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LiDAR 스캐닝 솔루션
폴리곤 미러&폴리곤 스캐너

LiDAR 스캐닝 솔루션
폴리곤 미러&폴리곤 스캐너

제 2 장

충돌 회피/자율주행차량용 LiDAR

충돌 회피/자율주행차량용 시야각 가변 LiDAR에서 스캐너 방식의 장점

자율주행자동차는 그 위치와 주위를 특정하기 위한 다양한 센서가 장착되어 있습니다.
센서에는 GPS, 관성항법시스템(INS), 카메라, 레이더, 라이다 (Light Detection And Ranging) 등이 있습니다.다만, LiDAR는 기존의 RF레이더보다 높은 해상도를 가지고 있어 어둠속에서도 아무 문제없이 그 효과를 발휘합니다 .

LiDAR는 원래 빛 (Light)과 레이더 (Radar)를 섞은 조어이지만, 목표물체에 레이저를 조사하여 그 거리를 측정하는 측량 방법. 하나 혹은 여러개의 적외선 레이저를 신속하게 2D 스캔하여 3D 이미지를 생성합니다.
여기에서는 자동차 충돌 회피/자율주행용 LiDAR 대하여 그 최적의 방법을 설명하겠습니다. 먼저 폴리곤 레이저 스캐너와 갈바노 스캐너를 사용한 레이저빔 스캔 방식과의 비교로 다음 수직으로 고정 배치 된 여러개의 레이저 사출기 자체를 수평 주사하는 기존 방식을 예로 들어 설명합니다.

일반적인LiDAR 레이저 스캐닝 기술은 수평 주사 (회전)하는 레이저 사출기를 수직 방향으로 일정한 각도 분포를 가지고 여러개 배치하는 것입니다. 30°의 수직 스캔을 수행하는 16개의 레이저를 세로로 배치시키는 것이 전형적인 구성입니다.이 경우의 수직 방향의 분해능은 2°입니다. 이를 이미지화 한 것이 다음의 그림 1입니다.

 

[그림 1]  LiDAR 충돌 회피 : ① 평평한 일반 도로 (저속) ⇒ 30°의 수직주사 범위

이 수직 30°의 설정 레이저 주사에 의해 주행 차량 전방의 보행자와 자동차는 물론, 자동 주차시 주차장 천장에 있는 장애물도 감지할수 있습니다. 이 고정 된 수직 2°의 해상도에서는 10m거리에서 레이저 빔의 간격은 350mm이기 때문에 저속에서 이 거리는 충돌 회피에 적합한것이라고 말할수 있습니다. 그러나 거리가 50m되면, 빔 간격은 1.75m로 증가하기 때문에, 보행자나 자동차를 감지하는 것은 어렵게 돼고 또한 거리가 100m되면 빔 간격은 3.5m되므로 트랙조차 감지하기 어렵습니다.

그럼 다음 언덕길이나 고속도환경에서 주행하는 경우의 LiDAR의 모습을 살펴봅시다.
오르막에 접근하면 그림 2에 나타내는것처럼, 레이저 스캐닝의 수직 범위는 결과적으로 20°까지 줄어 듭니다.

 

[그림 2] LiDAR 충돌 회피 : ② 일반 도로 오르막 (저속) ⇒ 20°의 수직주사 범위

 

내리막 길에서는 다음의 그림 3에 나타내듯이, 레이저 스캐너의 수직 범위가 순간적으로 하향 10 °의 범위로 이동합니다.

 

[그림 3] LiDAR 충돌 회피 : ③일반 도로 내리막 (저속) ⇒ 아래로 10°의 수직주사 범위

 

또한 고속도에서(고속 주행하면) 그림 4에 나타내듯이, 레이저 스캐닝의 수직 범위는 10 °의 범위로 이동합니다.

 

[그림 4] LiDAR 충돌 회피 : ④ 고속도로 ⇒ 10°의 수직주사 범위

이상을 염두에 예를 들면, 폴리곤 + 갈바노 스캐너 방식에서 수직스캔이 그림 1 같은 16 라인 분의 범위로 한 경우(저속도로 30도), 고속도로 주행에서는 충돌 감지에 적절한 주사 범위·해상도가 자동 조절되어 수직 범위는 10°에 긴축하고 해상도는 3배로 됩니다. 이하 폴리곤 + 갈바노방식의 주사 범위 · 해상도의 최적 설정을 "AOI (Automated Optical Inspection, 자동 광학 검사)"이라고 총칭합니다.

그렇다면 폴리곤 +갈바노 스캐너방식의 LiDAR 시스템에서 AOI를 언제 어떻게 환경에 적응·변화시키고있는 것일까?저속에서 30° 의 수직 스캔 범위는 눈 앞에 있는 물체와 주차라문의 상물을 감지하는데 매우 적합한 범위설정입니다.

