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KR102611743B1 - 광학 스캐너를 위한 이중 샤프트 축방향 플럭스 모터 - Google Patents

광학 스캐너를 위한 이중 샤프트 축방향 플럭스 모터 Download PDF

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KR102611743B1
KR102611743B1 KR1020227044523A KR20227044523A KR102611743B1 KR 102611743 B1 KR102611743 B1 KR 102611743B1 KR 1020227044523 A KR1020227044523 A KR 1020227044523A KR 20227044523 A KR20227044523 A KR 20227044523A KR 102611743 B1 KR102611743 B1 KR 102611743B1
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하오센 왕
이민 리
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이노뷰전, 인크.
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Abstract

자동차에 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 동력식 광학 스캐너의 일 실시예가 제공된다. 스캐너는 기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편(reflective piece)을 포함한다. 스캐너는 기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착된 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 더 포함한다. 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이다. 스캐너는 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합되는 제1 베어링 및 제2 베어링을 더 포함한다. 제1 베어링과 제2 베어링은 실질적으로 동심이다. 제2 샤프트의 이동은 반사 표면으로 하여금 하나 이상의 광 빔을 시야에 광학적으로 송신하게 한다.

Description

광학 스캐너를 위한 이중 샤프트 축방향 플럭스 모터
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭을 "광학 스캐닝 시스템을 위한 이중 샤프트 축방향 플럭스 갈보 모터(DUAL SHAFT AXIAL FLUX GALVO MOTOR FOR OPTICAL SCANNING SYSTEMS)"로 하여 2021년 2월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 63/151,034 및 발명의 명칭을 "광학 스캐닝 시스템을 위한 이중 샤프트 축방향 플럭스 갈보 모터(DUAL SHAFT AXIAL FLUX GALVO MOTOR FOR OPTICAL SCANNING SYSTEMS)"로 하여 2021년 11월 16일자로 출원된 미국 정식 특허 출원 번호 17/528,126에 대한 우선권을 주장한다. 상기 출원의 내용은 모든 목적에 대해 참조로서 본원에 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 광학 스캐닝에 관한 것으로, 더 구체적으로는 자동차에 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 동력식 광학 스캐너에 관한 것이다.
LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템은 외부 환경의 이미지 또는 포인트 클라우드를 생성하기 위해 광 펄스를 사용한다. 일부 전형적인 LiDAR 시스템은 광원, 광 송신기, 펄스 조향 시스템, 및 광 검출기를 포함한다. 광원은 LiDAR 시스템으로부터 송신되고 있을 때 펄스 조향 시스템에 의해 특정 방향으로 지향되는 광 펄스를 생성한다. 송신된 광 펄스가 객체에 의해 산란되는 경우, 산란광의 일부가 복귀 광 펄스로서 LiDAR 시스템으로 복귀된다. 광 검출기는 복귀 광 펄스를 검출하고, 이를 추가의 처리를 위해 전기 신호로 변환한다. 광 펄스가 송신된 후에 복귀 펄스가 검출되는 데 걸리는 시간 및 광의 속력을 사용하여, LiDAR 시스템은 송신된 광 펄스의 경로를 따라 물체까지의 그 거리를 결정할 수 있다. 펄스 조향 시스템은 LiDAR 시스템이 주변 환경을 스캐닝하고 이미지 또는 포인트 클라우드를 생성하게 하도록 상이한 경로를 따라 광 펄스를 지향시킬 수 있다. LiDAR 시스템은 또한 비행 시간 및 스캐닝 이외의 기술을 사용하여 주변 환경을 측정할 수 있다.
자동차에 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 동력식 광학 스캐너의 일 실시예가 제공된다. 스캐너는 기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편(reflective piece)을 포함한다. 스캐너는 기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착된 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 더 포함한다. 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이다. 스캐너는 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합되는 제1 베어링 및 제2 베어링을 더 포함한다. 제1 베어링과 제2 베어링은 실질적으로 동심이다. 제2 샤프트의 이동은 반사 표면으로 하여금 하나 이상의 광 빔을 시야에 광학적으로 송신하게 한다.
자동차에 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 실시예가 제공된다. 시스템은 기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편을 포함하는 동력식 광학 스캐너를 포함한다. 스캐너는 기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착된 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 더 포함한다. 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이다. 스캐너는 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합되는 제1 베어링 및 제2 베어링을 더 포함한다. 제1 베어링과 제2 베어링은 실질적으로 동심이다. 제2 샤프트의 이동은 반사 표면으로 하여금 하나 이상의 광 빔을 시야에 광학적으로 송신하게 한다.
동력식 광학 스캐너를 포함하는 자동차의 일 실시예가 제공된다. 동력식 광학 스캐너는 기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편을 포함한다. 스캐너는 기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착된 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 더 포함한다. 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이다. 스캐너는 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합되는 제1 베어링 및 제2 베어링을 더 포함한다. 제1 베어링과 제2 베어링은 실질적으로 동심이다. 제2 샤프트의 이동은 반사 표면으로 하여금 하나 이상의 광 빔을 시야에 광학적으로 송신하게 한다.
본 출원은 첨부 도면과 함께 취해진 하기 설명된 구성을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있으며, 그러한 도면에서는 유사한 부분이 유사한 도면 부호로 지칭될 수 있다.
도 1은 자동차에 배치되거나 포함된 하나 이상의 예시적인 LiDAR 시스템을 도시한다.
도 2는 LiDAR 시스템과, 차량 인지 및 계획 시스템을 포함하는 다수의 다른 시스템 사이의 상호 작용을 예시하는 블록도를 도시한다.
도 3은 예시적인 LiDAR 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 4는 예시적인 섬유-기반의 레이저 소스를 도시한 예시적인 블록도이다.
도 5a 내지 도 5c는 시야 내에 배치된 객체까지의 거리를 측정하기 위해 펄스 신호를 사용하는 예시적인 LiDAR 시스템을 도시한다.
도 6은 다양한 실시예에서 시스템, 장치 및 방법을 구현하는 데 사용되는 예시적인 장치를 예시하는 블록도이다.
도 7은 전통적인 검류계 디바이스를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 일부 실시예에 따른 예시적인 동력식 광학 스캐너의 사시도이다.
도 9a는 도 8a 및 도 8b의 예시적인 동력식 광학 스캐너의 단면 사시도이다.
도 9b는 도 8a 및 도 8b의 예시적인 동력식 광학 스캐너의 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 8a 및 도 8b의 동력식 광학 스캐너의 예시적인 회전자 조립체를 예시하는 사시도이다.
도 10c는 도 8a 및 도 8b의 동력식 광학 스캐너의 예시적인 회전자 조립체를 예시하는 분해도이다.
도 11은 이중 샤프트 동력식 광학 스캐너의 예시적인 샤프트 장착 고정구를 예시하는 사시도이다.
도 12a는 일부 실시예에 따른 예시적인 동력식 광학 스캐너를 예시하는 사시도이다.
도 12b는 일부 실시예에 따른 예시적인 동력식 광학 스캐너를 예시하는 측면도이다.
도 13은 축방향 플럭스 모터와 비교하여 예시적인 반경방향 플럭스 모터를 도시한다.
본 발명을 더 완전하게 이해할 수 있도록, 하기 설명에는 특정 구성, 파라미터, 예 등과 같은 다수의 특정한 세부 사항이 기술된다. 그러나 이러한 설명은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니라, 예시적인 실시예에 대한 더 나은 설명을 제공하도록 의도되었다는 것을 이해해야 한다.
명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐, 다음 용어는, 문맥상 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 명시적으로 관련된 의미를 취한다.
본 명세서에 사용될 때 "일 실시예에서"라는 문구는 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있다. 따라서, 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 범주 또는 사상 내에서 용이하게 조합될 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "또는"은 포괄적인 "또는" 연산자이고 문맥상 달리 명시되지 않는 한 용어 "및/또는"과 동등하다.
용어 "~에 기초하여"는 배타적이지 않으며 문맥상 달리 명시되지 않는 한 설명되지 않은 추가 요인에 기초하는 것을 허용한다.
본 명세서에 사용될 때, 문맥상 달리 지시되지 않는 한, 용어 "~에 결합된"은 직접 결합(서로 결합된 2개의 요소가 서로 접촉함) 및 간접 결합(적어도 하나의 추가 요소가 2개의 요소 사이에 위치됨)을 모두 포함하는 것으로 의도된다. 따라서, 용어 "~에 결합된"과 "~와 결합된"은 동의어로 사용된다. 2개 이상의 구성요소 또는 디바이스가 데이터를 교환할 수 있는 네트워크 환경의 문맥 내에서, 용어 "~에 결합된" 및 "~와 결합된"은 또한 가능하게는 하나 이상의 중개 디바이스를 통해 "~와 통신 가능하게 결합된"을 의미하도록 사용된다.
이하의 설명은 다양한 요소를 설명하기 위해 "제1", "제2" 등의 용어를 사용하지만, 이들 요소는 용어에 의해 제한되어서는 안된다. 이들 용어는 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데에만 사용된다. 예를 들어, 설명된 다양한 예의 범위를 내에서, 제1 베어링은 제2 베어링으로 지칭될 수 있고, 마찬가지로 제2 베어링은 제1 베어링으로 지칭될 수 있다. 제1 베어링과 제2 베어링은 모두 베어링일 수 있고, 일부 경우에 별도의 다른 베어링일 수 있다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐, 단수 표현("a", "an" 및 "the")의 의미는 복수 대상을 포함하고, "~내"의 의미는 "~내" 및 "~상"을 포함한다.
본 명세서에 제시된 다양한 실시예 중 일부는 본 발명 요소의 단일 조합을 구성하지만, 본 발명 주제는 개시된 요소의 모든 가능한 조합을 포함하는 것으로 고려된다는 것을 이해하여야 한다. 이와 같이, 하나의 실시예가 요소 A, B 및 C를 포함하고 다른 실시예가 요소 B 및 D를 포함하는 경우, 본 발명 주제는 또한 본 명세서에서 명시적으로 설명되지 않더라도 A, B, C 또는 D의 다른 나머지 조합을 포함하는 것으로 고려된다. 또한, "포함하는"이라는 과도기적 용어는 부품 또는 부재로서 갖거나, 이들 부품 또는 부재가 되는 것을 의미한다. 본 명세서에 사용될 때, 과도기적 용어 "포함하는"은 포괄적이거나 개방형이며 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다.
이하의 개시 전체에 걸쳐, 서버, 서비스, 인터페이스, 엔진, 모듈, 클라이언트, 피어, 포털, 플랫폼, 또는 컴퓨팅 디바이스로부터 형성된 다른 시스템에 관한 수많은 참조가 이루어질 수 있다. 이러한 용어의 사용은 컴퓨터 판독 가능한, 유형의 비일시적 매체(예를 들어, 하드 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, RAM, 플래시, ROM 등)에 저장된 소프트웨어 명령을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서(예를 들어, ASIC, FPGA, DSP, x86, ARM, GPU, 멀티 코어 프로세서 등)를 갖는 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스를 나타내는 것으로 고려됨을 이해하여야 한다. 예를 들어, 서버는 설명된 역할, 책임 또는 기능을 이행하는 방식으로 웹 서버, 데이터베이스 서버, 또는 다른 유형의 컴퓨터 서버로서 작동하는 하나 이상의 컴퓨터를 포함할 수 있다. 개시된 컴퓨터 기반 알고리즘, 프로세스, 방법, 또는 다른 유형의 명령어 세트는 프로세서가 개시된 단계를 실행하게 하는 명령을 저장하는 비일시적, 유형의 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구체화될 수 있음을 추가로 이해하여야 한다. 다양한 서버, 시스템, 데이터베이스, 또는 인터페이스는, 가능하게는 HTTP, HTTPS, AES, 공공-민간 키 교환, 웹 서비스 API, 공지된 금융 거래 프로토콜, 또는 기타 전자 정보 교환 방법에 기초하여 표준화된 프로토콜 또는 알고리즘을 사용하여 데이터를 교환할 수 있다. 데이터 교환은 패킷 교환 네트워크, 회선 교환 네트워크, 인터넷, LAN, WAN, VPN 또는 다른 유형의 네트워크를 통해 수행될 수 있다.
본 명세서의 설명 및 다음 청구범위 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 시스템, 엔진, 서버, 디바이스, 모듈 또는 기타 컴퓨팅 요소가 메모리의 데이터에 대해 기능을 수행하거나 실행하도록 구성되는 것으로 설명될 때, "~하도록 구성된" 또는 "~하도록 프로그래밍된"의 의미는 메모리에 저장된 타겟 데이터 또는 데이터 개체에 대해 기능 세트를 실행하기 위해 컴퓨팅 요소의 메모리에 저장된 일련의 소프트웨어 명령에 의해 프로그래밍되는 컴퓨팅 요소의 하나 이상의 프로세서 또는 코어로서 정의된다.
컴퓨터에 관한 임의의 언어는, 개별적으로 또는 집합적으로 작동하는 서버, 인터페이스, 시스템, 데이터베이스, 에이전트, 피어, 엔진, 제어기, 모듈 또는 다른 유형의 컴퓨팅 디바이스를 포함하는, 컴퓨팅 디바이스 또는 네트워크 플랫폼의 임의의 적절한 조합을 포함하도록 판독되어야 한다. 컴퓨팅 디바이스는 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(예를 들어, 하드 드라이브, FPGA, PLA, 솔리드 스테이트 드라이브, RAM, 플래시, ROM 등)에 저장된 소프트웨어 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 소프트웨어 명령은 개시된 장치에 대해 아래에서 설명되는 바와 같이 역할, 책임 또는 다른 기능을 제공하도록 컴퓨팅 디바이스를 구성하거나 프로그래밍한다. 또한, 개시된 기술은 프로세서가 컴퓨터 기반 알고리즘, 프로세스, 방법 또는 다른 명령의 구현과 관련된 개시된 단계를 실행하게 하는 소프트웨어 명령을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구체화될 수 있다. 일부 실시예에서, 다양한 서버, 시스템, 데이터베이스, 또는 인터페이스는, 가능하게는 HTTP, HTTPS, AES, 공공-민간 키 교환, 웹 서비스 API, 공지된 금융 거래 프로토콜, 또는 기타 전자 정보 교환 방법에 기초하여 표준화된 프로토콜 또는 알고리즘을 사용하여 데이터를 교환할 수 있다. 디바이스들 사이의 데이터 교환은 패킷 교환 네트워크, 인터넷, LAN, WAN, VPN, 또는 다른 유형의 패킷 교환 네트워크; 회선 교환 네트워크; 셀 교환 네트워크; 또는 다른 유형의 네트워크를 통해 수행될 수 있다.
검류계 디바이스는 FOV에 대해 레이저 빔을 스캐닝하기 위해 LiDAR 시스템에 전형적으로 사용된다. 전통적인 검류계 디바이스는 거울, 반경방향-플럭스 모터, 베어링, 및 각도 인코더와 같은 구성요소를 포함한다. 모터, 베어링 및 각도 인코더는 일반적으로 거울의 동일한 측에 배열된다. 결과적으로, 전통적인 검류계 디바이스는 큰 길이를 갖는다. 전통적인 검류계 디바이스는 또한 단일-단부 검류계 디바이스로 지칭되는데, 이는 거울이 단일 샤프트가 그것을 유지하는 상태로 일 단부 상에 설치되기 때문이다. 전통적인 검류계 디바이스의 이 구성은 디바이스가 높은 충격 또는 진동 환경에서(예를 들어, 차량에서) 사용되는 경우 양호하게 작동하지 않을 수 있다. 또한, 전통적인 검류계 디바이스의 큰 길이는 디바이스를 콤팩트한 LiDAR 시스템 내로 통합하는데 있어서 어려움을 생성할 수 있고, 이는 차량 내의 제한된 공간 내로의 설치(예를 들어, 범퍼의 코너, 후사경, 등으로의 설치)에 종종 요구된다. 또한, 전통적인 검류계 디바이스는 특정 구성요소(예컨대, 모터의 권선부)가 수동으로 제작될 필요가 있을 수 있기 때문에, 대량으로 제조하기가 어렵다.
