결정하기 위해 임의의 적합한 방법을 이용할 수 있다. 도 4a를 참조하면, 세그먼트화된 광학 검출기로 복귀 스폿들을 검출하기 위한 방법(400)은 동작들(402 내지 408)을 포함할 수 있으며, 그 일부 실시예들이 이하에서 설명된다. 검출 방법(400)을 이용하여 복귀 스폿들을 검출하는 것은 LiDAR 디바이스들이 종래의 검출 기술들을 이용하는 LiDAR 디바이스들보다 훨씬 더 빠른 레이트로 그 거리측량 펄스들을 발사하게 할 수 있다. 따라서, 검출 방법(400)을 이용하는 LiDAR 디바이스들은 종래의 LiDAR 디바이스들보다 훨씬 더 빠르게 그리고/또는 훨씬 더 미세한 해상도로 그 시야들을 스캐닝할 수 있다. 대안적으로, 검출 방법(400)을 이용하는 LiDAR 디바이스들은 종래의 LiDAR 디바이스가 동일한 해상도에서 훨씬 더 작은 시야를 스캐닝하는 것과 동일한 양의 시간 내에 큰 시야를 스캐닝할 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출 방법(400)을 이용하는 LiDAR 디바이스는 스캔 라인들에서의 갭이 없는 커버리지로 큰 시야(예를 들어, 40도 × 40도)를 신속하게(예를 들어, 1초 내에) 스캐닝할 수 있다.

동작(402)에서, 디바이스 제어기는 스캔 기간 동안 검출기 세그먼트들(302) 각각에 의해 출력되는 전기 신호들(예를 들어, 전류들 또는 전압들)을 복수 회 샘플링한다. 제어기는 (예로서, 아날로그-디지털 변환기 또는 "ADC"를 이용하여) 샘플링된 값들을 디지털화하고, 이들을 (예로서, 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에) 저장할 수 있다. 잔여 비행 시간들의 후속 결정들을 용이하게 하기 위해, 제어기는 샘플들과 관련된 추가 정보, 예를 들어 스캐닝 기간의 시작 시간(예로서, 가장 최근에 전송된 거리측량 펄스의 전송 시간), 샘플들이 취해진 시간들, 샘플 수들, 샘플 기간들의 지속기간들 등을 저장할 수 있다. 검출기 세그먼트들(302)의 출력들은 스캔 기간 동안 임의의 적절한 횟수(예를 들어, 5-500회 이상)로 샘플링될 수 있다. 샘플 기간들은 균일하거나 불균일할 수 있다.

동작(404)에서, 디바이스 제어기는 스캔 기간 동안 수집된 샘플 값들을 분석하고, 그 샘플 값들에 기반하여, 검출기가 복귀 스폿을 수신했는지를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 분석은 샘플 값들을 검출 임계값과 비교하는 것 및 샘플 값들 중 임의의 것이 검출 임계값을 초과하면 검출기가 복귀 스폿을 수신했다고 결정하는 것을 포함할 수 있다. 그렇지 않으면, 디바이스 제어기는 어떠한 복귀 스폿도 수신되지 않았다고 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 분석은 샘플 값들의 세트에 대해 패턴 분석을 수행하여 샘플 값들이 복수의 저장된 패턴 중 하나에 부합하는지를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 샘플 값들이 복귀 스폿의 수신을 나타내는 패턴에 부합하면, 디바이스 제어기는 검출기가 복귀 스폿을 수신했다고 결정할 수 있다. 그렇지 않으면, 디바이스 제어기는 어떠한 복귀 스폿도 수신되지 않았다고 결정할 수 있다.

디바이스 제어기가 검출기가 스캔 기간 동안 복귀 스폿을 수신했다고 결정하는 경우, 제어기는 어느 검출기 세그먼트가 복귀 스폿을 수신했는지를 결정할 수 있다(406). 일부 실시예들에서, 제어기는 스캔 기간 동안 최고 샘플 값을 생성한 검출기 세그먼트를 복귀 스폿을 수신한 검출기 세그먼트로서 식별한다. 일부 실시예들에서, 샘플 값들이 특정 검출기 세그먼트에 의한 복귀 스폿의 수신을 나타내는 패턴에 부합하면, 제어기는 그 검출기 세그먼트를 복귀 스폿을 수신한 세그먼트로서 식별한다.

또한, 디바이스 제어기가 검출기가 스캔 기간 동안 복귀 스폿을 수신했다고 결정하는 경우, 제어기는 복귀 스폿을 생성한 복귀 빔 및 전송 빔의 잔여 비행 시간을 결정할 수 있다(408). 일부 실시예들에서, 각각의 스캔 기간에서의 샘플들이 순차적으로 넘버링되고, 샘플 기간 T_sample가 균일하다고 가정하면, 제어기는 잔여 비행 시간을 (1) 스캔 기간 동안 최고 샘플 값을 생성한 샘플의 샘플 수와 (2) 샘플 기간 T_sample의 지속기간의 곱인 것으로 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 값들이 특정 샘플 기간 동안의 복귀 스폿의 수신을 나타내는 패턴에 부합하면, 제어기는 잔여 비행 시간을 (1) 그 샘플 기간의 샘플 수와 (2) 샘플 기간 T_sample의 지속기간의 곱인 것으로 결정할 수 있다.

