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WO2016047847A1 - 라이다 시스템 - Google Patents

라이다 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2016047847A1
WO2016047847A1 PCT/KR2014/010108 KR2014010108W WO2016047847A1 WO 2016047847 A1 WO2016047847 A1 WO 2016047847A1 KR 2014010108 W KR2014010108 W KR 2014010108W WO 2016047847 A1 WO2016047847 A1 WO 2016047847A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
rotating
light
support
base
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/010108
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정영대
이종원
Original Assignee
한화테크윈 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한화테크윈 주식회사 filed Critical 한화테크윈 주식회사
Publication of WO2016047847A1 publication Critical patent/WO2016047847A1/ko

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Definitions

  • Embodiments relate to a lidar system, and more particularly, to a lidar system having a compact design by reducing the size and weight of a rotating part for emitting light.
  • the LIDAR system Light Detection And Ranging System
  • the LIDAR system is a system that can irradiate a laser toward a target and detect the distance, direction, speed, temperature, material distribution and concentration characteristics to an object.
  • Lidar system has been utilized for the purpose of weather observation and distance measurement, etc. Recently, it has been studied for techniques for weather observation using satellite, driverless robot sensor, driverless driving vehicle, and 3D image modeling.
  • a light source for generating a laser and a module for controlling and supplying a light source should be disposed on a rotating body that performs a rotary motion.
  • an accessory for electrical connection between the body supporting the rotor and the rotor should be used.
  • the object of the embodiments is to provide a lidar system which is compact and has improved safety.
  • Another object of the embodiments is to provide a lidar system in which the size and weight of the rotating part for emitting light to the outside is minimized.
  • Yet another object of the embodiments is to provide a lidar system of compact design by installing a light generating portion for generating light on a base supporting a rotating portion.
  • Yet another object of the embodiments is to provide a lidar system in which safety is improved by protecting the rotating part.
  • a lidar system includes a base, a rotating part rotatably connected to one side of the base, a support part extending from the base to the other side of the rotating part and rotatably supporting the other side of the rotating part, and installed on the base and directed toward the rotating part.
  • a signal transmission unit installed between the other side of the support unit and the support unit to rotatably support the rotating unit and transmitting a signal to the receiver unit, a wiring unit installed in the support unit electrically connecting the base and the signal transmission unit, and installed in the base unit
  • a control unit for controlling the driving unit and the receiving unit and the biological father.
  • the rotating part may have a hollow rotating shaft on one side
  • the base may include a supporting shaft for rotatably supporting the rotating shaft
  • the lidar system may further include a first bearing installed between the supporting shaft and the rotating shaft.
  • the driving unit may generate a driving force for rotating the rotating shaft with respect to the supporting shaft.
  • the light generating unit may emit light toward the rotating unit through the rotation axis.
  • the support portion may have an upper support portion having a through hole for rotatably supporting the other side of the rotating portion, and the rotating portion may have an upper shaft rotatably inserted into the through hole of the upper support portion on the other side, and the lidar system includes an upper support portion.
  • a second bearing disposed between the upper shaft of the rotating part may be further provided, and the signal transmission part may be inserted into a through hole passing through the center of the upper shaft and fixed to the upper support part.
  • the optical unit may emit light in a first direction and a second direction
  • the rotating unit may include a plurality of light exit holes through which light in the first direction and the second direction passes outside the rotating unit.
  • the optical unit may include a prism, a first mirror disposed on one surface of the prism to reflect light in the first direction, and a second mirror disposed on the other surface of the prism to reflect light in the second direction.
  • the receiver may include a first receiver and a second receiver that receive reflected light incident from different directions, and the rotating unit may include a light inlet at respective positions corresponding to the first receiver and the second receiver.
  • a plurality of support parts may be disposed outside the rotating part to be spaced apart along the rotation direction of the rotating part, and the wiring part may be disposed on at least one of the plurality of support parts.
  • a lidar system includes a base, a rotating part having a hollow rotating shaft on one side and rotatably coupled to the base by the rotating shaft, and disposed on the base to generate light and passing the light through the rotating shaft to the rotating part.
  • a light generating unit for transmitting, a support unit extending from the base to the other side of the rotating unit and rotatably supporting the other side of the rotating unit, an optical unit disposed in the rotating unit and radiating the light transmitted from the light generating unit to the outside of the rotating unit, and the rotating unit It is disposed in the receiving unit for receiving the reflected light from the outside to generate an electrical signal, and is provided between the other side of the rotating portion and the support portion and a signal transmission unit for transmitting a signal to the receiving unit.
  • the base may have a support shaft rotatably supporting the rotary shaft, the lidar system having a first bearing installed between the support shaft and the rotary shaft, and the support shaft mounted on the base.
  • a driving unit for generating a driving force for rotating the rotary shaft with respect to may be further provided.
  • the lidar system may further include a controller installed at the base and electrically connected to the light generator, the driver, and the wiring unit to control the light generator, the driver, and the receiver.
  • the light generating unit for generating light may be disposed on the base, thereby greatly reducing the number and volume of components included in the rotating unit.