본 발명의 실시예가 아래에서 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 동력식 광학 스캐너가 제공된다. 스캐너는 레이저 빔의 스캐닝을 수행할 수 있고, 전통적인 검류계 디바이스를 대체하는 데 사용될 수 있다. 동력식 광학 스캐너의 다양한 실시예는 반사 편이 반사 편의 대향 단부들에서 2개의 샤프트에 결합되는 이중 샤프트 구조를 채택한다. 2개의 별개 베어링이 2개의 샤프트에 사용된다. 단일 단부 검류계 디바이스와 달리, 이중 샤프트 광학 스캐너는 반사 편의 각 측부에 부착된 하나의 샤프트를 갖는다. 반사 편이 각 단부에서 샤프트에 의해 지지되기 때문에, 이중 샤프트 구조는 광학 스캐너의 기계적 강건성과 신뢰성을 증가시키고, 반사 편의 굴곡 및 왜곡을 감소시키며, 높은 충격 및 진동 환경에서 작동할 때에도 전체 스캐닝 성능을 향상시킨다. 이중-샤프트 구조는 2개의 샤프트를 수용하는 2개의 베어링의 거리를 더 증가시키며, 따라서 광학 스캐너를 제조하기 위한 기계가공 공정과 연관된 동심도 오차를 감소시킨다.
본 발명의 실시예는 또한 전통적인 반경방향 플럭스 모터 대신에 축방향 플럭스 모터를 가지는 광학 스캐너 구성을 제공한다. 결과적으로, 모터의 길이는 절반을 초과하여 감소될 수 있고, 이에 의해 전체 광학 스캐너를 더 콤팩트하게 만들고 결국 LiDAR 시스템이 차량 내의 콤팩트한 공간 내로 더 용이하게 설치되게 한다. 본 발명의 실시예는 또한 모터가 대량 생산으로 제조 및 조립될 수 있도록 개선된 권선부 및 부속 구성요소를 제공하여, 효과적으로 제조 효율을 향상시키고 제조 비용을 감소시킨다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 각도 위치 인코더는 축방향 플럭스 모터가 배치되는 단부로부터 광학 스캐너의 대향 단부에 배치된다. 결과적으로, 반사 편(예를 들어, 거울)의 각 측부 상의 스캐너 부분의 길이는 더욱 균형적이거나 대칭적이다. 이러한 개선은 종방향으로의 광학 스캐너의 기하학적 중심이 반사 편에 더 근접하게 하고, 이는 광학 시스템의 작동성, 안정성, 및 전체적인 성능을 향상시킨다. 또한, 광학 스캐너의 대향 단부들에 위치 인코더 및 축방향 플럭스 모터를 배치함으로써, 위치 인코더는 모터에 의해 발생되는 잡음에 대한 개선된 내성을 갖는데, 이는 모터가 전통적인 검류계 디바이스 내의 구성에 비해 더 멀리 배치되기 때문이다. 그 결과, 위치 인코더의 정확도가 개선되고 결국 광학 스캐너의 전체 성능이 개선된다. 본 발명의 다양한 실시예가 아래에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 자동차(100)에 배치되거나 포함된 하나 이상의 예시적인 LiDAR 시스템(110)을 도시한다. 자동차(100)는 임의의 자동화된 레벨을 갖는 차량일 수 있다. 예를 들어, 자동차(100)는 부분적으로 자동화된 차량, 고도로 자동화된 차량, 완전 자동화된 차량, 또는 무인 차량일 수 있다. 부분적으로 자동화된 차량은 인간 운전자의 개입 없이 일부 운전 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 부분적으로 자동화된 차량은 사각지대 모니터링, 차선 유지 및/또는 차선 변경 작동, 자동화된 긴급 제동, 스마트 순항 및/또는 교통 추적 등을 수행할 수 있다. 부분적으로 자동화된 차량의 특정 작동은 특정 용례 또는 운전 시나리오로 제한될 수 있다(예를 들어, 고속도로 운전으로만 제한됨). 고도로 자동화된 차량은 일반적으로 부분적으로 자동화된 차량의 모든 작동을 수행할 수 있지만 제한은 적다. 고도로 자동화된 차량은 또한 차량 작동에 있어 자체 한계를 검출하고 필요한 경우 운전자에게 차량 제어를 인계하도록 요청할 수 있다. 완전 자동화된 차량은 운전자의 개입 없이 모든 차량 작동을 수행할 수 있지만 또한 자체 한계를 검출하고 필요한 경우 운전자에게 인계하도록 요청할 수 있다. 무인 차량은 임의의 운전자 개입 없이 스스로 작동할 수 있다.
전형적인 구성에서, 자동차(100)는 하나 이상의 LiDAR 시스템(110 및 120A-H)을 포함한다. LiDAR 시스템(110 및/또는 120A-H)은 스캐닝-기반 LiDAR 시스템 및/또는 비-스캐닝 LiDAR 시스템(예컨대, 플래시 LiDAR)일 수 있다. 스캐닝 기반 LiDAR 시스템은 시야(FOV) 내의 객체를 검출하기 위해 하나 이상의 방향(예를 들어, 수평 및 수직 방향)으로 하나 이상의 광 빔을 스캐닝한다. 비-스캐닝 기반 LiDAR 시스템은 스캐닝 없이 FOV를 조명하기 위해 레이저 광을 송신한다. 예를 들어, 플래시 LiDAR은 일종의 비-스캐닝 기반 LiDAR 시스템이다. 플래시 LiDAR은 레이저 광을 송신하고 단일 광 펄스를 사용하여 FOV를 동시에 조명할 수 있다. LiDAR 시스템은 적어도 부분적으로 자동화된 차량의 필수 센서인 경우가 많다. 일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차(100)는 차량 루프(예를 들어, 차량의 가장 높은 위치)에 배치된 단일 LiDAR 시스템(110)(예를 들어, LiDAR 시스템(120A-H)이 없음)을 포함할 수 있다. 차량 루프에 LiDAR 시스템(110)을 배치하면 차량(100) 주변의 360도 스캐닝이 용이해진다.
일부 다른 실시예에서, 자동차(100)는 시스템(110 및/또는 120A-H) 중 2개 이상을 비롯한 다수의 LiDAR 시스템을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 다수의 LiDAR 시스템(110 및/또는 120A-H)은 차량의 다양한 위치에서 차량(100)에 부착된다. 예를 들어, LiDAR 시스템(120A)은 전방 우측 코너에서 차량(100)에 부착되고; LiDAR 시스템(120B)은 전방 중앙에서 차량(100)에 부착되며; LiDAR 시스템(120C)은 전방 우측 코너에서 차량(100)에 부착되고; LiDAR 시스템(120D)은 우측 후사경에서 차량(100)에 부착되며; LiDAR 시스템(120E)은 좌측 후사경에서 차량(100)에 부착되고; LiDAR 시스템 (120F)은 후방 중앙에서 차량 (100)에 부착되고; LiDAR 시스템 (120G)은 후방 우측 코너에서 차량 (100)에 부착되고; 및/또는 LiDAR 시스템(120H)은 후방 좌측 코너에서 차량(100)에 부착된다. 일부 실시예에서, LiDAR 시스템(110 및 120A-H)은 그 자체의 각각의 레이저 소스, 제어 전자 기기, 송신기, 수신기, 및/또는 조향 메커니즘을 갖는 독립적인 LiDAR 시스템이다. 다른 실시예에서, LiDAR 시스템(110 및 120A-H) 중 일부는 하나 이상의 구성요소를 공유할 수 있고, 그에 의해 분산 센서 시스템을 형성할 수 있다. 일 예에서, 광섬유는 중앙식 레이저 소스로부터 모든 LiDAR 시스템으로 레이저 광을 전달하는 데 사용된다. 하나 이상의 LiDAR 시스템이 임의의 원하는 방식으로 차량에 분산 및 부착될 수 있으며 도 1은 단지 일부 실시예를 예시한다는 것이 이해된다. 다른 예로서, LiDAR 시스템(120D 및 120E)은 후사경 대신에 차량(100)의 B-필러에 부착될 수 있다. 다른 예로서, LiDAR 시스템(120B)은 전방 범퍼 대신에 차량(100)의 앞유리에 부착될 수 있다.
도 2는 LiDAR 시스템(들)(210)과 차량 인지 및 계획 시스템(220)을 포함하는 다수의 다른 시스템 사이의 상호 작용을 예시하는 블록도(200)이다. LiDAR 시스템(들)(210)은 차량에 장착될 수 있다. 시스템(들)(210)은 객체의 거리, 각도 및 속도를 측정하기 위해 레이저 광을 주변 환경으로 스캐닝하는 센서(들)이다. LiDAR 시스템(들)(210)으로 복귀된 산란광에 기초하여, 인지된 외부 환경을 나타내는 센서 데이터(예를 들어, 이미지 데이터 또는 3D 포인트 클라우드 데이터)를 생성할 수 있다. LiDAR 시스템(들)(210)은 단거리 LiDAR 센서, 중거리 LiDAR 센서, 및 장거리 LiDAR 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 단거리 LiDAR 센서는 LiDAR 센서로부터 최대 약 20 내지 40m에 위치된 객체를 측정한다. 단거리 LiDAR 센서는, 예를 들어 근방에서 이동하는 객체(예를 들어, 어린이 보호 구역에서 길을 건너는 보행자)를 모니터링하거나, 주차 보조 용례 등에 사용될 수 있다. 중거리 LiDAR 센서는 LiDAR 센서로부터 최대 약 100 내지 150m에 위치된 객체를 측정한다. 중거리 LiDAR 센서는, 예를 들어 도로 교차로 모니터링, 고속도로 합류 또는 고속도로 이탈 보조 등에 사용될 수 있다. 장거리 LiDAR 센서는 최대 약 150 내지 300 미터에 위치된 객체를 측정한다. 장거리 LiDAR 센서는 전형적으로 차량이 고속으로 주행할 때(예를 들어, 고속도로에서) 사용되고, 그에 따라 차량의 제어 시스템이 LiDAR 센서에 의해 검출되는 임의의 상황에 응답하는 데 수 초(예를 들어, 6-8초)가 걸릴 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, LiDAR 센서 데이터는 차량 작동을 추가로 처리하고 제어하기 위해 통신 경로(213)를 통해 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 제공된다. 통신 경로(213)는 데이터를 전달할 수 있는 임의의 유선 또는 무선 통신 링크일 수 있다.
여전히 도 2를 참조하면, 일부 실시예에서, 다른 차량 내장 센서들(230)는 LiDAR 시스템(들)(210)과 별도로 또는 함께 추가적인 센서 데이터를 제공하는 데 사용된다. 다른 차량 내장 센서(230)는, 예를 들어 하나 이상의 카메라(들)(232), 하나 이상의 레이더(들)(234), 하나 이상의 초음파 센서(들)(236), 및 다른 센서(들)(238)를 포함할 수 있다. 카메라(들)(232)는 차량의 외부 환경의 이미지 및/또는 비디오를 촬영할 수 있다. 카메라(들)(232)는, 예를 들어 각각의 프레임에 수백만 개의 픽셀을 갖는 고해상도(high-definition)(HD) 비디오를 촬영할 수 있다. 카메라는 흑백 또는 컬러 이미지와 비디오를 생성한다. 컬러 정보는 일부 상황을 해석하는 데 중요할 수 있다(예를 들어, 신호등이 있는 교차로). LiDAR 또는 레이더 센서와 같은 다른 센서로부터는 컬러 정보를 이용하지 못할 수 있다. 카메라(들)(232)는 협초점 카메라, 광초점 카메라, 측면 카메라, 적외선 카메라, 어안 카메라 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 카메라(들)(232)에 의해 생성된 이미지 및/또는 비디오 데이터는 또한 차량 작동을 추가로 처리하고 제어하기 위해 통신 경로(233)를 통해 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 제공될 수 있다. 통신 경로(233)는 데이터를 전달할 수 있는 임의의 유선 또는 무선 통신 링크일 수 있다.
다른 차량 내장 센서(들)(230)는 또한 레이더 센서(들)(234)를 포함할 수 있다. 레이더 센서(들)(234)는 전파를 사용하여 객체의 범위, 각도 및 속도를 결정한다. 레이더 센서(들)(234)는 무선 또는 마이크로파 스펙트럼에서 전자기파를 생성한다. 전자기파는 객체에서 반사되고 일부 반사파는 레이더 센서로 복귀됨으로써, 객체의 위치와 속도에 대한 정보를 제공한다. 레이더 센서(들)(234)는 단거리 레이더(들), 중거리 레이더(들) 및 장거리 레이더(들) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 단거리 레이더는 레이더로부터 약 0.1 내지 30m에 위치된 객체를 측정한다. 단거리 레이더는 다른 차량, 건물, 벽, 보행자, 자전거 타는 사람 등과 같이 차량 근방에 위치된 객체를 검출하는 데 유용하다. 단거리 레이더는 사각지대 검출, 차선 변경 지원, 후방 충돌 경고 제공, 주차 보조, 긴급 제동 제공 등을 위해 사용될 수 있다. 중거리 레이더는 레이더로부터 약 30 내지 80 미터에 위치된 객체를 측정하고 장거리 레이더는 약 80 내지 200 미터에 위치된 객체를 측정한다. 중거리 및/또는 장거리 레이더는, 예를 들어 교통 추적, 적응형 순항 제어, 및/또는 고속도로 자동 제동에 유용할 수 있다. 레이더 센서(들)(234)에 의해 생성된 센서 데이터는 또한 차량 작동을 추가로 처리하고 제어하기 위해 통신 경로(233)를 통해 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 제공될 수 있다.
다른 차량 내장 센서(들)(230)는 또한 초음파 센서(들)(236)를 포함할 수 있다. 초음파 센서(들)(236)는 음파 또는 펄스를 사용하여 차량 외부에 위치된 객체를 측정한다. 초음파 센서(들)(236)에 의해 생성된 음파가 송신된다. 송신된 음파의 적어도 일부는 객체에서 반사되어 초음파 센서(들)(236)로 복귀된다. 복귀 신호에 기초하여, 객체의 거리가 계산될 수 있다. 초음파 센서(들)(236)는, 예를 들어 사각지대를 확인하고, 주차 스폿을 식별하며, 차선 변경 보조를 교통에 제공하는 등에 유용할 수 있다. 초음파 센서(들)(236)에 의해 생성된 센서 데이터는 또한 차량 작동을 추가로 처리하고 제어하기 위해 통신 경로(233)를 통해 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 다른 센서(들)(238)가 차량에 부착될 수 있고 또한 센서 데이터를 생성할 수 있다. 다른 센서(들)(238)는, 예를 들어 위성 위치 확인 시스템(global positioning system)(GPS), 관성 측정 유닛(inertial measurement unit)(IMU) 등일 수 있다. 다른 센서(들)(238)에 의해 생성된 센서 데이터는 또한 차량 작동을 추가로 처리하고 제어하기 위해 통신 경로(233)를 통해 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 제공될 수 있다. 통신 경로(233)는 다양한 센서(들)(230)와 차량 인지 및 계획 시스템(220) 사이에서 데이터를 전달하기 위한 하나 이상의 통신 링크를 포함할 수 있음이 이해된다.
일부 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다른 차량 내장 센서(들)(230)로부터의 센서 데이터는 차량 내장 LiDAR 시스템(들)(210)에 제공될 수 있다. LiDAR 시스템(들)(210)은 다른 차량 내장 센서(들)(230)로부터의 센서 데이터를 처리할 수 있다. 예를 들어, 카메라(들)(232), 레이더 센서(들)(234), 초음파 센서(들)(236), 및/또는 다른 센서(들)(238)로부터의 센서 데이터는 센서 데이터 LiDAR 시스템(들)(210)과 상관되거나 융합됨으로써, 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 의해 수행되는 센서 융합 프로세스를 적어도 부분적으로 오프로딩할 수 있다. 다양한 센서로부터 센서 데이터를 송신하고 처리하기 위해 다른 구성이 또한 구현될 수 있음이 이해된다(예를 들어, 처리를 위해 데이터가 클라우드 서비스로 송신될 수 있고 이어서 처리 결과가 차량 인지 및 계획 시스템(220)으로 다시 송신될 수 있음).
여전히 도 2를 참조하면, 일부 실시예에서, 다른 차량(들)(250)에 내장된 센서는 LiDAR 시스템(들)(210)과 별도로 또는 함께 추가적인 센서 데이터를 제공하는 데 사용된다. 예를 들어, 2개 이상의 인근 차량은 자체의 각각의 LiDAR 센서(들), 카메라(들), 레이더 센서(들), 초음파 센서(들) 등을 가질 수 있으며 서로 센서 데이터를 통신 및 공유할 수 있다. 차량 사이의 통신은 V2V(Vehicle to Vehicle) 통신이라고도 지칭된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 다른 차량(들)(250)에 의해 생성된 센서 데이터는 통신 경로(253) 및/또는 통신 경로(251)를 통해 각각 차량 인지 및 계획 시스템(220) 및/또는 차량 내장 LiDAR 시스템(들)(210)에 전달될 수 있다. 통신 경로(253, 251)는 데이터를 전달할 수 있는 임의의 유선 또는 무선 통신 링크일 수 있다.