도 4a에 도시되지 않았지만, 복귀 스폿을 수신한 검출기 세그먼트를 식별하고 잔여 비행 시간을 결정한 후에, 제어기는 삼각측량-증강 비행 시간(ToF) 계산을 수행하여, 복귀 빔을 반사한 물체까지의 거리(D)를 결정할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 복귀 스폿 검출 및 삼각측량-증강 비행 시간(ToF) 결정 동작들의 예들이 도시된다. 도 4b는 세그먼트화된 검출기(300), 복귀 스폿(452), 및 스캔 기간 동안 검출기 세그먼트들(302)로부터 판독된 값들을 도시하는 그래프(454)의 예를 도시한다. 도 4b의 예에서, 트랜시버의 최대 범위는 1.5km이고, 검출기 세그먼트들의 수는 10이며, 복귀 스폿은 검출기 세그먼트(302e)에 중심을 두며, 복귀 스폿의 부분들은 또한 검출기 세그먼트들(302d 및 302f) 위로 넘친다. 또한, 도 4b의 예에서, 스캔 기간의 지속기간은 1μs이고, 검출기 세그먼트들(302)의 출력들은 스캔 기간당 20회 샘플링되고, 샘플 기간들은 균일하다(1μs / 20개의 샘플 = 50ns / 샘플).

모든 검출기 세그먼트들로부터 취해진 모든 샘플들에 걸쳐, 검출기 세그먼트(302e)의 피크 출력 값이 가장 높으며(그리고 검출 임계값보다 높으며), 이는 검출기 세그먼트(302e)가 스캔 기간 동안 복귀 스폿을 수신하였음을 나타낸다. 또한, 검출기 세그먼트(302e)의 피크 출력 값은 14번째 샘플링 기간 동안 발생하는데, 이는 검출기가 스캔 기간의 시작 이후 14 * 50ns = 700ns의 복귀 스폿을 수신함을 나타낸다. 이 정보를 이용하여, LiDAR 디바이스는 복귀 신호를 반사한 물체까지의 거리를 다음과 같이 결정할 수 있다:

삼각측량 기반 범위 계산의 해상도는 검출기 세그먼트들의 수 또는 보간 계산의 정밀도에 의해 제한될 수 있는 반면, 삼각측량-증강 ToF 범위 계산의 해상도는 샘플 기간에 의해 제한된다. 이 예에서, 삼각측량-증강 ToF 범위 계산의 해상도는 50ns * c / 2 = 7.5m이고, 이는 삼각측량 기반 범위 계산의 해상도에 비해 상당한 개선이다. 일부 실시예들에서, 샘플 기간의 지속기간은 0.1ns 내지 100ns(예를 들어, 1ns)일 수 있다. 1ns 스캔 기간의 경우, 전술한 예에서의 삼각측량-증강 ToF 범위 계산의 해상도는 대략 1ns * c / 2 = 150mm일 것이다.

드문 경우들에서, 세그먼트화된 검출기는 동일한 샘플링 기간 동안 2개 이상의 상이한 검출기 세그먼트들 상의 2개 이상의 복귀 스폿들을 수신할 수 있다. 이러한 "충돌들"은 임의의 적절한 기술을 이용하여 처리될 수 있다. 예를 들어, 샘플 값들의 분석(402) 동안, 최고 샘플 값 이외의 모든 샘플 값들이 폐기될 수 있고, 이에 의해 가장 강한 복귀 신호를 위해 더 약한 복귀 신호들을 무시한다. 대안적으로, 샘플 값들의 분석(402) 동안, 충돌의 존재는 샘플 값들의 세트가 샘플 값들의 임의의 저장된 패턴과 매칭(또는 가깝게 매칭)하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 제어기는 스캔 기간에 대한 샘플 값들을 폐기하거나, 스캔 기간에 대해 계산된 임의의 거리에 낮은 신뢰도 값을 할당하거나, 그렇지 않으면 충돌이 발생하는 스캔 기간 동안 획득된 샘플 값들을 무시할 수 있다.

LiDAR 트랜시버의 범위(R)가 1.5km이고, 트랜시버의 세그먼트화된 검출기가 10개의 세그먼트를 갖는 예가 설명되었다. 더 일반적으로, LiDAR 스캐너의 일부 실시예들에 대한 설계 파라미터들은 아래의 파라미터들 및 제약들에 따라 선택될 수 있다:

'R'은 LiDAR 스캐너의 원하는 범위(예를 들어, 1.5km)이고;

'M2'는 스캐너의 레이저 빔 품질(예를 들어, 1.3)이고;

'λ'는 레이저 파장(스캐너에 의해 전송된 빔들의 파장)(예를 들어, 1300nm)이고;

'ω0'은 스캐너의 시준 렌즈의 절반 폭(예를 들어, 25mm)이고;

빔 발산 'θ' = M2 * λ / (π * ω0)(예컨대, 2.152 * 10-5 라디안)이고;

최대 범위에서의 전송된 레이저 빔의 스폿 크기 'SpotSize' = 2*θ*R(예를 들어, 64.6mm)이고;

'Φ'는 스캐너에 의해 검출될 물체들의 원하는 최소 직경(예컨대, 4 인치)이고;

