WO2020218683A1 - 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템 - Google Patents

라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템 Download PDF

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WO2020218683A1
WO2020218683A1 PCT/KR2019/010873 KR2019010873W WO2020218683A1 WO 2020218683 A1 WO2020218683 A1 WO 2020218683A1 KR 2019010873 W KR2019010873 W KR 2019010873W WO 2020218683 A1 WO2020218683 A1 WO 2020218683A1
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WO
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lidar
image acquisition
unit
dimensional
image
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PCT/KR2019/010873
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Inventor
박경남
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이지스로직 주식회사
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering

Definitions

  • the present invention relates to a 3D image acquisition system using lidar, and more particularly, by using a single lidar module used for distance measurement, by simultaneously expanding from real-time two-dimensional measurement to three-dimensional measurement, It relates to a 3D image acquisition system using a lidar that enables economical image acquisition in a 3D space due to the use of the IDA module.
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • These radars use lasers to acquire surrounding distance information, but thanks to the advantages of having excellent precision and resolution and being able to grasp objects in three dimensions, they are applied not only to automobiles, but also to various fields such as drones and aircraft. .
  • a distance measurement system using a lidar compares the time when the laser is emitted and the time when the laser reflected from the object is received. , Distance information can be obtained. That is, the radar can obtain distance information of the object by measuring the flight time of the launched laser. In this case, it is common to detect a leading edge from the received laser and calculate the distance of the object by using the time at which the leading edge is detected as the laser reception time.
  • the present invention uses a single lidar module used for distance measurement, and simultaneously expands from real-time two-dimensional measurement to three-dimensional measurement, thereby providing an image of a three-dimensional space.
  • the purpose of this is to facilitate acquisition and to enable economical 3D image acquisition by using a minimum lidar module.
  • a lidar two-dimensional image of a two-dimensional space is realized by measuring the distance to an existing obstacle by scanning a laser irradiated forward in the horizontal direction.
  • Image acquisition unit By rotating the lidar two-dimensional image acquisition unit around a horizontal axis, by changing the scan area of the lidar two-dimensional image acquisition unit up and down, the lidar two-dimensional image acquisition unit acquires a plurality of images in the two-dimensional space in the vertical direction.
  • a 3D image realization unit for implementing images of a 3D space by stacking images of a plurality of 2D spaces respectively implemented by the lidar 2D image acquisition unit by the vertical rotation driving unit;
  • a control unit for controlling the lidar 2D image acquisition unit and the vertical rotation driving unit so as to implement the image of the 3D space by the 3D image realization unit; including, a 3D image acquisition system using a lidar Is provided.
  • the lidar 2D image acquisition unit includes: a lidar module configured to irradiate a laser forward and receive a laser reflected from an obstacle to obtain data for measuring a distance to the obstacle; A left and right rotation driving unit that rotates the lidar module about a vertical axis so that the lidar module scans in a horizontal direction; A distance calculation unit for receiving distance measurement data for an obstacle obtained by scanning in a horizontal direction from the lidar module rotating by the left and right rotation driving unit and calculating a distance to the obstacle; And a 2D image realization unit that implements an image of a 2D space from the distance of the obstacle calculated by the distance calculation unit.
  • the lidar 2D image acquisition unit acquires distance measurement data for each of the point regions arranged to be spaced apart from each other in the horizontal direction, and the distance calculation unit From the distance measurement data for each, the distance of the obstacles present in each of the point regions is calculated, and the 2D image realization unit connects the distances of the obstacles present in each of the point regions with each other to implement an image of a two-dimensional space.
  • the lidar 2D image acquisition unit when the lidar module changes the scan area up and down by the vertical rotation driving unit, the point areas of each scan area may be aligned in a vertical direction.
  • the left and right rotation drive part is made of a plate-like structure so that the first casing surrounding the outside is fixed to the installation surface, the rotating plate is installed to rotate about a vertical axis on the upper surface of the first casing, and the vertical rotation drive part,
  • the enclosing second casing is fixed to the upper side of the rotating plate, the upper part of the second casing is formed to have a curvature, and a rotating shaft horizontally provided so as to protrude to both sides of the second casing is installed to rotate, and the lidar
  • the module is provided with shaft fixing portions that are vertically extended to both sides of the bottom so as to be installed on the upper side of the second casing and fixed to both ends of the rotation shaft, and when rotating together with the rotation shaft, due to the curvature of the second casing 2 You can avoid interference with the casing.
