WO2021060919A1 - Lidar optical device and scanning method therefor - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a LIDAR optical device and a scanning method therefor. A LIDAR optical device comprises a fixed body which operates while fixed inside a main body housing, and a rotating body which operates while rotating, wherein the fixed body comprises a fixed substrate fixed to the inner lower side of the main body housing in order to process power and data, and a motor stator formed along the upper circumference of the fixed substrate so as to generate a rotating magnetic field, and the rotating body comprises a motor rotor which rotates by means of the rotating magnetic field of the motor stator, a rotating substrate which rotates by means of coupling to the motor rotor, and which is linked with the fixed substrate, and a laser module, provided on the upper side of the rotating substrate, for transmitting/receiving laser light, and has a structure in which power is transmitted in a non-contact manner between the rotating body that rotates and the fixed body, data is transmitted through optical communication transmission/reception, and a laser receiving unit doubles a receiving channel and applies different receiving angles to a lens or a receiving unit, so as to increase detection resolution by increasing resolution in a specific area.

Description

라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법Lidar optical device and its scanning method
본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터에 의해 회전하는 레이저 모듈을 구성하여, 360도 회전하면서 레이저를 송수신 가능하도록 하는 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lidar optical device, and more particularly, to a lidar optical device for transmitting and receiving a laser while rotating 360 degrees by configuring a laser module rotating by a motor, and a scanning method thereof.
최근 들어, 자동차 또는 이동형 로봇 등에서 주변의 지형 또는 물체를 감지하기 위하여 레이저(laser) 레이더 장치인 라이다(LIDAR: LIght Detection And Ranging)가 많이 사용되고 있다.In recent years, in order to detect surrounding terrain or objects in automobiles or mobile robots, LIDAR (Light Detection And Ranging), which is a laser radar device, has been widely used.
이러한 라이다는, 펄스 레이저 광을 대기 중에 발사하고 대기 중의 반사체 또는 산란체로부터의 반사광을 이용하여 거리, 물체 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서 반사광의 시간을 클럭 펄스로 계산하며 통상 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.Such a radar is a device that emits pulsed laser light into the atmosphere and measures distances, objects, or atmospheric phenomena using the reflected light from a reflector or scatterer in the atmosphere, and calculates the time of the reflected light as a clock pulse. It has a resolution of 5m at ㎒ and 1m at 150 ㎒.
이와 같이 라이다는 주변 영역으로 레이저 광을 조사하고 주변 물체 또는 지형에 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간과 강도 등을 이용함으로써, 측정 대상물의 거리와 속도, 형상을 측정하거나 주변의 물체나 지형을 정밀하게 스캔한다.In this way, the radar irradiates the laser light to the surrounding area and uses the time and intensity of the reflected light reflected back to the surrounding object or terrain to measure the distance, speed, and shape of the object to be measured, or to accurately measure the surrounding object or terrain. Scan it.
이러한 라이다는 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서도 널리 적용되고 있다.Such a radar is widely applied in various fields such as sensors for detecting obstacles in front of robots and unmanned vehicles, radar guns for speed measurement, aerial geo-mapping devices, three-dimensional ground surveys, and underwater scanning.
그런데, 기존의 라이다는 화각에 상응하게 빔 폭이 넓은 레이저를 방출하고 화각 내의 모든 방향으로부터 동시에 반사광을 획득하여 반사체와의 거리를 획득하기 때문에, 출력이 매우 높은 레이저 모듈을 필요로 하며, 따라서 매우 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 출력이 높은 레이저 모듈은 크기가 크고, 라이다 장치의 전체적인 크기를 키우는 요인으로 작용하게 된다.However, the conventional radar emits a laser with a wide beam width corresponding to the angle of view and acquires the distance to the reflector by simultaneously acquiring reflected light from all directions within the angle of view, and thus requires a laser module with a very high output. There is a problem that it is very expensive. In addition, a laser module having a high output has a large size and acts as a factor to increase the overall size of the lidar device.
또한, 종래의 스캐닝 라이다의 경우, 레이저의 반사, 굴절각을 산란시키기 위해 반사 미러(Mirror)의 각도를 변경할 필요가 있다. 이러한 구조에 의해 종래의 스캐닝 라이다는 특정 관심영역에 대한 집중 스캔 성능이 좋지 않고, 다양한 레이저 패턴의 조사가 불가하며, 다수의 레이저 발광부 및 수광부의 사용으로 제조비용이 고가화되고, 구조가 복잡한 단점이 있다.In addition, in the case of a conventional scanning lidar, it is necessary to change the angle of a reflection mirror in order to scatter the reflection and refraction angles of the laser. Due to this structure, the conventional scanning radar has poor intensive scanning performance for a specific region of interest, it is impossible to irradiate various laser patterns, and the manufacturing cost is increased due to the use of a plurality of laser light emitting units and light receiving units, and the structure is complex. There are drawbacks.
특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비한 라이다 장치 대부분은 송신 광학계와 수신 광학계를 포함하여 장치 전체가 회전 동작하도록 구성된다. 그런데 장치 전체를 회전시키게 되는 경우 장치 크기는 더욱 커지게 되는데, 이는 미관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라, 가격 및 소비전력 상승의 문제를 더욱 심화시키게 된다.In particular, most of the lidar devices equipped with a panoramic scanning function are configured to rotate the entire device including the transmission optical system and the reception optical system. However, when the entire device is rotated, the size of the device increases, which is not good in terms of aesthetics, and further increases the problem of price and power consumption.
그러므로 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 장치와 알고리즘을 사용하여 효율을 향상시킬 수 있으며, 장치를 단순화하려는 라이다 광학 장치가 요구된다.Therefore, it is possible to improve efficiency by using a drive control device and an algorithm with relatively low complexity, and a lidar optical device to simplify the device is required.
상술한 종래의 기술로서는 대한민국 등록특허공보 10-1977315(2019.05.20.)호에서 라이다 장치가 개시되어 있다.As the above-described conventional technology, a lidar device is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-1977315 (2019.05.20.).
상기 종래의 기술은 레이저를 출사하는 레이저 출력부; 그 내부에 관통홀이 형성되는 다면 기둥 형상을 가지고, 회전축을 따라 회전하며 상기 레이저 출력부로부터 출사된 레이저를 대상체를 향해 반사하는 회전 다면 미러; 상기 레이저 출력부로부터 발생하는 열의 방열에 이용되며 상기 관통홀을 통과하는 기류를 생성하되, 상기 회전 다면 미러에 설치되는 쿨링팬; 및 상기 쿨링팬에 회전력을 제공하는 구동부를 포함하고, 상기 쿨링팬은 상기 제공되는 회전력으로 회전하되, 상기 회전 다면 미러와 결합되어, 상기 회전 다면 미러의 회전축을 따라 상기 회전 다면 미러와 일체로 회전하는 라이다 장치를 제공하고 있다.The conventional technology includes a laser output unit that emits a laser; A rotating multi-faceted mirror having a multi-faceted pillar shape having a through hole formed therein, rotating along a rotation axis and reflecting a laser emitted from the laser output unit toward an object; A cooling fan that is used for heat dissipation of heat generated from the laser output unit and generates an airflow passing through the through hole, and is installed in the rotating mirror; And a driving unit that provides a rotational force to the cooling fan, wherein the cooling fan rotates with the rotational force provided, and is coupled to the rotating multi-faceted mirror, and rotates integrally with the rotating multi-faceted mirror along a rotation axis of the rotating multi-faceted mirror. It provides a lidar device.
