KR20180064969A - RIDAR Apparatus Based on Time of Flight and Moving Object - Google Patents
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Abstract
Description
본 실시예가 속하는 기술 분야는 비행시간 기반의 라이다 장치 및 이동체에 관한 것이다.The technical field to which this embodiment belongs is a flight time-based Lada device and a moving object.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute the prior art.
비행시간(Time Of Flight) 기반의 라이다(LIght Detection And Ranging, LIDAR)는 광 신호를 쏘고 반사되어 오는 시간을 측정하고, 광의 속도를 이용하여 반사체의 거리를 측정하는 장치이다. 수신된 광 신호는 포토 다이오드를 통하여 전기적인 신호로 변경된다.LIght Detection And Ranging (LIDAR), which is based on Time Of Flight, is a device that measures the time of reflected light by shooting an optical signal and measuring the distance of the reflector using the speed of light. The received optical signal is converted into an electrical signal through the photodiode.
본 발명의 실시예들은 광을 송신하고 수신하여 전기 신호를 출력하고, 상기 전기 신호를 분석하여 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 기반으로 상기 광의 비행시간을 산출하여 핀 포인트 거리를 측정하고, 측정한 거리를 기반으로 생성한 점군 데이터를 처리함으로써, 주변 환경에 관한 정보를 구축하는 데 발명의 주된 목적이 있다.The embodiments of the present invention provide a method and apparatus for transmitting and receiving light, outputting an electric signal, generating a control signal by analyzing the electric signal, calculating a flight time of the light based on the control signal, The main purpose of the invention is to construct information about the surrounding environment by processing the point cloud data generated based on the measured distance.
본 발명의 실시예들은 (i) 광원으로부터 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울 및 (ii) 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사하며 수직 방향으로 움직이는 제2 거울을 포함함으로써, 어레이 타입을 사용하지 않으면서 제품의 크기 및 비용을 최소화하고, 고성능으로 핀 포인트를 측정하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention may include (i) a first mirror including a hole through which light emitted from a light source passes, the first mirror having a focal point at which light reflected by a curved reflective surface converges, and (ii) By including the second mirror which reflects the light to the object and receives the light reflected from the object and reflects it to the first mirror and moves in the vertical direction, it is possible to minimize the size and cost of the product without using the array type, There is another purpose of the invention in measuring points.
본 발명의 실시예들은 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하며 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 전기 신호를 출력함으로써, 출력 신호가 소멸되기까지 대기할 필요가 없고, 불규칙적인 신호 처리 시간을 획일화하여 시스템의 동작을 안정화하고, 시스템의 처리 속도를 향상시키는 데 발명의 다른 목적이 있다.The embodiments of the present invention do not need to wait for the output signal to disappear by converting the received light into an electrical signal and outputting an electrical signal during the detection period in the sampling period to uniformize the irregular signal processing time Another object of the invention is to stabilize the operation of the system and improve the processing speed of the system.
본 발명의 실시예들은 전기 신호에서 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 상기 전기 신호를 변환하고, 변환된 전기 신호의 크기를 조절하고, 기 설정된 크기를 갖는 시점을 검출함으로써, 워크에러를 개선하고 비교기만으로도 정확한 시점을 측정하는 데 발명의 다른 목적이 있다.The embodiments of the present invention can be implemented by converting the electrical signal so that the signal point having the maximum signal magnitude in the electrical signal has a predetermined magnitude, adjusting the magnitude of the converted electrical signal, There is another purpose of the invention to improve the error and to measure the exact time with a comparator alone.
본 발명의 실시예들은 반사 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정함으로써, 정확한 비행시간을 산출하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention have another object of the present invention to calculate an accurate flight time by correcting the flight time using the pulse width of the reflected signal.
본 발명의 실시예들은 복수의 오실레이터들에 포함된 논리소자의 위치를 변경하여 복수의 오실레이터들의 클럭 폭을 조절함으로써, 시간 디지털 변환기의 시간 분해능을 향상시키는 데 발명의 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to improve time resolution of a time-digital converter by changing the position of a logic element included in a plurality of oscillators to adjust the clock width of a plurality of oscillators.