  • an image of a three-dimensional space is simultaneously expanded from real-time two-dimensional measurement to three-dimensional measurement by using a single lidar module used for distance measurement. It can be easily acquired and, due to the use of a minimum lidar module, it is possible to acquire an image in an economical 3D space.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a system for acquiring a 3D image using a lidar according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a main part of a 3D image acquisition system using a lidar according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating acquisition of an image in a 2D space by a 3D image acquisition system using a lidar according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view for explaining an image acquisition in a 3D space by a 3D image acquisition system using a lidar according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a system for acquiring a 3D image using a lidar according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a system for acquiring a 3D image using a lidar according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view shown.
  • a 3D image acquisition system 100 using a lidar includes a lidar two-dimensional image acquisition unit 110, a vertical rotation drive unit 120, and a three-dimensional An image implementation unit 130 and a control unit 140 may be included.
  • the lidar two-dimensional image acquisition unit 110 scans the laser irradiated forward in the horizontal direction, and implements an image of a two-dimensional space by measuring the distance to an existing obstacle.
  • a device for acquiring the shape of a two-dimensional space may be used by Ida.
  • a control unit for controlling the unit 114 may be provided separately or may be provided to be added to the 2D image realization unit 114.
  • the lidar module 111 irradiates the laser to the front, receives the laser reflected on the obstacle, and obtains data for measuring the distance to the obstacle.
  • the lidar module 111 for example, emits a laser from at least one laser output element to the front, detects the laser emitted and reflected on an obstacle, and detects the laser output from the laser output element by the comparator.
  • As data for measuring the distance to the obstacle using Time Of Flight (TOF), which is the time difference between the emitted laser and the detected laser, is confirmed by checking the time when the laser reflected on the sensor unit and the obstacle.
  • TOF Time Of Flight
  • the left and right rotation driving unit 112 rotates the lidar module 111 around a virtual vertical axis so that the lidar module 111 scans in the horizontal direction.
  • the left and right rotation drive unit 112 may transmit the rotational force of the motor to rotate around an axis perpendicular to the lidar module 111 by using a rotational force transmission member such as a speed reducer, a plurality of gears, or timing belts and pulleys.
  • a servo motor or a step motor may be used so as to control the amount of rotation by its own control unit of the lidar 2D image acquisition unit 110.
  • the distance calculation unit 113 receives distance measurement data for an obstacle obtained by scanning in the horizontal direction from the lidar module 111 rotating by the left and right rotation driving unit 112 to calculate the distance to the obstacle. .
  • the lidar module 111 provides data on a time difference between the emitted laser and the detected laser
  • the distance calculation unit 113 You can make it possible to obtain a distance measure of.
  • the measurement value of the distance to the obstacle may be obtained as a plurality of values, respectively, by performing a plurality of non-consecutively over the entire area of the obstacle positioned in the scan area, thereby implementing the shape of the obstacle.
  • the 2D image realization unit 114 implements an image of a 2D space from a distance of an obstacle (object 1, object 2) calculated by the distance calculation unit 113. That is, the 2D image realization unit 114 implements the image by displaying an obstacle in a 2D space.
  • the vertical rotation driving unit 120 rotates the lidar module 111 around a virtual horizontal axis, thereby changing the scan area of the lidar module 111 up and down, so that the lidar two-dimensional image acquisition unit 110 becomes 2 Multiple images of the dimensional space are acquired in the vertical direction.
  • the vertical rotation drive unit 120 may transmit the rotational force of the motor to rotate about the horizontal axis in the lidar module 111 directly or by using a rotational force transmission member such as a reducer, a plurality of gears or timing belts and pulleys. .
  • a servo motor or a step motor may be used to enable control of the rotation amount by the controller 140.
  • the left and right rotation driving unit 112 may be formed in a plate-like structure such that the first casing 112a surrounding the outside so that the motor and the rotational force transmitting member are accommodated, as in this embodiment, is fixed to the installation surface, and the first casing 112a )
  • the rotating plate 112b On the upper surface of the rotating plate 112b may be installed to rotate around a vertical axis through which the rotational force is transmitted by the rotational force transmission member from the motor.