'PRF'는 전송기의 펄스 반복 주파수(예를 들어, 1 MHz)이고;

'FF'는 전송 빔들의 원하는 스폿 충전율(예를 들어, 50%)이고;

연속적인 스캐닝 빔들의 전송 각도에서의 최대 변경 '

' = θ * (1-FF)(예를 들어, 1.076 * 10-5 라디안)이고;

각도 스캐닝 속도(예를 들어, 이동식 미러(256)의 회전의 각도 레이트) 'ω' =

* PRF(예를 들어, 10.76 라디안/초)이고;

'vFOV'는 원하는 수직 시야(예를 들어, 20도)이고;

수직 시야에서 하나의 스캔 라인을 스캐닝하는데 요구되는 시간 'vFperiod' = vFOV / ω(예를 들어, 0.032초)이고;

수직 시야 내의 스캔 라인들이 스캐닝될 수 있는 최대 주파수 'vFrate' = 1 / vFperiod(예를 들어, 30.822 Hz)이고;

스캐너의 원하는 범위에서의 거리측량 펄스 및 복귀 빔에 대한 비행 시간 'TF' = 2 * R / c(예를 들어, 10.0μs)이고;

최대 범위에서의 스캐너의 각도 워크-오프(예를 들어, 비행 시간(TF) 동안의 스캐너의 광학 구성요소의 각도 위치에서의 변경) 'ang_walk' = ω * TF(예를 들어, 107.6 * 10-6 라디안)이고;

최대 범위에서의 복귀 스폿의 선형 워크-오프 'lin_walk' = ang_walk / θ(예를 들어, 5.0 스폿 폭)이고;

'Det'는 검출기의 크기(예를 들어, 20μm)이고;

초점 렌즈의 각도 조리개 'Ap' = 2 * ω0(예를 들어, 50mm)이고;

'Fnum'은 시준 렌즈의 f-넘버(예를 들어, 40)이고;

시준 렌즈의 유효 초점 거리 'EFL' = Fnum * Ap(예를 들어, 2m)이고;

복귀 스폿의 크기 'DetSpot' = Det / EFL(예를 들어, 10 * 10-6 라디안)이고;

최대 범위에서 복귀 스폿의 워크-오프에 대한 복귀 스폿의 크기의 비는 DetSpot / ang_walk(예를 들어, 0.093)이고;

빔 발산에 대한 복귀 스폿의 크기의 비는 DetSpot / θ(예컨대, 0.465)이다.

일부 실시예들에서, 스캔 스폿들은 4 인치 정도로 작은 직경들을 갖는 물체들(예를 들어, 유틸리티 라인들 및 가이드 와이어들)이 검출을 피하지 않도록 보장하기 위해 상당히 중첩된다. 예를 들어, 스캔 스폿들의 충전율은 40% 내지 60%일 수 있다.

일부 실시예들에서, 밝은 단일 모드 레이저가 장거리 스캔들을 용이하게 하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 트랜시버의 레이저는 대략 1300 내지 1310 nm의 파장을 갖는 파이버 레이저일 수 있다.

일부 실시예들에서, 펄스 반복 주파수는 비교적 높고(예컨대, 1-2 MHz), 스캔 레이트는 30-60 Hz이다.

일부 실시예들에서, 최대 검출 범위는 1.5km이고, 검출기 길이는 20-25μm이고, 검출기 세그먼트들의 수는 10이고, 수신기 렌즈의 유효 초점 거리는 2 미터이어서, 10개의 검출기 세그먼트가 1.5km 범위에서 비행 시간 워크-오프에 걸쳐 있다.

일부 실시예들에서, 스캔 라인들은 단방향이 아니라 양방향으로 스캐닝된다. 예를 들어, 스캔 라인들이 수직이면, 스캐너는 위에서 아래로 하나의 스캔 라인을 스캐닝하고 아래에서 위로 다른 스캔 라인을 스캐닝할 수 있다. 양방향 스캐닝을 지원하기 위해, 검출기의 길이 및 검출기 세그먼트들의 수는 대략 2배가 될 수 있어서, 검출기 세그먼트들의 절반은 한 방향으로의 스캐닝에 이용되고, 검출기 세그먼트들의 다른 절반은 반대 방향으로의 스캐닝에 이용된다.

일부 실시예들에서, 1300nm 파이버 레이저를 이용하여 1.5km에서 비교적 어두운 타겟(예를 들어, 10%의 확산 반사율을 갖는 유틸리티 라인)을 거리측량하기 위한 피크 레이저 전력은 대략 10-20kW이다. 전송 빔들이 3ns 펄스들을 갖는다고 가정하면, 평균 레이저 전력은 대략 30-60W일 수 있다.

일부 실시예들에서, 트랜시버(102a)는 30개의 수직 스캔 라인을 이용하여 1초 내에 40도 × 40도 시야를 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 스캔의 수평 해상도는 40도 / 30 = 1.33도일 수 있다. 스폿 크기는 대략 22 마이크로라디안일 수 있고, 스폿 피치는 대략 11 마이크로라디안일 수 있어서, 스캔 라인들은 갭들을 갖지 않고 50%의 충전율을 갖는다.