본 발명의 실시예들은 외부의 클럭 발생기로부터 수신한 기준 클럭의 개수 및 내부의 오실레이터에서 발생한 내부 클럭의 개수의 비율을 이용하여 비행시간을 보정함으로써, 정확한 비행시간을 산출하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention are directed to a method of calculating an accurate flight time by correcting a flight time using a ratio of the number of reference clocks received from an external clock generator and the number of internal clocks generated in an internal oscillator, have.
본 발명의 실시예들은 사용자의 육안으로 보이지 않지만 인공표식을 인식하는 장치는 인식할 수 있는 인공표식을 제공하고, 라이다 시스템이 그 인공표식을 인식하기 위한 별도의 카메라를 구비할 필요없이 주변을 스캐닝하는 과정에서 스캐닝한 지점들을 분석하여 인공표식을 인식하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention provide an artificial landmark that is visible to the user but which recognizes the artificial landmarks and provides a recognizable artificial landmark, Another purpose of the invention is to recognize the artificial markers by analyzing the scanned points during the scanning process.
본 발명의 실시예들은 스캔 정보를 이용하여 노드에 관한 키 프레임을 생성하고 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지 산출하고 키 프레임을 갱신하여 지역 지도를 추정하고, 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지를 검출하고 오도메트리 엣지 및 루프 클로저 엣지를 기반으로 노드의 위치를 보정하여 전역 지도를 추정함으로써, 일정 조건하에서 일정 시간 내에 넓은 영역을 커버하는 지도를 제공하는 데 발명의 다른 목적이 있다.The embodiments of the present invention generate a key frame related to a node by using scan information, calculate an odd metric edge between consecutive nodes, update a key frame to estimate a local map, The present invention provides a map that covers a large area within a certain time under a certain condition by detecting a loop closure edge between nodes that do not exist and correcting the position of the node based on the edge of the odometry and the loop closure, There is another purpose.
본 발명의 실시예들은 주변 환경을 3차원적 공간 정보로 획득하기 위한 다채널 라이다(LiDAR)를 장착한 청소로봇을 소개하고, 이를 이용하여 환경정보를 획득하고 표현하는 다채널 라이다 기반 이동체의 장애물 검출 장치 및 방법, 이를 구비한 이동체를 제공하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention introduce a cleaning robot equipped with a multi-channel laser (LiDAR) for acquiring the surrounding environment as three-dimensional spatial information, and use it to acquire and display environment information. An object of the present invention is to provide an obstacle detecting device and method for a vehicle, and a mobile object having the obstacle detecting device and method.
본 발명의 실시예들은 획득된 3차원 환경 정보로부터 벽, 장애물(낮은 장애물 포함), 수직 환경들을 구분하는 다채널 라이다 기반 이동체의 장애물 검출 장치 및 방법, 이를 구비한 이동체를 제공하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention provide an apparatus and method for detecting obstacles of a multi-channel lidar-based mobile object that distinguish walls, obstacles (including low obstacles), and vertical environments from obtained three-dimensional environment information, There is another purpose.
본 발명의 실시예들은 미리 측정된 환경 장애물 정보를 바탕으로 충돌을 회피하면서 청소로봇의 효율성을 높이는 충돌 경로 회피 알고리즘을 구비한 다채널 라이다 기반 이동체의 장애물 검출 장치 및 방법, 이를 구비한 이동체를 제공하는 데 발명의 다른 목적이 있다. Embodiments of the present invention provide an apparatus and method for detecting obstacles of a multi-channel lidar based mobile object having a collision path avoidance algorithm that increases the efficiency of a cleaning robot while avoiding collision based on previously measured environmental obstacle information, There is another purpose of the invention to provide.