한편, 라이다 장치에서 사용 목적에 따라 혹은 거리에 따라 타겟 스캐닝 해상도를 달리하여 보다 효과적으로 스캐닝하는 등의 진보된 기능을 가진 장치가 요구되고 있다.Meanwhile, in a lidar device, a device having an advanced function such as more effective scanning by varying the target scanning resolution according to the purpose of use or distance is required.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하부에 위치하는 모터의 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전하는 모터 회전자에 360도 회전하는 레이저 모듈을 구성하여 라이다 장치의 성능을 향상시키면서 그 구조와 구동을 단순화할 수 있는 있는 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.The present invention was conceived to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to configure a laser module that rotates 360 degrees in a motor rotor that rotates by a rotating magnetic field of a stator of a motor located at the bottom. It is to provide a lidar optical device that can simplify its structure and operation while improving the performance of the device.
본 발명의 다른 목적은 회전하는 회전체와 고정체 간의 무접점 방식으로 동력을 전달할 수 있고, 광통신 송수신 방식으로 데이터를 전송할 수 있는 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a lidar optical device capable of transmitting power in a contactless manner between a rotating rotating body and a fixed body and transmitting data through an optical communication transmission/reception method, and a scanning method thereof.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 수신부의 수신 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부의 수신각도를 상이하게 적용하여, 특정 영역의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 구조를 갖는 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법을 제공하하는데 있다.Another object of the present invention is a lidar optical device having a structure to increase the detection resolution by increasing the resolution of a specific area by dualizing the reception channel of the laser receiver and applying different reception angles of the lens or the receiver, and a scanning method thereof It is to provide.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치는 레이저 광을 발신 및 수신하여 타겟을 스캐닝하는 라이다 광학 장치로서, 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징, 상기 본체하우징의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되어 레이저 광의 투과를 용이하게 하고 본체하우징을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어진 윈도우, 상기 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체와 회전하며 동작하는 회전체로 이루어지되, 상기 고정체는 상기 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정체 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자를 포함하여 이루어지고, 상기 회전체는 상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전체 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 회전하며 상기 고정기판과 연동하는 회전기판 및 상기 회전기판의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈이 구비되는 것을 특징으로 한다.A lidar optical device according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem is a lidar optical device that transmits and receives laser light to scan a target, a body housing having a circular column shape having a predetermined height, and the body A window made of a light-transmitting member that is formed 360° along the side of the housing in a certain area to facilitate the transmission of laser light and protects the main body housing, and rotates with a fixed body that is fixed and operated inside the main housing. A motor having a fixed substrate for power and data processing and a fixed ferrite core formed along the upper circumference of the fixed substrate to generate a rotating magnetic field by being fixed to the lower inside of the main body housing Consisting of a stator, the rotor is a motor rotor having a rotor ferrite core that generates rotational power by a rotational magnetic field of the motor stator, and rotates by coupling with the motor rotor, and the fixed substrate and It characterized in that it is provided with an interlocking rotating substrate and a laser module for transmitting and receiving laser light on the upper side of the rotating substrate.
상기 레이저 모듈은 레이저 광을 발신하는 레이저 송신부와 레이저 광을 수신하는 레이저 수신부로 이루어지되, 상기 레이저 송신부는 상기 회전기판의 일측에 배치되고, 상기 레이저 수신부는 상기 레이저 송신부를 가운데로 하고 양 옆으로 제1 수신부 및 제2 수신부가 서로 이격되어 구성될 수 있다.The laser module is composed of a laser transmitting unit for transmitting laser light and a laser receiving unit for receiving laser light, and the laser transmitting unit is disposed on one side of the rotating substrate, and the laser receiving unit has the laser transmitting unit at the center and at both sides. The first receiver and the second receiver may be configured to be spaced apart from each other.
상기 레이저 수신부는 상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되어 구비되는 렌즈의 수신각도를 각각 상이하도록 적용하여 수신채널의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.The laser receiving unit is characterized in that the detection resolution is increased by increasing the resolution of the receiving channel by applying different receiving angles of the lenses coupled to the first receiving unit and the second receiving unit, respectively.
본 발명에서는 상기 제1 수신부의 렌즈 수신각도보다 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 좁게 설정하여, 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도에서 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성할 수 있다.In the present invention, the lens receiving angle of the second receiving unit is set narrower than the lens receiving angle of the first receiving unit, so that an overlap portion of the laser receiving area is formed at the lens receiving angle of the second receiving unit. have.
상기 레이저 수신부는 상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되는 렌즈의 수신각도는 각각 동일하도록 구성하되, 상기 제1 수신부 및 제2 수신부를 서로 다른 경사각으로 기울여(Angle tilting) 배치하여 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성할 수 있다.The laser receiving unit is configured such that the receiving angles of the lenses coupled to the first receiving unit and the second receiving unit are the same, but the first receiving unit and the second receiving unit are arranged at different inclination angles, It can be configured to form an overlap portion (Overlap portion).
상기 제1 레이저 수신부는 상방 24도로 기울여지고, 상기 제2 레이저 수신부는 하방 24도로 기울여져, 중간 부분에서 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성할 수 있다.The first laser receiving unit may be inclined at 24 degrees upward, and the second laser receiving unit may be inclined at 24 degrees downward, so that an overlap portion of the laser receiving area may be formed in an intermediate portion.
상기 레이저 수신부의 수광 센서는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 또는 실리콘 광전자 증배기(SiPM, Silicon photomultiplier) 중의 어느 하나인 특징이 있다.The light-receiving sensor of the laser receiver is characterized by being any one of a PIN (Positive-Intrinsic-Negative) photodiode, an avalanche photodiode (APD), or a silicon photomultiplier (SiPM).
상기 수광 센서는 TO(Transistor Outline) CAN 패키지, SMD 패키지 또는 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태 중의 어느 하나의 타입으로 구성되는 특징이 있다.The light-receiving sensor is characterized in that it is configured in any one type of a TO (Transistor Outline) CAN package, an SMD package, or a micro cell array.
상기 레이저 모듈은 상기 회전기판의 일측과 반대되는 타측으로 동일한 레이저 모듈을 이중으로 배치하여 회전하는 것을 특징으로 할 수 있다.The laser module may be characterized in that the same laser module is disposed on the other side opposite to one side of the rotating substrate to rotate.
본 발명에서는 상기 고정체의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일과 상기 회전체의 회전기판에서 회전하는 이너코일에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정체에서 회전체로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, power is supplied from the fixed body to the rotating body in a contactless manner by generating an induced current by the outer coil fixed to the fixed board of the fixed body and the inner coil rotating on the rotating board of the rotating body. It can be characterized.
또한, 본 발명에서는 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판과의 연동을 위한 데이터 송수신을 위하여, 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판간에 광통신 송수신 수단 또는 저전력 무선 통신 수단중의 어느 하나가 구비되는 특징이 있다.In addition, in the present invention, in order to transmit and receive data for interlocking with the fixed substrate of the fixed body and the rotating substrate of the rotating body, an optical communication transmitting and receiving means or a low power wireless communication means between the fixed substrate of the fixed body and the rotating substrate of the rotating body There is a feature that any one of them is provided.
상기 광통신 송수신 수단은 상기 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판의 중앙부에 서로 마주보게 정렬되는 적외선(Infrared Rays; IR) 송수신 센서를 장착하여 무선통신 IrDA(Infrared Data Association) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.The optical communication transceiving means is characterized in that it is made in a wireless communication IrDA (Infrared Data Association) method by mounting an infrared ray (IR) transceiving sensor arranged to face each other in the central portion of the rotating substrate coincident with the central portion of the fixed substrate. can do.