일부 실시예들에서, 트랜시버(102b)는 30개의 수평 스캔 라인을 이용하여 1초 내에 40도 × 40도 시야를 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 스캔의 수직 해상도는 40도 / 30 = 1.33도일 수 있다. 스폿 크기는 대략 22 마이크로라디안일 수 있고, 스폿 피치는 대략 11 마이크로라디안일 수 있어서, 스캔 라인들은 갭들을 갖지 않고 50%의 충전율을 갖는다.

일부 실시예들에서, 2개의 트랜시버(102a 및 102b)는 동일한 40도 × 40도 시야를 동시에 스캐닝하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 갭이 없는 라인들의 그리드 및 1.33도의 그리드 간격으로 시야를 스캐닝한다.

도 5를 참조하면, 장거리, 고해상도 LiDAR 트랜시버(500)는 레이저(502), 전송 광학기기(504), 결합기(506), 스캐너(508), 복귀 광학기기(510), 검출기(512), 신호 처리 구성요소들(514), 및 제어기(516)를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 레이저(502)는 1300 내지 1310 nm의 파장들에서 레이저 빔들을 전송하도록 동작가능한 파이버 레이저일 수 있다. 피크 레이저 전력은 10-20kW일 수 있고, 평균 레이저 전력은 30-60W일 수 있다.

일부 실시예들에서, 스캐너(508)는 30개의 수직 스캔 라인 또는 30개의 수평 스캔 라인을 이용하여 1초 내에 40도 × 40도 시야를 스캐닝하도록 동작가능하다. 스캐너의 스캔 메커니즘이 공진 및 서보모터-제어 2D 스캔 미러인 일부 실시예들이 설명되었다. 일부 실시예들에서, 스캐너의 스캔 메커니즘은 각진 면들을 갖는 회전 다각형일 수 있다.

일부 실시예들에서, 검출기(512)는 세그먼트화된 검출기(300)일 수 있다. 더 일반적으로, 검출기(512)는 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 갖는 임의의 적절한 광학 검출기일 수 있다. 세그먼트화된 검출기(300)의 경우, 검출기 세그먼트들(302)은 개별 감지 노드들이다. 대안적으로, 검출기의 길이를 따라 개별 위치들에서 탭핑된 연속적인 검출기가 이용될 수 있다. 그 경우, 탭들은 개별 감지 노드들이다.

일부 실시예들에서, 신호 처리 구성요소들(514)은 각각의 샘플 기간 동안 검출기 세그먼트들(302)의 값들을 판독하도록 동작가능한 판독 회로, 검출기 세그먼트들로부터 판독된 값들을 증폭하도록 동작가능한 전치 증폭기 회로, 및 샘플링된 값들을 디지털화하도록 동작가능한 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, ADC는 채널당 10 비트인 2 × 10개의 채널을 갖는다.

일부 실시예들에서, 제어기(516)는 레이저(502)의 발사를 제어하고, 검출 방법(400)의 동작들을 수행하고, 삼각측량-증강 비행 시간 계산들을 이용하여 물체들까지의 거리들을 결정한다.

일부 실시예들에서, LiDAR 시스템은 직교 방향들로 시스템의 시야를 동시에 스캐닝하도록 구성된 2개의 장거리, 고해상도 LiDAR 트랜시버(500a 및 500b)를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, LiDAR 시스템은 시스템의 스캔 결과들에 기반하여 시스템의 시야 내의 물체들을 분류하기 위해 컴퓨터 비전 및/또는 기계 학습 기술들을 이용할 수 있는 물체 분류 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물체 분류 모듈은 유틸리티 라인들, 가이드 와이어들, 라디오 탑들 등을 분류하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, LiDAR 시스템은 컴퓨터 비전 및/또는 기계 학습 기술들을 이용하여 차량의 경로 내의 장애물들을 검출하고 차량 제어기에 피드백을 제공하여 충돌을 완화하거나 주행 계획을 생성할 수 있는 장애물 검출 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 차량의 경로 내의 전력선들 또는 나무 가지들이 검출될 수 있고, 이들 장애물들의 위치들은 충돌들을 피하기 위해 차량의 제어 시스템에 의해 또는 장애물들 주위의 궤적들을 결정하기 위해 주행 계획기에 의해 이용될 수 있다.

일부 실시예들에서, LiDAR 시스템은 전력 및 통신 링크를 포함할 수 있다. LiDAR 시스템(2개의 트랜시버(500a 및 500b), 물체 분류 모듈, 및 전력 및 통신 링크를 포함함)에 의해 이용되는 평균 전력은 200 내지 400 와트 미만일 수 있다. LiDAR 시스템의 크기는 대략 0.5m × 0.5m × 0.25m일 수 있다.