본 발명의 실시예들은 실내의 각 지점에 대한 정보를 3차원 정보로 획득하여 바닥면의 상태를 결정하고, 이 바닥면의 상태를 기초로 실내에 대한 청소 기능을 제어하는 청소 기능 제어 장치 및 이를 구비하는 청소로봇을 제공하는 데 발명의 다른 목적이 있다.Embodiments of the present invention include a cleaning function control device for acquiring information about each point in a room as three-dimensional information to determine the state of the floor and controlling the cleaning function for the room based on the state of the floor Another object of the present invention is to provide a cleaning robot having such a cleaning robot.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Other and further objects, which are not to be described, may be further considered within the scope of the following detailed description and easily deduced from the effects thereof.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 비행시간을 기반으로 대상체로부터의 거리를 측정하는 라이다 장치, 상기 측정한 거리를 기반으로 생성한 점군 데이터를 처리하여 이동 경로를 생성하는 경로 제어기, 및 상기 이동 경로를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하는 이동체를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a navigation system including a Lada device for measuring a distance from a target based on a flight time, a path controller for processing a point cloud data generated based on the measured distance to generate a travel route, And a mobile device implemented to move the mobile device based on the mobile device.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 광을 송신하고 수신하여 전기 신호를 출력하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 분석하여 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 제어 신호를 기반으로 상기 광의 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 라이다 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical transceiver including: an optical transceiver for transmitting and receiving light and outputting an electric signal; a signal discriminator for analyzing the electric signal to generate a control signal; And a distance measuring unit for measuring the distance.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하는 제1 거울, 상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울, 및 상기 제2 거울로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드를 포함하는 광 송수신기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a light-emitting device including: a light source that emits light; a first mirror that includes a hole through which the emitted light passes; light that passes through the hole of the first mirror, A second mirror for receiving the reflected light and reflecting the reflected light to the first mirror, and a photodiode for receiving the light reflected from the second mirror and converting the received light into an electric signal.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며, 상기 광 송수신기는, 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며, 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울, 상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 상기 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울, 상기 제1 거울의 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 반사시키는 반사체, 상기 반사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드, 및 상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 상기 반사체, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical transceiver including: an optical transceiver that emits light to a target object by a start control signal and receives light reflected by the target object and converts the received light into an electrical signal; And a distance measuring unit for measuring a distance by calculating a flight time based on a time difference between the start control signal and the stop control signal, wherein the optical transceiver includes a light source for emitting light and a hole for passing the emitted light, A first mirror having a focal point at which a light beam reflected by a curved surface is gathered; a light source that reflects light passing through the hole of the first mirror to the object, receives light reflected from the object, A reflector positioned at a focal point of the first mirror for receiving and reflecting the light reflected from the first mirror, And a rotation unit for rotating the light source, the first mirror, the second mirror, the reflector, and the photodiode with respect to a rotation axis, characterized by comprising: a photodiode for receiving light reflected from a carcass and converting the light into an electric signal; To provide a Lidar device.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치, 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 라이다 장치는, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며, 상기 광 송수신기는, 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며, 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울, 상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 상기 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울, 상기 제1 거울의 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 반사시키는 반사체, 상기 반사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드, 및 상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 상기 반사체, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a mobile device comprising: a Lada device for calculating a flight time between the mobile object and a target object to measure a distance to the target object; And an optical transceiver for outputting light to the object by a start control signal and for receiving the light reflected by the object and converting the received light into an electric signal, And a distance measurer for calculating a distance by calculating a flight time based on a time difference between the start control signal and the stop control signal, wherein the optical transceiver comprises: a light source for emitting light; A first mirror including a hole, a first mirror having a focal point at which a ray reflected by a curved reflecting surface is collected, A second mirror that reflects light passing through the hole of the wool to the object, receives light reflected from the object and reflects the light to the first mirror, and a second mirror positioned at a focal point of the first mirror, A reflector for receiving and reflecting the reflected light, a photodiode for receiving the reflected light from the reflector and converting the reflected light into an electric signal, and a control unit for controlling the light source, the first mirror, the second mirror, the reflector, And a rotation unit that rotates by a reference.