KR20230134756A - 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치 및 방법 - Google Patents

다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치 및 방법에 관한 것으로, 정해진 위치에 고정 설치되며, 교체 가능한 다면 미러 회전식 라이다와, 정해진 위치에 고정 설치되어 상기 다면 미러 회전식 라이다를 통해 검출되는 수직 기둥을 구비하는 보정 기준 모델을 포함하고, 상기 다면 미러 회전식 라이다는, n개(n은 2이상의 정수)의 다면 미러를 이용한 n개의 스캔 데이터를 획득하고, 특정 스캔 데이터의 수직 기둥의 위치 데이터를 기준으로 다른 스캔 데이터의 수직 기둥 위치를 보정하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치 및 방법{Distortion calibration device and method for polygonal mirror rotating type LIDAR}
본 발명은 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 광을 반사하는 미러면들의 간의 오차를 보정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다양한 산업분야에서 활용되는 기계 회전식 라이다(Lidar)는 모터를 이용하여 미러를 회전시키거나, 광의 수신부 및 송신부를 회전시킴으로써 수평 시야각을 확보한다.
라이다는 크게 수신부(Rx)와 송신부(Tx) 모듈을 회전시켜 시야각을 확보하는 스피닝 타입 라이다와, 수신부와 송신부 모듈은 고정시킨 채 미러를 회전시킴으로써 시야각을 확보하는 미러 회전식 라이다가 있다.
미러 회전식 라이다는 구조적 특성으로 인해 가격 및 소형화에 유리하다는 장점을 가지고 있어 차세대 자율주행 센서로 각광받고 있다.
미러 회전식 라이다는 일반적으로 다면(多面; polygonal) 미러를 사용하며, 각 미러 면 당 하나의 스캔 데이터를 취득하게 된다.
즉, n면 미러를 회전시키는 라이다의 경우, 미러 1회전 시 n개의 스캔 데이터를 취득할 수 있다.
그러나 다면 미러 회전식 라이다의 경우, 미러 생산공정에서의 공차(公差)로 인해 각 미러 면마다 임의의 각도만큼 틀어짐을 가지게 되며, 이는 곧 라이다 스캔 데이터간의 왜곡을 유발할 수 있다.
따라서 라이다 양산 시, 각 라이다 단품 별 미러 틀어짐에 대한 보정(Calibration) 과정이 필수적으로 요구되고 있다.
공개특허 10-2020-0004873호(2020년 1월 14일 공개, 라이다 시스템용 송신 광학계, 라이다 시스템용 광학 어샘블리, 라이다 시스템, 그리고 작동 장치)에는 선회 가능한 편향 미러를 구비한 라이다 시스템에 대하여 기재되어 있다.
이처럼 종래 라이다 시스템들은 다면 미러를 사용하여 수평 시야각을 확보하는 기술을 포함하지만, 미러의 각 면의 동일성을 가정하고 있다.
다면 미러의 각 면의 생산 공정에서 발생할 수 있는 두께, 면의 편평도의 차이, 조립공정에서 발생할 수 있는 틀어짐에 의한 각도 차이 등 각 면의 미세한 차이는 라이다 시스템의 성능에 직결되는 중요한 요소임에 분명하다.