  • a second casing 121 that surrounds the outside to accommodate a motor and a rotational force transmission member, etc. may be fixed to the upper side of the rotating plate 112b, and the upper portion of the second casing 121 has a curvature.
  • the lidar module 111 may be provided with shaft fixing portions 111a that are vertically extended to both sides of the bottom so as to be installed on the upper side of the second casing 121 and fixed to both ends of the rotation shaft 122, respectively, and the rotation shaft 122 When rotating together with ), it is possible to avoid interference with the second casing 121 due to the curvature of the second casing 121.
  • the 3D image realization unit 130 displays images of a plurality of upper and lower 2D spaces respectively implemented by the lidar 2D image acquisition unit 110 by the vertical rotation drive unit 120. It is implemented as an image of a three-dimensional space by stacking it in a vertically variable direction.
  • the 3D image realization unit 130 may set a gap corresponding to the vertical movement interval by the vertical rotation drive unit 120 as a gap between images in a 2D space, and structure such as an obstacle between images in the 2D space up and down.
  • an image of a 3D space can be implemented. This is not limited to this, and various methods for implementing a shape of a 3D space by stacking a plurality of images of a 2D space may be applied.
  • the control unit 140 controls the lidar 2D image acquisition unit 110 and the vertical rotation driving unit 130 to implement an image in a 3D space by the 3D image realization unit 130.
  • the control unit 140 allows the lidar module 111 to perform a horizontal scan at a predetermined angle by the operation of the left and right rotation driving unit 112, and when this is completed, the left and right rotation driving unit 112 is stopped and rotates vertically.
  • the left and right rotation driving unit 112 is operated.
  • the lidar module 111 may perform a multi-layer scan of a 3D space.
  • the horizontal scan angle of the lidar module 111 may have, for example, an angle corresponding to the angle of view of a general camera, and the range may be differently determined according to a scan speed and a required angle of view.
  • the lidar two-dimensional image acquisition unit 110 receives distance measurement data for each of the point regions arranged to be spaced apart from each other in the horizontal direction. It can be controlled to obtain, and the distance calculation unit 113 can control to calculate the distance of the obstacles existing in each point area from the distance measurement data for each point area, and the 2D image realization unit 114 It is possible to control to implement an image of a two-dimensional space including the obstacles (things 1 and 2) by connecting distances of obstacles existing in each of the point regions to each other.
  • the lidar two-dimensional image acquisition unit 110 when the lidar module 111 changes the scan area up and down by the vertical rotation driving unit 120, as shown in Figure 4, the point areas of each scan area are vertical It is possible to control the lidar module 111 so as to be arranged in accordance with each other, thereby minimizing distortion or error of an image in a 3D space.
  • a single lidar module used for distance measurement is used to simultaneously expand from real-time two-dimensional measurement to three-dimensional measurement, An image can be easily acquired, and an economical three-dimensional image can be acquired by using a minimum lidar module.
  • the operation is repeated in time division, so that the real-time property can be delayed by the number of repetitions. It can be effectively used for providing an image in a three-dimensional space for identifying obstacles such as a low-speed vehicle, such as a special vehicle intended for low-speed use or heavy equipment.

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Abstract

본 발명은 전방으로 조사되는 레이저를 수평방향으로 스캔하여 존재하는 장애물과의 거리 측정을 통해 2차원공간의 영상을 구현하는 라이다2차원영상획득부; 상기 라이다2차원영상획득부를 수평축을 중심으로 회전시켜서, 상기 라이다2차원영상획득부의 스캔 영역을 상하로 가변시킴으로써, 상기 라이다2차원영상획득부가 2차원공간의 영상을 상하 방향으로 다수 획득하도록 하는 상하회전구동부; 상기 상하회전구동부에 의해 상기 라이다2차원영상획득부에 의해 각각 구현되는 상하 다수의 2차원공간의 영상을 적층하여 3차원공간의 영상으로 구현하는 3차원영상구현부; 및 상기 3차원영상구현부에 의해 상기 3차원공간의 영상을 구현하도록 상기 라이다2차원영상획득부와 상기 상하회전구동부를 제어하는 제어부;를 포함하도록 한 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 거리 측정에 사용되는 단일의 라이다모듈을 사용하여, 실시간 2차원 측정에서 3차원 측정으로 동시 확장함으로써, 3차원공간에 대한 영상을 용이하게 획득할 수 있고, 최소의 라이다모듈 사용으로 인해, 경제적인 3차원공간의 영상 획득을 가능하도록 한다.