상기 저전력 무선 통신 수단은 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판의 특정 위치에 구비되는 블루투스 송수신 모듈, 지그비 송수신모듈 중의 어느 하나를 이용하는 무선 전파(RF) 방식을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.The low-power wireless communication means may be characterized by using a radio wave (RF) method using any one of a Bluetooth transmission/reception module and a Zigbee transmission/reception module provided at a specific position of the fixed substrate of the fixed body and the rotating substrate of the rotating body. have.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일실시예에 따른 라이다 광학 장치를 이용한 스캐닝 방법은, 본체하우징에 결합하여 360도 회전하는 회전기판 상에 설치된 레이저 송신부 및 레이저 수신부를 구비하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법으로서, 상기 레이저 수신부에 포함된 제1 수신부를 통해 상기 본체하우징의 상하 방향의 제1 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 레이저 수신부에 포함된 제2 수신부를 통해 상기 상하 방향의 제2 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역의 중첩 영역에서 다른 영역에 비해 상대적으로 높은 해상도의 이미지를 생성한다. 여기서, 상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역은 그 일부가 서로 중첩되거나 하나가 다른 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.A scanning method using a lidar optical device according to another embodiment of the present invention for solving the above technical problem is a lidar having a laser transmitter and a laser receiver installed on a rotating substrate that rotates 360 degrees by being coupled to a main body housing. A scanning method of an optical device, comprising: scanning in a first receiving area in a vertical direction of the main body housing through a first receiving unit included in the laser receiving unit, and a second receiving unit in the vertical direction through a second receiving unit included in the laser receiving unit The scanning is performed in a receiving area, and an image having a relatively high resolution is generated in an overlapping area of the first receiving area and the second receiving area compared to other areas. Here, the first receiving area and the second receiving area are partially overlapped with each other or include one of the other.
일실시예에서, 상기 레이저 수신부는 하나 이상의 제3 수신부를 더 포함한다. 이 경우, 라이다 광학 장치는 상기 중첩 영역에 포함된 수신 영역을 가진 수신부들의 개수가 증가에 따라 상대적으로 높아지거나 혹은 다단계적으로 높아지는 해상도의 이미지를 생성할 수 있다.In one embodiment, the laser receiving unit further includes at least one third receiving unit. In this case, the lidar optical device may generate an image with a resolution that is relatively increased or multi-stepped as the number of receiving units having a receiving area included in the overlapping area increases.
또한, 일실시예에서 라이다 광학 장치는 상기 레이저 수신부는 하나 이상의 제3 수신부를 더 포함할 때 서로 이격된 복수의 중첩 영역의 해상도가 나머지 주변의 수신 영역의 해상도보다 상대적으로 높은 이미지를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, in one embodiment, when the laser receiving unit further includes at least one third receiving unit, the LiDAR optical device generates an image in which the resolution of the plurality of overlapping areas spaced apart from each other is relatively higher than the resolution of the other surrounding receiving areas. It can be characterized by that.
전술한 라이다 광학 장치에 의하면, 회전하는 회전체에 다양한 레이저 모듈을 적용하여 수신효율을 향상시키고, 하나 이상의 수신 채널을 적용하여 다양한 스캔 영역을 확보하거나, 레이저 광의 효과적인 스캔 정밀도를 도출해 낼 수 있는 효과가 있다.According to the above-described lidar optical device, it is possible to improve reception efficiency by applying various laser modules to a rotating rotating body, secure various scan areas by applying one or more reception channels, or derive effective scanning precision of laser light. It works.
또한, 본 발명은 고정체와 회전체에 의해 회전하는 모터 구성의 원리를 적용함으로서 라이다 장치를 단순화하고, 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 알고리즘을 사용할 수 있고 그에 의해 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention simplifies the lidar device by applying the principle of the configuration of a motor that rotates by a fixed body and a rotating body, and a drive control algorithm with relatively low complexity can be used, thereby improving efficiency. have.
또한, 본 발명은 레이저 수신부의 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부의 수신각도를 상이하도록 적용하여, 특정부위의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가 시키며, 노이즈 및 오차를 제거하는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of increasing the detection resolution by increasing the resolution of a specific region by dualizing the channels of the laser receiving unit and applying different reception angles of the lens or the receiving unit, and removing noise and errors.
도 1은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 외관의 형상을 보여주는 사시도이고,1 is a perspective view showing an external shape of a lidar optical device according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도이며,2 is a perspective view showing the internal configuration of the lidar optical device according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a lidar optical device according to the present invention.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이고, 4A is an exemplary view illustrating a lens reception angle of a first receiver according to an embodiment of the present invention,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이다.4B is an exemplary view illustrating a lens reception angle of a second receiver according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도4a 및 도 4b로 이루어진 렌즈 수신각도에 따른 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.5 is an exemplary view showing a laser receiving area according to a lens receiving angle of FIGS. 4A and 4B according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 수신부의 서로 다른 기울기에 따른 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.6 is an exemplary view showing a laser receiving area according to different inclinations of a laser receiving unit according to another embodiment of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention, and various equivalents that can replace them at the time of application It should be understood that there may be water and variations.
이하 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 외관의 형상을 보여주는 사시도이다. 도시와 같이 본 발명의 라이다 광학 장치는, 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징(100)과 상기 본체하우징(100)의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되는 윈도우(110)을 구비한다.1 is a perspective view showing an external shape of a lidar optical device according to the present invention. As shown in the figure, the lidar optical device of the present invention includes a main body housing 100 having a circular column shape having a certain height and a window 110 formed 360° along a side surface of the main body housing 100 in a certain area. .
상기 윈도우(110)는 라이다 광학 장치의 내외부로 레이저 광 투과를 용이하게 하고 상기 본체하우징(100)을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어질 수 있다.The window 110 may be formed of a light-transmitting member for facilitating laser light transmission into and out of the lidar optical device and protecting the main body housing 100.
도 2는 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 단면도이다.2 is a perspective view showing an internal configuration of a lidar optical device according to the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a lidar optical device according to the present invention.
이에 본 발명의 라이다 광학 장치는 상기 본체하우징(100)의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체(200)과 회전하면서 동작되는 회전체(300)로 이루어진다.Accordingly, the lidar optical device of the present invention includes a fixture 200 fixed and operated inside the main housing 100 and a rotating body 300 operated while rotating.
기계기구 적으로 상기 회전체(300)는 모터 등의 회전구동유닛에 의해 회전하는 부분을 지칭하고, 고정체(200)는 상기 회전체(300)와 마주하며 이격 배치되는 부분을 지칭한다.Mechanically, the rotating body 300 refers to a part that is rotated by a rotation driving unit such as a motor, and the fixed body 200 refers to a part that faces and is spaced apart from the rotating body 300.
이에 상기 고정체(200)은 상기 본체하우징(100)과 함께 결합되어 고정되어 있는 구성 장치로서, 고정기판(Main PCB)(210)과 모터 고정자(220)을 포함하여 이루어진다.Accordingly, the fixing body 200 is a component device that is coupled and fixed together with the main housing 100, and includes a main PCB 210 and a motor stator 220.
상기 고정기판(210)은 상기 본체하우징(100)의 내부 하측에 고정되어 상기 회전체(300)와 연동하며 외부 전원을 공급받아 상기 회전체(300)로 전달하며, 상기 회전체(300)에서의 레이저 스캐닝 데이터를 수신하여 처리하는 기능을 수행한다.The fixed substrate 210 is fixed to the inner lower side of the main housing 100, interlocks with the rotating body 300, receives external power, and transmits it to the rotating body 300, from the rotating body 300 It performs the function of receiving and processing the laser scanning data.
그 경우, 상기 고정기판(210)은 레이저 모듈(400)의 레이저 광 발신 타이밍과 설정된 타이밍을 동기화하는 제어 신호를 회전기판(310)에 전송하는 기능을 수행할 수 있다.In this case, the fixed substrate 210 may perform a function of transmitting to the rotating substrate 310 a control signal synchronizing the laser light transmission timing and the set timing of the laser module 400.
이때 상기 고정기판(210)에는 고정체(200)과 회전체(300)의 기능을 제어하는 제어유닛이 포함될 수 있다. 이에 상기 제어유닛은 회전체(300)의 회전을 위한 온오프 동작과 회전 속도를 제어하거나, 수신된 레이저 스캐닝 데이터를 외부의 장치에 전달하도록 구현될 수 있다.In this case, the fixed substrate 210 may include a control unit that controls the functions of the fixed body 200 and the rotating body 300. Accordingly, the control unit may be implemented to control an on-off operation and a rotation speed for rotation of the rotating body 300 or to transmit received laser scanning data to an external device.