종래에는 이러한 라이다 시스템의 성능에 직결되는 다면 미러의 각 면의 특성 차이를 고려하지 않고 시스템을 설계하기 때문에 실제 라이다 센서 제품은 수평 스캔시 각 스캔 주기마다 물체의 위치가 일치하지 않을 수 있는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 개별 라이다 센서의 다면 미러의 각 면의 광학적 편차를 보정할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치는, 정해진 위치에 고정 설치되며, 교체 가능한 다면 미러 회전식 라이다와, 정해진 위치에 고정 설치되어 상기 다면 미러 회전식 라이다를 통해 검출되는 수직 기둥을 구비하는 보정 기준 모델을 포함하고, 상기 다면 미러 회전식 라이다는, n개(n은 2이상의 정수)의 다면 미러를 이용한 n개의 스캔 데이터를 획득하고, 특정 스캔 데이터의 수직 기둥의 위치 데이터를 기준으로 다른 스캔 데이터의 수직 기둥 위치를 보정하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제어부는, 기준이 되는 스캔 데이터의 수직 기둥 위치를 기준으로, n-1 개의 다른 스캔 데이터의 수직 기둥의 좌우 시프트 정도를 구하고, 시프트 정도를 보정하도록 송신부의 출력 펄스 타이밍을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제어부는, 수직 기둥의 좌우 시프트 정도를 상기 다면 미러의 회전 각도로 환산하고, 환산된 회전 각도에 따라 송신부의 출력 펄스 타이밍을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 방법은, a) n개(n은 2 이상의 정수)의 다면 미러를 회전시키며, 수직 기둥을 포함하는 보정 기준 모델을 스캔하여, n개의 스캔 데이터를 획득하는 단계와, b) 특정한 스캔 데이터의 수직 기둥 위치 데이터를 기준으로 다른 n-1개의 스캔 데이터에서 수직 기둥 위치 데이터의 좌우 시프트 정도를 구하는 단계와, c) 구해진 시프트 정도를 보상하도록 송신광의 펄스 타이밍을 제어하여, n개의 스캔 데이터 모두의 수직 기둥 위치 데이터가 동일한 위치에 위치하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, b) 단계는, n-1개의 스캔 데이터 각각의 수직 기둥 위치의 시프트 정도에 방향성을 나타내는 정보를 포함시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 c) 단계는, 구해진 시프트 정도를 상기 다면 미러의 회전 각도로 환산하고, 회전 각도에 따른 송신광의 펄스 타이밍을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치의 구성도이다.
도 2는 보정 전 스캔 데이터의 예시도이다.
도 3은 보정 후 스캔 데이터의 예시도이다.
도 4는 본 발명 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서, "또는", "적어도 하나" 등의 용어는 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나"는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치는, 다면 미러 회전식 라이다(10)와, 상기 다면 미러 회전식 라이다(10)와 이격되어 설치되며 보정의 기준점을 제공하는 보정 기준 모델(20)을 포함하여 구성된다.
상기 다면 미러 회전식 라이다(10)는 레이저 광을 송신하는 송신부(12)와, 상기 송신부(12)의 레이저 광의 반사광을 수신하는 수신부(13)와, 회전하면서 상기 송신부(12)의 레이저광을 보정 기준 모델(20)로 반사킴과 아울러 보정 기준 모델(20)로부터 반사된 레이저 광을 수신부(13)로 입사시키는 다면 미러(14)와, 상기 송신부(12)의 레이저 광출력 타이밍을 제어하며, 상기 송신부(12)의 광출력 시간과 수신부(13)의 광수신 시간의 차를 산출하여 상기 보정 기준 모델(20)까지의 거리를 산출하는 제어부(11)를 포함하여 구성된다.
보정 기준 모델(20)은 지면에 대하여 수직 방향으로 설치된 수직 기둥(21)과, 수직 기둥(21)의 배면에서 소정 거리 이격되며, 상기 다면 미러 회전식 라이다(10)와 수평으로 설치된 수평 벽면(22)을 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 장치의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 다면 미러(14)는 제1면(14a)과 제2면(14b)을 포함하는 회전체로 하며, 도면에는 평판 구조의 제1면(14a)과 제2면(14b)을 도시하였으나, 곡면 형상의 면을 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 다면 미러(14)의 반사면도 3개 이상이 될 수 있다.
본 발명은 다면 미러 회전식 라이다(10)의 개별 보정을 위한 것으로, 다면 미러 회전식 라이다(10)는 교체되며, 특히 교체시 보정 기준 모델(20) 과의 거리 및 각도에 차이가 발생하지 않도록 다면 미러 회전식 라이다(10)의 배치 위치 및 각도는 항상 일정하게 설정되는 것으로 한다.
특히 다면 미러 회전식 라이다(10)를 고정하는 지그가 포함되는 것이 바람직하다.
다면 미러 회전식 라이다(10)를 배치한 후, 다면 미러 회전식 라이다(10)를 동작시키면, 송신부(12)에서 레이저 광이 방출되고, 이는 회전하는 다면 미러(14)를 통해 반사 각도가 변경되면서 보정 기준 모델(20)로 방출된다.