  • the weight of the rotating unit can be reduced, thereby reducing the size and power consumption of the driving unit necessary for driving the rotating unit.
  • the support part which transmits an electric signal to the rotating part while rotatably supporting the rotating part surrounds the rotating part and protects the rotating part, safety can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view of a lidar system according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of a cut away portion of the lidar system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the lidar system of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective view of some components of the lidar system of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram schematically illustrating an operation of an optical unit of the lidar system of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically illustrating a relationship between components of the lidar system of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a lidar system according to one embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view showing a portion of the lidar system of FIG. 1 cut away
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the lidar system of FIG.
  • the lidar system according to the embodiment illustrated in FIGS. 1 to 3 includes a rotating part 20 to which one side 20a is rotatably connected to the base 10 and the base 10, and the rotating part 20 on the base 10. And a support part 30 which rotatably supports the other side 20b of the rotating part 20 and extends to the other side 20b of the rotating part 20, and is installed in the base 10 to emit light toward the rotating part 20.
  • the light generating unit 40 and the optical unit 50 installed in the rotating unit 20 to guide the light from the light generating unit 40 to the outside of the rotating unit 20 and the rotating unit 20 are disposed outside
  • the support unit 30 may be provided with a wiring unit 80 that electrically connects the base 10 and the signal transmission unit 70.
  • a wiring unit 80 a copper wire or an optical fiber for transmitting an optical signal may be used.
  • the base 10 may be provided with a driving unit 90 for generating a driving force for rotating the rotating unit 20.
  • the control unit 100 may be installed in the base 10.
  • the controller 100 is electrically connected to the light generator 40, the driver 90, and the wiring unit 80 to control each of the light generator 40, the driver 90, and the receiver 60. Can be.
  • the rotating unit 20 includes a hollow rotating shaft 21 on one side 20a.
  • the rotating shaft 21 has a center hole 21a through which light generated by the light generating portion 40 passes.
  • the base 10 includes a support shaft 11 surrounding the rotation shaft 21 to rotatably support the rotation shaft 21. Since the first bearing 17 is installed between the support shaft 11 and the rotation shaft 21, the rotation shaft 21 may rotate with respect to the support shaft 11.
  • the driving unit 90 may include a stator 91 fixed to the support shaft 11 and a rotor 92 fixed to the rotation shaft 21.
  • the driving unit 90 may be, for example, a brushless direct current motor (BLDC motor), and the embodiment is not limited by the type of motor used in the driving unit 90, and thus various types of motors. Using the driving unit 90 can be implemented.
  • the driving unit 90 may rotate the rotary shaft 21 with respect to the support shaft 11 by operating by a control signal transmitted from the controller 100.
  • the light generating unit 40 passes through the rotating shaft 21 to emit light toward the rotating unit 20.
  • the light generator 40 may generate a pulsed laser by operating by a control signal transmitted from the controller 100.
  • the support part 30 may be manufactured in a tubular shape having a circular cross section or a polygonal cross section.
  • One end 30a of the support 30 is connected to the base 10, and an upper support 30b for rotatably supporting the other side 20b of the rotating unit 20 is installed at the other end of the support 30. do.
  • the support part 30 may include a plurality of support parts 31, 32, and 33 spaced apart from each other along the rotation direction of the rotation part 20.
  • the number of supports 31, 32, 33 is not limited to three as shown in FIG. 1, and a larger number may be installed, or two or only one may be installed.
  • the support unit 30 may perform a function of mechanically and electrically connecting the base 10 and the rotating unit 20, and may also perform a function of rotatably connecting the rotating unit 20.
  • the support unit 30 may function as a skeleton to surround the rotating unit 20 to protect the rotating unit 20 from external impact.
  • the support part 30 may block the path of the light or the reflected light, but in this case, since the measurement may be performed by the proximity signal due to the divergent irradiation angle of the laser, the area of the sound region may be generated. I never do that.
  • the wiring unit 80 is disposed only on one support unit 31 of the three support units 31, 32, and 33, and the embodiment is not limited to the arrangement of the wiring unit 80 and is required. Accordingly, the wiring unit 80 may be disposed on or partially disposed on all of the support units 31, 32, and 33.
  • the upper support part 30b includes a through hole 38 rotatably supporting the other side 20b of the rotating part 20.
  • the rotating part 20 has an upper shaft 28 which is rotatably inserted into the through hole 38 of the upper support part 30b. Since the second bearing 37 is installed between the upper shaft 28 and the through hole 38 of the rotating part 20, the upper support part 30b may rotatably support the rotating part 20.
  • a sealing ring 39 may be installed between the outer edge of the upper support part 30b and the rotating part 20.
  • the sealing ring 39 maintains the sealing state of the connection portion between the upper support part 30b and the rotating part 20 while the rotating part 20 is rotated, so that foreign matters from the inside of the rotating part 20 and the upper support part 30b are retained. It performs a function to prevent intrusion into the inside.
  • the upper shaft 28 of the other side 20b of the rotating unit 20 and the rotating shaft 21 of one side 20a of the rotating unit 20 may be installed to be aligned along the rotation center axis C of the rotating unit 20. .