이러한 제어유닛은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 통신모듈을 구비하거나 통신모듈에 결합할 수 있다. 통신모듈은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하며, 레이저 스캐닝을 통해 감지한 목표물 또는 공간상의 거리 등과 관련된 신호 혹은 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있다. Such a control unit may be implemented as at least one device selected from a logic circuit, a programming logic controller, a microcomputer, a microprocessor, and the like, and may have a communication module or be coupled to a communication module. The communication module communicates with an external device through an intranet, the Internet, a vehicle network, etc., and may transmit a signal or data related to a target or spatial distance detected through laser scanning to the external device.
상기 모터 고정자(220)는 상기 고정기판의 상측에서 모터 회전자(320)에 회전 자기장을 생성하는 고정 모듈로서, 고정자 프레임(Frame), 고정체 페라이트 코어(Core) 및 고정자 권선(Coil)을 포함하여 고정기판(210)의 둘레를 따라 형성될 수 있다.The motor stator 220 is a fixed module that generates a rotating magnetic field in the motor rotor 320 from the upper side of the fixed substrate, and includes a stator frame, a fixed ferrite core, and a stator winding. Thus, it may be formed along the circumference of the fixed substrate 210.
그리고 상기 회전체(300)는 상기 모터 고정자(220)의 회전 자기장에 의하여 회전하는 모터 회전자(320), 상기 모터 회전자(320)와의 결합에 의하여 회전하며 상기 고정기판(210)과 연동하는 회전기판(310) 및 상기 회전기판(310)의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈(400)을 구비하여 이루어진다.And the rotating body 300 is rotated by coupling with the motor rotor 320 and the motor rotor 320 rotated by the rotating magnetic field of the motor stator 220 and interlocked with the fixed substrate 210 It comprises a rotating substrate 310 and a laser module 400 for transmitting and receiving laser light on the upper side of the rotating substrate 310.
상기 모터 회전자(320)는 상기 모터 고정자(220)의 안측으로 형성되고, 회전체 페라이트 코어 및 회전자 권선을 포함하여 상기 모터 고정자(220)의 회전 자기장의 발생에 따른 모터의 회전 원리에 의하여 회전되는 모듈이다.The motor rotor 320 is formed inside the motor stator 220, and includes a rotor ferrite core and a rotor winding according to the principle of rotation of the motor according to the generation of a rotating magnetic field of the motor stator 220. It is a rotating module.
이에 따라 상기 모터 회전자(320)에는 모터 고정자(220)의 내측 링공간에 삽입되어 구비되는 권선틀 및 이 권선틀의 외측으로 권선되는 코일을 각각 구비하는 페라이트 코어를 사용할 수 있다. 즉 상기 모터 회전자(320)는 내부 관통홀이 형성된 회전체 페라이트 코어, 페라이트 코어 내측 링공간에 권선틀이 구비되어 코일이 권선될 수 있는 구조를 취하게 된다.Accordingly, a ferrite core including a winding frame inserted into the inner ring space of the motor stator 220 and a coil wound outside the winding frame may be used for the motor rotor 320. That is, the motor rotor 320 has a rotor ferrite core having an inner through-hole formed therein, and a winding frame provided in a ring space inside the ferrite core so that a coil can be wound.
상기 페라이트 코어란 페라이트로 만들어진 자기 철심으로서, 투자율이 높고 전도성이 낮은 특성을 이용하여 변압기나 유도자의 심 등으로 사용되는 강자성 소자이다. 본 실시예에서는 내측에 중공홀 또는 관통홀과 같은 공간이 형성되는 링구조의 원통형으로 내부에는 코일이 권선되어 내측 링공간에 삽입될 수 있도록 형성된 페라이트 코어를 사용한다The ferrite core is a magnetic iron core made of ferrite, and is a ferromagnetic element used as a core of a transformer or an inductor by using characteristics of high permeability and low conductivity. In this embodiment, a ferrite core formed in a ring structure in which a space such as a hollow hole or a through hole is formed inside, and a coil is wound therein to be inserted into the inner ring space is used.
본 발명에서 설명의 편의상 페라이트 코어를 회전체 페라이트 코어와 고정체 페라이트 코어로 구분하여 사용될 수 있으며, 회전체 페라이트 코어와 고정체 페라이트 코어는 서로 대칭되는 구조를 갖는다. 이에 따라 코일 권선량 및 회전체 페라이트 코어와 고정체 페라이트 코어의 이격거리에 따라 전자기 유도량의 성능이 좌우될 수 있다. 일례로 코일에 감은 권선량이 증가하고 이격거리가 근접될수록 전자기 유도에 따른 수율이 올라갈 수 있다.In the present invention, for convenience of explanation, the ferrite core may be divided into a rotating ferrite core and a fixed ferrite core, and the rotating ferrite core and the fixed ferrite core have a structure symmetrical to each other. Accordingly, the performance of the electromagnetic induction may be influenced by the amount of coil winding and the separation distance between the rotating ferrite core and the fixed ferrite core. For example, as the amount of winding wound around the coil increases and the separation distance increases, the yield due to electromagnetic induction may increase.
상기 모터 회전자(320)에는 회전체(300)의 하중을 지지하고 회전체(300)의 회전을 가능하게 하는 지지구조 및 베어링 구조 또는 이와 유사한 기구 수단이 형성됨으로서 회전체(300)가 원활히 회전되도록 이루어진다.The motor rotor 320 is provided with a support structure and a bearing structure or similar mechanism means that support the load of the rotor 300 and enable the rotation of the rotor 300, so that the rotor 300 rotates smoothly. It is made possible.
즉 본 발명의 상기 모터 고정자(220)와 모터 회전자(320)는 스테이터(Stator)와 로터(Rotor)의 모터 구조가 적용된 것으로서, 모터의 전자기 유도에 의하여 레이저 모듈(400)과 함께 회전하는 회전체를 구현하도록 형성되는 것임을 알 수 있다.That is, the motor stator 220 and the motor rotor 320 of the present invention have a motor structure of a stator and a rotor, and are rotated together with the laser module 400 by electromagnetic induction of the motor. It can be seen that it is formed to implement the whole.
상기 회전기판(310)은 상기 모터 회전자(320)에 결합되어지고 상측에는 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈(400)이 배치되고, 레이저 모듈(400)에 구비되는 레이저 광을 발신하는 레이저 송신부(410)와 레이저 광을 수신하는 레이저 수신부(420)의 구동 회로를 포함하는 회로 보드(PCB)이다.The rotating substrate 310 is coupled to the motor rotor 320, a laser module 400 for transmitting and receiving laser light is disposed on the upper side, and a laser transmission unit for transmitting laser light provided in the laser module 400 ( It is a circuit board (PCB) including 410 and a driving circuit of the laser receiving unit 420 that receives the laser light.
이때 상기 회전기판(310)은 상기 고정기판(210)의 유도전류에 의한 전류를 공급받으며, 상기 고정기판(210)과 연동하여 제어유닛에 의한 레이저 광 발신 및 수신 제어 신호에 따라 동작이 제어되고, 레이저 수신부(420)에서 수신된 레이저 광의 수신 신호를 고정기판(210)으로 전달하는 수단을 포함하여 이루어진다.At this time, the rotating substrate 310 is supplied with current by the induced current of the fixed substrate 210, and the operation is controlled according to a control signal for transmitting and receiving laser light by a control unit in connection with the fixed substrate 210. , It comprises a means for transmitting the reception signal of the laser light received by the laser receiving unit 420 to the fixed substrate 210.
