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KR102598711B1 - 불균일 광을 조사하는 라이다 장치 및 이를 포함하는 자율 주행 로봇 - Google Patents

불균일 광을 조사하는 라이다 장치 및 이를 포함하는 자율 주행 로봇 Download PDF

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KR102598711B1
KR102598711B1 KR1020160086400A KR20160086400A KR102598711B1 KR 102598711 B1 KR102598711 B1 KR 102598711B1 KR 1020160086400 A KR1020160086400 A KR 1020160086400A KR 20160086400 A KR20160086400 A KR 20160086400A KR 102598711 B1 KR102598711 B1 KR 102598711B1
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유장우
권남섭
박용화
이지산
전명제
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 개시에 따른 라이다 장치는 광원, 광을 확산시키는 확산기, 광 분포를 불균일하게 바꾸는 광학요소, 반사광을 수광하여 대상체의 위치를 센싱하는 3차원 센서를 포함한다. 본 개시에 따른 자율 주행 로봇은 위의 라이다 장치를 포함할 수 있다.

Description

불균일 광을 조사하는 라이다 장치 및 이를 포함하는 자율 주행 로봇{lidar apparatus emitting non-uniform light and autonomous robot comprising thereof}
불균일 광을 조사하는 라이다 장치 및 이를 포함하는 자율 주행 로봇에 관한 것이다.
자율 주행 로봇이란 본체 내에 전원 및 센서가 탑재되어 외부로부터 신호와 전원의 공급 없이도 자율적으로 이동이 가능한 로봇을 말한다. 이러한 자율 주행 로봇은 일정 공간의 지도 정보를 내장하고 있으며, 상기 일정 공간을 자유롭게 이동하기 위하여 현재 자기 위치를 파악한 후 목적지까지의 이동 경로를 설정하여 센서를 통해 감지되는 장애물을 피해 상기 설정된 목적지로 이동한다.
자율 주행 로봇은 실내의 청소를 위한 청소용 로봇, 및 외부의 침입자로부터 집안의 경비를 담당하는 보안용 로봇으로의 응용을 목적으로 개발되었다.
종래의 자율 주행 로봇에는 전방 장애물 센서, 상부 장애물 센서, 측벽 센서 및 SLAM(simultaneous localization and mapping)을 위한 천장 카메라 등 적어도 두 개 이상의 센서를 포함하였다. 이러한 자율 주행 로봇은 다양한 센서들을 이용함에도 불구하고 근거리 장애물을 인식할 수 있는 영역이 제한되어 있어 장애물을 밀고 다니는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 자율 주행 로봇은 센서의 종류가 많아 조립 및 캘리브레이션을 위한 시간과 비용이 많이 소요될 수 있다.
본 개시는 불균일 광을 조사하여 촬영 효율을 향상시키는 라이다 장치를 제공한다. 본 개시는 불균일 광을 조사하여 촬영 효율을 향상시키는 라이다 장치를 포함한 자율 주행 로봇을 제공한다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 광을 조사하는 광원; 상기 광원으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련되어 광을 확산시키는 확산기; 상기 확산기로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련되어, 상기 확산광의 사출시의 광 분포(optical profile)를 불균일하게 바꾸는 광학요소; 및 대상체로부터의 반사광을 수광하여 상기 대상체의 위치를 센싱하는 3차원 센서;를 포함한다.
상기 광학요소는, 상기 라이다 장치로부터 대상체까지의 거리에 따라 도달하는 광량이 다르도록 광 분포를 바꿀 수 있다.
상기 광학요소는, 상기 확산기로부터 확산되어 바닥면으로 향하는 확산광의 일부를 원거리에 위치하는 대상체로 향하도록 광을 틸트시킬 수 있다.
상기 광학요소는, 근거리에 위치하는 대상체에서부터의 반사광에 의해 3차원 센서가 포화되지 않도록, 상기 확산광의 광 분포를 바꿀 수 있다.
상기 광학요소는, 실린더 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 프레넬 렌즈, 그레이팅 소자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실린더 렌즈는 양 렌즈면이 볼록한 형상을 가질 수 있다.
상기 광학요소는 상기 확산기와 접하도록 마련될 수 있다.
상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 위에 마련될 수 있다.