  • the signal transmission unit 70 is rotatably inserted into the through hole 28a of the upper shaft 28 and fixed to the upper support unit 30b.
  • the signal transmission unit 70 rotatably supports the upper shaft 28, and at the same time, an electrical signal is transmitted between the upper shaft 28 and the signal transmission unit 70 while the rotation unit 20 rotates. Can be.
  • a slip ring for rotatably connecting mechanical elements and transmitting an electrical signal may be used.
  • An end portion of the wiring unit 80 disposed on the support unit 30 is electrically connected to the signal transfer unit 70.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating some components of the lidar system of FIG. 1
  • FIG. 5 is a conceptual diagram schematically illustrating operation of an optical unit of the lidar system of FIG. 1.
  • the optical unit 50 is disposed inside the rotating unit 20.
  • the optical unit 50 serves to guide the light transmitted from the light generating unit 40 of the base 10 to the outside of the rotating unit 20.
  • the optical unit 50 includes a prism 51, a first mirror 52 disposed on one surface of the prism 51 (corresponding to a right side surface of the prism of FIG. 5), and the other surface of the prism 51 (of the prism of FIG. 5).
  • the second mirror 52 disposed on the left side).
  • the prism 51, the first mirror 52, and the second mirror 52 are supported by the optical frame 53 and are positioned at positions corresponding to the center hole 21a of the rotation shaft 21 of the rotating unit 20. Is placed.
  • the prism 51 of the optical unit 50 and the first mirror 52 on the right side reflect the light transmitted from the light generating unit 40 in the left direction (first direction) to rotate the rotating unit 20. Emits light L1 to the outside.
  • the prism 51 and the second mirror 52 on the left side reflect the light transmitted from the light generator 40 in the right direction (the second direction) to emit light L2 to the outside of the rotating unit 20. Radiate.
  • the rotating unit 20 includes a light outlet 35 for passing the light in the first direction and the second direction to the outside of the rotating unit 20.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically illustrating a relationship between components of the lidar system of FIG. 1.
  • the receiver 60 receives the reflected light flowing into the rotating unit 20 from the outside, and the converter unit converts the light of the lens unit 61 into electrical signals.
  • the converting unit 62 converts the image light into an electrical signal.
  • the conversion unit 62 generates an electrical signal representing an image of a space by using a charge coupled device (CCD) or an electrical signal representing a distance.
  • CCD charge coupled device
  • a signal may be generated, or an electrical signal representing a speed of wind or the like may be generated.
  • the rotating unit 20 includes a light inlet 36 at a position corresponding to the receiving unit 60 so as to pass light reflected from the outside and introduced into the rotating unit 20.
  • a plurality of receivers 60 may be disposed in the rotating unit 20.
  • Each of the first receiver 60a and the second receiver 60b includes lens sections 61a and 61b and converters 62a and 62b.
  • the first receiver 60a and the second receiver 60b perform a function of receiving the reflected light incident on the rotating unit 20 in different directions and converting the reflected light into an electrical signal.
  • the rotating unit 20 may include the light inlets 36 at positions corresponding to each of the first receiving unit 60a and the second receiving unit 60b.
  • the controller 100 is electrically connected to each of the driver 90, the light generator 40, and the receiver 60, and the driver 90, the light generator 40, The operation of the receiver 60 may be controlled.
  • the controller 100 receives signals from the drive controller 101 for controlling the driver 90, the light emission controller 102 for controlling the light generator 40, and the converter 62 of the receiver 60.
  • a signal processing unit 104 for receiving and processing, and an analysis unit 103 for analyzing the electrical signal transmitted from the receiving unit 60 may be provided.
  • the controller 100 may be implemented in various forms such as, for example, a circuit board including a semiconductor chip and a circuit, a circuit or software embedded in a semiconductor chip, or software that can be executed in a computer.
  • the support portion rotatably supports the rotating portion and transmits an electrical signal to the rotating portion. Therefore, since the light generating unit generating light can be disposed on the base, the number and volume of components included in the rotating unit can be greatly reduced.
  • Embodiments relate to a LIDAR system (Light Detection And Ranging System) capable of irradiating a laser toward a target and detecting distance, direction, speed, temperature, mass distribution and concentration characteristics to an object. It can be applied to weather observation using, unmanned robot sensor, driverless car, and 3D image modeling.
  • LIDAR system Light Detection And Ranging System

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

라이다 시스템은 베이스와, 일측이 베이스에 회전 가능하게 연결된 회전부와, 베이스로부터 회전부의 타측을 회전 가능하게 지지하는 지지부와, 베이스에서 회전부를 향해 광을 방사하는 광발생부와, 회전부에 설치되며 광발생부의 광을 외측을 향하여 안내하는 광학부와, 회전부로 유입된 반사광을 수신하여 전기신호로 변환하는 수신부와, 회전부의 타측과 지지부의 사이에 설치되어 회전부를 회전 가능하게 지지하며 수신부에 신호를 전달하는 신호 전달부와, 지지부에 설치되어 베이스와 신호 전달부를 전기적으로 연결하는 배선부와, 회전부를 회전시키는 구동부와, 베이스에 설치되며 광발생부와 구동부와 배선부와 전기적으로 연결되어 광발생부와 구동부와 수신부를 제어하는 제어부를 구비한다.