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하며, 기 설정된 검출 시간 동안 상기 전기 신호를 출력하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 라이다 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical transceiver for emitting light to a target object by a start control signal, receiving light reflected by the target object, converting the received light into an electric signal, and outputting the electric signal for a predetermined detection time, And a distance measurer for calculating a flight time based on a time difference between the start control signal and the stop control signal to measure a distance.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 대상체로 광을 출사하는 광원, 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드, 및 상기 샘플링 주기 중에서 상기 검출 시간 동안 상기 전기 신호를 출력하는 신호 변환부를 포함하는 광 송수신기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a light source device including a light source that emits light to a target object based on a predetermined sampling period, a photodiode that receives light reflected from the target object and converts the light into an electrical signal, And an optical transceiver including a signal converter for outputting an electrical signal.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치, 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 라이다 장치는, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하며, 기 설정된 검출 시간 동안 상기 전기 신호를 출력하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a mobile device comprising: a Lada device for calculating a flight time between the mobile object and a target object to measure a distance to the target object; Wherein the light emitting device emits light to a target object by a start control signal and receives light reflected by the target object and converts the received light into an electric signal, A transceiver, a signal discriminator for converting the electric signal to generate a stop control signal, and a distance measurer for calculating a flight time based on the time difference between the start control signal and the stop control signal, As shown in FIG.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하고 기 설정된 기준 크기를 갖는 시점을 검출하여 정지 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 라이다 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical transceiver that emits light to a target object by a start control signal, receives light reflected by the target object and converts the light into an electrical signal, And a distance measuring unit for measuring a distance by calculating a flight time based on a time difference between the start control signal and the stop control signal.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상승하고 하강하는 입력 신호에 대해, 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 상기 입력 신호를 변환하는 제1 변환부, 상기 변환된 입력 신호의 크기를 조절하는 제2 변환부, 및 상기 크기가 조절된 입력 신호로부터 기 설정된 기준 크기를 갖는 적어도 하나의 시점을 검출하여 출력 신호를 생성하는 신호 검출부를 포함하는 신호 판별기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a signal processing apparatus including: a first conversion unit for converting an input signal having a predetermined size to a signal point having a maximum signal size with respect to an ascending and descending input signal; And a signal detector for detecting at least one time point having a predetermined reference magnitude from the magnitude-adjusted input signal to generate an output signal.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 라이다 장치는, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하고 기 설정된 기준 크기를 갖는 시점을 검출하여 정지 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 상기 비행시간을 산출하여 상기 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a moving object, comprising: a ladder device for calculating a flying time between the moving object and a target object to measure a distance to the target object; and a moving device for moving the moving object based on the distance to the object An optical transceiver for emitting light to a target object by a start control signal and for receiving the light reflected by the target object and converting the received light into an electrical signal; And a distance measuring unit for measuring the distance by calculating the flight time based on a time difference between the start control signal and the stop control signal, Thereby providing a moving body.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차에 기반하여, 오실레이터에 포함된 논리소자의 위치를 조절한 시간 디지털 변환기를 이용하여 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 라이다 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical communication system including: an optical transceiver that emits light to a target object by a start control signal and receives light reflected by the target object and converts the light into an electrical signal; And a distance measurer for calculating a flight time using a time digital converter that adjusts the position of a logic element included in the oscillator based on a time difference between the start control signal and the stop control signal, Lt; / RTI > device.