센서 데이터를 공유하면 차량 외부 환경을 더 잘 인지하는 것이 용이하게 된다. 예를 들어, 차량(A)은 차량(B) 후방에 있지만 차량(A)에 접근하는 보행자를 감지하지 못할 수 있다. 차량(B)은 이 보행자와 관련된 센서 데이터를 차량(A)과 공유하여 차량(A)이 보행자와의 충돌을 피하기 위한 추가적인 반응 시간을 갖도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서(들)(230)에 의해 생성된 데이터와 유사하게, 다른 차량(들)(250)에 의해 생성된 센서 데이터는 LiDAR 시스템(들)(210)에 의해 생성된 센서 데이터와 상관되거나 융합됨으로써, 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 의해 수행되는 센서 융합 프로세스를 적어도 부분적으로 오프로딩할 수 있다.
일부 실시예에서, 지능형 인프라 시스템(들)(240)은 LiDAR 시스템(들)(210)과 별도로 또는 함께 센서 데이터를 제공하는 데 사용된다. 특정 인프라는 정보를 전달하기 위해 차량과 통신하도록 구성될 수 있으며 그 반대도 마찬가지이다. 차량과 인프라 사이의 통신은 일반적으로 V2I(Vehicle to Infrastructure) 통신이라고 지칭될 수 있다. 예를 들어, 지능형 인프라 시스템(들)(240)은 접근하는 차량에 "5초 내에 황색으로 변경"과 같은 메시지로 그 상태를 전달할 수 있는 지능형 신호등을 포함할 수 있다. 지능형 인프라 시스템(들)(240)은 또한 교통 모니터링 정보를 차량에 전달할 수 있도록 교차로 근방에 장착된 자체 LiDAR 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 교차로에서 좌회전 차량은 자체 센서 중 일부가 반대 방향의 교통에 의해 차단될 수 있기 때문에 충분한 감지 능력을 갖지 못할 수 있다. 이러한 상황에서, 지능형 인프라 시스템(들)(240)의 센서는 유용하고 때로는 중요한 데이터를 좌회전 차량에 제공할 수 있다. 이러한 데이터는, 예를 들어 교통 상황, 차량이 회전하는 방향의 객체, 신호등 상태 및 예측 등을 포함할 수 있다. 지능형 인프라 시스템(들)(240)에 의해 생성된 이들 센서 데이터는 각각 통신 경로(243 및/또는 241)를 통해 차량 인지 및 계획 시스템(220) 및/또는 차량 내장 LiDAR 시스템(들)(210)에 제공될 수 있다. 통신 경로(243 및/또는 241)는 데이터를 전달할 수 있는 임의의 유선 또는 무선 통신 링크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 지능형 인프라 시스템(들)(240)으로부터의 센서 데이터는 LiDAR 시스템(들)(210)에 송신되고 LiDAR 시스템(들)(210)에 의해 생성된 센서 데이터와 상관되거나 융합됨으로써, 차량 인지 및 계획 시스템(220)에 의해 수행되는 센서 융합 프로세스를 적어도 부분적으로 오프로딩할 수 있다. 전술한 V2V 및 V2I 통신은 V2X(Vehicle-to-X) 통신의 예이며, 여기서 "X"는 차량과 데이터를 공유할 수 있는 임의의 다른 디바이스, 시스템, 센서, 인프라 등을 나타낸다.
여전히 도 2를 참조하면, 다양한 통신 경로를 통해, 차량 인지 및 계획 시스템(220)은 LiDAR 시스템(들)(210), 다른 차량 내장 센서(들)(230), 다른 차량(들)(250), 및/또는 지능형 인프라 시스템(들)(240) 중 하나 이상으로부터 센서 데이터를 수신한다. 일부 실시예에서, 다양한 유형의 센서 데이터는 센서 융합 서브시스템(222)에 의해 상관 및/또는 일체화된다. 예를 들어, 센서 융합 서브시스템(222)은 차량의 다양한 위치에 배치된 다수의 카메라에 의해 캡처된 다수의 이미지 또는 비디오를 사용하여 360도 모델을 생성할 수 있다. 센서 융합 서브시스템(222)은 다양한 유형의 센서로부터 센서 데이터를 획득하고 조합된 데이터를 사용하여 환경을 더 정확하게 인지한다. 예를 들어, 차량 내장 카메라(232)는 태양 또는 광원(예를 들어, 야간 중에 다른 차량의 헤드라이트)을 직접 향하고 있기 때문에 선명한 이미지를 캡처하지 못할 수 있다. LiDAR 시스템(210)은 그다지 영향을 받지 않을 수 있으므로 센서 융합 서브시스템(222)은 카메라(232)와 LiDAR 시스템(210) 모두에 의해 제공된 센서 데이터를 조합하고, LiDAR 시스템(210)에 의해 제공된 센서 데이터를 사용하여 카메라(232)에 의해 캡처된 불분명한 이미지를 보상할 수 있다. 다른 예로서, 비가 오거나 안개가 낀 날씨에서, 레이더 센서(234)는 카메라(232) 또는 LiDAR 시스템(210)보다 더 잘 작동할 수 있다. 따라서, 센서 융합 서브시스템(222)은 레이더 센서(234)에 의해 제공된 센서 데이터를 사용하여 카메라(232) 또는 LiDAR 시스템(210)에 의해 제공된 센서 데이터를 보상할 수 있다.
다른 예에서, 다른 차량 내장 센서(들)(230)에 의해 생성된 센서 데이터는 더 낮은 해상도(예를 들어, 레이더 센서 데이터)를 가질 수 있고 따라서 일반적으로 더 높은 해상도를 갖는 LiDAR 시스템(들)(210)에 의해 상관되고 확인될 수 있다. 예를 들어, 하수 뚜껑(맨홀 뚜껑이라고도 지칭됨)은 차량이 접근하는 객체로서 레이더 센서(234)에 의해 검출될 수 있다. 레이더 센서(234)의 저해상도 속성으로 인해, 차량 인지 및 계획 시스템(220)은 객체가 차량과 충돌할 객체인지를 결정할 수 없다. 따라서, LiDAR 시스템(들)(210)에 의해 생성된 고해상도 센서 데이터는 상관되어 객체가 하수 뚜껑이고 차량에 해를 끼치지 않는다는 것을 확인하는 데 사용될 수 있다.
차량 인지 및 계획 시스템(220)은 객체 분류기(223)를 더 포함한다. 원시 센서 데이터 및/또는 센서 융합 서브시스템(222)에 의해 제공되는 상관/융합 데이터를 사용하여, 객체 분류기(223)는 객체를 검출 및 분류하고 객체의 위치를 추정할 수 있다. 일부 실시예에서, 객체 분류기(233)는 기계 학습 기반 기술을 사용하여 객체를 검출하고 분류할 수 있다. 기계 학습 기반 기술의 예는 지역 기반 합성곱 신경망(region-based convolutional neural network)(R-CNN), Fast R-CNN, Faster R-CNN, 배향 구배 히스토그램(histogram of oriented gradient)(HOG), 지역 기반 완전 합성곱 신경망(region-based fully convolutional network)(R-FCN), 단일 샷 검출기(single shot detector)(SSD), 공간 피라미드 풀링(spatial pyramid pooling)(SPP-net), 및/또는 Yolo(You Only Look Once)와 같은 알고리즘을 이용하는 것을 포함한다.
차량 인지 및 계획 시스템(220)은 도로 검출 서브시스템(224)을 더 포함한다. 도로 검출 서브시스템(224)은 도로를 위치 파악하고 도로 상의 객체 및/또는 마킹을 식별한다. 예를 들어, 레이더 센서(들)(234), 카메라(들)(232), 및/또는 LiDAR 시스템(들)(210)에 의해 제공되는 원시 또는 융합 센서 데이터에 기초하여, 도로 검출 서브시스템(224)은 기계 학습 기술(예를 들어, 차선 식별을 위한 패턴 인식 알고리즘)에 기초한 도로의 3D 모델을 구축할 수 있다. 도로의 3D 모델을 사용하여, 도로 검출 서브시스템(224)은 객체(예를 들어, 도로 상의 장애물 또는 부스러기) 및/또는 도로 상의 마킹(예를 들어, 차선, 회전 마크, 횡단보도 마크 등)을 식별할 수 있다.
차량 인지 및 계획 시스템(220)은 위치 파악 및 차량 자세 서브시스템(225)을 더 포함한다. 원시 또는 융합 센서 데이터에 기초하여, 위치 파악 및 차량 자세 서브시스템(225)은 차량의 위치 및 차량의 자세를 결정할 수 있다. 예를 들어, LiDAR 시스템(들)(210), 카메라(들)(232), 및/또는 GPS 데이터로부터의 센서 데이터를 사용하여, 위치 파악 및 차량 자세 서브시스템(225)은 도로 상의 차량의 정확한 위치 및 차량의 6개 자유도(예를 들어, 차량이 앞으로 또는 뒤로, 위 또는 아래로, 그리고 좌측 또는 우측으로 이동하는 지의 여부)를 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 고해상도(HD) 맵이 차량 위치 파악에 사용된다. HD 맵은 차량의 위치를 정확히 찾는 매우 상세한, 3차원, 컴퓨터화 맵을 제공할 수 있다. 예를 들어, HD 맵을 사용하여, 위치 파악 및 차량 자세 서브시스템(225)은 차량의 현재 위치(예를 들어, 차량이 현재 도로의 어느 차선에 있는 지, 차량이 연석 또는 인도에 얼마나 가까운 지)를 정확하게 결정하고 차량의 향후 위치를 예측할 수 있다.
차량 인지 및 계획 시스템(220)은 장애물 예측기(226)를 더 포함한다. 객체 분류기(223)에 의해 식별된 객체는 정지 상태(예를 들어, 가로등 기둥, 도로 표지판) 또는 동적 상태(예를 들어, 움직이는 보행자, 자전거, 다른 자동차)일 수 있다. 이동하는 객체의 경우, 충돌을 피하기 위해 그 이동 경로 또는 향후 위치를 예측하는 것이 중요할 수 있다. 장애물 예측기(226)는 장애물 궤적을 예측하고 및/또는 잠재적인 충돌에 대해 운전자 또는 차량 계획 서브시스템(228)에게 경고할 수 있다. 예를 들어, 장애물의 궤적이 차량의 현재 이동 경로와 교차할 가능성이 높으면, 장애물 예측기(226)는 이러한 경고를 생성할 수 있다. 장애물 예측기(226)는 이러한 예측을 하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있다. 이러한 기술은, 예를 들어 등속 또는 가속도 모델, 일정한 회전율 및 속도/가속도 모델, 칼만 필터(Kalman Filter) 및 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter) 기반 모델, 순환 신경망(recurrent neural network)(RNN) 기반 모델, 장단기 메모리(long short-term memory)(LSTM) 신경망 기반 모델, 인코더-디코더 RNN 모델 등을 포함한다.
여전히 도 2를 참조하면, 일부 실시예에서, 차량 인지 및 계획 시스템(220)은 차량 계획 서브시스템(228)을 더 포함한다. 차량 계획 서브시스템(228)은 경로 플래너, 운전 행위 플래너, 및 동작 플래너를 포함할 수 있다. 경로 플래너는 차량의 현재 위치 데이터, 타겟 위치 데이터, 교통 정보 등에 기초하여 차량의 경로를 계획할 수 있다. 운전 거동 플래너는 장애물 예측기(226)에 의해 제공되는 장애물 예측 결과를 사용하여 다른 객체가 어떻게 이동할 수 있는 지에 기초하여 타이밍 및 계획된 이동을 조절한다. 동작 플래너는 차량이 따를 필요가 있는 특정 작동을 결정한다. 그 후, 계획 결과는 차량 인터페이스(270)를 통해 차량 제어 시스템(280)으로 전달된다. 통신은 데이터를 전달할 수 있는 임의의 유선 또는 무선 통신 링크를 포함할 수 있는 통신 경로(223 및 271)를 통해 수행될 수 있다.
차량 제어 시스템(280)은 차량의 조향 메커니즘, 스로틀, 브레이크 등을 제어하여 계획된 경로 및 이동에 따라 차량을 작동시킨다. 차량 인지 및 계획 시스템(220)은 사용자(예를 들어, 운전자)에게 차량 제어 시스템(280)에 대한 액세스를 제공하여, 예를 들어 필요할 때 차량의 제어를 무효화하거나 인계하는 사용자 인터페이스(260)를 더 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(260)는 차량 인지 및 계획 시스템(220)과 통신하여, 예를 들어 원시 또는 융합 센서 데이터, 식별된 객체, 차량의 위치/자세 등을 획득하고 디스플레이할 수 있다. 이들 디스플레이된 데이터는 사용자가 차량을 더 잘 작동하는 데 도움이 될 수 있다. 사용자 인터페이스(260)는 데이터를 전달할 수 있는 임의의 유선 또는 무선 통신 링크를 포함할 수 있는 통신 경로(221 및 261)를 통해 각각 차량 인지 및 계획 시스템(220) 및/또는 차량 제어 시스템(280)과 통신할 수 있다. 도 2의 다양한 시스템, 센서, 및 인터페이스는 임의의 원하는 방식으로 구성될 수 있으며 도 2에 도시된 구성에 제한되지 않음이 이해된다.
도 3은 예시적인 LiDAR 시스템(300)을 예시하는 블록도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 LiDAR 시스템(110, 120A-H, 및 210)은 LiDAR 시스템(300)을 사용하여 구현될 수 있다. 일 실시예에서, LiDAR 시스템(300)은 레이저 소스(310), 송신기(320), 광학 수신기 및 광 검출기(330), 조향 시스템(340), 및 제어 회로(350)를 포함한다. 이들 구성요소는 통신 경로(312, 314, 322, 332, 343, 352, 및 362)를 사용하여 함께 결합된다. 이들 통신 경로는 다양한 LiDAR 시스템 구성요소 사이의 통신 링크(유선 또는 무선, 양방향 또는 단방향)를 포함하지만 그 자체가 물리적 구성요소일 필요는 없다. 통신 경로는 하나 이상의 전선, 버스, 또는 광섬유에 의해 구현될 수 있지만, 통신 경로는 또한 물리적 통신 매체가 존재하지 않도록 무선 채널 또는 자유 공간 광학 경로일 수 있다. 예를 들어, LiDAR 시스템(300)의 일 실시예에서, 레이저 소스(310)와 송신기(320) 사이의 통신 경로(314)는 하나 이상의 광섬유를 사용하여 구현될 수 있다. 통신 경로(332 및 352)는 자유 공간 광학 구성요소 및/또는 광섬유로 구현되는 광학 경로를 나타낼 수 있다. 그리고, 통신 경로(312, 322, 342, 362)는 전기 신호를 전달하는 하나 이상의 전선을 사용하여 구현될 수 있다. 통신 경로는 또한 전술한 유형의 통신 매체 중 둘 이상을 포함할 수 있다(예를 들어, 이들은 광섬유 및 광학 경로, 또는 하나 이상의 광섬유 및 하나 이상의 전선을 포함할 수 있음).
LiDAR 시스템(300)은 또한 파워 버스, 전력 공급원, LED 표시기, 스위치 등과 같이 도 3에 도시되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 추가로, 광원(310)과 광학 수신기 및 광 검출기(330) 사이의 직접 연결과 같이 구성요소 사이의 다른 통신 연결이 존재하여, 광 펄스가 송신된 시기로부터 복귀 광 펄스가 검출될 때까지의 시간이 정확하게 측정될 수 있도록 기준 신호를 제공할 수 있다.