상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 아래에 마련될 수 있다.
상기 광원 및 3차원 센서는 지면을 기준으로 서로 수평하게 마련될 수 있다.
상기 광원은 레이저 다이오드 또는 레이저일 수 있다.
일 실시예에 따른 자율 주행 로봇은 광을 조사하는 광원, 상기 광원으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련되어 광을 확산시키는 확산기, 상기 확산기로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련되어, 상기 확산광의 광 분포를 불균일하게 바꾸는 광학요소, 및 근거리 대상체 및 원거리 대상체로부터의 반사광을 수광하여 상기 대상체들의 위치를 센싱하는 3차원 센서를 포함하는 라이다 장치; 및 상기 라이다 장치가 탑재되며, 상기 라이다 장치에서 센싱한 위치 정보에 따라 주행 방향이 제어되는 로봇본체;를 포함한다.
상기 광학요소는, 근거리 대상체 및 원거리 대상체에 도달하는 광량이 다르도록 광 분포를 바꿀 수 있다.
상기 광학요소는, 근거리 대상체에서부터의 반사광에 의해 3차원 센서가 포화되지 않도록, 상기 확산광의 광 분포를 바꿀 수 있다.
상기 광학요소는, 실린더 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 프레넬 렌즈, 그레이팅 소자 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 실린더 렌즈는 양 렌즈면이 볼록할 수 있다.
상기 실린더 렌즈는 확산기 방향의 렌즈면의 곡률반지름이 반대 방향의 렌즈면의 곡률반지름보다 클 수 있다.
상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 위에 마련될 수 있다.
상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 아래에 마련될 수 있다.
상기 광원 및 상기 3차원 센서는 단일하게 마련될 수 있다.
본 개시에 따른 라이다 장치는 불균일 광을 조사하여 촬영 효율을 향상할 수 있다. 라이다 장치는 근거리 대상체에 과도한 반사광으로 인해 3차원 센서가 포화되지 않도록 확산광의 광 분포를 바꿀 수 있다. 또한 라이다 장치는 확산광의 광 분포를 바꾸어 보다 광각의 근거리 대상체를 인식할 수 있다.
본 개시에 따른 자율 주행 로봇은 불균일 광을 조사하는 라이다 장치를 포함하여 근거리 촬영 및 원거리 촬영의 효율을 모두 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 비교예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 광학부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 도 5a에 따른 광학부를 포함한 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광학부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7a은 또 다른 실시예에 따른 광학부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7b은 도 7a에 따른 광학부를 포함한 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5a 및 도 7a에 따른 라이다 장치의 촬영시 반사광의 광 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9b는 도 9a에 따른 자율 주행 로봇이 거리에 따라 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 10a는 다른 실시예에 따른 자율 주행 로봇을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10b는 도 10a에 따른 자율 주행 로봇이 거리에 따라 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 9a 및 도10a에 따른 자율 주행 로봇의 근거리 대상체에서의 광 분포를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 불균일 광을 조사하는 라이다 장치 및 이를 포함하는 자율 주행 로봇에 대해 상세하게 설명한다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 라이다 장치(100)는 광원(110), 광학부(120), 및 3차원 센서(130)을 포함할 수 있다. 광학부(120)는 확산기(121) 및 광학요소(122)를 포함할 수 있다. 광학요소(122)는 확산기(121)의 적어도 일부 면 상에 마련되어, 확산기(121)에서 확산되는 확산광의 광 분포가 불균일하도록 바꿀 수 있다. 광학부(120)로부터 사출된 광은 대상체(O1, O2)에서 반사될 수 있다. 예를 들어, 광학부(120)로부터 사출되어 바닥면(O1) 및 장애물(O2)에서 반사될 수 있다. 바닥면(O1) 및 장애물(O2)에서부터의 반사광은 3차원 센서(130)에 수광되어, 바닥면(O1) 및 장애물(O2)의 위치가 각각 센싱될 수 있다.