Description

라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템
본 발명은 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 거리 측정에 사용되는 단일의 라이다모듈을 사용하여, 실시간 2차원 측정에서 3차원 측정으로 동시 확장함으로써, 최소의 라이다모듈 사용으로 인해, 경제적인 3차원공간의 영상 획득을 가능하도록 하는 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 관한 것이다.
최근에는 자율 주행 자동차 및 무인 자동차에 대한 관심과 함께, 주변의 거리 정보를 획득하는 장치로서, 라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging)에 대한 관심이 늘어가고 있는 추세이다.
이러한 라이다는 주변의 거리 정보를 획득하기 위하여, 레이저를 이용하는데, 정밀도 및 해상도가 뛰어나며, 사물을 입체로 파악할 수 있다는 장점 덕분에, 자동차뿐만 아니라, 드론, 항공기 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.
광을 이용하여 대상체와의 거리를 측정하는 시스템의 경우, 다양한 알고리즘이 제안되고 있는데, 통상적으로 라이다를 이용한 거리 측정 시스템은 레이저가 발사되는 시점과 대상체로부터 반사되는 레이저가 수신되는 시점을 비교함으로써, 거리 정보를 획득할 수 있다. 즉, 라이다는 발사된 레이저의 비행시간을 측정함으로써 대상체의 거리 정보를 획득할 수 있다. 이 때, 수신되는 레이저로부터 리딩 엣지를 검출하고, 리딩 엣지가 검출된 시점을 레이저의 수신 시점으로 하여 대상체의 거리를 계산하는 것이 일반적이다.
종래 라이다를 이용한 거리 측정 기술로는 한국공개특허 제10-2018-0011259호의 "라이다 장치 및 거리 측정 방법"이 제시된 바 있는데, 이는 레이저 펄스를 대상체에 조사하는 광원; 상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수광하는 수광부; 상기 광원이 레이저 펄스를 조사할 때 제 1 주기파를 형성하고, 상기 수광부가 레이저 펄스를 수광할 때, 상기 제 1 주기파와 동일한 주파수의 제 2 주기파를 형성하는 제 1 주기파 생성부; 및 상기 제 1 주기파 생성부로부터 전달받은 상기 제 1 주기파와 상기 제 2 주기파의 위상을 서로 비교하는 제 1 비교부;를 포함하고, 상기 제 1 비교부에서 비교된 위상을 바탕으로 대상체까지의 거리를 도출한다.
그러나, 이와 같은 라이다를 이용한 거리 측정 시스템은 획득한 측정 데이터를 거리 측정용으로만 사용하게 됨으로써, 그 효용성을 확대하는데 한계를 가지고, 3차원공간에 대한 객체 거리 측정을 위해서는 2차원 모듈을 병렬로 확장하는 다채널 라이다로 구성하게 됨으로써, 물리적으로 라이다모듈을 병렬로 늘리게 되어 비용이 증가하게 되는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 거리 측정에 사용되는 단일의 라이다모듈을 사용하여, 실시간 2차원 측정에서 3차원 측정으로 동시 확장함으로써, 3차원공간에 대한 영상을 용이하게 획득하도록 하고, 최소의 라이다모듈 사용으로 인해, 경제적인 3차원공간의 영상 획득을 가능하도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 전방으로 조사되는 레이저를 수평방향으로 스캔하여 존재하는 장애물과의 거리 측정을 통해 2차원공간의 영상을 구현하는 라이다2차원영상획득부; 상기 라이다2차원영상획득부를 수평축을 중심으로 회전시켜서, 상기 라이다2차원영상획득부의 스캔 영역을 상하로 가변시킴으로써, 상기 라이다2차원영상획득부가 2차원공간의 영상을 상하 방향으로 다수 획득하도록 하는 상하회전구동부; 상기 상하회전구동부에 의해 상기 라이다2차원영상획득부에 의해 각각 구현되는 상하 다수의 2차원공간의 영상을 적층하여 3차원공간의 영상으로 구현하는 3차원영상구현부; 및 상기 3차원영상구현부에 의해 상기 3차원공간의 영상을 구현하도록 상기 라이다2차원영상획득부와 상기 상하회전구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는, 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템이 제공된다.