이에 본 발명에 있어서 고정체(200)와 회전하는 회전체(300)간의 동력 전달을 위하여 무접점 동력 전달 방식(Non Contact Power Supply)을 사용한다.Accordingly, in the present invention, a non-contact power supply is used to transmit power between the fixed body 200 and the rotating body 300.
이러한 동력 전달 방식은 상기 고정체의 고정기판(210)에 고정되어 있는 아우터코일(Outer Coil)과 상기 회전체(300)의 회전기판(310)에서 회전하는 이너코일(Inner Coil)에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정체(200)에서 회전체(300)로 전원을 공급하는 방식이 적용될 수 있다. 무접점 동력 전달 방식으로 공급된 전원은 레이저 모듈(400)의 동력으로 사용할 수 있도록 구성된다. 이에 상기 고정체(200)는 외부 전력을 공급받는 장치를 포함할 수 있다.This power transmission method is an induced current by an outer coil fixed to the fixed substrate 210 of the fixed body and an inner coil rotating on the rotary substrate 310 of the rotating body 300. Due to the occurrence of, a method of supplying power from the fixed body 200 to the rotating body 300 may be applied. The power supplied by the contactless power transmission method is configured to be used as power of the laser module 400. Accordingly, the fixture 200 may include a device receiving external power.
또한, 본 발명에 있어서 고정체(200)와 회전하는 회전체(300)간의 연동을 위한 데이터 송수신을 하기 위하여, 상기 고정체의 고정기판(210)과 상기 회전체의 회전기판(310)간에 광통신 송수신 수단 또는 저전력 무선 통신 수단중의 어느 하나가 구비될 수 있다.In addition, in order to transmit and receive data for linkage between the fixed body 200 and the rotating body 300 in the present invention, optical communication between the fixed substrate 210 of the fixed body and the rotating board 310 of the rotating body Any one of a transmission/reception means or a low-power wireless communication means may be provided.
상기 광통신 송수신 수단은 광을 이용한 데이터 전송 수단으로서, 상기 고정기판(210)의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판(310)의 중앙부에 중공부가 구비되며, 이에 상기 중공부에서 서로 마주보게 정렬되도록 적외선(Infrared Rays; IR) 송수신 센서를 장착하고 무선통신 IrDA(Infrared Data Association) 방식의 데이터 송수신을 수행할 수 있다도록 하는 것이다.The optical communication transmitting/receiving means is a data transmission means using light, and a hollow portion is provided in the central portion of the rotating substrate 310 that coincides with the central portion of the fixed substrate 210, and thus infrared rays ( Infrared Rays (IR) transmission/reception sensor is installed, and wireless communication IrDA (Infrared Data Association) data transmission/reception can be performed.
또한, 상기 저전력 무선 통신 수단은 무선 전파(RF) 방식을 이용한 전송 수단으로서, 상기 고정체의 고정기판(210)과 상기 회전체의 회전기판(310) 상호간에 특정 위치에 블루투스 방식 또는 지그비 방식중의 어느 하나를 이용하는 송수신 모듈을 이루어질 수 있다. In addition, the low-power wireless communication means is a transmission means using a radio wave (RF) method, in which the fixed substrate 210 of the fixed body and the rotating substrate 310 of the rotating body are located at a specific position between the Bluetooth method or the Zigbee method. A transmission/reception module using any one of can be formed.
본 발명의 상기 레이저 모듈(400)은 도 3에서와 같이 레이저 광을 발신하는 레이저 송신부(410)와 레이저 광을 수신하는 레이저 수신부(420)로 이루어지되, 상기 레이저 송신부(410)는 상기 회전기판(310)의 일측에 배치되고, 상기 레이저 수신부(420)는 상기 레이저 송신부(410)를 가운데로 하고 양 옆으로 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)가 서로 이격되게 배치되어, 전체적으로는 한 쌍을 이루는 것을 특징으로 한다.The laser module 400 of the present invention is composed of a laser transmission unit 410 for transmitting laser light and a laser receiving unit 420 for receiving laser light, as shown in FIG. 3, wherein the laser transmission unit 410 is the rotating substrate Arranged on one side of 310, the laser receiving unit 420 has the laser transmitting unit 410 in the center, and the first receiving unit 420a and the second receiving unit 420b are disposed to be spaced apart from each other on both sides. It is characterized by forming a pair.
상기 레이저 송신부(410)는 레이저 광을 발신하기 위한 수단을 포함하는 구성으로서, 파동의 공간적 퍼짐이 균일하고, 위상이 규칙성을 가지고 있는 레이저 광을 출력하는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드(Laser Diode)와 상기 레이저 다이오드의 일정 거리 선단에서 레이저 광을 투과 발산하는 광학렌즈 및 상기 광학렌즈를 지지하고 레이저 광의 외부 유출을 방지하기 위한 렌즈 케이스를 포함하여 모듈화되어 구비된다.The laser transmission unit 410 is a configuration including a means for transmitting laser light, at least one laser diode (Laser Diode) for outputting laser light having a uniform spatial spread and regular phase of the wave, and It is modularized and provided, including an optical lens for transmitting and diverging laser light from a tip of the laser diode at a predetermined distance, and a lens case for supporting the optical lens and preventing the laser light from leaking to the outside.
또한, 레이저 수신부(420)의 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)는 레이저 광의 수신 효율을 높이고 수신 채널을 다양화하기 위하여 다양한 실시예로 적용되는 포토다이오드와 상기 포토다이오드의 일정 거리 선단에서 레이저 광을 투과 집광하는 광학렌즈 및 상기 광학렌즈를 지지하고 레이저 광의 외부 유출을 방지하기 위한 렌즈 케이스를 포함하여 모듈화되어 구비된다.In addition, the first receiving unit 420a and the second receiving unit 420b of the laser receiving unit 420 have a predetermined distance between the photodiode and the photodiode applied in various embodiments in order to increase the reception efficiency of laser light and to diversify the receiving channel. It is modularized and provided, including an optical lens for transmitting and condensing laser light from a tip and a lens case for supporting the optical lens and preventing leakage of the laser light to the outside.
이때 렌즈 케이스는 레이저 송신부(410) 및 레이저 수신부(420)에서 수발신되는 레이저 광이 외부로 새어나가지 않도록 하며 외부 노이즈를 방지하도록 렌즈를 격납하는 경통의 역할 및 렌즈를 고정하고 지지하는 역할을 하게 된다.At this time, the lens case serves as a barrel to store the lens and to fix and support the lens so that the laser light received and transmitted from the laser transmission unit 410 and the laser receiving unit 420 does not leak to the outside and prevents external noise. .
레이저 수신부(420)는 하나의 셀(Cell) 방식의 포토다이오드 또는 다수의 어레이 셀로 이루어진 수광 센서 중의 어느 하나를 사용하는 실시예로 구현될 수 있다.The laser receiving unit 420 may be implemented in an embodiment using one of a cell type photodiode or a light-receiving sensor composed of a plurality of array cells.
레이저 수신부(420)의 수광 센서는 일정 지름을 갖는 TO(Transistor Outline) 캡 타입의 캔(CAN) 패키지로 이루어진 하나의 포토 셀에 의하여 레이저 광이 수신되는 구조, 또는 기판 실장형(SMD)의 타입으로 이루어진 복수의 포토다이오드를 적용한 것으로서 복수의 포토 셀에 의하여 레이저 광이 수신되는 구조, 또는 복수의 포토다이오드를 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태로 구성하여 레이저 광이 수신되는 구조 중의 어느 하나의 타입을 적용하는 패키지로 이루어 질 수 있다.The light-receiving sensor of the laser receiver 420 is a structure in which laser light is received by one photo cell made of a TO (Transistor Outline) cap type CAN package having a predetermined diameter, or a substrate-mounted (SMD) type. A structure in which laser light is received by a plurality of photo cells, or a structure in which laser light is received by configuring a plurality of photodiodes in the form of a micro cell array It can be configured as a package that applies one type.