레이저 소스(310)는 시야(FOV) 내의 객체를 조명하기 위한 레이저 광을 출력한다. 레이저 소스(310)는, 예를 들어 반도체 기반 레이저(예를 들어, 다이오드 레이저) 및/또는 섬유 기반 레이저일 수 있다. 반도체 기반 레이저는, 예를 들어 단면 발광 레이저(edge emitting laser)(EEL), 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL) 등일 수 있다. 섬유 기반 레이저는 활성 이득 매체가 에르븀, 이테르븀, 네오디뮴, 디스프로슘, 프라세오디뮴, 툴륨 및/또는 홀뮴과 같은 희토류 원소가 도핑된 광섬유인 레이저이다. 일부 실시예에서, 섬유 레이저는 이득 매체가 2개의 클래딩 층으로 둘러싸인 섬유의 코어를 형성하는 이중 클래드 섬유에 기초한다. 이중 클래드 섬유는 코어가 고출력 빔으로 펌핑되게 함으로써, 레이저 소스가 고출력 섬유 레이저 소스가 될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 레이저 소스(310)는 마스터 발진기(master oscillator)(시드 레이저라고도 지칭됨) 및 전력 증폭기(MOPA)를 포함한다. 전력 증폭기는 시드 레이저의 출력 전력을 증폭한다. 전력 증폭기는 섬유 증폭기, 벌크 증폭기, 또는 반도체 광학 증폭기일 수 있다. 시드 레이저는 솔리드 스테이트 벌크 레이저 또는 조절 가능한 외부 공동 다이오드 레이저일 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 소스(310)는 광학적으로 펌핑된 마이크로칩 레이저일 수 있다. 마이크로칩 레이저는 레이저 결정이 레이저 공진기의 엔드 거울과 직접 접촉되는 정렬 없는 모놀리식 솔리드 스테이트 레이저이다. 마이크로칩 레이저는 통상적으로 원하는 출력 전력을 획득하기 위해 레이저 다이오드로 (직접 또는 섬유를 사용하여) 펌핑된다. 마이크로칩 레이저는 네오디뮴 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Y3Al5O12) 레이저 결정(즉, Nd:YAG), 또는 네오디뮴 도핑된 바나데이트(즉, ND:YVO4) 레이저 결정에 기초할 수 있다.
도 4는 시드 레이저 및 원하는 출력 전력을 펌핑하기 위한 하나의 펌프 또는 펌프들(예를 들어, 레이저 다이오드)를 갖는 예시적인 섬유 기반 레이저 소스(400)를 예시하는 블록도이다. 섬유 기반 레이저 소스(400)는 도 3에 도시된 레이저 소스(310)의 예이다. 일부 실시예에서, 섬유 기반 레이저 소스(400)는 광섬유(403)을 통해 파장 분할 멀티플렉서(wavelength-division multiplexor)(WDM)(404)에 제공되는 하나 이상의 파장(예를 들어, 1550 nm)의 초기 광 펄스를 생성하기 위한 시드 레이저(402)를 포함한다. 섬유 기반 레이저 소스(400)는 광섬유(405)를 통해 WDM(404)에 (예를 들어, 상이한 파장, 예컨대 980 nm의) 레이저 출력을 제공하기 위한 펌프(406)를 더 포함한다. 이어서, WDM(404)의 출력은 광섬유(407)를 통해 하나 이상의 전치 증폭기(들)(408)에 제공될 수 있다. 전치 증폭기(들)(408)는 광섬유(409)를 통해 조합기(410)로 출력한다. 조합기(410)는 광섬유(411)를 통해서 펌프(412)로부터 레이저 출력을 취하고 펄스를 부스터 증폭기(414)에 제공하며, 부스터 증폭기는 광섬유(410)를 통해서 출력 광 펄스를 생성한다. 출력된 광 펄스는 송신기(320) 및/또는 조향 메커니즘(340)(도 3에 도시됨)으로 송신될 수 있다. 도 4는 섬유 기반 레이저 소스(400)의 하나의 예시적인 구성을 예시하고 있음이 이해된다. 레이저 소스(400)는 도 4에 도시된 하나 이상의 구성요소 및/또는 도 4에 도시되지 않은 다른 구성요소(예를 들어, 전력 공급원, 렌즈, 필터, 스플리터, 조합기 등과 같은 다른 구성요소)의 상이한 조합을 사용하는 많은 다른 구성을 가질 수 있다.
일부 변형에서, 섬유 기반 레이저 소스(400)는 섬유 기반 레이저 소스(400)에서 사용되는 섬유의 섬유 이득 프로파일에 기초하여 상이한 진폭의 펄스를 생성하도록 (예를 들어, 제어 회로(350)에 의해) 제어될 수 있다. 통신 경로(312)는, 섬유 기반 레이저 소스(400)의 구성요소가 제어 회로(350)에 의해 제어되거나 달리 제어 회로와 통신할 수 있도록 섬유 기반 레이저 소스(400)를 제어 회로(350)(도 3에 도시됨)에 결합한다. 대안적으로, 섬유 기반 레이저 소스(400)는 자체의 제어기를 포함할 수 있다. 섬유 기반 레이저 소스(400)의 구성요소와 직접 통신하는 제어 회로(350) 대신에, 섬유 기반 레이저 소스(400)의 전용 제어기는 제어 회로(350)와 통신하고 섬유 기반 광원(400)의 구성요소를 제어하고 및/또는 구성요소와 통신한다. 섬유 기반 광원(400)은 또한 하나 이상의 전력 커넥터, 전력 공급원, 및/또는 전력 라인과 같이 도시되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수 있다.
레이저 소스(310)의 전형적인 작동 파장은, 예를 들어 약 850 nm, 약 905 nm, 약 940 nm, 약 1064 nm, 약 1310 nm, 및 약 1550 nm을 포함한다. 최대 사용 가능한 레이저 출력의 상한은 미국 FDA(미국 식품의약국) 규정에 의해 설정된다. 1550 nm 파장에서의 광학 출력 한계는 전술한 다른 파장보다 훨씬 높다. 또한, 1550 nm에서, 섬유의 광학 출력 손실이 낮다. 1550 nm 파장의 특성은 장거리 LiDAR 용례에 더욱 유리하게 만든다. 레이저 소스(310)로부터 출력되는 광학 출력의 양은 그 피크 출력, 평균 출력, 및 펄스 에너지에 의해 특성화될 수 있다. 피크 출력은 펄스 폭에 대한 펄스 에너지의 비율이다(예를 들어, 반치전폭 또는 FWHM). 따라서, 펄스 폭이 작을수록 고정된 양의 펄스 에너지에 대해 더 큰 피크 출력을 제공할 수 있다. 펄스 폭은 나노초 또는 피코초 범위에 있을 수 있다. 평균 출력은 펄스 에너지와 펄스 반복률(pulse repetition rate)(PRR)의 곱이다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, PRR은 펄스 레이저 광의 주파수를 나타낸다. PRR은 통상적으로 LiDAR 시스템이 측정할 수 있는 최대 범위에 대응한다. 레이저 소스(310)는 LiDAR 시스템에 의해 생성된 포인트 클라우드에서 원하는 수의 데이터 포인트를 만족시키기 위해 높은 PRR에서 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 벽 플러그 효율(wall plug efficiency)(WPE)은, 레이저 효율을 평가하는 데에 있어서 핵심 지표가 될 수 있는 총 전력 소비를 평가하는 또 다른 요인이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 LiDAR 시스템이 차량에 부착될 수 있으며, 차량은 전기 구동 차량이거나 달리 제한된 연료 또는 배터리 전력 공급원을 갖는 차량일 수 있다. 따라서, 레이저 출력을 사용하는 지능형 방식 및 높은 WPE는 흔히 레이저 소스(310)를 선택 및 구성할 때 및/또는 차량 탑재 LiDAR 용례를 위한 레이저 전달 시스템을 설계할 때 필수적이다.
위의 설명은 레이저 소스(310)의 비제한적인 예를 제공한다는 것이 이해된다. 레이저 소스(310)는 다양한 파장으로 하나 이상의 광 신호를 생성하도록 구성된 많은 다른 유형의 광원, 예컨대, 레이저 다이오드, 단공동 섬유 레이저, 솔리드 스테이트 레이저, 및/또는 조절 가능한 외부 공동 다이오드 레이저를 포함하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 광원(310)은 도핑된 광섬유 증폭기, 솔리드 스테이트 벌크 증폭기, 및/또는 반도체 광학 증폭기일 수 있는 증폭기(예를 들어, 전치 증폭기 및/또는 부스터 증폭기)를 포함한다. 증폭기는 광 신호를 수신하고 증폭하도록 구성된다.
도 3을 다시 참조하면, LiDAR 시스템(300)은 송신기(320)를 더 포함한다. 레이저 광(예를 들어, 레이저 빔 형태)은 레이저 소스(310)로부터 송신기(320)에 제공된다. 레이저 소스(310)에 의해 제공되는 레이저 광은 미리 결정되거나 제어된 파장, 반복률, 및/또는 출력 레벨을 갖는 증폭된 레이저 광일 수 있다. 송신기(320)는 레이저 소스(310)로부터 레이저 광을 수신하고 레이저 광을 낮은 발산으로 조향 메커니즘(340)으로 송신한다. 일부 실시예에서, 송신기(320)는, 예를 들어 레이저 빔을 시야(FOV)로 직접 또는 조향 메커니즘(340)을 통해 송신하기 위한 광학 구성요소(예를 들어, 렌즈, 섬유, 거울 등)를 포함할 수 있다. 도 3은 송신기(320) 및 조향 메커니즘(340)을 개별 블록으로서 예시하지만, 이들은 일부 실시예에서 하나의 시스템으로 조합되거나 일체화될 수 있다. 조향 메커니즘(340)은 아래에서 더 상세히 설명된다.
레이저 소스(310)에 의해 제공되는 레이저 빔은 송신기(320)로 진행할 때 발산할 수 있다. 따라서, 송신기(320)는 흔히 발산 레이저 빔을 수집하고 발산이 감소되거나 최소인 평행 광학 빔을 생성하도록 구성된 시준 렌즈를 포함한다. 이어서, 평행 광학 빔은 거울 및 렌즈와 같은 다양한 광학계를 통해 추가로 지향될 수 있다. 시준 렌즈는, 예를 들어 평볼록 렌즈일 수 있다. 시준 렌즈는 빔 직경, 발산, 개구수, 초점 거리 등과 같은 임의의 원하는 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 빔 전파 비율 또는 빔 품질 인자(M2 인자라고도 지칭됨)는 레이저 빔 품질의 측정에 사용된다. 많은 LiDAR 용례에서, 생성된 송신 레이저 빔에서 우수한 레이저 빔 품질을 제어하는 것이 중요하다. M2 인자는 이상적인 가우시안 빔으로부터 빔의 변동 정도를 나타낸다. 따라서, M2 인자는 시준된 레이저 빔이 작은 스폿에 얼마나 잘 포커싱될 수 있는 지 또는 발산 레이저 빔이 얼마나 잘 시준될 수 있는 지를 반영한다. M2 인자가 작을수록, 레이저 빔의 초점이 더 밀집해지고 더 강렬한 빔 스폿을 획득할 수 있다. 따라서, 레이저 소스(310) 및/또는 송신기(320)는, 예를 들어 스캔 해상도 요건에 따라 원하는 M2 인자를 획득하도록 구성될 수 있다.
송신기(320)에 의해 제공되는 광 빔은 조향 메커니즘(340)에 의해 FOV로 스캐닝된다. 조향 메커니즘(340)은 3D 포인트 클라우드를 생성함으로써 LiDAR 시스템(300)이 환경을 맵핑하는 것을 용이하게 하기 위해 다차원(예를 들어, 수평 및 수직 차원 모두)으로 광 빔을 스캐닝한다. 조향 메커니즘(340)은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다. FOV에 대해 스캐닝된 레이저 광은 FOV 내 객체에 의해 산란 또는 반사될 수 있다. 산란 또는 반사된 광의 적어도 일부는 LiDAR 시스템(300)으로 복귀한다. 도 3은 복귀 광을 수신하도록 구성된 광학 수신기 및 광 검출기(330)를 추가로 도시한다. 광학 수신기 및 광 검출기(330)는 FOV로부터 복귀 광을 수집하도록 구성된 광학 수신기를 포함한다. 광학 수신기는 FOV로부터의 복귀 광을 수신, 재지향, 포커싱, 증폭, 및/또는 필터링하기 위한 광학계(예를 들어, 렌즈, 섬유, 거울 등)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 수신기는 흔히 수집된 복귀 광을 광 검출기 상에 수집 및/또는 포커싱하기 위한 수신기 렌즈 또는 포커싱 렌즈(예를 들어, 평볼록 렌즈)를 포함한다.
광 검출기는 광학 수신기에 의해 포커싱된 복귀 광을 검출하고 복귀 광의 입사 강도에 비례하는 전류 및/또는 전압 신호를 생성한다. 이러한 전류 및/또는 전압 신호에 기초하여, FOV에서 객체의 깊이 정보가 도출될 수 있다. 이러한 깊이 정보를 도출하기 위한 하나의 예시적인 방법은 직접 TOF(time of flight)(비행 시간)에 기초하며, 이에 대해서는 아래에서 더 상세히 설명된다. 광 검출기는 검출 감도, 양자 효율, 검출기 대역폭, 선형성, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)(SNR), 과부하 저항, 간섭 내성 등에 의해 특성화될 수 있다. 용례에 기초하여, 광 검출기는 임의의 원하는 특성을 갖도록 구성되거나 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 광학 수신기 및 광 검출기(330)는 광 검출기가 양호한 선형성을 가지면서 큰 동적 범위를 갖도록 구성될 수 있다. 광 검출기 선형성은 입력 광학 신호 전력(optical signal power)과 검출기 출력(detector's output) 사이의 선형 관계를 유지하는 검출기의 능력을 나타낸다. 선형성이 양호한 검출기는 큰 동적 입력 광학 신호 범위에 걸쳐 선형 관계를 유지할 수 있다.
원하는 검출기 특성을 달성하기 위해, 광 검출기의 구조 및/또는 검출기의 재료 시스템에 대해 구성 또는 맞춤화가 이루어질 수 있다. 다양한 검출기 구조가 광 검출기에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기 구조는 p-형 반도체와 n-형 반도체 영역 사이에 도핑되지 않은 진성 반도체 영역(즉, "i" 영역)을 갖는 PIN 기반 구조일 수 있다. 다른 광 검출기 구조는, APD(avalanche photodiode) 기반 구조, PMT(photomultiplier tube) 기반 구조, SiPM(Silicon photomultiplier) 기반 구조, SPAD(single-photon avalanche diode) 기반 구조, 및 양자 와이어를 포함한다. 광 검출기에 사용되는 재료 시스템의 경우, Si, InGaAs, 및/또는 Si/Ge 기반 재료가 사용될 수 있다. 많은 다른 검출기 구조 및/또는 재료 시스템이 광학 수신기 및 광 검출기(330)에 사용될 수 있음이 이해된다.
광 검출기(예를 들어, APD 기반 검출기)는 출력 신호를 생성할 때 입력 신호가 증폭되도록 내부 이득을 가질 수 있다. 그러나, 검출기의 내부 이득으로 인해 잡음이 증폭될 수도 있다. 일반적인 잡음은 신호 샷 잡음, 암전류 샷 잡음, 열 잡음, 및 증폭기 잡음(TIA)을 포함한다. 그에 따라, 광학 수신기 및 광 검출기(330)는 저잡음 증폭기(LNA)인 전치 증폭기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전치 증폭기는 또한 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 TIA-트랜스임피던스 증폭기를 포함할 수 있다. 선형 검출기 시스템의 경우, 입력 등가 잡음 또는 잡음 등가 전력(noise equivalent power)(NEP)은 광 검출기가 약한 신호에 얼마나 민감한 지를 측정한다. 따라서, 이들은 전반적인 시스템 성능의 지표로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기의 NEP는 검출될 수 있는 가장 약한 신호의 전력을 특정하므로 차례로 LiDAR 시스템의 최대 범위를 특정한다. LiDAR 시스템(300)의 요건을 만족시키기 위해 다양한 광 검출기 최적화 기술이 사용될 수 있음이 이해된다. 이러한 최적화 기술은 상이한 검출기 구조, 재료를 선택하고, 및/또는 신호 처리 기술(예를 들어, 필터링, 잡음 감소, 증폭 등)을 구현하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, TOF를 사용함으로써) 복귀 신호의 직접 검출을 사용하는 것 이외에 또는 그 대신에, 가간섭성 검출(coherent detection)이 또한 광 검출기에 사용될 수 있다. 가간섭성 검출은 수신된 광을 국부 발진기(local oscillator)로 간섭함으로써 수신된 광의 진폭 및 위상 정보를 검출할 수 있게 한다. 가간섭성 검출은 검출 감도와 잡음 내성을 개선시킬 수 있다.