상기 라이다2차원영상획득부는, 전방으로 레이저를 조사하고, 장애물에 반사되는 레이저를 수신하여, 장애물과의 거리 측정을 위한 데이터를 획득하도록 하는 라이다모듈; 상기 라이다모듈을 수직축을 중심으로 회전시킴으로써, 상기 라이다모듈이 수평방향으로 스캔하도록 하는 좌우회전구동부; 상기 좌우회전구동부에 의해 회전하는 상기 라이다모듈로부터 수평방향으로 스캔하여 획득한 장애물에 대한 거리 측정용 데이터를 전달받아, 상기 장애물에 대한 거리를 산출하는 거리산출부; 및 상기 거리산출부에 의해 산출되는 장애물의 거리로부터 2차원공간의 영상을 구현하는 2차원영상구현부;를 포함할 수 있다.
상기 라이다2차원영상획득부는, 상기 라이다모듈이 수평방향으로 스캔시, 수평방향으로 서로 이격되도록 다수로 배열되는 점영역 각각에 대한 거리 측정용 데이터를 획득하고, 상기 거리산출부가 상기 점영역 각각에 대한 거리 측정용 데이터로부터 상기 점영역 각각에 존재하는 장애물의 거리를 산출하며, 상기 2차원영상구현부가 상기 점영역 각각에 존재하는 장애물의 거리를 서로 연결하여 2차원공간의 영상을 구현할 수 있다.
상기 라이다2차원영상획득부는, 상기 라이다모듈이 상기 상하회전구동부에 의해 스캔 영역을 상하로 가변시, 스캔 영역 각각의 점영역들이 수직방향으로 일치하게 배열되도록 할 수 있다.
상기 좌우회전구동부는, 외부를 감싸는 제 1 케이싱이 설치면에 고정되도록 판상구조로 이루어지고, 상기 제 1 케이싱의 상면에 회전판이 수직축을 중심으로 회전하도록 설치되고, 상기 상하회전구동부는, 외부를 감싸는 제 2 케이싱이 상기 회전판의 상측에 고정되고, 상기 제 2 케이싱의 상부가 곡률을 가지도록 형성되며, 상기 제 2 케이싱의 양측으로 돌출되도록 수평되게 마련되는 회전축이 회전하도록 설치되고, 상기 라이다모듈은, 상기 제 2 케이싱의 상측에 설치되도록 저면 양측으로 수직되게 각각 연장되어 상기 회전축 양쪽 끝단에 각각 고정되는 축고정부가 마련되고, 상기 회전축과 함께 회전시 상기 제 2 케이싱의 곡률로 인해 상기 제 2 케이싱과의 간섭을 회피하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 의하면, 거리 측정에 사용되는 단일의 라이다모듈을 사용하여, 실시간 2차원 측정에서 3차원 측정으로 동시 확장함으로써, 3차원공간에 대한 영상을 용이하게 획득할 수 있고, 최소의 라이다모듈 사용으로 인해, 경제적인 3차원공간의 영상 획득을 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템의 요부를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 의한 2차원 공간의 영상 획득을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 의한 3차원공간의 영상 획득을 설명하기 위한 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템의 요부를 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템(100)은 라이다2차원영상획득부(110), 상하회전구동부(120), 3차원영상구현부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
라이다2차원영상획득부(110)는 전방으로 조사되는 레이저를 수평방향으로 스캔하여, 존재하는 장애물과의 거리 측정을 통해 2차원공간의 영상을 구현하는데, 이를 위해 다양한 방식을 이용하여, 라이다에 의해 2차원공간의 형상을 획득하도록 하는 장치가 사용될 수 있는데, 본 실시례에서처럼, 라이다모듈(111), 좌우회전구동부(112), 거리산출부(113) 및 2차원영상구현부(114)를 포함할 수 있고, 2차원공간의 영상 구현을 위하여 입력된 정보나 미리 저장된 프로세스에 따른 라이다모듈(111), 좌우회전구동부(112), 거리산출부(113) 및 2차원영상구현부(114)에 대한 제어를 수행하는 제어부가 자체적으로 별도 마련되거나, 2차원영상구현부(114)에 부가되도록 마련될 수 있다.