Description

라이다 시스템
실시예들은 라이다 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광을 방사하는 회전부의 크기와 중량을 감소시켜 컴팩트한 디자인을 갖는 라이다 시스템에 관한 것이다.
라이다 시스템(LIDAR system; Light Detection And Ranging System)은 레이저를 목표물을 향하여 조사하고 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 시스템이다.
라이다 시스템은 기상 관측이나 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서, 무인 주행차, 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술을 위하여 연구되고 있다.
레이저를 발사하는 부분이 회전하도록 설계된 회전식 라이다 시스템에서는, 회전 운동을 하는 회전체에 레이저를 발생하는 광원과, 광원을 제어하고 전원을 공급하는 모듈을 배치하여야 한다. 또한 회전체에 전원 등을 공급하기 위해서는 회전체를 지지하는 본체와 회전체의 사이에 전기적인 연결을 위한 부속품을 사용해야 한다.
이와 같은 회전식 라이다 시스템에서는 회전체의 전체적인 크기와 무게가 크게 증가하므로 라이다 시스템의 컴팩트한 설계가 어렵다. 또한 중량의 회전체를 구동하기 위해서는 대용량의 구동모터를 채택해야 하므로, 라이다 시스템의 전체 크기와 무게가 증가하여 제어가 어렵고 구동모터의 구동을 위한 전력소모가 증가한다.
-특허문헌: 미국 등록특허 7,969,558 (2011.06.28)
실시예들의 목적은 컴팩트하며 안전성이 향상된 라이다 시스템을 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 광을 외부로 방사하는 회전부의 크기와 무게가 최소화된 라이다 시스템을 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 광을 발생시키는 광발생부를 회전부를 지지하는 베이스에 설치함으로써 컴팩트한 디자인의 라이다 시스템을 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 회전하는 회전부를 보호함으로써 안전성이 향상되는 라이다 시스템을 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 라이다 시스템은 베이스와, 베이스에 일측이 회전 가능하게 연결된 회전부와, 베이스로부터 회전부의 타측까지 연장하며 회전부의 타측을 회전 가능하게 지지하는 지지부와, 베이스에 설치되며 회전부를 향해 광을 방사하는 광발생부와, 회전부에 설치되며 광발생부의 광을 회전부의 외측을 향하여 안내하는 광학부와, 외부에서 반사되어 회전부로 유입된 반사광을 수신하여 전기신호로 변환하는 수신부와, 회전부의 타측과 지지부의 사이에 설치되어 회전부를 회전 가능하게 지지하며 수신부에 신호를 전달하는 신호 전달부와, 지지부에 설치되어 베이스와 신호 전달부를 전기적으로 연결하는 배선부와, 베이스에 설치되어 회전부를 회전시키는 구동부와, 베이스에 설치되며 광발생부와 구동부와 배선부와 전기적으로 연결되어 광발생부와 구동부와 수신부를 제어하는 제어부를 구비한다.
회전부는 일측에 중공의 회전축을 구비할 수 있고, 베이스는 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지축을 구비할 수 있으며, 라이다 시스템은 지지축과 회전축의 사이에 설치되는 제1 베어링을 더 구비할 수 있고, 구동부는 지지축에 대해 회전축을 회전시키는 구동력을 발생할 수 있다.
광발생부는 광을 회전축을 통과시켜 회전부를 향해 방사할 수 있다.
지지부는 회전부의 타측을 회전 가능하게 지지하는 통공을 갖는 상부 지지부를 구비할 수 있고, 회전부는 타측에 상부 지지부의 통공에 회전 가능하게 삽입되는 상부축을 구비할 수 있으며, 라이다 시스템은 상부 지지부와 회전부의 상부축의 사이에 배치되는 제2 베어링을 더 구비할 수 있고, 신호 전달부는 상부축의 중심을 관통하는 관통공에 삽입되며 상부 지지부에 고정될 수 있다.
광학부는 제1 방향과 제2 방향으로 광을 방사할 수 있으며, 회전부는 제1 방향과 제2 방향의 광을 회전부의 외측으로 통과시키는 복수 개의 광출구를 구비할 수 있다.
광학부는 프리즘과, 프리즘의 일면에 배치되어 제1 방향으로 광을 반사시키는 제1 미러와, 프리즘의 타면에 배치되어 제2 방향으로 광을 반사시키는 제2 미러를 구비할 수 있다.
수신부는 서로 다른 방향에서 입사되는 반사광을 수신하는 제1 수신부와 제2 수신부를 구비할 수 있고, 회전부는 제1 수신부와 제2 수신부에 대응하는 각각의 위치에 광입구를 구비할 수 있다.
지지부는 회전부의 외측에 회전부의 회전 방향을 따라 이격되도록 복수 개가 배치될 수 있고, 배선부는 복수 개의 지지부의 적어도 하나에 배치될 수 있다.