도 3은 LiDAR 시스템(300)이 조향 메커니즘(340)을 포함하는 것을 추가로 도시한다. 전술한 바와 같이, 조향 메커니즘(340)은 송신기(320)로부터의 광 빔을 지향시켜 FOV를 다차원으로 스캐닝한다. 조향 메커니즘은 래스터 메커니즘 또는 스캐닝 메커니즘이라고 지칭될 수도 있다. 다차원에서(예를 들어, 수평 및 수직 차원 모두에서) 광 빔을 스캐닝하면 LiDAR 시스템이 이미지 또는 3D 포인트 클라우드를 생성하여 환경을 맵핑하는 것을 용이하게 한다. 조향 메커니즘은 기계식 스캐닝 및/또는 솔리드 스테이트 스캐닝에 기초할 수 있다. 기계식 스캐닝은 회전 거울을 사용하여 레이저 빔을 조향하거나 LiDAR 송신기와 수신기(집합적으로 트랜시버라고 지칭됨)를 물리적으로 회전시켜 레이저 빔을 스캐닝한다. 솔리드 스테이트 스캐닝은 트랜시버와 같은 임의의 거시적 구성요소를 기계적으로 움직이지 않고 FOV를 통해 레이저 빔을 다양한 위치로 지향시킨다. 솔리드 스테이트 스캐닝 메커니즘은 MEMS 거울 기반 조향, 광학 위상 어레이 기반 조향, 및 플래시 LiDAR 기반 조향을 포함한다. 일부 실시예에서, 솔리드 스테이트 스캐닝 메커니즘은 거시적 구성요소를 물리적으로 이동시키지 않기 때문에, 솔리드 스테이트 스캐닝 메커니즘에 의해 수행되는 조향은 효과적인 조향이라고 지칭될 수 있다. 솔리드 스테이트 스캐닝을 사용하는 LiDAR 시스템은 비기계식 스캐닝 또는 단순히 비-스캐닝 LiDAR 시스템이라고도 지칭될 수 있다(플래시 LiDAR 시스템은 예시적인 비-스캐닝 LiDAR 시스템임).
조향 메커니즘(340)은 이미지 또는 3D 포인트 클라우드를 생성하기 위해 FOV를 스캐닝하도록 트랜시버(예를 들어, 송신기(320) 및 광학 수신기 및 광 검출기(330))와 함께 사용될 수 있다. 예로서, 조향 메커니즘(340)을 구현하기 위해, 단일 포인트 또는 여러 개의 단일 포인트 트랜시버와 함께 2차원 기계식 스캐너를 사용할 수 있다. 단일 포인트 트랜시버는 단일 광 빔 또는 작은 수의 광 빔(예를 들어, 2 내지 8개의 광 빔)을 조향 메커니즘으로 송신한다. 2차원 기계식 조향 메커니즘은, 예를 들어 다각형 거울(들), 왕복 진동 거울(oscillating mirror)(들), 회전 프리즘(들), 회전 틸트 거울 표면(들), 또는 그 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 조향 메커니즘(340)은 솔리드 스테이트 조향 메커니즘(들)과 같은 비기계식 조향 메커니즘(들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 조향 메커니즘(340)은 굴절 효과와 조합된 레이저 광의 조절 파장에 기초할 수 있고, 및/또는 재구성 가능한 격자/위상 어레이에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서, 조향 메커니즘(340)은 2차원 스캐닝을 달성하기 위해 단일 스캐닝 디바이스를 사용하거나 2차원 스캐닝을 실현하기 위해 조합된 2개의 디바이스를 사용할 수 있다.
다른 예로서, 조향 메커니즘(340)을 구현하기 위해, 어레이 또는 많은 수의 단일 포인트 트랜시버와 함께 1차원 기계식 스캐너가 사용될 수 있다. 특히, 트랜시버 어레이는 회전 플랫폼 상에 장착되어 360도 수평 시야를 달성할 수 있다. 대안적으로, 정적 트랜시버 어레이가 1차원 기계식 스캐너와 조합될 수 있다. 1차원 기계식 스캐너는 다각형 거울(들), 왕복 진동 거울(들), 회전 프리즘(들), 전방 수평 시야를 획득하기 위한 회전 틸트 거울 표면(들)을 포함한다. 기계식 스캐너를 사용하는 조향 메커니즘은 자동차 용례의 양산에서 강건성과 신뢰성을 제공할 수 있다.
다른 예로서, 조향 메커니즘(340)을 구현하기 위해, 스캔 이미지 또는 3D 포인트 클라우드를 직접 생성하기 위해 2차원 트랜시버가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 스캔 이미지 또는 스캐닝되는 시야의 해상도를 개선하기 위해 스티칭 또는 마이크로 시프트 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2차원 트랜시버를 사용하여, 한 방향(예를 들어, 수평 방향)에서 생성된 신호와 다른 방향(예를 들어, 수직 방향)에서 생성된 신호를 통합, 인터리빙, 및/또는 일치하여 스캐닝된 FOV를 나타내는 더 높은 또는 전체 해상도 이미지 또는 3D 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
조향 메커니즘(340)의 일부 구현은 복귀 광 신호를 광학 수신기 및 광 검출기(330)로 지향시키기 위해 수신 경로를 따라 (예를 들어, 회전, 진동 또는 지향시킴으로써) 복귀 광 신호를 조향하는 하나 이상의 광학 재지향 요소(예를 들어, 거울 또는 렌즈)를 포함한다. 송신 및 수신 경로를 따라 광 신호를 지향시키는 광학 재지향 요소는 동일한 구성요소(예를 들어, 공유), 별개의 구성요소(예를 들어, 전용), 및/또는 공유 구성요소 및 별개의 구성요소의 조합일 수 있다. 이는, 일부 경우에, 송신 및 수신 경로는 상이하지만, 부분적으로 중첩될 수 있다(또는 일부 경우에, 실질적으로 중첩될 수 있음)는 것을 의미한다.
여전히 도 3을 참조하면, LiDAR 시스템(300)은 제어 회로(350)를 더 포함한다. 제어 회로(350)는 LiDAR 시스템(300)의 다양한 부분을 제어하도록 및/또는 신호 처리를 수행하도록 구성 및/또는 프로그래밍될 수 있다. 전형적인 시스템에서, 제어 회로(350)는, 예를 들어 원하는 레이저 펄스 타이밍, 및 전력을 획득하기 위해 레이저 소스(310)를 제어하는 것; FOV를 스캐닝하고 픽셀 등록/정렬을 유지하기 위해 조향 메커니즘(340)을 제어하는 것(예를 들어, 속도, 방향, 및/또는 다른 파라미터를 제어하는 것); 최적의 상태가 되도록 광학 수신기 및 광 검출기(330)를 제어하는 것(예를 들어, 감도, 잡음 감소, 필터링, 및/또는 다른 파라미터를 제어하는 것); 기능적 안전을 위해 전체 시스템 건강/상태를 모니터링하는 것을 포함하는 하나 이상의 제어 기능을 수행하도록 구성 및/또는 프로그래밍될 수 있다
제어 회로(350)는 또한 광학 수신기 및 광 검출기(330)에 의해 생성된 원시 데이터에 대한 신호 처리를 수행하여 거리 및 반사율 정보를 도출하고, 데이터 패키징 및 차량 인지 및 계획 시스템(220)(도 2에 도시됨)에 대한 통신을 수행하도록 구성 및/또는 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(350)는 대응하는 복귀 광 펄스가 수신될 때까지 광 펄스를 송신하는 데 걸리는 시간을 결정하고; 송신된 광 펄스에 대해 복귀 광 펄스가 수신되지 않는 시기를 결정하며; 송신/복귀 광 펄스에 대한 송신된 방향(예를 들어, 수평 및/또는 수직 정보)을 결정하고; 특정 방향의 예상 범위를 결정하며; 및/또는 LiDAR 시스템(300)과 관련된 임의의 다른 유형의 데이터를 결정한다.
LiDAR 시스템(300)은 덥거나 추운 날씨, 강렬한 진동을 유발할 수 있는 거친 도로 조건, 높거나 낮은 습도, 먼지가 많은 지역 등을 포함하는 많은 다양한 환경에서 작동할 수 있는 차량에 배치될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, LiDAR 시스템(300)의 광학 및/또는 전자 구성요소(예를 들어, 송신기(320), 광학 수신기 및 광 검출기(330), 및 조향 메커니즘(340)의 광학계)는 장기간 기계적 및 광학적 안정성을 유지하는 방식으로 배치 또는 구성된다. 예를 들어, LiDAR 시스템(300)의 구성요소는 차량이 직면할 수 있는 모든 조건 하에서 작동할 수 있도록 고정되고 밀봉될 수 있다. 예로서, 송신기(320), 광학 수신기 및 광 검출기(330), 및 조향 메커니즘(340)의 광학 구성요소(및 습기에 민감한 다른 구성요소)에 습기 방지 코팅 및/또는 기밀 밀봉이 적용될 수 있다. 다른 예로서, 하우징(들), 인클로저(들), 및/또는 윈도우는 경도, 방수 방진(Ingress Protection)(IP) 등급, 자정 능력, 내화학성 및 내충격성 등과 같은 원하는 특성을 제공하기 위해 LiDAR 시스템(300)에서 사용될 수 있다. 또한, LiDAR 시스템(300)을 조립하기 위한 효율적이고 경제적인 방법론을 사용하여 비용을 낮게 유지하면서 LiDAR 작동 요건을 만족시킬 수 있다.
도 3 및 위의 설명은 단지 예시를 위한 것이며, LiDAR 시스템은 다른 기능 유닛, 블록 또는 세그먼트를 포함할 수 있고, 이러한 위의 기능 유닛, 블록, 또는 세그먼트의 변형 또는 조합을 포함할 수 있음을 본 기술 분야의 숙련자는 이해한다. 예를 들어, LiDAR 시스템(300)은 또한 파워 버스, 전력 공급원, LED 표시기, 스위치 등과 같이 도 3에 도시되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 추가로, 광원(310)이 광 펄스를 송신한 시기로부터 광 검출기(330)가 복귀 광 펄스를 검출할 때까지의 시간을 광 검출기(330)가 정확하게 측정할 수 있도록 광원(310)과 광학 수신기 및 광 검출기(330) 사이의 직접 연결과 같이 구성요소 사이의 다른 연결이 존재할 수 있다.
도 3에 도시된 이들 구성요소는 통신 경로(312, 314, 322, 332, 342, 352, 362)를 사용하여 함께 결합된다. 이들 통신 경로는 다양한 LiDAR 시스템 구성요소 사이의 통신(양방향 또는 단방향)을 나타내지만 그 자체가 물리적 구성요소일 필요는 없다. 통신 경로는 하나 이상의 전선, 버스, 또는 광섬유에 의해 구현될 수 있지만, 통신 경로는 또한 물리적 통신 매체가 존재하지 않도록 무선 채널 또는 개방형 광학 경로일 수 있다. 예를 들어, 하나의 예시적인 LiDAR 시스템에서, 통신 경로(314)는 하나 이상의 광섬유이고; 통신 경로(352)는 광학 경로를 나타내며; 통신 경로(312, 322, 342, 362)는 모두 전기 신호를 반송하는 하나 이상의 전선이다. 통신 경로는 또한 전술한 유형의 통신 매체 중 둘 이상을 포함할 수 있다(예를 들어, 이들은 광섬유 및 광학 경로, 또는 하나 이상의 광섬유 및 하나 이상의 전선을 포함할 수 있음).
전술한 바와 같이, 일부 LiDAR 시스템은 광 경로에 있는 객체까지의 거리를 결정하기 위해 광 신호(예를 들어, 광 펄스)의 비행 시간(TOF)을 사용한다. 예를 들어, 도 5a를 참조하면, 예시적인 LiDAR 시스템(500)은 레이저 광원(예를 들어, 섬유 레이저), 조향 시스템(예를 들어, 하나 이상의 이동 거울의 시스템), 및 광 검출기(예를 들어, 하나 이상의 광학계가 있는 광자 검출기)를 포함한다. LiDAR 시스템(500)은, 예를 들어 전술한 LiDAR 시스템(300)을 사용하여 구현될 수 있다. LiDAR 시스템(500)은 LiDAR 시스템(500)의 조향 시스템에 의해 결정되는 광 경로(504)를 따라 광 펄스(502)를 송신한다. 도시된 예에서, 레이저 광원에 의해 생성되는 광 펄스(502)는 레이저 광의 짧은 펄스이다. 또한, LiDAR 시스템(500)의 신호 조향 시스템은 펄스 신호 조향 시스템이다. 그러나, LiDAR 시스템은 펄스가 아닌 광 신호를 생성, 송신 및 검출함으로써 작동할 수 있으며 비행 시간 이외의 기술을 사용하여 주변 환경에 있는 객체에 대한 범위를 도출할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 일부 LiDAR 시스템은 주파수 변조 연속파(frequency modulated continuous wave)(즉, "FMCW")를 사용한다. 펄스 신호를 사용하는 비행 시간 기반 시스템과 관련하여 본 명세서에 설명된 임의의 기술은 또한 이들 기술 중 하나 또는 둘 모두를 사용하지 않는 LiDAR 시스템에도 적용 가능할 수 있음을 추가로 이해하여야 한다.
도 5a(광 펄스를 사용하는 비행 시간 LiDAR 시스템)를 다시 참조하면, 광 펄스(502)가 객체(506)에 도달할 때, 광 펄스(502)는 산란 또는 반사되어 복귀 광 펄스(508)를 생성한다. 복귀 광 펄스(508)는 광 경로(510)를 따라 시스템(500)으로 복귀할 수 있다. 송신된 광 펄스(502)가 LiDAR 시스템(500)을 떠날 때부터 복귀 광 펄스(508)가 LiDAR 시스템(500)에 다시 도착할 때까지의 시간은 (예를 들어, 프로세서 또는 LiDAR 시스템 내의 제어 회로(350)와 같은 다른 전자 기기에 의해) 측정될 수 있다. 광의 속력에 대한 지식과 조합된 이 비행 시간은 LiDAR 시스템(500)으로부터 광 펄스(502)가 산란되거나 반사되는 객체(506) 부분까지의 범위/거리를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 많은 광 펄스를 지향시킴으로써, LiDAR 시스템(500)은 (예를 들어, 각각 광 경로(504, 524, 528, 532)를 따라 광 펄스(502, 522, 526, 530)를 지향시킴으로써) 외부 환경을 스캐닝한다. 도 5c에 도시된 바와 같이, LiDAR 시스템(500)은 복귀 광 펄스(508, 542, 548)(각각 송신된 광 펄스(502, 522, 530)에 대응함)를 수신한다. 복귀 광 펄스(508, 542, 548)는 송신된 광 펄스를 객체(506, 514) 중 하나에 의해 산란 또는 반사함으로써 생성된다. 복귀 광 펄스(508, 542, 548)는 각각 광 경로(510, 544, 546)를 따라 LiDAR 시스템(500)으로 복귀할 수 있다. 송신된 광 펄스의 방향(LiDAR 시스템(500)에 의해 결정됨) 및 LiDAR 시스템(500)으로부터 광 펄스를 산란시키거나 반사하는 객체의 부분(예를 들어, 객체(506 및 514)의 부분)까지의 계산된 범위에 기초하여, 검출 가능한 범위 내의 외부 환경(예를 들어, 경로(504와 532) 사이의 시야)은 (예를 들어, 3D 포인트 클라우드 또는 이미지를 생성함으로써) 정확하게 맵핑되거나 플롯될 수 있다.
특정 송신된 광 펄스에 대해 대응하는 광 펄스가 수신되지 않으면, LiDAR 시스템(500)의 검출 가능한 범위 내에 객체가 없는 것으로 결정될 수 있다(예를 들어, 객체가 LiDAR 시스템(500)의 최대 스캐닝 거리를 벗어나 있음). 예를 들어, 도 5b에서, 광 펄스(526)는 대응하는 복귀 광 펄스(도 5c에 예시된 바와 같이)를 갖지 않을 수 있는 데, 이는 광 펄스(526)가 미리 결정된 검출 범위 내에서 송신 경로(528)를 따라 산란 이벤트를 생성하지 않을 수 있기 때문이다. LiDAR 시스템(500) 또는 LiDAR 시스템(500)과 통신하는 외부 시스템(예를 들어, 클라우드 시스템 또는 서비스)은 복귀 광 펄스의 결여를 LiDAR 시스템(500)의 검출 범위 내에서 광 경로(528)를 따라 배치된 객체가 없는 것으로 해석할 수 있다.