레이저 수신부(420)의 수광 센서는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 포토다이오드, 고감도 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 중의 어느 하나를 사용하여 구현할 수 있으며, SiPM(Silicon photomultiplier)으로 지칭 되는 실리콘 광전자 증배기로서, 실리콘 기판 상에 애벌랜치 포토다이오드로 구현된 SPAD(Single-photon Avalanche Diode)에 기초한 고체 단일 광자 감지 센서를 사용하여 어레이로 형성된 구조를 구현할 수 있다.The light-receiving sensor of the laser receiver 420 can be implemented using any one of a PIN (Positive-Intrinsic-Negative) photodiode and a high-sensitivity avalanche photodiode (APD). As a photomultiplier, a structure formed as an array may be implemented using a solid single photon detection sensor based on a single-photon avalanche diode (SPAD) implemented as an avalanche photodiode on a silicon substrate.
이에 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 레이저 수신부(420)의 수신채널의 탐지해상도를 증가시키기 위하여, 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)의 수신 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부 의 수신각도를 상이하도록 적용함으로서, 특정부위의 분해능을 향상시키고자 한다.Accordingly, in an embodiment according to the present invention, in order to increase the detection resolution of the receiving channel of the laser receiving unit 420, the receiving channels of the first receiving unit 420a and the second receiving unit 420b are duplicated and the receiving angle of the lens or receiving unit is By applying differently, it is intended to improve the resolution of a specific part.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이고, 도 4b는 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이며, 도 5는 도4a 및 도 4b로 이루어진 렌즈 수신각도에 따른 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.4A is an exemplary view illustrating a lens reception angle of a first receiver according to an embodiment of the present invention, FIG. 4B is an exemplary view illustrating a lens reception angle of a second receiver, and FIGS. 5A and 4B It is an exemplary view showing a laser receiving area according to the lens receiving angle consisting of.
도면에서 각 수신부의 수광 센서는 16 어레이로 구성된 고감도 애벌런치 포토다이오드가 구성되어 있으나, 이는 일예를 표시하는 것으로 이에 한정하지는 않는다.In the drawing, the light-receiving sensor of each receiving unit includes a high-sensitivity avalanche photodiode composed of 16 arrays, but this is only an example and is not limited thereto.
도 4a에 도시한 바와 가이 제1 수신부(420a)의 렌즈는 레이저 광의 집광 수신각도를 24도로 조절할 수 있다. 그리고 도 4b에 도시한 바와 같이 제2 수신부(420b)의 렌즈에 의한 레이저 광의 집광 수신각도를 8도로 조절하고 이를 레이저 모듈(400)에 결합하여 구성할 수 있다.As illustrated in FIG. 4A, the lens of the Guy first receiving unit 420a may adjust the laser beam condensing reception angle to 24 degrees. In addition, as shown in FIG. 4B, the laser light condensing reception angle by the lens of the second receiving unit 420b is adjusted to 8 degrees, and it may be configured by combining it with the laser module 400.
이를 통하여 도 5에 도시한 바와 같이 제1 수신부(420a)의 렌즈 광각과 제2 수신부(420b)의 렌즈 광각이 서로 중첩되는 레이저 수신 영역의 중첩 영역(Overlap portion)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 중첩 영역에서는 목표물에 대한 분해능(resolution)은 더욱 세밀해질 수 있게 된다. 여기서, 중첩 영역은 제1 수신부의 수신 영역(A1)에 완전히 포함되는 제2 수신부의 수신 영역(A2)에 대응될 수 있다.Through this, as shown in FIG. 5, an overlap portion of the laser receiving area in which the lens wide angle of the first receiving unit 420a and the lens wide angle of the second receiving unit 420b overlap each other may be formed. In the overlapping area, the resolution of the target can be further refined. Here, the overlapping area may correspond to the receiving area A2 of the second receiving unit completely included in the receiving area A1 of the first receiving unit.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 수신부와 제2 수신부의 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.6 is an exemplary view showing a laser receiving area of a first receiving unit and a second receiving unit according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 본 실시예에서는 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)에 결합되는 평면 배열형 렌즈 어레이의 중심부와 직교하는 직선을 기준으로 렌즈의 수신 각도를 서로 다르게 형성한다. 즉, 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)를 서로 다른 경사각으로 기울여(Angle tilting) 배치하며, 이를 통해 레이저 수신 영역에 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성된다.Referring to FIG. 6, in the present embodiment, the receiving angles of the lenses are formed differently based on a straight line perpendicular to the center of the planar array type lens array coupled to the first receiving unit 420a and the second receiving unit 420b. That is, the first receiving unit 420a and the second receiving unit 420b are arranged at different inclination angles, and an overlap portion is formed in the laser receiving area through this.
예를 들면, 제1 수신부(420a)의 수광 영역(A1)은 상방 24도로 기울어진 각도로 형성되고, 제2 수신부(420b)의 수광 영역(A2)은 하방 24도로 기울어진 각도로 형성되도록 제1 수신부(420a)와 제2 수신부(420b)의 중심부와 직교하는 직선이 서로 10도의 경사각(A0)을 갖고 교차되도록 구성될 수 있다. 그 경우, 전체 수신 영역(A4)은 34도의 수광각을 갖도록 형성되고, 레이저 수신 영역의 중간 부분에서 상하 14도 영역의 중첩영역(Overlap portion, A3)이 형성되는 것을 확인할 수 있다.For example, the light-receiving area A1 of the first receiving unit 420a is formed at an angle inclined to 24 degrees upward, and the light-receiving area A2 of the second receiving unit 420b is formed at an inclined angle of 24 degrees downward. A straight line perpendicular to the center of the first receiving unit 420a and the second receiving unit 420b may be configured to cross each other with an inclination angle A0 of 10 degrees. In this case, it can be seen that the entire reception area A4 is formed to have a light-receiving angle of 34 degrees, and an overlap portion (A3) of 14 degrees above and below is formed in the middle portion of the laser reception area.
수신부의 중첩 영역에서는 목표물이 이중으로 스캔되어 목표물에 대한 분해능(resolution)을 더욱 세밀하게 형성할 수 있게 된다.In the overlapped area of the receiver, the target is scanned twice, so that the resolution of the target can be formed more precisely.
그리고 전체 수신 영역(A4)은 중첩 영역(A3)의 상하 방향에서 중첩 영역(A3)를 샌드위치 형태로 둘러싸도록 배치되나, 본 발명은 그러한 형태로 한정되지 않고, 중첩 영역(A3)에 포함되지 않는 전체 수신 영역의 나머지 영역(A4a, A4b)이 상하 방향에서 중첩 영역(A3)의 어느 한쪽에만 남는 형태를 포함할 수 있다.In addition, the entire receiving area A4 is arranged to surround the overlapping area A3 in a sandwich shape in the vertical direction of the overlapping area A3, but the present invention is not limited to such a shape, and is not included in the overlapping area A3. The remaining areas A4a and A4b of the entire reception area may include a shape remaining only on one side of the overlapping area A3 in the vertical direction.
또 한편으로, 본 발명의 다른 실시예에서는 레이저 모듈(400)을 회전기판의 일측에 구분되게 배치하고, 이와 반대되는 타측으로 동일한 구성의 레이저 모듈(400)을 추가로 배치함으로써 레이저 광의 다채널 구성을 가능하게 할 수 있다.On the other hand, in another embodiment of the present invention, the laser module 400 is separately disposed on one side of the rotating substrate, and a laser module 400 of the same configuration is additionally disposed on the other side opposite to the multi-channel configuration of the laser light. Can be made possible.