다른 실시예에 관한 라이다 시스템은, 베이스와, 일측에 중공의 회전축을 구비하며 회전축에 의해 베이스에 회전 가능하게 결합되는 회전부와, 베이스에 배치되어 광을 발생시키며 광을 회전축을 통과시켜 회전부로 전달하는 광발생부와, 베이스로부터 회전부의 타측까지 연장하며 회전부의 타측을 회전 가능하게 지지하는 지지부와, 회전부에 배치되며 광발생부에서 전달된 광을 회전부의 외측으로 방사하는 광학부와, 회전부에 배치되며 외부로부터 유입된 반사광을 수신하여 전기신호를 발생시키는 수신부와, 회전부의 타측과 지지부의 사이에 설치되어 수신부에 신호를 전달하는 신호 전달부를 구비한다.
다른 실시예에 관한 라이다 시스템에서, 베이스는 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지축을 구비할 수 있고, 라이다 시스템은 지지축과 회전축의 사이에 설치되는 제1 베어링, 및 베이스에 설치되어 지지축에 대해 회전축을 회전시키는 구동력을 발생하는 구동부를 더 구비할 수 있다.
다른 실시예에 관한 라이다 시스템은 베이스에 설치되며 광발생부와 구동부와 배선부와 전기적으로 연결되어 광발생부와 구동부와 수신부를 제어하는 제어부를 더 구비할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 라이다 시스템에서는 광을 발생시키는 광발생부를 베이스에 배치할 수 있으므로 회전하는 회전부에 내장되는 구성 요소들의 개수와 부피를 크게 감소시킬 수 있다. 또한 광발생부를 베이스에 배치할 수 있으므로 회전부의 중량을 감소시켜 회전부의 구동을 위해 필요한 구동부의 크기와 전력 소모를 감소시킬 수 있다. 또한 회전부를 회전 가능하게 지지하면서 회전부에 전기신호를 전달하는 지지부가 회전부를 둘러싸 회전부를 보호하므로 안전성이 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 라이다 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 라이다 시스템의 일부분을 절개하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 라이다 시스템의 단면도이다.
도 4는 도 1의 라이다 시스템의 일부 구성 요소들을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 1의 라이다 시스템의 광학부의 작동을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 6은 도 1의 라이다 시스템의 구성 요소들의 관계를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 라이다 시스템의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 관한 라이다 시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 라이다 시스템의 일부분을 절개하여 도시한 사시도이며, 도 3은 도 1의 라이다 시스템의 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 나타난 실시예에 관한 라이다 시스템은, 베이스(10)와 베이스(10)에 일측(20a)이 회전 가능하게 연결되는 회전부(20)와, 베이스(10)에서 회전부(20)의 타측(20b)까지 연장하여 회전부(20)의 타측(20b)을 회전 가능하게 지지하는 지지부(30)와, 베이스(10)에 설치되어 광을 발생시켜 회전부(20)를 향하여 광을 방사하는 광발생부(40)와, 회전부(20)에 설치되어 광발생부(40)의 광을 회전부(20)의 외측을 향하여 안내하는 광학부(50)와, 회전부(20)에 배치되며 외부로부터 유입되는 반사광을 수신하여 전기신호를 발생시키는 수신부(60)와, 회전부(20)의 지지부(30)의 연결 부분에 설치되어 수신부(60)에 신호를 전달하는 신호 전달부(70)를 구비한다.
지지부(30)에는 베이스(10)와 신호 전달부(70)를 전기적으로 연결하는 배선부(80)가 설치될 수 있다. 배선부(80)에는 구리 재질의 전선이나 광신호를 전달하는 광섬유 등이 이용될 수 있다.
베이스(10)에는 회전부(20)를 회전시키기 위한 구동력을 발생시키는 구동부(90)가 설치될 수 있다. 또한 베이스(10)에는 제어부(100)가 설치될 수 있다. 제어부(100)는 광발생부(40), 구동부(90), 및 배선부(80)에 전기적으로 연결됨으로써, 광발생부(40)와 구동부(90)와 수신부(60)의 각각을 제어할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 회전부(20)는 일측(20a)에 중공의 회전축(21)을 구비한다. 회전축(21)은 광발생부(40)에 의해 발생한 광을 통과시키는 중심 구멍(21a)을 구비한다. 베이스(10)는 회전축(21)을 회전 가능하게 지지하도록 회전축(21)을 둘러싸는 지지축(11)을 구비한다. 지지축(11)과 회전축(21)의 사이에는 제1 베어링(17)이 설치되므로, 회전축(21)은 지지축(11)에 대하여 회전할 수 있다.
구동부(90)는 지지축(11)에 고정되는 스테이터(91)와, 회전축(21)에 고정되는 로터(92)를 구비할 수 있다. 구동부(90)는 예를 들어 무브러시 직류 모터(blushless direct current motor; BLDC motor)가 사용될 수 있으며, 실시예는 구동부(90)에 사용되는 모터의 유형에 의해 한정되는 것은 아니므로 다양한 형태의 모터를 이용하여 구동부(90)를 구현할 수 있다. 구동부(90)는 제어부(100)로부터 전달되는 제어 신호에 의해 작동함으로써 회전축(21)을 지지축(11)에 대하여 회전시킬 수 있다.