도 5b에서, 송신된 광 펄스(502, 522, 526, 530)는 임의의 순서로, 직렬로, 병렬로, 또는 서로에 대해 다른 타이밍에 기초하여 송신될 수 있다. 추가로, 도 5b는 송신된 광 펄스가 일차원 또는 하나의 평면(예를 들어, 페이지의 평면)으로 지향되는 것으로 도시하지만, LiDAR 시스템(500)은 또한 다른 차원(들) 또는 평면(들)을 따라 송신된 광 펄스를 지향시킬 수 있다. 예를 들어, LiDAR 시스템(500)은 또한 송신된 광 펄스를 도 5b에 도시된 차원 또는 평면에 직교하는 차원 또는 평면으로 지향시킴으로써, 광 펄스의 2차원 송신을 형성할 수 있다. 광 펄스의 이 2차원 송신은 하나 하나, 한 라인씩, 한꺼번에, 또는 일부 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 광 펄스(예를 들어, 단일 수평 라인)의 1차원 송신으로부터의 포인트 클라우드 또는 이미지는 2차원 데이터(예를 들어, (1) 수평 송신 방향으로부터의 데이터 및 (2) 객체까지의 범위)를 생성할 수 있다. 유사하게, 광 펄스의 2차원 송신으로부터의 포인트 클라우드 또는 이미지는 3차원 데이터(예를 들어, (1) 수평 송신 방향으로부터의 데이터, (2) 수직 송신 방향으로부터의 데이터, 및 (3) 객체까지의 범위)를 생성할 수 있다. 일반적으로, 광 펄스의 n차원 송신을 수행하는 LiDAR 시스템은 (n+1)차원 데이터를 생성한다. 이는 LiDAR 시스템이 객체의 깊이 또는 객체까지의 범위/거리를 측정할 수 있어, 데이터의 여분의 차원을 제공하기 때문이다. 따라서, LiDAR 시스템에 의한 2D 스캐닝은 LiDAR 시스템의 외부 환경을 맵핑하기 위한 3D 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
포인트 클라우드의 밀도는 LiDAR 시스템에 의해 수행하는 각도 영역당 측정값(데이터 포인트)의 수를 지칭한다. 포인트 클라우드 밀도는 LiDAR 스캐닝 해상도와 관련이 있다. 전형적으로, 적어도 ROI(region of interest)에 대해 더 높은 해상도가 요구된다. LiDAR 시스템에 의해 생성된 포인트 클라우드 또는 이미지의 포인트 밀도는 펄스 수를 시야로 나눈 값과 동일하다. 일부 실시예에서, 시야는 고정될 수 있다. 따라서, 한 세트의 송신-수신 광학계(또는 트랜시버 광학계)에 의해 생성된 포인트 밀도를 증가시키기 위해, LiDAR 시스템은 펄스를 더 자주 생성해야 할 수 있다. 달리 말해서, 더 높은 펄스 반복률(PRR)을 갖는 광원이 필요하다. 다른 한편으로, 펄스를 더 자주 생성하고 송신함으로써, LiDAR 시스템이 검출할 수 있는 가장 먼 거리가 제한될 수 있다. 예를 들어, 시스템이 다음 펄스를 송신한 후 멀리 있는 객체로부터의 복귀 신호가 수신되면, 복귀 신호는 대응 신호가 송신된 순서와 상이한 순서로 검출될 수 있고, 이에 의해 시스템이 복귀 신호를 송신된 신호와 정확하게 상관시킬 수 없는 경우 모호성을 유발할 수 있다. 예시하자면, 500kHz와 1MHz 사이의 반복률로 레이저 펄스를 전달할 수 있는 예시적인 LiDAR 시스템을 고려한다. 펄스가 LiDAR 시스템으로 복귀하는 데 걸리는 시간에 기초하고 종래의 LiDAR 설계에서 연속 펄스로부터의 복귀 펄스의 혼동을 피하기 위해, LiDAR 시스템이 검출할 수 있는 가장 먼 거리는 500 kHz 및 1 MHz 각각에 대해 300 미터 및 150 미터일 수 있다. 반복률이 500 kHz인 LiDAR 시스템의 포인트 밀도는 1 MHz인 경우의 절반이다. 따라서, 이 예는, 시스템이 순서 없이 도달하는 복귀 신호를 올바르게 상관시킬 수 없는 경우, 반복률을 500 kHz로부터 1 MHz로 증가(따라서 시스템 포인트 밀도를 개선)하면 시스템의 검출 범위가 감소될 것임을 입증한다. 더 높은 PRR과 제한된 검출 범위 사이의 절충안을 완화하기 위해 다양한 기술이 사용된다. 예를 들어, 다양한 범위의 객체를 검출하는 데 다수의 파장이 사용될 수 있다. 광학 및/또는 신호 처리 기술은 또한 송신된 신호와 복귀 신호 사이를 상관시키는 데 사용된다.
본 명세서에 설명된 다양한 시스템, 장치, 및 방법은 디지털 회로를 사용하거나 잘 알려진 컴퓨터 프로세서, 메모리 유닛, 저장 디바이스, 컴퓨터 소프트웨어, 및 기타 구성요소를 사용하는 하나 이상의 컴퓨터를 사용하여 구현될 수 있다. 통상적으로, 컴퓨터는 명령을 실행하기 위한 프로세서와 명령 및 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 메모리를 포함한다. 컴퓨터는 또한 하나 이상의 자기 디스크, 내부 하드 디스크 및 이동식 디스크, 광자기 디스크, 광학 디스크 등과 같은 하나 이상의 대용량 저장 디바이스를 포함하거나 이에 결합될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 시스템, 장치 및 방법은 클라이언트-서버 관계에서 작동하는 컴퓨터를 사용하여 구현될 수 있다. 통상적으로, 이러한 시스템에서, 클라이언트 컴퓨터는 서버 컴퓨터로부터 멀리 위치되고 네트워크를 통해 상호 작용한다. 클라이언트-서버 관계는 각각의 클라이언트 및 서버 컴퓨터에서 실행되는 컴퓨터 프로그램에 의해 정의되고 제어될 수 있다. 클라이언트 컴퓨터의 예는 데스크탑 컴퓨터, 워크스테이션, 휴대용 컴퓨터, 셀룰러 스마트폰, 태블릿, 또는 다른 유형의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 다양한 시스템, 장치, 및 방법은 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해 정보 캐리어, 예를 들어 비일시적 기계 판독 가능한 저장 디바이스에 유형적으로 구체화된 컴퓨터 프로그램 제품을 사용하여 구현될 수 있고; 본 개시내용에 설명된 다양한 방법 프로세스 및 단계는 이러한 프로세서에 의해 실행 가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 사용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 특정 활동을 수행하거나 특정 결과를 가져오기 위해 컴퓨터에서 직간접적으로 사용될 수 있는 일련의 컴퓨터 프로그램 명령이다. 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 언어 또는 해석된 언어를 포함한 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기입될 수 있으며, 독립형 프로그램 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적절한 기타 유닛을 포함하여 임의의 형태로 배포될 수 있다.
본 명세서에 설명된 시스템, 장치 및 방법을 구현하는 데 사용될 수 있는 예시적인 장치의 상위 레벨 블록도가 도 6에 예시되어 있다. 장치(600)는 영구 저장 디바이스(620) 및 메인 메모리 디바이스(630)에 작동식으로 결합된 프로세서(610)를 포함한다. 프로세서(610)는 이러한 작동을 정의하는 컴퓨터 프로그램 명령을 실행함으로써 장치(600)의 전반적인 작동을 제어한다. 컴퓨터 프로그램 명령은 영구 저장 디바이스(620) 또는 다른 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터 프로그램 명령의 실행이 요망될 때 메인 메모리 디바이스(630)에 로딩될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(610)는 제어 회로(350)(도 3에 도시됨), 차량 인지 및 계획 시스템(220)(도 2에 도시됨), 및 차량 제어 시스템(280)(도 2에 도시됨)과 같이 본 명세서에 설명된 하나 이상의 구성요소 및 시스템을 구현하는 데 사용될 수 있다. 본 개시내용에 설명된 다양한 방법은 메인 메모리 디바이스(630) 및/또는 영구 저장 디바이스(620)에 저장된 컴퓨터 프로그램 명령에 의해 정의되고 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하는 프로세서(610)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 프로그램 명령은 본 개시내용에 설명된 다양한 방법에 의해 정의된 알고리즘을 수행하기 위해 본 기술 분야의 숙련자에 의해 프로그래밍된 컴퓨터 실행 가능한 코드로서 구현될 수 있다. 따라서, 컴퓨터 프로그램 명령어를 실행함으로써, 프로세서(610)는 본 개시내용에 설명된 다양한 방법에 의해 정의된 알고리즘을 실행한다. 장치(600)는 또한 네트워크를 통해 다른 디바이스와 통신하기 위한 하나 이상의 네트워크 인터페이스(680)를 포함한다. 장치(600)는 또한 장치(600)(예를 들어, 디스플레이, 키보드, 마우스, 스피커, 버튼 등)와의 사용자 상호 작용을 가능하게 하는 하나 이상의 입력/출력 디바이스(690)를 포함할 수 있다.
프로세서(610)는 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서 모두를 포함할 수 있고 장치(600)의 단독 프로세서 또는 다중 프로세서 중 하나일 수 있다. 프로세서(610)는 하나 이상의 중앙 처리 유닛(CPU), 및 하나 이상의 그래픽 처리 유닛(GPU)을 포함할 수 있으며, 유닛은, 예를 들어 본 명세서에 설명된 다양한 이미지 처리 용례에 대해 처리를 가속하기 위해 하나 이상의 CPU와 별도로 및/또는 다중 작업을 수행할 수 있다. 프로세서(610), 영구 저장 디바이스(620), 및/또는 메인 메모리 디바이스(630)는 하나 이상의 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit)(ASIC) 및/또는 하나 이상의 필드 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(field programmable gate array)(FPGA)를 포함하거나, 이에 의해 보충되거나, 이에 통합될 수 있다.
영구 저장 디바이스(620) 및 메인 메모리 디바이스(630) 각각은 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 포함한다. 영구 저장 디바이스(620), 및 메인 메모리 디바이스(630)는 각각 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory)(DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(static random access memory)(SRAM), 2배속 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리(double data rate synchronous dynamic random access memory)(DDR RAM), 또는 다른 랜덤 액세스 솔리드 스테이트 메모리 디바이스와 같은 고속 랜덤 액세스 메모리를 포함할 수 있고, 비휘발성 메모리, 예컨대 내부 하드 디스크 및 이동식 디스크와 같은 하나 이상의 자기 디스크 저장 디바이스, 광자기 디스크 저장 디바이스, 광학 디스크 저장 디바이스, 플래시 메모리 디바이스, 반도체 메모리 디바이스, 예컨대 소거 가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(erasable programmable read-only memory)(EPROM), 전기적 소거 가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(electrically erasable programmable read-only memory)(EEPROM), 콤팩트 디스크 읽기 전용 메모리(compact disc read-only memory)(CD-ROM), 디지털 다용도 디스크 읽기 전용 메모리(digital versatile disc read-only memory)(DVD-ROM) 디스크, 또는 다른 비휘발성 솔리드 스테이트 저장 디바이스를 포함할 수 있다.
입력/출력 디바이스(690)는 프린터, 스캐너, 디스플레이 스크린 등과 같은 주변 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 입력/출력 디바이스(690)는 음극선관(cathode ray tube)(CRT), 사용자에게 정보를 디스플레이하기 위한 플라즈마 또는 액정 디스플레이(liquid crystal display)(LCD) 모니터와 같은 디스플레이 디바이스, 키보드, 및 사용자가 장치(600)에 입력을 제공할 수 있는 마우스 또는 트랙볼과 같은 포인팅 디바이스를 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 시스템 및 장치의 임의의 기능 또는 모든 기능은 프로세서(610)에 의해 수행될 수 있고, 및/또는 LiDAR 시스템(300)과 같은 장치 또는 시스템에 통합될 수 있다. 또한, LiDAR 시스템(300) 및/또는 장치(600)는 하나 이상의 신경망 또는 프로세서(610) 또는 본 명세서에서 설명되는 다른 시스템 또는 장치에 의해 수행되는 다른 딥러닝 기술을 이용할 수 있다.
본 기술 분야의 숙련자는 실제 컴퓨터 또는 컴퓨터 시스템의 구현이 다른 구조를 가질 수 있고 다른 구성요소도 포함할 수 있으며, 도 6이 예시 목적을 위한 이러한 컴퓨터의 일부 구성요소의 고레벨 표현이라는 것을 인지할 것이다.
도 7은 종래의 검류계 디바이스(700)를 도시한다. 검류계 디바이스는 레이저 빔을 조향하기 위해 거울을 회전시킬 수 있고, 예를 들어, 레이저 스캐닝, 프린팅, 의료 기구, 레이저 절단, 및 광학 투사에서 사용된다. 디바이스(700)는 거울(702), 반경방향-플럭스 모터(704), 베어링(706), 및 인코더(708)를 포함한다. 통상적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 반경방향-플럭스 모터(704), 베어링(706), 및 인코더(708) 모두는 거울(702)의 동일한 측부 상에 장착된다. 즉, 거울(702)은 검류계 디바이스(700)의 일 단부에 장착된다. 그에 따라, 전통적인 검류계 디바이스(700)는 단일-단부형 디바이스이다. 전형적으로, 디바이스(700)는 전형적으로 안정된 기초 상에 장착되거나 기계적 또는 열적 교란이 없거나 최소인 조용한 작동 환경에서 사용된다. 오늘날, 검류계 디바이스는 LiDAR 시스템의 일부로서 차량에 점점 더 많이 사용된다. 그러나, 차량의 작동 환경은 전통적인 검류계 디바이스가 사용되는 환경과 상당히 상이하다. 차량은 고속으로 또는 오프로드 조건에서 작동할 때 상당한 충격 또는 진동을 발생할 수도 있다. 넓은 온도 및 습도 범위에서 및/또는 먼지/안개/강우/강설 환경에서 작동될 필요가 있을 수도 있다. 즉, 차량의 작동 환경은 때때로 상당히 다양할 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 디바이스(700)와 같은 전통적인 검류계 디바이스는 차량에 장착될 때 잘 작동하지 않거나 전혀 작동하지 않을 수 있다.
구체적으로, 예로서 디바이스(700)를 사용하면, 거울(702)이 디바이스의 일 단부에 장착되기 때문에, 거울(702)은 디바이스가 고도로 진동하는 환경에서 작동하고 있다면 반경방향을 따르는 굴곡 또는 떨림을 가질 수 있다. 거울(702)의 굽힘 또는 떨림은 레이저 빔의 스캐닝 편차를 발생시키고, 이는 결국 이미지 또는 포인트 클라우드의 오차를 발생시킨다. 또한, 반경방향-플럭스 모터(704)의 치수는 일반적으로 그 종방향(도 7에 도시된 바와 같이 수직 방향)을 따라서 크다. 베어링(706) 및 인코더(708)가 또한 종방향을 따라서 반경방향-플럭스 모터(704)에 장착된다. 따라서, 디바이스(700)는 매우 길 수 있고, 차량 내의 작은 공간에 디바이스(700)를 설치하는 것이 어려울 수도 있다. 또한, 전통적인 검류계 디바이스(700) 내의 반경방향-플럭스 모터(704)의 권선부가 일반적으로 수동으로 만들어지고 반경방향-플럭스 모터(704)의 케이스 내로 삽입된다. 이러한 수동 공정은 자동차 제조를 위한 통상의 요건인, 전통적인 검류계 디바이스의 대량 제조를 방해한다. 또한, 전통적인 검류계 디바이스(700) 내의 인코더(708) 및 반경방향-플럭스 모터(704)는 서로 근접하여 배치된다. 그 결과, 반경방향-플럭스 모터(704)로부터 발생된 잡음은 인코더(708)의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시예는 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 도 10a 내지 도 10c 및 도 11을 사용하여 도시된다. 도 8a 및 도 8b는 예시적인 동력식 광학 스캐너(800)의 사시도이다. 도 9b는 도 8a 및 도 8b의 예시적인 동력식 광학 스캐너(800)의 단면도이다. 도 10a 및 도 10b는 도 8a 및 도 8b의 동력식 광학 스캐너(800)의 예시적인 회전자 조립체(1000)를 예시하는 사시도이다. 도 10c는 도 8a 및 도 8b의 동력식 광학 스캐너(800)의 예시적인 회전자 조립체(1000)를 예시하는 분해도이다. 도 11은 이중 샤프트 동력식 광학 스캐너의 예시적인 샤프트 장착 고정구(1106)를 예시하는 사시도이다. 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 도 10a 내지 도 10c, 및 도 11이 이하에 함께 설명된다. 상이한 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 도 10a 내지 도 10c 및 도 11의 동일한 요소는 동일한 번호로 표시된다. 동력식 광학 스캐너(800)는, 예를 들어, 도 3에 도시된 LiDAR 시스템(300)의 조향 메커니즘(340)의 일부일 수 있다.