그 경우, 이중 구조의 레이저 모듈(400)을 회전기판에 배치하고 상술한 레이저 수신부에서 렌즈의 수신각도를 조절하거나 수광 센서를 서로 다른 경사각으로 배치 혹은 조절함으로써 레이저 광의 다채널 구성을 원활히 구현할 수 있으며, 이에 따른 레이저 광의 특정 영역에서 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 라이다 광학 장치를 구현할 수 있게 된다.In that case, a multi-channel configuration of laser light can be smoothly implemented by arranging the dual-structured laser module 400 on the rotating substrate and adjusting the reception angle of the lens in the above-described laser receiving unit, or arranging or adjusting the light-receiving sensor at different inclination angles. As a result, it is possible to implement a lidar optical device that increases the detection resolution by increasing the resolution in a specific region of the laser light.
전술한 실시예들에 의하면, 본체하우징에 결합하여 360도 회전하는 회전기판 상에 설치된 레이저 송신부 및 레이저 수신부를 구비하는 라이다 광학 장치에서, 레이저 수신부에 포함된 제1 수신부의 제1 수신 영역의 상하 방향의 제1 기울기와 레이저 수신부에 포함된 제2 수신부의 제2 수신 영역의 상하 방향의 제2 기울기를 서로 다르게 형성하고, 그에 의해 제1 수신 영역과 제2 수신 영역의 중첩 영역이 나머지 영역보다 높은 해상도를 갖도록 할 수 있다.According to the above-described embodiments, in a lidar optical device including a laser transmitter and a laser receiver installed on a rotating substrate that is coupled to a body housing and rotates 360 degrees, the first receiving area of the first receiver included in the laser receiver The first inclination in the vertical direction and the second inclination in the vertical direction of the second receiving area of the second receiving unit included in the laser receiving unit are formed to be different from each other, whereby the overlapping area of the first receiving area and the second receiving area is the remaining area. It can be made to have a higher resolution.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저 수신부에 하나 이상의 제3 수신부를 더 형성함으로써, 중첩 영역을 수신부들의 개수가 단계적으로 증가하는 다단계의 해상도를 가진 중첩 영역으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 원통형 몸체하우징을 구비하고 360도 회전하며 주변 환경이나 타겟을 스캐닝하는 라이다의 경우, 원통형 측면에 형성된 고리형 밴드 형태의 윈도우 상에 링 형태의 중심부로부터 상하 방향으로 해상도가 단계적으로 낮아지는 3단계 이상의 해상도를 갖는 라이다 광학 장치를 제공하는 것이 가능하다.In addition, according to the present invention, by further forming at least one third receiving unit in the laser receiving unit, the overlapping area can be formed as an overlapping area having a multi-level resolution in which the number of receiving units increases stepwise. For example, in the case of a lidar that has a cylindrical body housing and rotates 360 degrees and scans the surrounding environment or target, the resolution is stepwise from the center of the ring to the vertical direction on the ring-shaped band-shaped window formed on the cylindrical side. It is possible to provide a lidar optical device having a resolution of three or more steps that is lowered.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저 수신부에 하나 이상의 제3 수신부를 더 형성함으로써, 복수의 중첩 영역을 형성하여 나머지 다른 수신 영역보다 상대적으로 해상도가 높은 수신 영역들(중첩 영역들)을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제1 수신부가 상하 방향에서 상방에 제1 수신 영역을 가지고, 제2 수신부가 상항 방향에서 하방에 제2 수신 영역을 가지면서 제1 수신 영역과 중첩되는 영역을 갖지 않고, 제3 수신부가 제1 수신 영역과 제2 수신 영역 각각에 대하여 중첩 영역을 가질 때, 두 중첩 영역은 나머지 다른 영역에 비해 높은 해상도를 가질 수 있다.In addition, according to the present invention, by further forming at least one third receiving unit in the laser receiving unit, it is possible to form a plurality of overlapping areas to form receiving areas (overlapping areas) having a relatively higher resolution than the other receiving areas. Do. For example, a first receiving unit has a first receiving area upward in an up-down direction, a second receiving unit has a second receiving area downward in an upward direction and does not have an area overlapping the first receiving area, and the third When the receiving unit has an overlapping area for each of the first receiving area and the second receiving area, the two overlapping areas may have a higher resolution than the other areas.
복수의 제3 수신부는 회전기판 상에 레이저 송신부를 기준으로 360도 방사형으로 배치될 수 있다.The plurality of third receiving units may be disposed radially at 360 degrees with respect to the laser transmitting unit on the rotating substrate.
이와 같이, 모든 수신부의 수신 영역들이 모두 중첩되는 중첩 영역은 최고 해상도를 가질 수 있고, 복수의 중첩 영역들을 가지는 경우, 복수의 중첩 영역들 각각의 해상도는 다른 수신 영역과 중첩되지 않은 단일 수신 영역의 해상도보다 높게 된다. 이러한 구성에 의하면, 라이다를 통해 스캐닝하고자 하는 스캐닝 범위가 하나인지, 2개인지 등에 따라 집중적인 중첩 영역을 형성하거나, 병렬적인 중첩 영역을 형성할 수 있고, 그에 의해 사용 목적이나 용도에 따라 특정 높이나 특정 형태로 소정의 스캐닝 각도나 스캐닝 범위에서 상대적으로 높은 부분 해상도를 가진 라이다 광학 장치를 효과적으로 제공할 수 있다.In this way, an overlapping area in which all of the reception areas of all the receiving units overlap may have the highest resolution, and in the case of having a plurality of overlapping areas, the resolution of each of the plurality of overlapping areas is of a single receiving area that does not overlap with other receiving areas. It becomes higher than the resolution. According to this configuration, depending on whether the scanning range to be scanned through the lidar is one or two, a intensive overlapping area can be formed, or a parallel overlapping area can be formed. It is possible to effectively provide a lidar optical device having a relatively high partial resolution at a predetermined scanning angle or scanning range in a height or a specific shape.
상술한 바와 같은 본 발명은 전술한 실시예 외에 다양한 변형이 가능함은 당연하다. 본 발명의 라이다 장치는 일반적으로 차량에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 라이다 광학 장치는 차량뿐만 아니라 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동 장치에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정 장치에도 제한 없이 적용될 수 있다.It is natural that the present invention as described above can be variously modified in addition to the above-described embodiments. The lidar device of the present invention may be generally applied to a vehicle, but the present invention is not limited thereto. That is, the lidar optical device according to the present invention can be applied not only to vehicles, but also to mobile devices that can move such as robots, ships, helicopters, drones, etc. I can.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims. You can understand.
[부호의 설명][Explanation of code]
100: 본체하우징 110: 윈도우100: main housing 110: window
200: 고정체 210: 고정기판200: fixed body 210: fixed substrate
220: 모터 고정자 300: 회전체220: motor stator 300: rotating body
310: 회전기판 320: 모터 회전자310: rotating substrate 320: motor rotor
400: 레이저 모듈 410: 레이저 송신부400: laser module 410: laser transmitter
420: 레이저 수신부 420a:제1 수신부420: laser receiving unit 420a: first receiving unit
420b: 제2 수신부420b: second receiver

Claims (15)

  1. 레이저 광을 발신 및 수신하는 라이다 광학 장치에 있어서,In the lidar optical device for transmitting and receiving laser light,
    일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징,A body housing having a circular column shape with a certain height,
    상기 본체하우징의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되어 레이저 광의 투과를 용이하게 하고 본체하우징을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어진 윈도우,A window made of a light-transmitting member for facilitating laser light transmission and protecting the main body housing by being formed 360° along a side surface of the main body housing,
    상기 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체와 회전하며 동작하는 회전체로 이루어지되,Consisting of a fixed body fixed and operating inside the main housing and a rotating body that rotates and operates,
    상기 고정체는 The fixture is
    상기 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정체 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자를 포함하여 이루어지고,And a motor stator provided with a fixed substrate for power and data processing and a fixed ferrite core formed along an upper circumference of the fixed substrate to generate a rotating magnetic field, fixed to the lower inner side of the main housing,
    상기 회전체는 The rotating body
    상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전체 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 회전하며 상기 고정기판과 연동하는 회전기판 및 상기 회전기판의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.A motor rotor having a rotor ferrite core that generates rotational power by a rotating magnetic field of the motor stator, a rotating substrate that rotates by coupling with the motor rotor and interlocks with the fixed substrate, and from the upper side of the rotating substrate. A lidar optical device comprising a laser module for transmitting and receiving laser light.