라이다모듈(111)은 전방으로 레이저를 조사하고, 장애물에 반사되는 레이저를 수신하여, 장애물과의 거리 측정을 위한 데이터를 획득하도록 한다. 라이다몰듈(111)은 예컨대, 적어도 하나 이상의 레이저 출력 소자로부터 레이저를 전방으로 출사하고, 출사되어 장애물에 반사된 레이저를 센서부가 감지하며, 비교부에 의해 레어지 출력 소자로부터 레이저가 출력된 시간과 장애물에 반사된 레이저가 센서부에 감지된 시간을 확인함으로써, 출사된 레이저와 감지된 레이저의 시간차이인 비행시간(Time Of Flight; TOF)을 이용하여, 장애물과의 거리 측정을 위한 데이터로서 제공하도록 한다.
좌우회전구동부(112)는 라이다모듈(111)을 가상의 수직축을 중심으로 회전시킴으로써, 라이다모듈(111)이 수평방향으로 스캔하도록 한다. 좌우회전구동부(112)는 예컨대 모터의 회전력을 직접이나 감속기, 다수의 기어 또는 타이밍벨트 및 풀리 등과 같은 회전력 전달부재를 사용하여 라이다모듈(111)에서 수직되는 축을 중심으로 회전하도록 전달할 수 있다. 여기서 모터는 라이다2차원영상획득부(110)의 자체 제어부에 의한 회전량의 제어가 가능하도록 서보 모터나 스텝 모터 등이 사용될 수 있다.
거리산출부(113)는 좌우회전구동부(112)에 의해 회전하는 라이다모듈(111)로부터 수평방향으로 스캔하여 획득한 장애물에 대한 거리 측정용 데이터를 전달받아, 장애물에 대한 거리를 산출하도록 한다. 거리산출부(113)는 라이다모듈(111)이 출사된 레이저와 감지된 레이저의 시간차이인 비행시간(Time Of Flight; TOF)에 대한 데이터를 제공시, 이러한 데이터로부터 정해진 프로세스에 의해 장애물과의 거리 측정값을 획득하도록 할 수 있다. 여기서 장애물과의 거리 측정값은 스캔 영역에 위치하는 장애물의 전체 영역에 걸쳐서 비연속적으로 다수로 수행함으로써 각각 다수의 값으로서 획득될 수 있으며, 이를 통해 장애물의 형태를 구현할 수 있다.
2차원영상구현부(114)는 도 3에서와 같이, 거리산출부(113)에 의해 산출되는 장애물(사물 1, 사물 2)의 거리로부터 2차원공간의 영상을 구현하도록 한다. 즉 2차원영상구현부(114)는 2차원공간에서 장애물을 표시함으로써 그 영상을 구현하게 된다.
상하회전구동부(120)는 라이다모듈(111)을 가상의 수평축을 중심으로 회전시켜서, 라이다모듈(111)의 스캔 영역을 상하로 가변시킴으로써, 라이다2차원영상획득부(110)가 2차원공간의 영상을 상하 방향으로 다수 획득하도록 한다. 상하회전구동부(120)는 예컨대 모터의 회전력을 직접이나, 감속기, 다수의 기어 또는 타이밍벨트 및 풀리 등과 같은 회전력 전달부재를 사용하여 라이다모듈(111)에서 수평되는 축을 중심으로 회전하도록 전달할 수 있다. 여기서 모터는 제어부(140)에 의한 회전량의 제어가 가능하도록 서보 모터나 스텝 모터 등이 사용될 수 있다.