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1 클럭을 발생시키는 느린 오실레이터, 상기 제1 클럭보다 작은 제2 클럭을 발생시키는 빠른 오실레이터, 상기 느린 오실레이터의 상기 제1 클럭을 카운팅하는 보통 카운터, 상기 빠른 오실레이터의 상기 제2 클럭을 카운팅하는 정밀 카운터, 및 상기 제1 클럭 및 상기 제2 클럭이 동기화된 시점을 검출하는 위상 검출기를 포함하는 시간 디지털 변환기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an oscillator circuit comprising: a slow oscillator generating a first clock; a fast oscillator generating a second clock less than the first clock; a normal counter counting the first clock of the slow oscillator; A precise counter for counting the second clock, and a phase detector for detecting when the first clock and the second clock are synchronized.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치, 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 라이다 장치는, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하는 신호 판별기, 및 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차에 기반하여, 오실레이터에 포함된 논리소자의 위치를 조절한 시간 디지털 변환기를 이용하여 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a mobile device comprising: a Lada device for calculating a flight time between the mobile object and a target object to measure a distance to the target object; And an optical transceiver for outputting light to the object by a start control signal and for receiving the light reflected by the object and converting the received light into an electric signal, And a distance measurer for calculating a flight time using a time digital converter that adjusts the position of a logic element included in the oscillator based on a time difference between the start control signal and the stop control signal, And a plurality of moving objects.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 광을 출사하고 수신한 시간차를 이용하여 상기 대상체의 지점들의 거리를 측정하는 거리 측정기, 상기 대상체의 지점들에 반사된 광의 광도(Intensity)를 측정하는 광도 측정기, 및 상기 거리 및 상기 광도의 변화를 분석하여 상기 대상체가 인공표식인지 여부를 판단하고, 상기 인공표식에 포함된 비가시적 바코드를 분석하여 디지털 코드를 생성하는 인공표식 검출기를 포함하는 라이다 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical transceiver for emitting light to a target object, receiving light reflected by the target object and converting the received light into an electric signal, measuring a distance between the points of the target object using the time difference, A light intensity meter for measuring the intensity of light reflected at the points of the object, and a controller for determining whether the object is an artificial marker by analyzing a change in the distance and the light intensity, And an artificial landmark detector for analyzing the invisible bar code to generate a digital code.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 베이스, 및 상기 베이스에 연결되며, 제1 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질로 형성된 코드 시퀀스를 갖는 비가시적 바코드를 포함하며, 상기 코드 시퀀스가 제2 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질에 의해 은닉되어 비가시화된 것을 특징으로 하는 인공표식을 제공한다.According to another aspect of the present embodiment, there is provided an optical device including a base and an invisible bar code connected to the base and having a code sequence formed of a material that reflects, absorbs, or emits light in a first wavelength band, Wherein the light source is hidden by a material that reflects, absorbs, or emits light in a two-wavelength band and is rendered invisible.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 프로세서에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 명령어들을 포함하는 비일시적(Non-Transitory) 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록되어 인공표식 인식을 위한 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램 명령어들이 컴퓨팅 디바이스의 프로세서에 의해 실행되는 경우에, 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신한 시간차를 이용하여 상기 대상체의 지점들의 거리를 측정하는 단계, 상기 대상체의 지점들에 반사된 광의 광도(Intensity)를 측정하는 단계, 및 상기 거리 및 상기 광도의 변화를 분석하여 상기 대상체가 인공표식인지 여부를 판단하고, 상기 인공표식에 포함된 비가시적 바코드를 분석하여 디지털 코드를 생성하는 단계를 포함한 동작들을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 제공한다.According to another aspect of this embodiment, there is provided a computer program for artificial landmark recognition, recorded in a non-transitory computer readable medium comprising computer program instructions executable by a processor, Measuring a distance between points of the object using a time difference when the light is emitted to the object and the reflected light is received by the object; And analyzing changes in the distance and the light intensity to determine whether the object is an artificial marker and analyzing an invisible bar code included in the artificial marker to generate a digital code, A computer program for executing the program.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 대상체로 광을 출사하고 수신하여 인공표식을 인식하는 라이다 장치, 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 라이다 장치는, 상기 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 광을 출사하고 수신한 시간차를 이용하여 상기 대상체의 지점들의 거리를 측정하는 거리 측정기, 상기 대상체의 지점들에 반사된 광의 광도(Intensity)를 측정하는 광도 측정기, 및 상기 거리 및 상기 광도의 변화를 분석하여 상기 대상체가 인공표식인지 여부를 판단하고, 상기 인공표식에 포함된 비가시적 바코드를 분석하여 디지털 코드를 생성하는 인공표식 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a mobile device including a Lada device for emitting and receiving light to a target object to recognize an artificial landmark, and a mobile device implemented to move the mobile object based on a distance to the target object , The lidar apparatus includes an optical transceiver for emitting light to the object and receiving the light reflected by the object and converting the received light into an electric signal, a distance measuring unit for measuring a distance between the points of the object using the time difference, A light intensity meter for measuring the intensity of light reflected at the points of the object, and a controller for determining whether the object is an artificial marker by analyzing a change in the distance and the light intensity, Characterized in that it comprises an artificial landmark detector for analyzing the invisible bar code to produce a digital code It provides.