광발생부(40)는 회전축(21)을 통과시켜 회전부(20)를 향해 광을 방사하는 기능을 수행한다. 광발생부(40)는 제어부(100)로부터 전달되는 제어 신호에 의해 작동함으로써 펄스형 레이저(pulsed laser)을 발생할 수 있다.
지지부(30)는 원형 단면이나 다각형의 단면을 갖는 관 형상으로 제조될 수 다. 지지부(30)의 일측 단부(30a)는 베이스(10)에 연결되고, 지지부(30)의 타측 단부에는 회전부(20)의 타측(20b)을 회전 가능하게 지지하기 위한 상부 지지부(30b)가 설치된다.
도 1을 참조하면 지지부(30)는 회전부(20)의 회전 방향을 따라 서로 이격되는 복수 개의 지지부들(31, 32, 33)로 이루어질 수 있다. 지지부들(31, 32, 33)의 개수는 도 1에 도시된 것과 같이 3 개로 제한되는 것은 아니며 더 많은 개수가 설치되거나, 2개 또는 1개만이 설치될 수도 있다. 지지부(30)는 베이스(10)와 회전부(20)를 기계적으로 및 전기적으로 연결하는 기능을 수행함과 아울러 회전부(20)를 회전 가능하게 연결하는 기능을 수행할 수 있다.
또한 지지부(30)는 회전부(20)를 둘러싸 외부 충격으로부터 회전부(20)를 보호하는 뼈대의 기능을 할 수 있다. 회전부(20)가 회전함에 따라 회전부(20)에 외측으로 방사되는 광이 외부의 물체에 부딪쳐 반사된 반사광이 회전부(20)로 다시 입사한다. 회전부(20)에서 광이 외측으로 방사되는 과정에서 지지부(30)가 광이나 반사광의 진행 경로를 차단할 수 있으나, 이러한 경우에는 레이저의 발산 조사각으로 인하여 근접 신호로 측정이 가능하므로 음역 지역의 발생하지 않는다.
도 2에서 세 개의 지지부들(31, 32, 33) 중 하나의 지지부(31)에만 배선부(80)가 배치되는데, 실시예는 이러한 배선부(80)의 배치 방식에 의해 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 지지부들(31, 32, 33)의 모두에 배선부(80)가 배치되거나 일부에 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상부 지지부(30b)는 회전부(20)의 타측(20b)을 회전 가능하게 지지하는 통공(38)을 구비한다. 회전부(20)는 상부 지지부(30b)의 통공(38)에 회전 가능하도록 삽입되는 상부축(28)을 구비한다. 회전부(20)의 상부축(28)과 통공(38)의 사이에는 제2 베어링(37)이 설치되므로, 상부 지지부(30b)는 회전부(20)를 회전 가능하게 지지할 수 있다.
상부 지지부(30b)의 외측 가장자리와 회전부(20)의 사이에는 밀봉링(39)이 설치될 수 있다. 밀봉링(39)은 회전부(20)가 회전하는 동안 상부 지지부(30b)와 회전부(20)의 연결 부위의 밀봉 상태를 유지함으로써 외부의 이물질이 회전부(20)의 내부와 상부 지지부(30b)의 내부로 침입하는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
회전부(20)의 타측(20b)의 상부축(28)과 회전부(20)의 일측(20a)의 회전축(21)은 회전부(20)의 회전 중심축(C)을 따라 정렬되도록 설치될 수 있다.
신호 전달부(70)는 상부축(28)의 관통공(28a)에 회전 가능하게 삽입되며 상부 지지부(30b)에 고정된다. 신호 전달부(70)는 상부축(28)을 회전 가능하게 지지함과 동시에, 회전부(20)가 회전하는 동안 상부축(28)과 신호 전달부(70)의 사이에 전기적인 신호가 전달될 수 있다.
신호 전달부(70)에는 기계적인 요소들을 회전 가능하게 연결하며 전기 신호를 전달하는 슬립링(slip ring)이 사용될 수 있다. 신호 전달부(70)에는 지지부(30)에 배치되는 배선부(80)의 단부가 전기적으로 연결된다.
도 4는 도 1의 라이다 시스템의 일부 구성 요소들을 도시한 사시도이고, 도 5는 도 1의 라이다 시스템의 광학부의 작동을 개략적으로 도시한 개념도이다.
회전부(20)의 내부에는 광학부(50)가 배치된다. 광학부(50)는 베이스(10)의 광발생부(40)로부터 전달된 광을 회전부(20)의 외부로 유도하는 기능을 수행한다.
광학부(50)는 프리즘(51)과, 프리즘(51)의 일면(도 5의 프리즘의 우측면에 해당함)에 배치되는 제1 미러(52), 프리즘(51)의 타면(도 5의 프리즘의 좌측면에 해당함)에 배치되는 제2 미러(52)를 구비한다.
프리즘(51)과 제1 미러(52) 및 제2 미러(52)는 광학부 프레임(53)에 의해 지지되며, 회전부(20)의 회전축(21)의 중심 구멍(21a)에 대응하는 위치에 배치된다.