시스템 실시예들

실시예들에서, 본 명세서에 설명된 기술들의 양태들은 정보 처리 시스템들/컴퓨팅 시스템들에 관한 것이거나 그들 상에서 구현될 수 있다. 본 개시내용의 목적들을 위해, 컴퓨팅 시스템은 비즈니스, 과학, 제어, 또는 다른 목적들을 위해 임의의 형태의 정보, 지능, 또는 데이터를 컴퓨팅, 계산, 결정, 분류, 처리, 전송, 수신, 검색, 발신, 라우팅, 스위칭, 저장, 디스플레이, 통신, 명시, 검출, 기록, 재생, 핸들링, 또는 이용하도록 동작가능한 임의의 수단 또는 수단들의 집합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템은 개인용 컴퓨터(예를 들어, 랩톱), 태블릿 컴퓨터, 패블릿, PDA(personal digital assistant), 스마트폰, 스마트 시계, 스마트 패키지, 서버(예를 들어, 블레이드 서버 또는 랙 서버), 네트워크 저장 디바이스, 또는 임의의 다른 적절한 디바이스일 수 있고, 크기, 형상, 성능, 기능, 및 가격이 달라질 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 RAM(random access memory), CPU(central processing unit) 또는 하드웨어 또는 소프트웨어 제어 로직과 같은 하나 이상의 처리 리소스, ROM, 및/또는 다른 유형들의 메모리를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템의 추가적인 구성요소들은 하나 이상의 디스크 드라이브, 외부 디바이스들과 통신하기 위한 하나 이상의 네트워크 포트뿐만 아니라, 키보드, 마우스, 터치스크린 및/또는 비디오 디스플레이와 같은 다양한 입력 및 출력(I/O) 디바이스들을 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 또한 다양한 하드웨어 구성요소들 사이의 통신들을 전송하도록 동작가능한 하나 이상의 버스를 포함할 수 있다.

도 6은 본 개시내용의 실시예들에 따른 컴퓨팅 디바이스/정보 처리 시스템(또는 컴퓨팅 시스템)의 단순화된 블록도를 도시한다. 시스템(600)에 대해 도시된 기능들은 정보 처리 시스템의 다양한 실시예들을 지원하도록 동작할 수 있다고 이해할 것이다 ― 하지만 정보 처리 시스템은 상이하게 구성될 수 있고 상이한 구성요소들을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 시스템(600)은 컴퓨팅 리소스들을 제공하고 컴퓨터를 제어하는 하나 이상의 중앙 처리 유닛(CPU)(601)을 포함한다. CPU(601)는 마이크로프로세서 등으로 구현될 수 있고, 또한 하나 이상의 그래픽 처리 유닛(GPU)(617) 및/또는 수학적 계산들을 위한 부동 소수점 코프로세서를 포함할 수 있다. 시스템(600)은 또한 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 또는 둘 다의 형태일 수 있는 시스템 메모리(602)를 포함할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 제어기 및 주변 디바이스가 또한 제공될 수 있다. 입력 제어기(603)는 키보드, 마우스 또는 스타일러스와 같은 다양한 입력 디바이스(들)(604)에 대한 인터페이스를 나타낸다. 스캐너(606)와 통신하는 스캐너 제어기(605)가 또한 있을 수 있다. 시스템(600)은 또한 하나 이상의 저장 디바이스(608)와 인터페이싱하기 위한 저장 제어기(607)를 포함할 수 있으며, 저장 디바이스들 각각은 자기 테이프 또는 디스크와 같은 저장 매체, 또는 본 명세서에 설명된 기술들의 다양한 양태들을 구현하는 프로그램들의 실시예들을 포함할 수 있는 운영 체제들, 유틸리티들 및 애플리케이션들에 대한 명령어들의 프로그램들을 기록하는데 이용될 수 있는 광학 매체를 포함한다. 저장 디바이스(들)(608)는 또한 일부 실시예들에 따라 처리된 데이터 또는 처리될 데이터를 저장하는데 이용될 수 있다. 시스템(600)은 또한 음극선관(CRT), 박막 트랜지스터(TFT) 디스플레이 또는 다른 유형의 디스플레이일 수 있는 디스플레이 디바이스(611)에 대한 인터페이스를 제공하기 위한 디스플레이 제어기(609)를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(600)은 또한 자동차 시스템(613)과 통신하기 위한 자동차 신호 제어기(612)를 포함할 수 있다. 통신 제어기(614)는 하나 이상의 통신 디바이스(615)와 인터페이싱할 수 있고, 이는 시스템(600)이 인터넷, 클라우드 리소스(예를 들어, 이더넷 클라우드, FCoE(Fiber Channel over Ethernet)/DCB(Data Center Bridging) 클라우드 등), LAN(local area network), WAN(wide area network), SAN(storage area network)을 포함하는 다양한 네트워크들 중 임의의 것을 통해 또는 적외선 신호들을 포함하는 임의의 적합한 전자기 캐리어 신호들을 통해 원격 디바이스들에 접속할 수 있게 한다.