한편, 좌우회전구동부(112)는 본 실시례에서처럼, 모터와 회전력 전달부재 등이 수용되도록 외부를 감싸는 제 1 케이싱(112a)이 설치면에 고정되도록 판상구조로 이루어질 수 있고, 제 1 케이싱(112a)의 상면에 회전판(112b)이 모터로부터 회전력 전달부재에 의해 회전력이 전달되는 수직축을 중심으로 회전하도록 설치될 수 있다. 상하회전구동부(120)는 모터와 회전력 전달부재 등이 수용되도록 외부를 감싸는 제 2 케이싱(121)이 회전판(112b)의 상측에 고정될 수 있고, 제 2 케이싱(121)의 상부가 곡률을 가지도록 형성됨으로써 라이다모듈(111)의 회전시 간섭을 방지할 수 있으며, 제 2 케이싱(121)의 양측으로 돌출되도록 수평되게 마련되는 회전축(122)이 모터와 회전력 전달부재에 의해 회전하도록 설치될 수 있다. 라이다모듈(111)은 제 2 케이싱(121)의 상측에 설치되도록 저면 양측으로 각각 수직되게 연장되어 회전축(122) 양쪽 끝단에 각각 고정되는 축고정부(111a)가 마련될 수 있고, 회전축(122)과 함께 회전시 제 2 케이싱(121)의 곡률로 인해 제 2 케이싱(121)과의 간섭을 회피하도록 할 수 있다.
3차원영상구현부(130)는 상하회전구동부(120)에 의해 라이다2차원영상획득부(110)에 의해 각각 구현되는 상하 다수의 2차원공간의 영상을 도 4에서와 같이, 스캔 영역의 상하 가변 방향으로 적층하여 3차원공간의 영상으로 구현한다. 3차원영상구현부(130)는 상하회전구동부(120)에 의한 상하 이동 간격에 해당하는 갭을 2차원공간의 영상 간의 갭으로 설정할 수 있고, 2차원공간의 영상 간에 장애물 등의 구조를 상하로 연결함으로써 3차원공간의 영상을 구현할 수 있는데, 이는 하나의 예시로서, 이에 한하지 않고, 다수의 2차원공간의 영상을 적층하여 3차원공간의 형상으로 구현하기 위한 다양한 방식이 적용될 수 있다.
제어부(140)는 3차원영상구현부(130)에 의해 3차원공간의 영상을 구현하도록 라이다2차원영상획득부(110)와 상하회전구동부(130)를 제어한다. 예컨대, 제어부(140)는 좌우회전구동부(112)의 동작에 의해 라이다모듈(111)이 정해진 각도로 수평되게 스캔을 수행하도록 하고, 이를 마치면 좌우회전구동부(112)를 정지시킨 상태에서 상하회전구동부(120)의 동작에 의해 라이다모듈(111)을 상하 방향, 예컨대 상방으로 또는 하방으로 정해진 각도로 회전시킨 다음, 상하회전구동부(120)를 정지시키면서, 좌우회전구동부(112)를 동작시킴으로써, 새로운 층에 대해서 수평되게 스캔을 수행하도록 하며, 이러한 동작을 정해진 횟수로 반복함으로써, 라이다모듈(111)은 3차원공간에 대한 다층의 스캔을 수행할 수 있다. 여기서, 라이다모듈(111)의 수평방향 스캔 각도는 예컨대, 일반적인 카메라의 화각에 상응한 각도를 가질 수 있는데, 스캔 속도와 요구하는 화각 등에 따라 그 범위를 달리 정할 수도 있다.
라이다2차원영상획득부(110)는 도 3에서와 같이, 라이다모듈(111)이 수평방향으로 스캔시, 수평방향으로 서로 이격되도록 다수로 배열되는 점영역 각각에 대한 거리 측정용 데이터를 획득하도록 제어할 수 있고, 거리산출부(113)가 점영역 각각에 대한 거리 측정용 데이터로부터 점영역 각각에 존재하는 장애물의 거리를 산출하도록 제어할 수 있으며, 2차원영상구현부(114)가 점영역 각각에 존재하는 장애물의 거리를 서로 연결하여 장애물(사물1, 사물 2)을 포함하는 2차원공간의 영상을 구현하도록 제어할 수 있다. 또한 라이다2차원영상획득부(110)는 라이다모듈(111)이 상하회전구동부(120)에 의해 스캔 영역을 상하로 가변시, 도 4에서와 같이, 스캔 영역 각각의 점영역들이 수직방향으로 일치하게 배열되도록 라이다모듈(111)을 제어할 수 있으며, 이로 인해 3차원공간의 영상에 대한 왜곡이나 오차를 최소화할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템에 따르면, 거리 측정에 사용되는 단일의 라이다모듈을 사용하여, 실시간 2차원 측정에서 3차원 측정으로 동시 확장함으로써, 3차원공간에 대한 영상을 용이하게 획득할 수 있고, 최소의 라이다모듈 사용으로 인해, 경제적인 3차원공간의 영상 획득을 가능하도록 한다.