도 5를 참조하면, 광학부(50)의 프리즘(51)과 우측의 제1 미러(52)는 광발생부(40)로부터 전달된 광을 좌측 방향(제1 방향)으로 반사시켜 회전부(20)의 외측으로 광(L1)을 방사한다. 또한 프리즘(51)과 좌측의 제2 미러(52)는 광발생부(40)로부터 전달된 광을 우측 방향(제2 방향)으로 반사시켜 회전부(20)의 외측으로 광(L2)을 광을 방사한다. 회전부(20)는 제1 방향과 제2 방향의 광을 회전부(20)의 외측으로 통과시키는 광출구(35)를 구비한다.
도 6은 도 1의 라이다 시스템의 구성 요소들의 관계를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 수신부(60)가 외부로부터 회전부(20)로 유입되는 반사광을 수신하는 렌즈부(61)와, 렌즈부(61)의 광을 전기적인 신호롤 변환하는 변환부(62)를 구비한다. 변환부(62)는 영상광을 전기적인 신호로 변환하는 기능을 수행하며, 예를 들어 CCD(charge coupled device)를 이용하여 공간에 대한 영상을 나타내는 전기적인 신호를 생성하거나, 거리를 나타내는 전기적인 신호를 생성하거나, 바람 등의 속도를 나타내는 전기적인 신호를 생성할 수 있다.
회전부(20)는 외부로부터 반사되어 회전부(20)로 유입되는 광을 통과시키도록 수신부(60)에 대응하는 위치에 광입구(36)를 구비한다. 회전부(20)에는 복수 개의 수신부(60)가 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 두 개의 수신부가 배치된 예가 도시된다. 제1 수신부(60a)와 제2 수신부(60b)의 각각은 렌즈부(61a, 61b)와 변환부(62a, 62b)를 구비한다. 제1 수신부(60a)와 제2 수신부(60b)는 서로 다른 방향에서 회전부(20)로 입사되는 반사광을 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 두 개의 수신부가 배치된 경우에는, 회전부(20)가 제1 수신부(60a)와 제2 수신부(60b)의 각각에 대응하는 위치에 광입구(36)를 구비할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제어부(100)는 구동부(90)와, 광발생부(40)와, 수신부(60)의 각각에 전기적으로 연결되며, 구동부(90)와, 광발생부(40)와, 수신부(60)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(100)는 구동부(90)를 제어하기 위한 구동 제어부(101)와, 광발생부(40)를 제어하기 위한 발광 제어부(102)와, 수신부(60)의 변환부(62)의 신호를 수신하여 처리하는 신호 처리부(104)와, 수신부(60)로부터 전달된 전기적인 신호를 분석하는 분석부(103) 등을 구비할 수 있다. 제어부(100)는 예를 들어 반도체칩과 회로를 포함하는 회로기판으로 제작되거나, 반도체칩에 내장되는 회로 또는 소프트웨어나, 또는 컴퓨터에서 실행될 수 있는 소프트웨어와 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상술한 구성의 라이다 시스템에서는 지지부가 회전부를 회전 가능하게 지지하면서 회전부에 전기신호를 전달한다. 따라서 광을 발생시키는 광발생부를 베이스에 배치할 수 있으므로, 회전하는 회전부에 내장되는 구성 요소들의 개수와 부피를 크게 감소시킬 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
실시예들은 레이저를 목표물을 향하여 조사하고 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 라이다 시스템(LIDAR system; Light Detection And Ranging System)에 관한 것으로, 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서, 무인 주행차, 및 3차원 영상 모델링 등에 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 베이스;
    상기 베이스에 일측이 회전 가능하게 연결된 회전부;
    상기 베이스로부터 상기 회전부의 타측까지 연장하며, 상기 회전부의 상기 타측을 회전 가능하게 지지하는 지지부;
    상기 베이스에 설치되며 상기 회전부를 향해 광을 방사하는 광발생부;
    상기 회전부에 설치되며 상기 광발생부의 광을 상기 회전부의 외측을 향하여 안내하는 광학부;
    외부에서 반사되어 상기 회전부로 유입된 반사광을 수신하여 전기신호로 변환하는 수신부;
    상기 회전부의 상기 타측과 상기 지지부의 사이에 설치되어 상기 회전부를 회전 가능하게 지지하며 상기 수신부에 신호를 전달하는 신호 전달부;
    상기 지지부에 설치되어 상기 베이스와 상기 신호 전달부를 전기적으로 연결하는 배선부;
    상기 베이스에 설치되어 상기 회전부를 회전시키는 구동부; 및
    상기 베이스에 설치되며 상기 광발생부와 상기 구동부와 상기 배선부와 전기적으로 연결되어 상기 광발생부와 상기 구동부와 상기 수신부를 제어하는 제어부;를 구비하는, 라이다 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전부는 상기 일측에 중공의 회전축을 구비하고, 상기 베이스는 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지축을 구비하며,
    상기 라이다 시스템은 상기 지지축과 상기 회전축의 사이에 설치되는 제1 베어링을 더 구비하고,