도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 및 도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 동력식 광학 스캐너(800)는 반사 편(802)을 포함한다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 반사 편(802)은 기판(1004) 및 반사 표면(1002)을 포함할 수 있다. 반사 표면(1002)은 기판(1004)의 전방측에 기계적으로 또는 접착식으로 장착될 수 있다. 예를 들어, 반사 표면(1002)은 개별 기판(1004)에 장착된 거울일 수도 있다. 기판(1004)은 광범위한 환경 조건 하에서 반사 표면(1002)을 지지하기 위해 충분한 경도 또는 강도를 갖는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 기판(1004)은 예를 들어, 금속, 합금, 고무, 플라스틱 등으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(1004)과 반사 표면(1002)은 반사 편(802)의 일체형 부분일 수 있다. 반사 편(802)은 도10a-도10b에 도시된 바와 같이 모따기된 코너를 가질 수 있다. 반사 편(802)은 임의의 다른 유형의 형상 및 코너(예컨대, 모따기된 코너가 없는 직사각형 형상, 둥근 형상, 정사각형 형상, 둥근 코너 등)를 가질 수도 있다.
일부 실시예에서, 반사 표면(1002) 및 기판(1004)은 상이한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반사 표면(1002)은 반사 코팅을 갖는 유리로 제조된 거울일 수 있다. 기판(1004)은 금속(예를 들어, 알루미늄), 실리콘-카바이드, 또는 반사 표면(1002)에 요구되는 지지를 제공할 수 있는 임의의 다른 재료로 제조될 수 있다. 반사 표면(1002) 및 기판(1004)은 또한 개별적으로 또는 함께 밀링되거나 몰딩된 CNC(computer numerical control)일 수 있다. 예를 들어, 거울 및 그 기판은 함께 몰딩되거나 기계가공 제조될 수 있다. 기계를 사용하여, 거울이 먼저 거칠게 가공된 후 미세 연마 단계가 후속되어 광학적 반사 표면을 제공하도록 여러 가공 단계가 수행될 수 있다.
반사 편(802)은 레이저 빔의 스캐닝을 용이하게 하기 위해 축(808)(예컨대, 도 9a 및 도 9b에 도시된 반사 편(802)의 종방향으로 중심선을 따르는 축)을 중심으로 회전 또는 왕복 진동하도록 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 9a, 도 9b 및 도 10c에 도시된 바와 같이, 반사 편(802)은 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)에 장착된다. 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)는 반사 편(802)이 회전 또는 왕복 진동하는 축(808)을 형성하는 방식으로 장착될 수 있다. 예를 들어, 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)는 종방향으로 반사 편(802)의 중심축(808)과 정렬되도록 반사 편(802)의 각각의 에지의 중심 위치에 장착될 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)는 기판(1004)의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착된다. 기판(1004)의 제1 단부 및 제2 단부는 기판(1004)의 종방향을 따르는 기판(1004)의 대향 단부들이다. 이 구성은 반사 편(802)이 제1 샤프트(804)와 제2 샤프트(806) 사이에 위치되게 하여, 이중 샤프트 구조를 형성한다. 즉, 반사 편(802)은, 전통적인 단일-단부형 검류계 디바이스와 같이 일 단부에 위치되는 것과 대조적으로, 동력식 광학 스캐너(800)(도 8a 내지 도 8b에 도시됨)의 중간에 위치된다. 이중 샤프트 구조는 동력식 광학 스캐너(800)의 기계적 강건성 및 작동성을 향상시킨다.
일부 실시예에서, 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)는 도 10b에 도시된 샤프트-장착 고정구(1006)를 통해 기판(1004)에 부착된다. 샤프트-장착 고정구(1006)는 기판(1004)에 기계적으로(예를 들어, 체결구, 클램프 등을 사용하여) 또는 접착식으로 부착될 수 있다. 샤프트-장착 고정구(1006)는 또한 기판(1004)의 일체형 부분일 수 있다. 예를 들어, 샤프트-장착 고정구(1006) 및 기판(1004)은 몰딩 기술을 사용하여 단일 편으로서 함께 제조될 수 있다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 기판(1004)의 후방측은 샤프트-장착 고정구(1006)에 부착되고, 기판(1004)의 전방측은 반사 표면(1002)에 부착된다.
일부 실시예에서, 도 10c에 도시된 바와 같이, 샤프트-장착 고정구(1006)는 2개의 장착 구멍(1012, 1014)을 포함한다. 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)는 이들을 각각 장착 구멍(1012, 1014) 내로 삽입하고 이들을 샤프트-장착 고정구(1006)와 함께 고정함으로써 샤프트-장착 고정구(1006)에 부착된다. 유사하게, 도 11에 도시된 샤프트-장착 고정구(1106)는 또한 2개의 장착 구멍(1112, 1114)을 포함한다. 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)는 이들을 각각 장착 구멍(1112, 1114) 내로 삽입하고 이들을 샤프트-장착 고정구(1106)와 함께 고정함으로써 샤프트-장착 고정구(1106)에 부착될 수 있다. 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)를 샤프트-장착 고정구(1006 또는 1106)에 장착함으로써, 제2 샤프트(806)의 회전 또는 왕복 진동(아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 모터(812)에 의해 야기됨)이 반사 편(802)으로 하여금 회전 또는 왕복 진동하게 하여 레이저 빔이 반사 편(802)을 사용하여 스캐닝될 수 있다. 결국, 반사 편(802)의 회전 또는 왕복 진동(oscillation)은 제1 샤프트(804)가 회전 또는 왕복 진동되게 한다. 상술한 바와 같이, 이중-샤프트 구조는 강건성, 작동성 및 신뢰성을 향상시키기 위해 반사 편(802)의 지지를 강화한다.
도 10a 및 도 10b는 반사 편(802)의 기계적 지지를 제공하기 위한 바아-형상 지지 부재(1006A)를 갖는 샤프트-장착 고정구(1006)를 도시한다. 도 11은 샤프트-장착 고정구(1106)의 다른 실시예를 도시한다. 샤프트-장착 고정구(1106)는 반사 편(1102)의 기판(1104)의 후방측에 부착 또는 장착된다. 반사 편(802)과 유사하게, 반사 편(1102) 역시 반사 표면(도시되지 않음) 및 기판(1104)을 포함한다. 기판(1104)은 기계적으로 또는 접착식으로 샤프트-장착 고정구(1106)에 부착된다. 샤프트-장착 고정구(1006)와 달리, 샤프트-장착 고정구(1106)는 기판(1104)의 지지를 강화하기 위해 지지 부재(1106A) 및 복수의 돌출부(1108A-F)를 포함한다. 돌출부(1108A 내지 1108F)는 샤프트-장착 고정구(1106)에 기계적으로 부착될 수 있거나 또는 일체형 부재로서 지지 부재(1106A)와 함께 제조될 수 있다. 돌출부(1108A-F)는 반사 편(802)의 굽힘, 굴곡 또는 임의의 유형의 왜곡을 감소시키도록 반사 편(802)을 위한 추가적 지지를 제공할 수 있다. 돌출부(1108A-F)는 단지 예라는 것이 이해되어야 한다. 임의의 다른 구조 또는 형상의 샤프트-장착 고정구가 또한 반사 편의 지지를 강화하는데 사용될 수 있다.
이중 샤프트 구조, 샤프트-장착 고정구 및/또는 돌출부는 동력식 광학 스캐너에서 반사 편에 대한 지지를 강화 또는 향상시키기 위한 예시적 구조 요소이다. 반사 편에 대한 지지를 강화하는 것이 유리한데, 이는 반사 편(예를 들어, 802)이, 차량이 운행할 수 있는 매우 다양한 환경(예를 들어, 고온 또는 저온, 다습 또는 건조, 먼지 또는 안개, 등)에서 이용될 수 있기 때문이다. 이중 샤프트 구조, 샤프트-장착 고정구 및/또는 돌출부에 의해 제공되는 개선된 지지는 반사 편(802)의 임의의 굽힘 또는 왜곡을 감소 또는 제거한다. 결국, 이는 반사 편(802)에 의한 레이저 빔의 스캐닝에서 편차 또는 오차를 감소 또는 제거하고, 개선된 스캐닝 결과(예를 들어, 더 정확하고, 예측 가능하며, 및/또는 더 높은 품질의 이미지 또는 포인트 클라우드)를 생성한다.
도 9a 내지 도 9b 및 도 10a 내지 도 10c는 각각 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(806)에 결합되는 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)을 추가로 도시한다. 제1 샤프트(804) 및 제2 샤프트(904)는 각각 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)에 대해서 회전 또는 왕복 진동할 수 있다. 제2 샤프트(806)의 이동은 반사 편(802)이 회전 또는 왕복 진동하게 하여, 하나 이상의 광 빔을 시야에 광학적으로 스캐닝한다. 일부 실시예에서, 제1 베어링(902)과 제2 베어링(904)은 제1 샤프트(804)와 제2 샤프트(806)의 회전축이 서로 정렬되고 반사 편(802)의 회전축(808)과 정렬되도록 실질적으로 동심이다. 예를 들어, 제1 베어링(902)과 제2 베어링(904)은 그 회전축이 1 밀리라디안(mrad)보다 크게 오정렬되지 않으면 실질적으로 동심이다. 제1 샤프트(804), 제2 샤프트(806), 및 반사 편(802)의 정렬은 스캐닝 레이저 빔의 오차를 감소시키고 스캐닝 범위 정확도를 향상시킨다. 예를 들어, 2개의 샤프트가 반사 편(802)의 회전축(808)과 정렬되지 않는 경우, 반사 편(802)이 배향된 방향에서의 스캐닝 범위(예를 들어, 수직 스캐닝 범위)는 일 측으로 이동되어 대칭이 아닐 수 있다(예를 들어, 이는 반사 편(802)이 LiDAR 시스템의 다른 구성요소와 함께 차량에 장착될 때 도로 또는 하늘을 향해 더 이동될 수 있다).
일부 실시예에서, 제1 베어링(902)과 제2 베어링(904)을 실질적으로 동심이 되도록 정렬하기 위해, 일부 정렬 기구가 사용될 수 있다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)은 각각 제1 베어링 고정구(912) 및 제2 베어링 고정구(914)에 장착되거나 그 일부일 수 있다. 제1 베어링 고정구(912) 및 제2 베어링 고정구(914)는 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)을 수용하기 위한 장착 공간을 갖도록 제조될 수 있다. 제1 베어링 고정구(912) 및 제2 베어링 고정구(914)는 또한 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)과 함께 일체형 부재로서 각각 제조될 수 있다. 제1 베어링 고정구(912) 및 제2 베어링 고정구(914)는 동력식 광학 스캐너(800)의 기부(920)에 장착된다. 일부 실시예에서, 제1 베어링 고정구(912) 및 제2 베어링 고정구(914)의 각각은 적어도 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)의 동심도를 정렬하기 위한 개별 정렬 기구를 포함한다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 하나의 이러한 정렬 기구는 제1 베어링 고정구(912) 및 제2 베어링 고정구(914)에 각각 포함된 2개의 도웰 핀 구멍(932, 934)을 갖는다. 도웰 핀 구멍(932, 934)은 특정 공차로 기계가공된 중실형이며, 헤드가 없는, 원통형 금속 로드인 도웰 핀을 수용하기 위한 것이다. 도웰 핀은 정밀한 정렬을 용이하게 하도록 매우 작은 허용 가능 공차를 가질 수 있다. 도웰 핀 구멍(932, 934)을 사용하여, 베어링 고정구(912, 914) 사이의 정밀한 정렬이 성취될 수 있다(예를 들어, 기부(920) 상에의 이들의 X-Y 위치가 정밀하게 정렬됨). 이는 결국 모든 차원에서 제1 베어링(902) 및 제2 베어링(904)의 정밀한 정렬을 야기할 수 있는데, 이는 베어링 고정구(912/914)의 위치가 기부(920) 상에서 정밀하게 정렬되기 때문이다. 제1 베어링(902)과 제2 베어링(904)의 정밀한 정렬은 제1 샤프트(804)와 제2 샤프트(806)가 또한 정렬되도록 그들의 동심도의 정렬을 포함할 수 있다.
도 8a 및 도 8b와 도 9a 및 도 9b를 다시 참조하면, 동력식 광학 스캐너(800)는 위치 인코더(822)를 포함한다. 전통적인 검류계 디바이스와 달리, 위치 인코더(822)는 모터(812)의 대향 단부에 배치된다. 즉, 위치 인코더(822)와 모터(812)는 반사 편(802)의 2개의 측부에 배치된다. 도 8a 내지 도 8b 및 도 9a 내지 도 9b에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 위치 인코더(822)는 제1 샤프트(804)에 결합되고 제1 베어링 고정구(912) 옆에 위치된다. 따라서, 위치 인코더(822) 및 제1 베어링(902)은 모두 제1 샤프트(804)에 결합되지만, 제1 샤프트(804)의 상이한 부분에 결합된다. 제1 샤프트(804)에 결합됨으로써, 위치 인코더(822)는 제1 샤프트(804)가 회전할 때 회전하여, 제1 샤프트(804)의 회전에 대응하는 출력을 제공한다. 위치 인코더(822)의 출력은 전압 펄스 또는 절대 각도 위치에 관한 것일 수 있다. 예를 들어, 위치 인코더(822)는 제1 샤프트(804)의 각도 위치 또는 동작을 전기 신호로 변환하는 회전 인코더일 수 있다. 제1 샤프트(804)가 반사 편(802)에 결합되기 때문에, 위치 인코더(822)의 출력은 따라서 반사 편(802)의 위치를 나타낸다. 반사 편(802)의 위치는 예를 들어, 동력식 광학 스캐너(800)의 스캐닝 위치/각도(예컨대, 수직 스캐닝 위치/각도)에 대응한다. 따라서, 위치 인코더(822)는 반사 편(802)의 위치, 회전 속력, 위상, 방향 등을 결정하기 위해 사용될 수 있는 신호를 제공한다.
일부 실시예에서, 위치 인코더(822)는 제1 베어링(902)보다 반사 편(802)으로부터 더 멀리 위치된다. 즉, 위치 인코더(822)는 동력식 광학 스캐너(800)의 일 단부에 위치된다. 상술한 바와 같이, 모터(812)는 반사 편(802)의 다른 측부에 위치된다. 이러한 구성은 도 7에 도시된 전통적인 검류계 디바이스와 상이하다. 결과적으로, 동력식 광학 스캐너(800)는 전통적인 검류계 디바이스보다 더 균형적일 수 있고, 이는 더 큰 강건성, 신뢰성, 및 작동성을 제공하고, 반사 편(802)의 굽힘 또는 왜곡을 감소시킨다. 또한, 위치 인코더(822)가 도8a 내지 도8b에 도시된 바와 같이 모터(812)로부터 대향측에 위치되기 때문에, 위치 인코더(822)는 모터(812)에 의해 발생되는 잡음에 덜 민감하다. 일부 실시예에서, 작동 시, 모터(812)는 큰 전류를 생성할 수 있고, 이는 위치 인코더(822)에 영향을 미치는 증가된 잡음을 유발할 수 있다. 위치 인코더(822)를 모터(812)로부터 먼 다른 측부에 배치함으로써, 위치 인코더(822)의 신호 품질 및 무결성(예를 들어, 신호 대 잡음비 개선) 및 전력 잡음(power noise)에 대한 내성이 개선될 수 있다.
일부 실시예에서, 위치 인코더(822)는 광학 이미터 및 광학 수신기(도시되지 않음)를 포함한다. 광학 이미터는 예를 들어, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(LED) 기반 이미터일 수 있다. 광학 이미터는 약 940nm의 파장을 갖는 광을 제공할 수 있다. 940nm 파장의 부근은 흔히 요구되는 파장인데, 이는 대기 흡수로 인해 이 파장 주변에 훨씬 더 적은 자연광이 존재하기 때문이다. 광학 수신기는 포토다이오드 어레이 또는 포토트랜지스터 어레이일 수 있다. 광학 이미터는 광학적 광(optical light)을 생성하고, 광학 수신기 어레이는 광전류를 생성한다. 제1 샤프트(804)가 회전할 때, 이는 광학 수신기의 출력에 영향을 미치기 위해 광학적 광의 일부를 차단하거나 반사시킬 수 있다. 따라서, 제1 샤프트(804)(및 이에 따라 반사 편(802))의 위치는 광학 수신기에 의해 발생된 광전류를 측정함으로써 감지될 수 있다. 광학적 협대역 필터가 광학적 수신기에 적용되어 이미터 파장 대역에서 벗어난 주변 광을 거부할 수 있다.