라이다 장치(100)는 대상체(O1, O2)까지의 거리를 측정하는 기능을 가진다. 예를 들어, 라이다 장치(100)는 TOF(Time-of-Flight) 방식일 수 있다. TOF 방식은 광(L1, L2)을 대상체(O1, O2)에 조사한 후, 대상체(O1, O2)로부터 반사되는 광(L1, L2)이 3차원 센서(130)에 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다. 예를 들어, 비행시간의 측정은 위상지연을 통해서 이루어질 수 있으며, 이 경우 3차원 센서(130)는 고속으로 변조될 수 있는 투과형 셔터(미도시)를 포함 할 수 있다. 투과형 셔터(미도시)는 역바이어스 전압에 따라, 투과도가 변화되는 전기광학 장치의 일종 일 수 있다.
본 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 자율 주행 로봇에 활용될 수 있으며, 자율 주행을 위해 바닥면(O1) 및 장애물(O2)을 동시에 센싱할 수 있다. 도 1을 참조하면, 장애물(O2)은 벽면으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태의 장애물(O2)이 가능하다. 또한, 바닥면(O1)은 평면으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 표면 상태와 기울기 및 형상을 가질 수 있다. 바닥면(O1)이 장애물(O2)보다 상대적으로 라이다 장치(100)에 가까운 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 바닥면(O1)은 반드시 실내의 평평한 하부면을 의미하는 것은 아니며, 언덕, 도로, 건물 등 다양한 환경에서 확산광이 용이하게 투과할 수 없는 단단한 하부면을 의미할 수 있다.
본 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 하나의 3차원 센서(130)와 하나의 광원(110) 만으로도 SLAM(simultaneous localization and mapping)이 가능할 수 있다. 따라서, 자율 주행 로봇에 단일의 라이다 장치(100)를 탑재하는 것으로 족할 수 있으므로, 비용이 절감되고 조립이 용이할 수 있다.
광원(110)은 광을 조사하는 광원 장치일 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 적외선 영역의 광을 조사할 수 있다. 적외선 영역의 광을 사용하면 태양광을 비롯한 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 반드시 적외선 영역에 한정되는 것은 아니며 다양한 파장 영역의 빛을 조사 할 수 있다. 이러한 경우 혼합된 자연광의 정보를 제거하기 위한 보정이 요구될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 광원 일 수 있으며 특정한 예시에 한정되지 않는다. 예를 들어, 광원(110)은 측면 발광 레이저 (Edge emitting laser), 수직캐비티 표면 광방출 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser;VCSEL), 분포궤환형 레이저 (Distributed feedback laser) 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 다이오드(Laser Diode) 일 수 있다.
확산기(121)는 광원(110)으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련될 수 있다. 확산기(121)는 광원(110)으로부터 조사되는 광을 확산시켜 균일한 광 분포를 가지도록 할 수 있다. 균일한 광 분포는 확산기(121)에 사출될 때의 광의 세기(intensity)가 균일한 것을 말하며, 대상체(O1, O2)에 결론적으로 조사되는 광의 세기가 균일한 것을 의미하는 것은 아니다. 광은 공간 상에서 3차원적으로 퍼져나가므로, 대상체(O1, O2)에 조사되는 광의 세기는 라이다 장치(100)와 대상체(O1, O2)까지의 거리 및 출사되는 광의 세기 등 다양한 변수에 따라 변화될 수 있기 때문이다. 광의 세기가 일정하다는 가정하에, 대상체(O1, O2)에 조사되는 광의 세기는 라이다 장치(100)로부터 가까운 곳에 위치하는 대상체(O1, O2)일수록 광이 많이 조사되고, 멀리 위치하는 대상체(O1, O2)는 광이 적게 조사될 수 있다.