이와 같은 스캔 과정의 제1주기는 제1면(14a)에 의해 이루어지고, 제2주기는 제2면(14b)에 의해 반사되어 이루어진다.
도 1에 도시한 바와 같이 제1면(14a)과 제2면(14b)의 차이에 의하여 제1주기의 스캔영역(a)과 제2주기의 스캔영역(b)에 차이가 발생할 수 있다.
이와 같은 차이는 보정 기준 모델(20)에서 반사된 광을 수신하는 수신부(13)에 의해 검출될 수 있다.
도 2는 보정 전 수신부(13)에 수신된 스캔 데이터의 예시도이다.
위의 제1면(14a)에 의한 제1주기에서 상기 보정 기준 모델(20)의 수직 기둥(21)의 검출 위치와 제2면(14b)에 의한 제2주기에서 상기 보정 기준 모델(20)의 수직 기둥(21)의 검출 위치에 차이가 발생하며, 이는 다면 미러(14)의 제1면(14a)과 제2면(14b)의 각도에 차이가 있기 때문이다.
제어부(11)는 제1주기의 스캔 데이터(a)와 제2주기의 스캔 데이터(b)에서 수직 기둥(21)의 위치가 동일한지 확인하고, 동일하지 않으면 제1주기의 스캔 데이터(a)에서 수직 기둥(21)의 위치를 기준으로 하거나, 반대로 제2주기의 스캔 데이터(b)에서 수직 기둥(21)의 위치를 기준으로 하여 다른 주기의 스캔 데이터에서 수직 기둥(21)의 위치를 일치시키도록 보정을 수행한다.
이때의 보정은 송신부(12)의 출력광의 타이밍을 조정하여 이루어질 수 있다.
즉, 각 미러면별 스캔 데이터를 비교하여, 검출된 물체의 좌측 또는 우측으로의 시프트 정도를 판별하고, 시프트 정도를 다면 미러(14)의 회전 각도로 환산하여, 해당 각도만큼 송신부(12)의 출력광 펄스 타이밍을 조정하여, 왜곡을 보정할 수 있다.
이와 같은 과정은 필요에 따라 복수 회 반복될 수 있으며, 도 3에 도시한 바와 같이 제1주기의 스캔 데이터(a)와 제2주기의 스캔 데이터(b)에서 수직 기둥(21)의 위치가 동일하게 될 때까지 수행한다.
도 4는 본 발명 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 다면 미러 회전식 라이다(10)와 보정 기준 모델(20)을 정위치 시키고, 다면 미러 회전식 라이다(10)를 동작시키는 단계(S41)와, 획득된 각 주기별 스캔 데이터에서 수직 기둥의 위치를 확인하는 단계(S42)와, 특정 주기의 스캔 데이터의 수직 기둥의 위치를 기준으로 다른 주기의 스캔 데이터 수직 기둥의 시프트 정도를 확인하는 단계(S43)와, 각 수직 기둥의 시프트 정도를 다면 미러의 회전 각도로 환산하는 단계(S44)와, 산출된 다면 미러의 회전 각도에 따라 송신부의 펄스 타이밍을 제어하여 모든 주기의 스캔 데이터에서 수직 기둥의 위치를 동일하게 하는 단계(S45)를 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 다면 미러 회전식 라이다의 왜곡 보정 방법의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, S41단계와 같이 다면 미러 회전식 라이다(10)와 보정 기준 모델(20)을 정위치 시키고, 다면 미러 회전식 라이다(10)를 동작시킨다.
이때, 제어부(11)는 설정된 타이밍 제어를 통해 송신부(12)의 레이저 광출력 펄스 타이밍을 제어하며, 다면 미러(14)를 회전시킨다.
상기 다면 미러(14)는 n개(n은 2 이상의 정수)의 미러면(반사면)을 가질 수 있으며, 각 미러면은 1주기의 스캔 데이터에 해당하는 광을 반사시켜 스캔하고, 보정 기준 모델(20)에서 반사된 광을 수신부(13)로 입사시키는 동작을 한다.