광학 방출 파워가 온도(및/또는 다른 환경 인자)에 의해 영향을 받기 때문에, 일부 실시예에서, 위치 인코더(822)는 이미터 전류를 제어하고, 강도 오차를 감소시키고, 배경 잡음에 대한 내성을 증가시키도록 구성된 인코더 이미터 구동 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 이미터 구동 전류는 이미터 구동 회로에 의해 동적으로 제어될 수 있어, 수신기 출력을 넓은 온도 범위에서 안정되게 만들 수 있다. 이미터 구동 전류(예를 들어, LED 기반 이미터 전류)는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)에 의해 또는 임의의 적합한 아날로그 회로에 의해 구동될 수 있다. 이미터 전류는 또한 배경 잡음에 대한 신호 내성을 증가시키도록 구성(예를 들어, 초핑)될 수 있다. 예를 들어, 이미터 광은, 주변 광 및 암 전류가 일정한 것으로서 처리될 수 있는 상태에서 충분히 빠른 미리 결정된 속력으로 켜지도록/꺼지도록 제어될 수 있다. 이미터 광이 켜질 때 및 이미터 광이 꺼질 때 모두에서 광학 수신기 출력을 샘플링한 다음, 이미터 광 꺼짐 상태에서의 수신기 출력을 이미터 광 켜짐 상태에서의 수신기 출력으로부터 차감함으로써, 배경 잡음(예컨대, 주변 광 및 암 전류)의 영향이 제거될 수 있다. 이는 신호 대 잡음비를 향상시키고, 신호 내성을 증가시켜, 더 양호한 위치 인코더 성능을 야기한다. 인코더 이미터 구동 회로는 예를 들어, 도 3에 도시된 제어 회로(350)를 사용하여 구현될 수 있다.
위치 인코더(822)는 또한 흑잡음을 포함하는 배경 잡음에 대한 잡음 내성을 추가로 개선하도록 구성된 인코더 수신기 조절 회로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 인코더 이미터 구동 회로 및/또는 인코더 수신기 조절 회로는 동력식 광학 스캐너(800)에 포함될 수 있거나 LiDAR 시스템의 다른 부분에(예를 들어, 시스템(300)의 제어 회로(350)에) 별개로 배치될 수 있다. 인코더 수신기 조절 회로는 예를 들어, 아날로그 또는 디지털 필터를 포함할 수 있다. 일 예로서, 외부 잡음에 대한 내성을 개선하기 위해 저역 통과 필터가 구현될 수 있다. 다른 예로서, 주변 광 저항 능력을 개선하기 위해 LED 광의 초핑 주파수를 격리시키도록 고역 통과 필터가 구현될 수 있다.
도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 그리고 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 동력식 광학 스캐너(800)는 축방향 플럭스 모터(812)를 더 포함할 수 있다. 축방향 플럭스 전기 모터, 축방향 갭 모터, 또는 팬케이크 모터로도 지칭되는 축방향 플럭스 모터는 회전자와 고정자 사이의 갭(및 그에 따른 그들 사이의 자기 플럭스의 방향)이 회전 축과 평행하게 정렬되는 유형의 전기 모터이다. 예를 들어, 도 9a 및 도 9b, 도 10a 내지 도 10c, 및 도 12a에 도시된 바와 같이, 축방향 플럭스 모터(812)가 회전자(942) 및 고정자(944A 및 944B)를 포함한다. 고정자(944A 및 944B)는 회전자(942)의 2개의 측부에 배열된다. 일부 실시예에서, 회전자(942)는 제2 샤프트(806)에 결합된 (도 10c에 도시된) 2개의 축방향으로 자화된 반원통형 자석(half-cylinder magnet)(942A 및 942B)을 포함한다. 고정자(944A, 944B)는 전기 전도성 권선부 또는 코일을 포함한다. 모터(812)에 전기가 제공될 때, 권선부 또는 코일은 자석(942A 및 942B)이 이동하게 하는 전자기력을 발생시킨다. 그리고, 자석(942A 및 942B)이 회전자(942)의 일부이기 때문에, 회전자(942)도 이동한다. 회전자(942)는 제2 샤프트(806)에 결합되며, 이에 따라, 회전자(942)의 회전 또는 왕복 진동은 또한 제2 샤프트(806)가 회전 또는 왕복 진동하게 한다. 이는 결국 FOV에 대해 광 빔을 스캐닝하기 위해 반사 편(802)을 회전 또는 왕복 진동한다.
일부 실시예에서, 고정자(944A, 944B)의 권선부는 강철 판과 같은 하나 이상의 금속 판에 장착된다. 강철 판은 개선된 모터 작동을 위해 자기장 강도를 향상시킬 수 있고 표유 자기장을 차폐할 수 있다. 권선부는, 예를 들어, 고정자 상에 장착된 플랫 코일(flat coil)일 수 있다. 일부 실시예에서, 모터(812) 측에서, 샤프트 정지 메커니즘(903)(도 9a, 도 9b 및 도 10a에 도시됨)이 제2 샤프트(806)의 단부에 설치된다. 샤프트 정지 메커니즘(903)은 반사 편(802)의 회전 범위를 제한하기 위해 사용될 수 있다. 특정 LiDAR 용례에서, 예를 들어, 동력식 광학 스캐너(800)는 특정 범위(예를 들어, 약 70도의 수직 범위)만을 스캐닝하도록 구성된다. 따라서, 반사 편(802)은 특정 범위를 초과하여 회전할 필요가 없고, 때로는 그렇게 회전하는 것이 바람직하지 않다. 샤프트 정지 메커니즘은, 특정 스캐닝 범위가 만족되도록, 제2 샤프트(806)가 특정 범위를 넘어 더 회전 또는 왕복 진동하는 것을 정지시키기 위해 사용될 수 있다.
도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 도 10a 내지 도 10c, 및 도 12a 및 도 12b는 축방향 플럭스 모터 구성의 일 실시예를 도시한다. 많은 다른 구성이 또한 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 회전자(942)는 도 10c에 도시된 바와 같은 2개의 축방향 자화된 반원통형 자석(942A 및 942B)을 사용하지 않을 수 있다. 대신에, 회전자(942)는 금속 판 또는 디스크를 포함할 수 있으며, 복수의 더 작은 자석 편이 금속 판 또는 디스크의 하나 이상의 측면에 장착된다. 다른 예로서, 회전자의 2개의 측부 상에 배치된 2개의 고정자를 이용하는 대신에, 축방향 플럭스 모터는 중심 고정자 및 중심 고정자의 2개의 측부 상에 배치된 2개의 회전자를 가질 수도 있다. 중앙 고정자는 중앙 고정자의 축방향을 따라 장착된 권선부를 가질 수 있다. 그리고, 2개의 회전자는 회전자들의 측부 표면에 장착된 자석들을 가질 수 있어서, 이들 사이의 자기 플럭스의 방향이 회전 축에 평행한다.
일부 실시예에서, 모터(812)는 또한 제2 샤프트(806)를 회전 또는 왕복 진동시키도록 축방향 플럭스 모터(812)를 제어하게 구성된 모터 제어 회로(도시되지 않음)를 포함하며, 그에 따라 반사 편(802)이 회전 또는 왕복 진동하여 하나 이상의 광 빔을 시계로 스캐닝한다. 모터 제어 회로는 모터(812)와 함께 배치될 수 있거나 예컨대 도 3에 도시된 LiDAR 시스템(300)의 제어 회로(350)에서 임의의 위치에도 배치될 수 있다. 모터 제어 회로는 예를 들어, 모터(812)의 회전 속력, 각도, 위상, 범위 등을 제어하도록 프로그래밍되거나 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 축방향 플럭스 모터(예를 들어, 모터(812))는 반경방향 플럭스 모터보다 적어도 축방향으로 더 콤팩트하다. 도 13은 축방향 플럭스 모터와 반경방향 플럭스 모터 사이의 비교를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 반경방향 플럭스 모터에 있어서, 자석 및 권선부의 구성은 자기 플럭스가 반경방향에 평행하는 것(즉, 모터의 축방향 또는 회전축에 대해 직교하는 것)이다. 대조적으로, 축방향 플럭스 모터는 자기 플럭스가 축방향에 평행하도록(즉, 회전축에 평행하도록) 구성된 자석 및 권선부를 갖는다. 따라서, 축방향 플럭스 모터의 길이는 반경방향 플럭스 모터의 길이보다 상당히 작을 수 있다. 따라서, 축방향 플럭스 모터는 크기가 더 콤팩트할 수 있다. 따라서, 축방향 플럭스 모터는, 콤팩트한 LiDAR 시스템은 종종 차량의 특정 작은 공간(예를 들어, 차량의 코너, 사이드 거울, 또는 다른 작은 구획)에 장착되는, 콤팩트한 LiDAR 시스템에 더 용이하게 설치될 수 있다. 또한, 축방향 플럭스 모터의 경우에, 그 권선부 및 부속 구성요소가 또한 반경방향 플럭스 모터에 비해 개선된다. 예를 들어, 전통적인 반경방향 플럭스 모터는 코일 돌출부(coil overhanging)를 가질 수 있고, 이는 그 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 축방향 플럭스 모터는 집중된 권선부를 가지며 동일한 문제를 갖지 않는다. 또한, 축방향 플럭스 모터는 그 자기 플럭스 경로가 반경방향 플럭스 모터(제1 치형부로부터 고정자로 이동하고 이어서 다음의 치형부로 다시 이동함)보다 짧기 때문에 본질적으로 더 효율적이다. 축방향 플럭스 모터의 냉각은 또한 반경방향 플럭스 모터보다 양호한데, 이는 권선부가 외부 금속 케이싱과 직접 접촉될 수 있기 때문이다. 따라서, 동력식 광학 스캐너(예를 들어, 개선된 검류계 디바이스)에서 축방향 플럭스 모터를 이용하는 것이 여러 방식으로 유리할 수 있다.
다양한 예시적인 실시예가 본 명세서에서 설명된다. 비제한적인 의미로 이들 예를 참조한다. 이들 예는 개시된 기술의 더 광범위하게 적용 가능한 양태를 예시하기 위해 제공된다. 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 다양한 실시예의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않고 등가물이 대체될 수 있다. 또한, 특정 상황, 재료, 물질의 조성, 프로세스, 프로세스 동작(들) 또는 단계(들)를 다양한 실시예의 목적(들), 사상 또는 범위에 적응시키기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 또한, 본 기술 분야의 숙련자라면 이해하는 바와 같이, 본 명세서에 설명되고 예시된 각각의 개별적인 변형은 다양한 실시예의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 임의의 다른 여러 실시예의 피처로부터 용이하게 분리되거나 그 피처와 조합될 수 있는 별개의 구성요소 및 피처를 갖는다.

Claims (23)

  1. 자동차에 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 동력식 광학 스캐너이며,
    기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편;
    기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착되는 제1 샤프트 및 제2 샤프트로서, 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이고, 제1 샤프트 및 제2 샤프트의 회전 축들은 종방향으로 반사 편을 통과하는, 제1 샤프트 및 제2 샤프트,
    제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합된 제1 베어링 및 제2 베어링으로서, 제1 베어링 및 제2 베어링은 실질적으로 동심이고, 제2 샤프트의 이동은 반사 표면이 하나 이상의 광 빔을 시야에 대해 광학적으로 송신하게 하는, 제1 베어링 및 제2 베어링을 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  2. 제1항에 있어서,
    반사 표면은 기판의 전방측에 기계적으로 또는 접착식으로 장착되는 거울인, 동력식 광학 스캐너.
  3. 제1항에 있어서,
    기판 및 반사 표면은 반사 편의 일체형 부분인, 동력식 광학 스캐너.
  4. 제1항에 있어서,
    샤프트-장착 고정구를 더 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  5. 제4항에 있어서,
    기판의 후방측은 샤프트-장착 고정구에 부착되는, 동력식 광학 스캐너.
  6. 제4항에 있어서,
    샤프트-장착 고정구는 기판의 지지를 강화시키는 복수의 돌출부를 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  7. 제4항에 있어서,
    샤프트-장착 고정구는 제1 샤프트 및 제2 샤프트가 삽입되는 2개의 장착 구멍을 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  8. 제1항에 있어서,
    각도 위치 인코더를 더 포함하고:
    제1 베어링은 제1 샤프트의 제1 부분에 결합되고;
    위치 인코더는 제1 샤프트의 제2 부분에 결합되고, 제2 부분은 제1 부분과 상이하고;
    위치 인코더는 제1 베어링보다 반사 편으로부터 더 멀리 위치되는, 동력식 광학 스캐너.
  9. 제8항에 있어서,
    각도 위치 인코더는 제1 샤프트의 각도 위치 또는 동작을 전기 신호로 변환하는 회전 인코더인, 동력식 광학 스캐너.
  10. 제8항에 있어서,
    이미터 전류를 제어하고, 강도 오차를 감소시키며, 배경 잡음에 대한 내성을 증가시키도록 구성된 인코더 이미터 구동 회로를 더 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  11. 제8항에 있어서,
    흑잡음을 포함하는 배경 잡음에 대한 잡음 내성을 추가로 개선하도록 구성된 인코더 수신기 조절 회로를 더 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  12. 제1항에 있어서,
    제1 베어링 및 제2 베어링은 각각 제1 베어링 고정구 및 제2 베어링 고정구에 장착되거나 제1 베어링 고정구 및 제2 베어링 고정구의 일부이며,
    제1 베어링 고정구 및 제2 베어링 고정구 각각은 적어도 제1 베어링과 제2 베어링의 동심도를 정렬시키도록 구성된 개별 정렬 기구를 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  13. 제12항에 있어서,
    정렬 기구는 하나 이상의 도웰 핀 구멍을 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  14. 제1항에 있어서,
    제2 샤프트에 결합된 축방향 플럭스 모터를 더 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  15. 제14항에 있어서,
    축방향 플럭스 모터는 제2 샤프트의 제1 부분에 결합되고;
    제2 베어링은 제2 샤프트의 제2 부분에 결합되고, 제2 부분은 제1 부분과 상이하고;
    제2 베어링은 축방향 플럭스 모터보다 반사 표면으로부터 더 멀리 위치되는, 동력식 광학 스캐너.
  16. 제14항에 있어서,
    축방향 플럭스 모터는:
    하나 이상의 고정자;
    제2 샤프트에 결합되는 회전자;
    제1 권선부 및 제2 권선부로서, 회전자가 제1 권선과 제2 권선 사이에 배치되는, 제1 권선부 및 제2 권선부를 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  17. 제16항에 있어서,
    회전자는 제2 샤프트에 결합된 2개의 축방향 자화된 반원통형 자석을 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  18. 제16항에 있어서,
    제1 권선부 및 제2 권선부는 하나 이상의 고정자 상에 장착된 플랫 코일을 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  19. 제18항에 있어서,
    제1 권선부 및 제2 권선부는 하나 이상의 강철 판 상에 장착되는, 동력식 광학 스캐너.
  20. 제16항에 있어서,
    회전자는 회전자의 하나 이상의 측부 표면 상에 장착된 복수의 자석을 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  21. 제14항에 있어서,
    반사 편이 시야에 하나 이상의 광 빔을 송신하도록 회전 또는 왕복 진동하도록 제2 샤프트를 회전 또는 왕복 진동시키기 위해 축방향 플럭스 모터를 제어하게 구성된 모터 제어 회로를 더 포함하는, 동력식 광학 스캐너.
  22. 자동차에서 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템이며, 상기 시스템은 동력식 광학 스캐너를 포함하고, 동력식 광학 스캐너는:
    기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편;
    기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착되는 제1 샤프트 및 제2 샤프트로서, 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이고, 제1 샤프트 및 제2 샤프트의 회전 축들은 종방향으로 반사 편을 통과하는, 제1 샤프트 및 제2 샤프트,
    제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합된 제1 베어링 및 제2 베어링으로서, 제1 베어링 및 제2 베어링은 실질적으로 동심이고, 제2 샤프트의 이동은 반사 표면이 하나 이상의 광 빔을 시야에 대해 광학적으로 송신하게 하는, 제1 베어링 및 제2 베어링을 포함하는, 시스템.
  23. 동력식 광학 스캐너를 포함하는 자동차이며, 동력식 광학 스캐너는:
    기판 및 반사 표면을 포함하는 반사 편;
    기판의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 부착되는 제1 샤프트 및 제2 샤프트로서, 제1 단부 및 제2 단부는 기판의 종방향을 따르는 기판의 대향 단부들이고, 제1 샤프트 및 제2 샤프트의 회전 축들은 종방향으로 반사 편을 통과하는, 제1 샤프트 및 제2 샤프트,
    제1 샤프트 및 제2 샤프트에 각각 결합된 제1 베어링 및 제2 베어링으로서, 제1 베어링 및 제2 베어링은 실질적으로 동심이고, 제2 샤프트의 이동은 반사 표면이 하나 이상의 광 빔을 시야에 대해 광학적으로 송신하게 하는, 제1 베어링 및 제2 베어링을 포함하는, 자동차.
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