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동 로봇의 위치 인식 및 지도 작성 방법에 있어서, 상기 이동 로봇이 위치하는 공간의 스캔 정보를 획득하는 단계, 상기 스캔 정보를 이용하여 노드(Node)에 관한 키 프레임(Key Frame)을 생성하고, 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지(Odometry Edge)를 산출하고 상기 키 프레임을 갱신하여 지역 지도(Local Map)를 추정하는 단계, 및 상기 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지(Loop Closure Edge)를 검출하고, 상기 오도메트리 엣지 및 상기 루프 클로저 엣지를 기반으로 상기 노드의 위치를 보정하여 전역 지도(Global Map)를 추정하는 단계를 포함하는 위치 인식 및 지도 작성 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for locating and mapping a mobile robot, the method comprising: acquiring scan information of a space in which the mobile robot is located; Generating a key frame, calculating an odometry edge between consecutive nodes, updating the key frame to estimate a local map, and estimating a local map based on the set of updated key frames And estimating a global map by detecting a loop closure edge between nodes that do not exist and correcting the position of the node based on the odometry edge and the loop closure edge, It provides a method of recognition and mapping.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 이동 로봇의 지도 생성기에 있어서, 상기 이동 로봇이 위치하는 공간의 스캔 정보를 획득하는 스캐너, 상기 스캔 정보를 이용하여 노드(Node)에 관한 키 프레임(Key Frame)을 생성하고, 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지(Odometry Edge)를 산출하고 상기 키 프레임을 갱신하여 지역 지도(Local Map)를 추정하는 지역 지도 추정부, 및 상기 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지(Loop Closure Edge)를 검출하고, 상기 오도메트리 엣지 및 상기 루프 클로저 엣지를 기반으로 상기 노드의 위치를 보정하여 전역 지도(Global Map)를 추정하는 전역 지도 추정부를 포함하는 지도 생성기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a map generator for a mobile robot, comprising: a scanner for acquiring scan information of a space in which the mobile robot is located; a key frame for a node using the scan information; A local map estimator for calculating an odometry edge between consecutive nodes and updating the key frame to estimate a local map, and a local map estimator for estimating a local map, And a global map estimator for detecting a loop closure edge between the nodes and estimating a global map by correcting the position of the node based on the odometry edge and the loop closure edge, Provides a map generator.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 프로세서에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 명령어들을 포함하는 비일시적(Non-Transitory) 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록되어 위치 인식 및 지도 작성을 위한 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램 명령어들이 이동 로봇의 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 경우에, 상기 이동 로봇이 위치하는 공간의 스캔 정보를 획득하는 단계, 상기 스캔 정보를 이용하여 노드(Node)에 관한 키 프레임(Key Frame)을 생성하고, 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지(Odometry Edge)를 산출하고 상기 키 프레임을 갱신하여 지역 지도(Local Map)를 추정하는 단계, 및 상기 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지(Loop Closure Edge)를 검출하고, 상기 오도메트리 엣지 및 상기 루프 클로저 엣지를 기반으로 상기 노드의 위치를 보정하여 전역 지도(Global Map)를 추정하는 단계를 포함한 동작들을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 제공한다.According to another aspect of this embodiment, there is provided a computer program for location awareness and mapping written to a non-transitory computer readable medium comprising computer program instructions executable by a processor, The method comprising: acquiring scan information of a space in which the mobile robot is located when the mobile robot is executed by at least one processor of the robot; generating a key frame for the node using the scan information; Calculating an odometry edge between consecutive nodes and updating the key frame to estimate a local map, and determining a loop closure edge between nodes that is not contiguous to the updated set of key frames (Loop Closure Edge) is detected, and the odometry edge and the loop closure edge are detected To provide a computer program for performing the operations, including the step of estimating a global map (Global Map) to correct the position of the node.
본 실시예의 다른 측면에 따른 다채널 라이다 기반 이동체의 장애물 검출 장치는 이동체의 장애물 정보를 포함하는 3차원 환경정보를 검출하기 위하여, 송신신호의 발사각이 상이한 적어도 두 개의 광 송수신기를 구비하는 다채널 라이다부, 상기 적어도 두 개의 광 송수신기의 수신 정보를 기초로 장애물을 3차원 상에서 정의하기 위한 상기 3차원 환경정보를 생성하고, 2차원 공간 지도에 상기 3차원 환경정보가 포함된 투영지도를 생성하는 투영지도 생성부, 및 상기 투영지도를 기반으로 장애물의 공간 상의 위치를 판단하고, 상기 장애물을 회피하여 주행하기 위한 주행 경로를 생성하는 주행경로 생성부를 포함할 수 있다.In order to detect three-dimensional environment information including obstacle information of a moving object, an obstacle detecting apparatus for a multi-channel lidar-based moving object according to another aspect of the present invention includes a multi- Generating three-dimensional environment information for defining an obstacle on three-dimensional basis based on reception information of the at least two optical transceivers, and generating a projection map including the three-dimensional environment information on a two-dimensional space map And a traveling route generating unit for determining a position on the space of the obstacle based on the projection map and generating a traveling route for avoiding the obstacle.