광원(110)과 확산기(121)의 조합으로는 확산광이 고르게 퍼져나가므로, 근거리에 위치하는 바닥면(O1)에 더 많은 광량이 조사되고, 원거리에 위치하는 장애물(O2)에 더 적은 광량이 조사될 수 있다. 이 경우 바닥면(O1)의 위치를 센싱하기에 과도한 광량이 바닥면(O1)에 조사될 수 있고, 그에 따라 라이다 장치(100)에 의해 센싱된 바닥면(O1)의 일부가 포화되어 하얗게 도시될 수 있다(도 4 참조). 또한, 상대적으로 원거리에 위치하는 장애물(O2)로 향하는 광량이 상대적으로 부족할 수 있어, 장애물(O2)의 일부가 어둡게 도시되어 SLAM이 원활히 이루어지지 않을 수 있다.(도 4 참조)
광학요소(122)는 확산기(121) 로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련될 수 있다. 광학요소(122)는 확산광의 광 분포를 불균일하게 바꿀 수 있다. 불균일한 광 분포는 확산기(121)에 사출될 때의 광의 세기가 불균일한 것을 말하며, 대상체(O1, O2)에 결론적으로 조사되는 광의 세기가 불균일한 것을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 광학요소(122)가 확산광의 광 분포를 불균일하게 바꾸어, 가까운 바닥면(O1)과 멀리 위치한 장애물(O2)에 실질적으로 동일한 세기의 광이 도달할 수 있다. 즉, 광학요소(122)의 도입으로 인한 확산광의 광분포가 불균일해지면, 대상체(O1, O2)까지의 거리에 상관없이 반사광의 광 분포는 균일해 질 수 있다.
도 1을 참조하면, 광학요소(122)는 확산기(121)의 일부 면상에 마련되어, 확산광 중 일부의 광 경로를 바꿀 수 있다. 예를 들어, 광학요소(122)는 확산기(121)로부터의 광경로를 바꾸어 제 1 광(L1)을 대상체(O1, O2)에 조사할 수 있다. 예를 들어, 광학요소(122)는 바닥면(O1)로 향하는 광의 일부의 광경로를 변화시켜 장애물(O2)로 향하게 할 수 있다. 예를 들어, 확산기(121)는 광학요소(122)에 의해 덮이지 않는 부분에 대해서는 제 2 광(L2)를 장애물(O2)로 조사할 수 있다.
광학요소(122)는 라이다 장치(100)로부터 대상체(O1, O2)까지의 거리에 따라 도달하는 광량이 다르도록 광 분포를 바꿀 수 있다. 예를 들어, 광학요소(122)는 바닥면(O1)으로 향하는 확산 광의 일부를 틸트시켜 상대적으로 더 원거리에 위치한 대상체로 향하도록 광경로를 바꿀 수 있다. 예를 들어, 광학요소(122)는 확산광의 광 분포를 바꾸어, 바닥면(O1)으로부터의 반사광에 의해 3차원 센서(130)가 포화되지 않도록 할 수 있다. 또는, 예를 들어, 광학요소(122)는 확산광의 광 분포를 바꾸어, 보다 근거리의 바닥면(O1) 및 장애물(O2)을 광각으로 인식할 수 있도록 하여, 인식 영역을 넓힐 수도 있다.
광학요소(122)는 실린더 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 프레넬 렌즈, 그레이팅 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 광학요소(122)는 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 광의 분포를 바꾸거나, 광의 경로를 바꿀 수 있는 다양한 광학소자를 포함할 수 있다.
광학요소(122)는 확산기(121)와 접하도록 마련될 수도 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 시뮬레이션 및 실험에 따라 다양한 실시예가 고안될 수 있다.
3차원 센서(130)는 대상체(O1, O2)로부터의 반사광을 수광하여 대상체(O1, O2)의 위치를 센싱할 수 있다. 3차원 센서(130)는 공지의 구성요소일 수 있으며 특정 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 3차원 센서(130)는 역바이어스 전압에 따라 투과도가 변하는 투과형 셔터(미도시)와 CMOS, CCD와 같은 이미지 센서(미도시) 및 볼록렌즈와 같은 광학부(미도시)를 포함할 수 있다. 3차원 센서(130)는 공지의 구성요소일 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
광원(100) 및 3차원 센서(130)은 바닥면(O1)을 기준으로 수직선 상에 마련되거나 또는 수평으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 3차원 센서(130)보다 위에 마련될 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 3차원 센서(130)보다 아래에 마련될 수도 있다.
도 2는 도 1에 따른 라이다 장치(100)가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 상대적으로 근거리에 위치한 바닥면(a)과 상대적으로 원거리에 위치한 벽면(b)이 모두 고르게 인식된 것을 확인할 수 있다. 광학요소(122)로 인한 확산광의 광 분포의 불균일성은, 3차원 센서(1300으로 수광되는 제 1 광(l1)의 반사광의 세기를 포화되지 않을 수준으로 낮추고 제 2 광(l2)의 반사광의 세기는 식별 가능한 수준으로 높일 수 있다.