한편, 고속도로에서는 제동 거리가 길어지기 때문에 속도 상승에 따라 감지대상도 더욱더 먼곳까지 조속히 검출감지해야 합니다. 이 경우 오히려 바로 앞에 2m 장애물을 감지 할 필요는 적으지므로 AOI는 상하 감지 범위를 한정함으로, 해상도가 높아지고 전방의 목표물감지거리도 길어집니다. 뿐만 아니라 주행 차량이 오르막/내리막 구배에 접어 든 경우에도 LiDAR 시스템은 정기적으로 (속도에 따라 대개 1초에 1회 정도)에 최적 값을 즉시 확인하고 AOI를 어디에 설정 하면 좋은가를 판별합니다. 이 프로세스는 주행 중 도로, 가속, 제동 및 충돌에 의한 차량 피치도 자동으로 보상하고 있습니다.

그럼 레이저 사출기 회전 방식 vs 레이저 빔 스캐닝 방식을 비교해 보자 전자의 회전하는 레이저 사출기를 수직으로 배열하는 방식으로 16개의 레이저와 이를 회전시키는 드럼 헤드가 각각 필요하므로 상당히 비싸다. 이 종래 방식의 LiDAR로 해상도를 올리려고하면 레이저 감지기를 추가해야하기 때문에 비용과 크기는 점점 늘어날뿐입니다.

폴리곤 레이저 스캐너는 16개의 레이저 각각에 마련된 회전 드럼보다 훨씬 빠르게 회전 할 수 있습니다.따라서 폴리곤 레이저 스캐너는 더 적은 레이저로 더 높은 해상도의 이미지를 얻을수 있고 또한 대상 영역만을 조사하기 때문에 스캔 사용의 효율화도 잘 이루어지고 있습니다.

예를 들어, 8개의 고정 레이저 빔만을 5,000rpm의 속도로 수평 주사하는 4면 폴리곤 미러를 갖춘 폴리곤 레이저 스캐너는 120°의 넓은 범위를 속도 2667라인/초로 빔을 수평 주사할수 있습니다.갈바노 스캐너도 10Hz의 비 인터레이스 비디오 속도로 267 라인의 수직 해상도의 스캔이 가능하므로 거리 100m 10°의 AOI에서 66mm의 수직 해상도를 실현하고 있는것입니다.

 
 

MEMS 방식과의 비교

몇 년 전까지 만해도 MEMS 스캐너 방식은 폴리곤 레이저 스캐너와 갈바노 스캐너 대신 저가 제품으로 주목 받고 있었습니다. 따라서 MEMS는 LiDAR 스캐닝 장치로 솔리드 스테이트 기술이 될 것으로 생각했지만, 실은 그렇지 않습니다.

MEMS는 온도에 따라 주사 속도의 영향을 받습니다. 또한 MEMS미러는 반사 부분에 따라 스캔이 정확하지 않은 곳이 있습니다. 즉 MEMS스캐너는 공진 장치이므로, 거울의 중심부가 가장 빠르고 종단부분이 제일 늦게 스캔하므로 스캔속도에 차이가 있다는 것을 의미합니다. 이것은 스캔하는 중심부분이 종단부에 비해 낮은 해상도임을 의미하며 정밀도가 요구되는 LiDAR에서 이 해상도의 편차는 치명적이 될 수도 있습니다.

다음 폴리곤 미러의 평면도는 일반적으로 λ/4@633nm까지 달해 매우 평평하게 되어있으므로, 수백 미터까지 고해상도 스캔이 가능하지만, 일방 MEMS 미러에 평면도를 요구하는것은 어렵습니다. 따라서 MEMS의 사용은 단거리의 주사 범위에 제한됩니다.

또한 MEMS는 작고, MEMS 미러의 강도는 "감자칩 '으로 비유될 정도로 얇고 고장나기 쉬운 것이여서 차량의 움직임에 의해 손상될수 있습니다. 당연 MEMS 미러는 매우 섬세한 토션 바 사이에 매달린 구조이기 때문에, 그 수명은 갑자기 물리적 손상의 영향도 받습니다. 이상에서 MEMS 스캐너가 솔리드 스테이트이라는 주장은 잘못된 것이라는것을 알수 있습니다.

폴리곤+ 갈바노 스캐너는 실적을 바탕으로 가장 신뢰성있는 LiDAR 스캐닝 기술입니다. 지상 환경 또는 공중 환경에 관계없이 상용 및 군용 LiDAR로 점차 모바일용으로도 사용되어오고 있습니다. 폴리곤 레이저 스캐너는 모바일 LiDAR 응용 프로그램으로 작동 할수 있다는것도 입증돼여 장거리+넓은 스캔 각도에 우위성를 가지고 있으며 원가 경쟁력도 우수하고 있기 때문에 향후 새로운 가능성을 크게 내포하고 있습니다.

 

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