도시된 시스템에서, 모든 주요 시스템 구성요소들은 둘 이상의 물리적 버스를 나타낼 수 있는 버스(616)에 접속될 수 있다. 그러나, 다양한 시스템 구성요소들은 서로 물리적으로 근접하거나 근접하지 않을 수 있다. 예를 들어, 입력 데이터 및/또는 출력 데이터는 하나의 물리적 위치로부터 다른 물리적 위치로 원격으로 전송될 수 있다. 또한, 일부 실시예들의 다양한 양태들을 구현하는 프로그램들은 네트워크를 통해 원격 위치(예를 들어, 서버)로부터 액세스될 수 있다. 이러한 데이터 및/또는 프로그램들은, 하드 디스크들, 플로피 디스크들, 및 자기 테이프와 같은 자기 매체; CD-ROM들 및 홀로그래픽 디바이스들과 같은 광학 매체; 자기-광학 매체; 및 ASIC들(application specific integrated circuits), PLD들(programmable logic devices), 플래시 메모리 디바이스들, 및 ROM 및 RAM 디바이스들과 같은, 프로그램 코드를 저장하거나 또는 저장하고 실행하도록 특별히 구성되는 하드웨어 디바이스들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다양한 기계 판독가능한 매체 중 임의의 것을 통해 전달될 수 있다. 일부 실시예들은 단계들이 수행되게 하는 하나 이상의 프로세서 또는 처리 유닛을 위한 명령어들로 하나 이상의 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체 상에 인코딩될 수 있다. 하나 이상의 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체는 휘발성 및 비휘발성 메모리를 포함할 것이라는 점에 유의해야 한다. 하드웨어 구현 또는 소프트웨어/하드웨어 구현을 포함하는 대안적인 구현들이 가능하다는 점에 유의해야 한다. 하드웨어 구현 기능들은 ASIC(들), 프로그래밍가능한 어레이들, 디지털 신호 처리 회로 등을 이용하여 실현될 수 있다. 따라서, 임의의 청구항들에서의 "수단" 용어들은 소프트웨어 및 하드웨어 구현들 모두를 커버하도록 의도된다. 유사하게, 본 명세서에서 사용되는 "컴퓨터 판독가능한 매체 또는 매체들"이라는 용어는 명령어들의 프로그램이 구현된 소프트웨어 및/또는 하드웨어, 또는 이들의 조합을 포함한다. 이러한 구현 대안들을 염두에 두고서, 도면들 및 첨부 설명은 본 기술분야의 통상의 기술자가 프로그램 코드(즉, 소프트웨어)를 기입하고/하거나 요구되는 처리를 수행하기 위한 회로들(즉, 하드웨어)을 제작하는데 필요로 할 기능 정보를 제공한다는 것을 이해해야 한다.

일부 실시예들은 다양한 컴퓨터 구현 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 코드를 갖는 비일시적 유형의 컴퓨터 판독가능한 매체를 갖는 컴퓨터 제품들과 추가로 관련될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 매체 및 컴퓨터 코드는 본 명세서에 설명된 기술들의 목적들을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들일 수 있거나, 또는 이들은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되거나 이용가능한 종류의 것일 수 있다. 유형의 컴퓨터 판독가능한 매체의 예들은 하드 디스크들, 플로피 디스크들, 및 자기 테이프와 같은 자기 매체; CD-ROM들 및 홀로그래픽 디바이스들과 같은 광학 매체; 자기-광학 매체; 및 ASIC들(application specific integrated circuits), PLD들(programmable logic devices), 플래시 메모리 디바이스들, 및 ROM 및 RAM 디바이스들과 같은, 프로그램 코드를 저장하거나 저장하고 실행하도록 특별히 구성되는 하드웨어 디바이스들을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 컴퓨터 코드의 예들은 컴파일러에 의해 생성되는 것과 같은 기계 코드, 및 해석기를 이용하여 컴퓨터에 의해 실행되는 상위 레벨 코드를 포함하는 파일들을 포함한다. 일부 실시예들은 처리 디바이스에 의해 실행되는 프로그램 모듈들에 있을 수 있는 기계 실행가능한 명령어들로서 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 프로그램 모듈들의 예들은 라이브러리들, 프로그램들, 루틴들, 오브젝트들, 구성요소들, 및 데이터 구조들을 포함한다. 분산 컴퓨팅 환경들에서, 프로그램 모듈들은 로컬, 원격, 또는 둘 다인 설정들에 물리적으로 위치될 수 있다.

본 기술분야의 통상의 기술자는 어떠한 컴퓨팅 시스템 또는 프로그래밍 언어도 본 명세서에 설명된 기술들의 실시에 중요하지 않다는 것을 인식할 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 또한 위에 설명된 다수의 요소들이 물리적으로 및/또는 기능적으로 서브모듈들로 분리되거나 함께 조합될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

전술한 예들 및 실시예들은 예시적이고 본 개시내용의 범위를 제한하지 않는다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다. 본 명세서를 읽고 도면들을 연구할 때 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 모든 치환들, 향상들, 등가물들, 조합들, 및 그 개선들은 본 개시내용의 진정한 사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 청구항들의 요소들은 복수의 의존성, 구성 및 조합을 갖는 것을 포함하여 상이하게 배열될 수 있다는 점에도 유의해야 한다.