또한 본 발명에 따르면, 라이다2차원영상획득부를 상하회전구동부에 의해 수직방향으로 반복 동작시킴으로써, 그 동작을 시분할(time division)로 반복시키게 되어, 실시간성이 반복횟수만큼 지연될 수 있는데, 이는 저속 차량, 예컨대 저속 사용을 그 용도로 하는 특수차량이나, 중장비 등의 장애물 확인을 위한 3차원공간의 영상 제공용으로 효과적으로 사용될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 전방으로 조사되는 레이저를 수평방향으로 스캔하여 존재하는 장애물과의 거리 측정을 통해 2차원공간의 영상을 구현하는 라이다2차원영상획득부;
    상기 라이다2차원영상획득부를 수평축을 중심으로 회전시켜서, 상기 라이다2차원영상획득부의 스캔 영역을 상하로 가변시킴으로써, 상기 라이다2차원영상획득부가 2차원공간의 영상을 상하 방향으로 다수 획득하도록 하는 상하회전구동부;
    상기 상하회전구동부에 의해 상기 라이다2차원영상획득부에 의해 각각 구현되는 상하 다수의 2차원공간의 영상을 적층하여 3차원공간의 영상으로 구현하는 3차원영상구현부; 및
    상기 3차원영상구현부에 의해 상기 3차원공간의 영상을 구현하도록 상기 라이다2차원영상획득부와 상기 상하회전구동부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는, 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 라이다2차원영상획득부는,
    전방으로 레이저를 조사하고, 장애물에 반사되는 레이저를 수신하여, 장애물과의 거리 측정을 위한 데이터를 획득하도록 하는 라이다모듈;
    상기 라이다모듈을 수직축을 중심으로 회전시킴으로써, 상기 라이다모듈이 수평방향으로 스캔하도록 하는 좌우회전구동부;
    상기 좌우회전구동부에 의해 회전하는 상기 라이다모듈로부터 수평방향으로 스캔하여 획득한 장애물에 대한 거리 측정용 데이터를 전달받아, 상기 장애물에 대한 거리를 산출하는 거리산출부; 및
    상기 거리산출부에 의해 산출되는 장애물의 거리로부터 2차원공간의 영상을 구현하는 2차원영상구현부;
    를 포함하는, 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 라이다2차원영상획득부는,
    상기 라이다모듈이 수평방향으로 스캔시, 수평방향으로 서로 이격되도록 다수로 배열되는 점영역 각각에 대한 거리 측정용 데이터를 획득하고, 상기 거리산출부가 상기 점영역 각각에 대한 거리 측정용 데이터로부터 상기 점영역 각각에 존재하는 장애물의 거리를 산출하며, 상기 2차원영상구현부가 상기 점영역 각각에 존재하는 장애물의 거리를 서로 연결하여 2차원공간의 영상을 구현하는, 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 라이다2차원영상획득부는,
    상기 라이다모듈이 상기 상하회전구동부에 의해 스캔 영역을 상하로 가변시, 스캔 영역 각각의 점영역들이 수직방향으로 일치하게 배열되도록 하는, 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 좌우회전구동부는,
    외부를 감싸는 제 1 케이싱이 설치면에 고정되도록 판상구조로 이루어지고, 상기 제 1 케이싱의 상면에 회전판이 수직축을 중심으로 회전하도록 설치되고,
    상기 상하회전구동부는,
    외부를 감싸는 제 2 케이싱이 상기 회전판의 상측에 고정되고, 상기 제 2 케이싱의 상부가 곡률을 가지도록 형성되며, 상기 제 2 케이싱의 양측으로 돌출되도록 수평되게 마련되는 회전축이 회전하도록 설치되고,
    상기 라이다모듈은,
    상기 제 2 케이싱의 상측에 설치되도록 저면 양측으로 수직되게 각각 연장되어 상기 회전축 양쪽 끝단에 각각 고정되는 축고정부가 마련되고, 상기 회전축과 함께 회전시 상기 제 2 케이싱의 곡률로 인해 상기 제 2 케이싱과의 간섭을 회피하도록 하는, 라이다를 이용한 3차원 영상 획득 시스템.
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