도 3은 일 비교예에 따른 라이다 장치(200)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 도 3에 따른 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 비교예에 따른 라이다 장치(200)는 광원(210), 확산기(220) 및 3차원 센서(230)를 포함할 수 있다. 라이다 장치(200)는 도 1에 따른 라이다 장치(100)와 비교할 때, 광학 요소(도 1의 122)가 포함되지 않았으며, 나머지 구성요소는 도 1에 따른 라이다 장치(100)과 실질적으로 동일할 수 있다.
광원(210)에서 조사된 광은 확산기(220)에서 확산된다. 확산기(220)에서 확산된 확산광(l1', l2')은 고른 광 분포로 사출되어 바닥면(O1) 및 장애물(O2)로 확산될 수 있다. 광학요소(도 1의 122)가 없으므로, 확산광(l1' 및 l2')은 사출시에 전방위적으로 고른 광 분포를 가지며 확산되므로, 상대적으로 근거리에 위치한 바닥면(O1)에는 많은 광량이 조사되고, 상대적으로 원거리에 위치한 장애물(O2)에는 상대적으로 적은 광량이 조사될 수 있다. 이에, 바닥면(O1)에서 반사된 반사광이 3차원 센서(230)에서 센싱될 때는 과포화(over saturated)될 수 있으며, SLAM 촬영을 위한 벽면에서의 반사광이 3차원 센서(230)에서 센싱될 때는 광량이 부족하여 저포화(low saturated)될 수 있다.
따라서 도 1에 따른 라이다 장치(도 1의 100)와 일 비교예에 따른 라이다 장치(200)를 비교할 때, 광학요소(도 1의 122)의 도입은 바닥면(O1)이 식별가능할 정도로 광량을 줄이고, 장애물(O2)이 식별가능할 정도로 광량을 높여 센싱에 용이한 효과를 가져올 수 있다.
도 4에 따른 사진은 도 2에 따른 사진의 촬영조건과 동일한 조건에서 일 비교예에 따른 라이다 장치(200)가 촬영한 사진이다. 도 4를 참조하면, 사진 상에서 벽면(c)에는 광량이 부족하여 도 2의 벽면(a) 보다 어둡고 흐리며, 바닥면(d)는 광량이 과도하여 도 2의 바닥면(b)보다 지나치게 밝아 형체를 구분하기 힘들 수 있다.
도 5a는 일 실시예에 따른 광학부(320)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5b는 도 5a에 따른 광학 요소를 포함한 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 본 실시예에 따른 광학부(320)는 확산기(321) 및 확산기(321)와 접하는 실린더 렌즈(322)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실린더 렌즈(322)는 양 볼록 형태일 수 있다. 예를 들어, 실린더 렌즈(322)의 확산기(321) 방향의 렌즈면의 곡률반지름은 반대방향의 렌즈면의 곡률반지름에 비해 길 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 따른 실린더 렌즈(322)는 아래와 같은 곡률반지름을 가질 수 있다.
확산기 방향 렌즈면 반대방향 렌즈면
곡률반지름 10.0 mm 3.7 mm
그러나, 실린더 렌즈(322)는 다양한 형상과 곡률반지름을 가질 수 있으며, 시뮬레이션 및 실험을 통해 적절한 형상이 선택될 수 있으며, 상술한 예시에 한정되지 않는다.
도 5b를 참조하면, 본 실시예에 따른 광학부(320)를 탑재한 라이다 장치가 촬영한 사진에서는, 상대적으로 근거리에 위치한 바닥면과 상대적으로 원거리에 위치한 벽면이 모두 고르게 인식된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광학부(420)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 광학부(420)는 확산기(421)와 확산기(421)와 접하도록 마련되는 절단된 실린더 렌즈(422)를 포함할 수 있다.
절단된 실린더 렌즈(422)는 실린더 렌즈(322)의 일 단면을 자른 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 절단된 실린더 렌즈(422)는 확산기(421)의 일부면에서 확산되어 하부로 향하는 확산광의 광 분포를 바꾸고, 확산기(421)의 나머지 일부면에서 확산되는 확산광의 광 분포는 바꾸지 않을 수 있다.