Claims

LiDAR 기반 센서 시스템으로서,
광학 전송기;
스캐너;
세그먼트화된 광학 검출기 - 상기 세그먼트화된 광학 검출기는 상기 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함함 -; 및
제어기
를 포함하며,
상기 광학 전송기는 상기 스캐너의 광학 구성요소를 통해 거리측량 신호(ranging signal)를 전송하도록 동작가능하고,
상기 스캐너는 상기 광학 구성요소를 통해 상기 거리측량 신호가 전송된 후에 그리고 상기 거리측량 신호에 대응하는 복귀 신호가 수신되기 전에 상기 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경하도록 동작가능하고,
상기 세그먼트화된 광학 검출기는 상기 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향에서의 변경 후에 상기 광학 구성요소를 통해 상기 거리측량 신호에 대응하는 상기 복귀 신호를 수신하도록 동작가능하고, 상기 제어기는 상기 개별 감지 노드들 중 하나 이상의 출력들에 기반하여 상기 복귀 신호의 복귀 스폿의 위치를 검출하도록 동작가능하며,
상기 제어기는 (1) 상기 복귀 스폿의 위치 및 (2) 상기 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 복귀 신호를 반사한 물체까지의 거리를 결정하도록 동작가능한, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 거리측량 신호는 복수의 펄스를 순차적으로 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광학 전송기의 펄스 반복 주파수는 1 MHz 내지 2 MHz인, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스캐너는 갭이 없는 스캔 라인들을 이용하여 1초 이내에 1.5km의 범위에서 40도 × 40도 시야를 스캐닝하도록 동작가능한, 시스템.
제4항에 있어서,
상기 스캐너는 상기 갭이 없는 스캔 라인들을 양방향으로 스캐닝하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스캐너는 공진 및 서보모터-제어 2D 스캔 미러 또는 각진 면들(angled facets)을 갖는 회전 다각형을 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스캐너의 광학 구성요소는 이동식 미러를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광학 전송기는 상기 거리측량 신호를, 상기 스캐너의 광학 구성요소를 통해, 복수의 스캔 포인트 중 제1 스캔 포인트에 전송하도록 동작가능한, 시스템.
제8항에 있어서,
상기 스캐너는, 상기 제1 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 상기 복수의 스캔 포인트 중 제2 스캔 포인트와 연관된 배향으로 상기 스캐너의 광학 구성요소를 이동시킴으로써, 상기 거리측량 신호가 상기 광학 구성요소를 통해 전송된 후에 그리고 상기 거리측량 신호에 대응하는 상기 복귀 신호가 수신되기 전에 상기 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경하도록 동작가능하며, 상기 거리측량 기간은 적어도, 상기 광학 전송기가 상기 거리측량 신호를 전송하는 것과 상기 광학 검출기의 상기 복귀 신호 사이의 시간 기간을 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스캐너의 각도 스캐닝 속도는 10 내지 12 라디안/초이고, 상기 센서 시스템의 범위는 적어도 1.5km인, 시스템.
제10항에 있어서,
상기 세그먼트화된 광학 검출기의 길이는 20 내지 25 μm이고, 상기 복수의 개별 감지 노드들은 8-12개의 개별 감지 노드를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광학 전송기는 1300 내지 1310 nm의 파장을 갖는 파이버 레이저(fiber laser)를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 LiDAR 기반 센서 시스템은 헬리콥터, 비행기, 무인 항공기, 또는 선박의 내비게이션 시스템의 구성요소이거나 또는 이와 통신하도록 구성되는, 시스템.
제13항에 있어서,
상기 물체는 적어도 4 인치의 직경을 갖는 가이드 와이어(guide wire) 또는 유틸리티 라인(utility line)이고, 상기 제어기는 상기 물체를 가이드 와이어 또는 유틸리티 라인으로서 식별하도록 추가로 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 광학 전송기, 상기 스캐너, 및 상기 세그먼트화된 광학 검출기는 제1 방향에서 상기 LIDAR 기반 센서 시스템의 시야를 스캐닝하도록 동작가능한 제1 LIDAR 채널의 구성요소들이고, 상기 LIDAR 기반 센서 시스템은 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서 상기 시야를 스캐닝하도록 동작가능한 제2 LIDAR 채널을 더 포함하는, 시스템.
제15항에 있어서,
상기 제2 LIDAR 채널은 제2 광학 전송기, 제2 스캐너, 및 제2 세그먼트화된 광학 검출기를 포함하며, 상기 제2 세그먼트화된 광학 검출기는 상기 제2 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 제2 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는, 시스템.
LiDAR 기반 감지 방법으로서,
(a) LIDAR 디바이스의 스캐너의 광학 구성요소를 통해 그리고 광학 전송기에 의해, 복수의 스캔 포인트 중 제1 스캔 포인트를 향해 거리측량 신호를 전송하는 단계;
(b) 상기 거리측량 신호가 상기 광학 구성요소를 통해 전송된 후에 상기 스캐너의 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경하는 단계;
(c) 상기 스캐너의 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 변경한 후에, 상기 제1 스캔 포인트로부터 반사된 복귀 신호를 수신하는 단계 - 상기 복귀 신호는 상기 스캐너의 광학 구성요소를 통해 그리고 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는 상기 세그먼트화된 광학 검출기에 의해 수신됨 -;
(d) 제어기에 의해, 상기 개별 감지 노드들 중 하나 이상의 출력들에 기반하여 상기 복귀 신호의 복귀 스폿의 위치를 검출하는 단계; 및