따라서, 다면 미러(14)의 1회전에서 n 주기의 스캔 데이터를 획득할 수 있다.
그 다음, S42단계에서 제어부(11)는 수신부(13)에 수신된 n개의 스캔 데이터 각각에서 보정 기준 모델(20)의 수직 기둥(21)의 위치를 확인한다.
이때 정상적인 상태에서 수직 기둥(21)의 위치는 스캔 데이터의 정 중앙에 위치할 수 있다. 본 발명에서는 상대적인 보정을 수행하는 것으로 하며, 이후에 설명하는 바와 같이 특정한 주기의 스캔 데이터에서 수직 기둥(21)의 위치를 기준으로 각 스캔 데이터의 수직 기둥(21)의 위치를 보정하는 것으로 할 수 있다.
그 다음, S43단계와 같이 특정 주기의 스캔 데이터의 수직 기둥(21)의 위치를 기준으로 다른 n-1개 주기의 스캔 데이터 수직 기둥의 시프트 정도를 확인한다.
이때, 시프트 정도는 기준 위치에 대하여 좌측(예를 들어 - 방향)과 우측(예를 들어 + 방향)으로 구분할 수 있으며, 그 값에 따라 환산되는 회전 각도의 값의 방향도 결정된다.
그 다음, S44단계와 같이 기준이 되는 수직 기둥의 위치를 제외한 n-1개의 수직 기둥의 시프트 정도를 다면 미러(14)의 회전 각도로 환산한다.
그 다음, S45단계와 같이 산출된 다면 미러의 회전 각도에 따라 제어부(11)는 송신부(12)의 펄스 타이밍을 제어하여 n개의 모든 주기의 스캔 데이터에서 수직 기둥(21)의 위치를 동일하게 보정 제어한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10:다면 미러 회전식 라이다 11:제어부
12:송신부 13:수신부
14:다면 미러 20:보정 기준 모델
21:수직 기둥 22:수평 벽면

Claims (6)

  1. 정해진 위치에 고정 설치되며, 교체 가능한 다면 미러 회전식 라이다; 및
    정해진 위치에 고정 설치되어 상기 다면 미러 회전식 라이다를 통해 검출되는 수직 기둥을 구비하는 보정 기준 모델을 포함하고,
    상기 다면 미러 회전식 라이다는,
    n개(n은 2이상의 정수)의 다면 미러를 이용한 n개의 스캔 데이터를 획득하고, 특정 스캔 데이터의 수직 기둥의 위치 데이터를 기준으로 다른 스캔 데이터의 수직 기둥 위치를 보정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 보정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기준이 되는 스캔 데이터의 수직 기둥 위치를 기준으로,
    n-1 개의 다른 스캔 데이터의 수직 기둥의 좌우 시프트 정도를 구하고,
    시프트 정도를 보정하도록 송신부의 출력 펄스 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 보정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    수직 기둥의 좌우 시프트 정도를 상기 다면 미러의 회전 각도로 환산하고,
    환산된 회전 각도에 따라 송신부의 출력 펄스 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 보정 장치.
  4. a) n개(n은 2 이상의 정수)의 다면 미러를 회전시키며, 수직 기둥을 포함하는 보정 기준 모델을 스캔하여, n개의 스캔 데이터를 획득하는 단계;
    b) 특정한 스캔 데이터의 수직 기둥 위치 데이터를 기준으로 다른 n-1개의 스캔 데이터에서 수직 기둥 위치 데이터의 좌우 시프트 정도를 구하는 단계; 및
    c) 구해진 시프트 정도를 보상하도록 송신광의 펄스 타이밍을 제어하여, n개의 스캔 데이터 모두의 수직 기둥 위치 데이터가 동일한 위치에 위치하도록 제어하는 단계를 포함하는 보정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    b) 단계는,
    n-1개의 스캔 데이터 각각의 수직 기둥 위치의 시프트 정도에 방향성을 나타내는 정보를 포함시키는 것을 특징으로 하는 보정 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    구해진 시프트 정도를 상기 다면 미러의 회전 각도로 환산하고,
    회전 각도에 따른 송신광의 펄스 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 보정 방법.
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