도 7a은 또 다른 실시예에 따른 광학부(520)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7b은 도 7a에 따른 광학부(520)를 포함한 라이다 장치가 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 7a를 참조하면, 광학부(520)는 확산기(521), 확산기(521)와 소정의 거리 d 만큼 이격된 실린더 렌즈(522)를 포함할 수 있다. 실린더 렌즈(522)의 형태는 다양할 수 있으며 확산기(521)까지의 d 또한 다양하게 선택될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 본 실시예에 따른 광학부(520)에서 촬영된 사진에서 상대적으로 근거리에 위치한 바닥면의 일부가 포화된 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 광학부(520)에서 확산기(521)와 실린더 렌즈(522)까지의 거리 d는 4mm 일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아님은 상술한 바와 같다.
도 5b 및 도 7b의 촬영 사진은 하나의 예시에 불과하며, 구체적인 촬영 조건 및 목적에 따라 다른 결과가 나타날 수 있음은 물론이다. 통상의 기술자는 실험 및 시뮬레이션을 통해 의도하는 광학부를 채용할 수 있으며, 특히 확산기와 광학요소간의 거리도 다르게 할 수 있다.
도 8은 도 5a 및 도 7a에 따른 라이다 장치의 촬영시 반사광의 광 분포를 나타내는 그래프이다. 도 8을 참조하면, x축은 3차원 센서의 세로축 방향의 V-V'선의 상대적인 위치를 나타내고, y축은 3차원 센서에 V-V'선을 따라 수광된 반사광의 상대적인 세기를 나타낸다.
도 5b, 도 7b 및 도 8을 참조하면, 원거리에 위치하는 대상체(벽면)에서 반사되는 광이 3차원 센서의 I 영역에서 수광되며, 중거리(바닥면과 벽면의 경계)에서 반사되는 광이 3차원 센서의 Ⅱ 영역에서 수광되며, 근거리(바닥면)에서 반사되는 광이 3차원 센서의 Ⅲ 영역에서 수광될 수 있다.
도 8을 참조하면, 광학부(320)을 채용한 라이다 장치는 거리에 상관 없이 고른 I 영역, Ⅱ 영역, Ⅲ 영역에서 반사광의 광 분포가 고른 것을 확인 할 수 있다. 광학부(520)을 채용한 라이다 장치는 I 영역에서는 반사광의 세기가 크게 측정되며, Ⅲ 영역에서는 반사광의 세기가 작게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, I 영역 및 Ⅲ 영역에 있어서는, 광학부(320)을 채용한 라이다 장치의 촬영 효율이 광학부(520)을 채용한 라이다 장치에 비해 우수할 수 있다. 그러나, 벽면과 바닥면의 경계부에서의 Ⅱ 영역에 대해서는 광학부(520)을 채용한 라이다 장치가 광학부(320)을 채용한 라이다 장치보다 촬영 효율이 우수 할 수 있다. 따라서, 통상의 기술자는 라이다 장치가 활용될 분야 및 촬영 조건을 고려하여, 라이다 장치에 탑재될 광학요소의 종류와 형상 그리고 광학요소와 확산기 사이의 거리를 다르게 설계할 수 있다.
도 9a는 일 실시예에 따른 자율 주행 로봇(600)을 개략적으로 나타내는 도면이다. 자율 주행 로봇(600)은 광원부(620), 3차원센서(630) 및 로봇본체(610)를 포함할 수 있다. 광원부(620)는 전술한 실시예에 따른 광을 조사하는 광원(621), 광원(621)으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련되어 광을 확산시키는 확산기(622), 확산기(622)로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련되어, 확산광의 광 분포를 불균일하게 바꾸는 광학요소(623)를 포함하는 것으로, 중복되는 내용은 생략한다. 3차원 센서(630) 역시 중복되는 내용은 생략한다.
로봇본체(610)는 광원부(620) 및 3차원센서(630)를 포함하는 라이다 장치가 탑재되며, 라이다 장치에서 센싱한 위치 정보에 따라 주행 방향을 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 자율 주행 로봇(600)은 3차원센서(630)가 바닥면을 기준으로 광원부(620)보다 위에 마련될 수 있다.