  2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 레이저 모듈은 레이저 광을 발신하는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 레이저 송신부와 레이저 광을 수신하는 수광 센서(Photo Diode)를 포함하는 레이저 수신부로 이루어지되,The laser module includes a laser transmitter including a laser diode (LD) for transmitting laser light and a laser receiving unit including a photo diode for receiving laser light,
    상기 레이저 송신부는 상기 회전기판의 일측에 배치되고, 상기 레이저 수신부는 하나의 상기 레이저 송신부를 가운데로 하고 양 옆으로 제1 수신부 및 제2 수신부가 서로 이격되어 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The laser transmitting unit is disposed on one side of the rotating substrate, the laser receiving unit is configured to be spaced apart from each other with the first receiving unit and the second receiving unit at both sides with the one laser transmitting unit at the center. .
  3. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 레이저 수신부는The laser receiver
    상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되어 구비되는 렌즈의 수신각도를 각각 상이하도록 적용하여 수신채널의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.A lidar optical device, characterized in that the detection resolution is increased by increasing the resolution of the reception channel by applying different reception angles of the lenses coupled to the first reception unit and the second reception unit.
  4. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3,
    상기 제1 수신부의 렌즈 수신각도보다 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 좁게 설정하여, 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도에서 레이저 수신 영역의 중첩 영역(Overlap portion)이 형성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치. The lens receiving angle of the second receiving unit is set narrower than the lens receiving angle of the first receiving unit, and an overlapping region of the laser receiving area is formed at the lens receiving angle of the second receiving unit. Lidar optical device.
  5. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 레이저 수신부는The laser receiver
    상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되는 렌즈의 수신각도는 각각 동일하도록 구성하되, 상기 제1 수신부 및 제2 수신부를 서로 다른 경사각으로 기울여(Angle tilting) 배치하여 레이저 수신 영역의 중첩영역(Overlap portion)이 형성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The first receiving unit and the second receiving unit are configured to have the same receiving angles, respectively, and the first receiving unit and the second receiving unit are angled at different angles. portion) is formed.
  6. 청구항 5에 있어서,The method of claim 5,
    상기 제1 수신부는 상방 24도로 기울여지고, 상기 제2 수신부는 하방 24도로 기울여져, 중간 부분에서 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The first receiver is inclined at 24 degrees upward, and the second receiver is inclined at 24 degrees downward, so that an overlap portion of the laser receiving area is formed in an intermediate portion.
  7. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 레이저 수신부의 수광 센서는 PIN 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 또는 실리콘 광전자 증배기(SiPM, Silicon photomultiplier) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The light-receiving sensor of the laser receiver is a LiDAR optical device, characterized in that one of a PIN photodiode, an avalanche photodiode (APD), or a silicon photomultiplier (SiPM).
  8. 청구항 7에 있어서,The method of claim 7,
    상기 수광 센서는 TO(Transistor Outline) CAN 패키지, SMD 패키지 또는 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태 중의 어느 하나의 타입으로 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The light-receiving sensor is a lidar optical device, characterized in that configured in any one of a TO (Transistor Outline) CAN package, an SMD package, or a micro cell array (Array) type.
  9. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 레이저 모듈은 상기 회전기판의 일측과 반대되는 타측으로 동일한 레이저 모듈을 이중으로 배치하여 회전하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The laser module is a lidar optical device, characterized in that the same laser module is disposed on the other side opposite to the other side of the rotating substrate to rotate.
  10. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 고정체의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일과 상기 회전체의 회전기판에서 회전하는 이너코일에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정체에서 상기 회전체로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치. Induction current is generated by an outer coil fixed to the fixed substrate of the fixed body and an inner coil rotating on the rotating substrate of the rotating body, thereby supplying power from the fixed body to the rotating body in a contactless manner. Which is a lidar optical device.
  11. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판과의 연동을 위한 데이터 송수신을 위하여, 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판간에 광통신 송수신 수단 또는 저전력 무선 통신 수단중의 어느 하나가 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.In order to transmit and receive data for interlocking with the fixed substrate of the fixed body and the rotating substrate of the rotating body, any one of optical communication transmitting and receiving means or low power wireless communication means between the fixed substrate of the fixed body and the rotating substrate of the rotating body Lidar optical device, characterized in that provided.
  12. 청구항 11에 있어서,The method of claim 11,
    상기 광통신 송수신 수단은 상기 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판의 중앙부에 서로 마주보게 정렬되는 적외선(Infrared Rays; IR) 송수신 센서를 장착하여 무선통신 IrDA(Infrared Data Association) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The optical communication transmission/reception unit is characterized in that it is made in a wireless communication IrDA (Infrared Data Association) method by mounting an infrared ray (IR) transmission/reception sensor arranged to face each other at a central portion of the rotating substrate coincident with the central portion of the fixed substrate. Which is a lidar optical device.
  13. 청구항 11에 있어서,The method of claim 11,
    상기 저전력 무선 통신 수단은 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판의 특정 위치에 구비되는 블루투스 송수신 모듈, 지그비 송수신모듈 중의 어느 하나를 이용하는 무선 전파(RF) 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.The low-power wireless communication means uses a radio wave (RF) method using any one of a Bluetooth transmission/reception module and a Zigbee transmission/reception module provided at a specific position of the fixed substrate of the fixed body and the rotating substrate of the rotating body. Is an optical device.
  14. 본체하우징에 결합하여 360도 회전하는 회전기판 상에 설치된 레이저 송신부 및 레이저 수신부를 구비하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법으로서,As a scanning method of a lidar optical device having a laser transmitter and a laser receiver installed on a rotating substrate that is coupled to a main body housing and rotates 360 degrees,
    상기 레이저 수신부에 포함된 제1 수신부를 통해 상기 본체하우징의 상하 방향의 제1 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 레이저 수신부에 포함된 제2 수신부를 통해 상기 상하 방향의 제2 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역의 중첩 영역에서 다른 영역에 비해 상대적으로 높은 해상도의 이미지를 생성하며,Scanning in a first receiving area in the vertical direction of the main body housing through a first receiving unit included in the laser receiving unit, scanning in a second receiving area in the vertical direction through a second receiving unit included in the laser receiving unit, and the In an overlapping area of the first receiving area and the second receiving area, an image having a relatively high resolution is generated compared to other areas,
    상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역은 그 일부가 서로 중첩되거나 하나가 다른 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법.The first receiving area and the second receiving area are partially overlapped with each other or include one of the other.
  15. 청구항 14에 있어서,The method of claim 14,
    상기 레이저 수신부는 하나 이상의 제3 수신부를 더 포함하고,The laser receiving unit further includes at least one third receiving unit,
    상기 제1 수신부, 상기 제2 수신부 및 상기 제3 수신부의 수신 영역들에 의해 형성되는 중첩 영역은 모든 수신 영역들이 중첩되는 가장 높은 해상도의 중첩 영역을 포함하거나, 복수의 중첩 영역들을 포함하고, 여기서 상기 복수의 중첩 영역들 각각의 해상도는 다른 수신 영역과 중첩되지 않은 단일 수신 영역의 해상도보다 높은 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법.The overlapping area formed by the reception areas of the first receiving unit, the second receiving unit, and the third receiving unit includes an overlapping area of the highest resolution in which all of the receiving areas overlap, or includes a plurality of overlapping areas, wherein The resolution of each of the plurality of overlapping regions is higher than that of a single reception region not overlapping with another reception region.
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