(e) 상기 제어기에 의해, (1) 상기 복귀 스폿의 위치 및 (2) 상기 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 제1 스캔 포인트까지의 거리를 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제17항에 있어서,
상기 거리측량 신호는 복수의 펄스를 순차적으로 포함하는, 방법.
제17항에 있어서,
단계들 (a)-(e)를 복수 회 반복함으로써 갭이 없는 스캔 라인들을 이용하여 1초 이내에 1.5km의 범위에서 40도 × 40도 시야를 스캐닝하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제19항에 있어서,
상기 갭이 없는 스캔 라인들을 이용하여 상기 시야를 스캐닝하는 단계는 상기 갭이 없는 스캔 라인들을 양방향으로 스캐닝하는 단계를 포함하는, 방법.
제17항에 있어서,
상기 복수의 개별 감지 노드들의 출력들에 기반하여 상기 LIDAR 디바이스의 시야에서 적어도 4 인치의 직경을 갖는 가이드 와이어 또는 유틸리티 라인을 식별하는 단계를 더 포함하는, 방법.
방법으로서,
세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하는 상기 세그먼트화된 광학 검출기에 의해, 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 복수의 전기 신호를 생성하는 단계 - 상기 복수의 전기 신호 내의 각각의 전기 신호는 상기 복수의 개별 감지 노드들 내의 각각의 개별 감지 노드에 대응하고 상기 각각의 개별 감지 노드에 의해 감지된 광학 신호를 나타냄 -; 및
제어기에 의해,
상기 세그먼트화된 광학 검출기에 의해 생성된 상기 복수의 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 거리측량 기간 동안 상기 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 전기 신호를 복수 회 샘플링하여, 복수의 샘플링된 값을 생성하는 단계;
상기 복수의 샘플링된 값에 기반하여, 상기 세그먼트화된 광학 검출기가 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계; 및
상기 제어기가 상기 세그먼트화된 광학 검출기가 상기 복귀 스폿을 수신했다고 결정할 때,
상기 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 상기 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계;
상기 복귀 스폿에 대응하는 복귀 신호의 잔여 비행 시간을 결정하는 단계; 및
(1) 상기 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 상기 복귀 스폿을 수신했는지 그리고 (2) 상기 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 복귀 신호가 반사된 스캔 포인트까지의 거리를 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 제어기에 의해, 상기 거리측량 기간의 시작 시간, 상기 복수의 전기 신호가 샘플링되는 복수의 시간, 및/또는 하나 이상의 샘플링 기간의 지속기간들 중 적어도 하나를 나타내는 추가 데이터를 저장하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 세그먼트화된 광학 검출기가 상기 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계는 상기 복수의 샘플링된 값을 검출 임계값과 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 세그먼트화된 광학 검출기가 상기 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계는 상기 복수의 샘플링된 값에 대해 패턴 분석을 수행하여 상기 복수의 샘플링된 값이 복수의 저장된 패턴 중 임의의 것에 부합하는지를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 상기 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하는 단계는 상기 거리측량 기간 동안 최고 샘플링된 값을 생성하는 상기 복수의 개별 감지 노드들 중 특정 개별 감지 노드를 상기 복귀 스폿을 수신한 상기 개별 감지 노드로서 식별하는 것에 기반하는, 방법.
제22항에 있어서,
상기 스캔 포인트까지의 거리는 삼각측량-증강 비행 시간 계산을 이용하여 결정되는, 방법.
LIDAR 기반 수신기 시스템으로서,
세그먼트화된 광학 검출기 - 상기 세그먼트화된 광학 검출기는 상기 세그먼트화된 광학 검출기의 길이를 따라 분포된 복수의 개별 감지 노드들을 포함하고, 상기 세그먼트화된 광학 검출기는 스캔 포인트의 거리측량 기간 동안 복수의 전기 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 복수의 전기 신호 내의 각각의 전기 신호는 상기 복수의 개별 감지 노드들 내의 각각의 개별 감지 노드에 대응하고 상기 각각의 개별 감지 노드에 의해 감지된 광학 신호를 나타냄 -; 및
제어기
를 포함하며, 상기 제어기는,
상기 세그먼트화된 광학 검출기에 의해 생성된 상기 복수의 전기 신호를 수신하고;
상기 거리측량 기간 동안 상기 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 전기 신호를 복수 회 샘플링하여, 복수의 샘플링된 값을 생성하고;
상기 복수의 샘플링된 값에 기반하여, 상기 세그먼트화된 광학 검출기가 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하고;
상기 제어기가 상기 세그먼트화된 광학 검출기가 상기 복귀 스폿을 수신했다고 결정할 때,
상기 세그먼트화된 광학 검출기의 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 상기 복귀 스폿을 수신했는지를 결정하고;
상기 복귀 스폿에 대응하는 복귀 신호의 잔여 비행 시간을 결정하고;
(1) 상기 복수의 개별 감지 노드들 중 어느 것이 상기 복귀 스폿을 수신했는지 그리고 (2) 상기 복귀 신호의 잔여 비행 시간에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 복귀 신호가 반사된 스캔 포인트까지의 거리를 결정하도록
구성되는, 시스템.
제28항에 있어서,
상기 스캔 포인트까지의 거리는 삼각측량-증강 비행 시간 계산을 이용하여 결정되는, 시스템.
제28항에 있어서,
상기 세그먼트화된 광학 검출기의 길이는 20 내지 25 μm이고, 상기 복수의 개별 감지 노드들은 8-12개의 개별 감지 노드를 포함하는, 시스템.