도 9b는 도 9a에 따른 자율 주행 로봇(600)이 거리에 따라 촬영한 사진을 나타내는 도면이다. 도 9b를 참조하면, 광원부(620)에서 조사된 광이 근거리 대상체(a)에서 반사된 사진(pa)과 원거리 대상체(b)에서 반사된 사진(pb)을 비교할 수 있다. 본 촬영예에서, 근거리 대상체(a)는 자율 주행 로봇(600)으로부터 15cm만큼 이격되어 있으며, 원거리 대상체(b)는 자율 주행 로봇(600)으로부터 200cm만큼 이격되어 있다. 예를 들어, 광원부(620)는 실린더 렌즈(도 5a의 322)를 탑재할 수 있다. 3차원센서(630)의 광축을 연장한 W-W' 일점쇄선을 기준으로 보면, 15cm에서 촬영된 사진(pa)은 근거리 대상체(a)에 대하여도 광의 분포가 균일한 영역에 포함되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로는 도 11에서 후술한다.
도 10a는 다른 실시예에 따른 자율 주행 로봇을 개략적으로 나타내는 도면이다. 자율 주행 로봇(700)은 광원부(720), 3차원센서(730) 및 로봇본체(710)를 포함할 수 있다. 광원부(720)는 전술한 실시예에 따른 광을 조사하는 광원(721), 광원(721)으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련되어 광을 확산시키는 확산기(722), 확산기(722)로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련되어, 확산광의 광 분포를 불균일하게 바꾸는 광학요소(723)를 포함하는 것으로, 중복되는 내용은 생략한다. 3차원 센서(730) 역시 중복되는 내용은 생략한다.
로봇본체(710)는 광원부(720) 및 3차원센서(730)를 포함하는 라이다 장치가 탑재되며, 라이다 장치에서 센싱한 위치 정보에 따라 주행 방향을 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 자율 주행 로봇(700)은 3차원센서(730)가 바닥면을 기준으로 광원부(620)보다 아래에 마련될 수 있다.
도 10b는 도 10a에 따른 자율 주행 로봇(700)이 거리에 따라 촬영한 사진을 나타내는 도면이다. 도 10b를 참조하면, 광원부(720)에서 조사된 광이 근거리 대상체(c)에서 반사된 사진(pc)과 원거리 대상체(d)에서 반사된 사진(pd)을 비교할 수 있다. 본 촬영예에서, 근거리 대상체(c)는 자율 주행 로봇(700)으로부터 15cm만큼 이격되어 있으며, 원거리 대상체(d)는 자율 주행 로봇(700)으로부터 200cm만큼 이격되어 있다. 예를 들어, 광원부(720)는 실린더 렌즈(도 5a의 322)를 탑재할 수 있다. 3차원센서(730)의 광축을 연장한 W-W' 일점쇄선을 기준으로 보면, 15cm에서 촬영된 사진(pa)은 근거리 대상체(a)에 대하여 광의 분포가 불균일할 수 있다. 상세한 내용은 도 11에서 후술한다.
도 11은 도 9a 및 도10a에 따른 자율 주행 로봇의 근거리 대상체에서의 광 분포를 비교한 그래프이다. 도 11을 참조하면, 도 9b 및 도 10b의 근거리 촬영 사진(pa, pc)의 W-W'선을 기준으로한 광 분포를 확인할 수 있다. 그래프의 x축은 3차원 센서의 W-W'선 상에서의 픽셀의 상대적인 위치를 나타내며, y축은 3차원 센서의 W-W'선을 따라 수광된 반사광의 상대적인 세기를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 자율 주행 로봇(600)이 촬영한 근거리 사진(pa)의 광 분포는 x축을 따라 200 픽셀 내지 600 픽셀 범위에서 광 분포가 균일 할 수 있다. 픽셀은 3차원 센서의 센싱부의 해상도를 의미하는 것으로, 자율 주행 로봇(700)이 촬영한 근거리 사진(pc)의 광분포는 x축을 따라 200 픽셀 내지 600 픽셀 범위에서 가우시안 형태의 불균일한 분포를 가질 수 있다.
이러한 결과는 광학부의 내부적 구성뿐 아니라, 광학부와 3차원 센서간의 위치관계에 따라서도 자율 주행 로봇의 촬영 내용이 변화될 수 있는 것을 나타낸다.