    상기 구동부는 상기 지지축에 대해 상기 회전축을 회전시키는 구동력을 발생하는, 라이다 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광발생부는 광을 상기 회전축을 통과시켜 상기 회전부를 향해 방사하는 라이다 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 회전부의 상기 타측을 회전 가능하게 지지하는 통공을 갖는 상부 지지부를 구비하고, 상기 회전부는 상기 타측에 상기 상부 지지부의 상기 통공에 회전 가능하게 삽입되는 상부축을 구비하며,
    상기 라이다 시스템은 상기 상부 지지부와 상기 회전부의 상기 상부축의 사이에 배치되는 제2 베어링을 더 구비하고,
    상기 신호 전달부는 상기 상부축의 중심을 관통하는 관통공에 삽입되며 상기 상부 지지부에 고정되는, 라이다 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광학부는 제1 방향과 제2 방향으로 광을 방사하며, 상기 회전부는 상기 제1 방향과 상기 제2 방향의 광을 상기 회전부의 외측으로 통과시키는 복수 개의 광출구를 구비하는, 라이다 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광학부는 프리즘과, 상기 프리즘의 일면에 배치되어 상기 제1 방향으로 광을 반사시키는 제1 미러와, 상기 프리즘의 타면에 배치되어 상기 제2 방향으로 광을 반사시키는 제2 미러를 구비하는, 라이다 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는 서로 다른 방향에서 입사되는 반사광을 수신하는 제1 수신부와 제2 수신부를 구비하고, 상기 회전부는 상기 제1 수신부와 상기 제2 수신부에 대응하는 각각의 위치에 광입구를 구비하는, 라이다 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 회전부의 외측에 상기 회전부의 회전 방향을 따라 이격되도록 복수 개가 배치되고, 상기 배선부는 복수 개의 상기 지지부의 적어도 하나에 배치되는, 라이다 시스템.
  9. 베이스;
    일측에 중공의 회전축을 구비하며 상기 회전축에 의해 상기 베이스에 회전 가능하게 결합되는 회전부;
    상기 베이스에 배치되어 광을 발생시키며, 광을 상기 회전축을 통과시켜 상기 회전부로 전달하는 광발생부;
    상기 베이스로부터 상기 회전부의 타측까지 연장하며 상기 회전부의 상기 타측을 회전 가능하게 지지하는 지지부;
    상기 회전부에 배치되며 상기 광발생부에서 전달된 광을 상기 회전부의 외측으로 방사하는 광학부;
    상기 회전부에 배치되며 외부로부터 유입된 반사광을 수신하여 전기신호를 발생시키는 수신부; 및
    상기 회전부의 상기 타측과 상기 지지부의 사이에 설치되어 상기 수신부에 신호를 전달하는 신호 전달부;를 구비하는, 라이다 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 회전부의 외측에 상기 회전부의 회전 방향을 따라 이격되도록 복수 개가 배치되고,
    상기 라이다 시스템은 복수 개의 상기 지지부의 적어도 하나에 배치되어 상기 베이스와 상기 신호 전달부를 전기적으로 연결하는 배선부를 더 구비하는, 라이다 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 베이스는 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지축을 구비하고,
    상기 라이다 시스템은 상기 지지축과 상기 회전축의 사이에 설치되는 제1 베어링; 및 상기 베이스에 설치되어 상기 지지축에 대해 상기 회전축을 회전시키는 구동력을 발생하는 구동부;를 더 구비하는, 라이다 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 베이스에 설치되며 상기 광발생부와 상기 구동부와 상기 배선부와 전기적으로 연결되어 상기 광발생부와 상기 구동부와 상기 수신부를 제어하는 제어부를 더 구비하는, 라이다 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 지지부는 상기 회전부의 상기 타측을 회전 가능하게 지지하는 통공을 갖는 상부 지지부를 구비하고, 상기 회전부는 상기 타측에 상기 상부 지지부의 상기 통공에 회전 가능하게 삽입되는 상부축을 더 구비하며,
    상기 라이다 시스템은 상기 상부 지지부와 상기 회전부의 상기 상부축의 사이에 배치되는 제2 베어링을 더 구비하고,
    상기 신호 전달부는 상기 상부축의 중심을 관통하는 관통공에 삽입되어 상기 상부 지지부에 고정되는, 라이다 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 광학부는 제1 방향과 제2 방향으로 광을 방사하며, 상기 회전부는 상기 제1 방향과 상기 제2 방향의 광을 상기 회전부의 외측으로 통과시키는 복수 개의 광출구를 구비하는, 라이다 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광학부는 프리즘과, 상기 프리즘의 일면에 배치되어 상기 제1 방향으로 광을 반사시키는 제1 미러와, 상기 프리즘의 타면에 배치되어 상기 제2 방향으로 광을 반사시키는 제2 미러를 구비하는, 라이다 시스템.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 수신부는 서로 다른 방향에서 입사되는 반사광을 수신하는 제1 수신부와 제2 수신부를 구비하고, 상기 회전부는 상기 제1 수신부와 상기 제2 수신부에 대응하는 각각의 위치에 광입구를 구비하는, 라이다 시스템.
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