통상의 기술자는 시뮬레이션 또는 실험을 통해 3차원센서와 광학부의 위치 관계를 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 전술한 실시예에 따른 자율 주행 로봇은 3차원센서와 광학부가 바닥면을 기준으로 위 또는 아래에 배치되고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평으로 배치될 수도 있다. 또는 3차원센서와 광학부의 배치가 촬영 조건 상의 필요에 따라 가변적으로 변경될 수 있는 가변 구성 요소를 추가로 포함할 수도 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 불균일 광을 조사하는 라이다 장치 및 이를 포함하는 자율 주행 로봇에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100 : 라이다 장치
110 : 광원
120 : 광학부
121 : 확산기
122 : 광학요소
130 : 3차원센서
O1 : 바닥면
O2 : 장애물
322, 522 : 실린더 렌즈
422 : 절단된 실린더 렌즈
600, 700 : 자율 주행 로봇
610, 710 : 로봇 본체
620, 720 : 광원부

Claims (20)

  1. 광을 조사하는 광원;
    상기 광원으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련되어 광을 확산시키는 확산기;
    상기 확산기로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련되어, 상기 확산광의 사출시의 광 분포(optical profile)를 불균일하게 바꾸는 광학요소; 및
    대상체로부터의 반사광을 수광하여 상기 대상체의 위치를 센싱하는 3차원 센서;를 포함하며,
    상기 광학요소는, 상기 대상체까지의 거리에 따라 도달하는 광량이 다르도록 광 분포를 바꾸며,
    상기 광학요소는, 상기 확산기로부터 확산되어 바닥면으로 향하는 확산광의 일부를 원거리에 위치하는 대상체로 향하도록 광을 틸트시키는 라이다 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학요소는,
    근거리에 위치하는 대상체에서부터의 반사광에 의해 3차원 센서가 포화되지 않도록, 상기 확산광의 광 분포를 바꾸는 라이다 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학요소는,
    실린더 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 프레넬 렌즈, 그레이팅 소자 중 어느 하나를 포함하는 라이다 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈는 양 렌즈면이 볼록한 형상을 가지는 라이다 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학요소는 상기 확산기와 접하도록 마련되는 라이다 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 위에 마련되는 라이다 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 아래에 마련되는 라이다 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원 및 3차원 센서는 지면을 기준으로 서로 수평하게 마련되는 라이다 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드 또는 레이저인 라이다 장치.
  12. 광을 조사하는 광원, 상기 광원으로부터 조사되는 광의 광경로 상에 마련되어 광을 확산시키는 확산기, 상기 확산기로부터 확산된 확산광의 광경로 상에 마련되어, 상기 확산광의 광 분포를 불균일하게 바꾸는 광학요소, 및 근거리 대상체 및 원거리 대상체로부터의 반사광을 수광하여 상기 대상체들의 위치를 센싱하는 3차원 센서를 포함하는 라이다 장치; 및
    상기 라이다 장치가 탑재되며, 상기 라이다 장치에서 센싱한 위치 정보에 따라 주행 방향이 제어되는 로봇본체;를 포함하며,
    상기 광학요소는, 상기 라이다 장치로부터 대상체까지의 거리에 따라 도달하는 광량이 다르도록 광 분포를 바꾸며,
    상기 광학요소는, 상기 확산기로부터 확산되어 바닥면으로 향하는 확산광의 일부를 원거리에 위치하는 대상체로 향하도록 광을 틸트시키는 자율 주행 로봇.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학요소는,
    근거리 대상체에서부터의 반사광에 의해 3차원 센서가 포화되지 않도록, 상기 확산광의 광 분포를 바꾸는 자율 주행 로봇.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학요소는,
    실린더 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 프레넬 렌즈, 그레이팅 소자 중 어느 하나를 포함하는 자율 주행 로봇.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈는 양 렌즈면이 볼록한 자율 주행 로봇.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈는 확산기 방향의 렌즈면의 곡률반지름이 반대 방향의 렌즈면의 곡률반지름보다 큰 자율 주행 로봇.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 위에 마련되는 자율 주행 로봇.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원이 지면을 기준으로 및 3차원 센서보다 아래에 마련되는 자율 주행 로봇.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원 및 상기 3차원 센서는 단일하게 마련되는 자율 주행 로봇.
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