본 실시예의 다른 측면에 따른 다채널 라이다 기반 이동체의 장애물 검출 방법은 송신신호의 발사각이 상이한 적어도 두 개의 광 송수신기를 이용하여 이동체 주변의 3차원 환경정보를 획득하는 단계, 상기 광 송수신기의 수신정보를 기초로 장애물을 3차원 상에서 정의하기 위한 상기 3차원 환경정보를 생성하고, 2차원 공간 지도에 상기 3차원 환경정보가 포함된 투영지도를 생성하는 단계, 및 상기 투영지도를 이용하여 2차원 정보 기반의 벽추출 알고리즘으로 벽 정보를 추출하고, 상기 적어도 두 개의 광 송수신기가 획득한 3차원 환경정보를 이용하여 낮은 장애물 정보를 검출하는 주행경로 생성 단계를 포함할 수 있다.In another aspect of the present invention, there is provided an obstacle detection method for a multi-channel lidar-based moving object, comprising the steps of: acquiring three-dimensional environment information of a mobile object using at least two optical transceivers having different emission angles of a transmission signal; Generating three-dimensional environment information for defining obstacles in three dimensions on the basis of the three-dimensional environment information, generating a projection map including the three-dimensional environment information in a two-dimensional space map, Based wall extraction algorithm to extract wall information and to detect low obstacle information using the three-dimensional environment information acquired by the at least two optical transceivers.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 실내의 각 지점에 대한 정보를 3차원 정보로 획득하는 실내 정보 획득부, 상기 실내의 바닥면과 관련된 제1 지점들에 대한 정보를 기초로 상기 바닥면의 상태를 결정하는 바닥면 상태 결정부, 및 상기 바닥면의 상태를 기초로 상기 실내에 대한 청소 기능을 제어하는 청소 기능 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 청소 기능 제어 장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an indoor-room-information obtaining apparatus including an indoor-information obtaining unit for obtaining information on each point of a room as three-dimensional information, a state information obtaining unit for obtaining a state of the floor based on information about first points related to the floor of the indoor space And a cleaning function control unit for controlling the cleaning function for the room based on the state of the floor surface.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 실내의 각 지점에 대한 정보를 3차원 정보로 획득하는 실내 정보 획득부, 상기 실내의 바닥면과 관련된 제1 지점들에 대한 정보를 기초로 상기 바닥면의 상태를 결정하는 바닥면 상태 결정부, 상기 바닥면의 상태를 기초로 상기 실내에 대한 청소 기능을 제어하는 청소 기능 제어부, 및 상기 실내에 대한 청소 기능을 수행하는 청소 기능 수행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 청소로봇을 제안한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an indoor-room-information obtaining apparatus including an indoor-information obtaining unit for obtaining information on each point of a room as three-dimensional information, a state information obtaining unit for obtaining a state of the floor based on information about first points related to the floor of the indoor space A cleaning function control unit for controlling the cleaning function for the room based on the condition of the floor surface, and a cleaning function performing unit for performing a cleaning function for the room, We propose a robot.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 광을 송신하고 수신하여 전기 신호를 출력하고, 상기 전기 신호를 분석하여 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 기반으로 상기 광의 비행시간을 산출하여 핀 포인트 거리를 측정하고, 측정한 거리를 기반으로 생성한 점군 데이터를 처리함으로써, 주변 환경에 관한 정보를 저비용으로 정확하게 구축할 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, the light is transmitted and received to output an electric signal, the control signal is generated by analyzing the electric signal, and the flight time of the light is calculated based on the control signal And the point cloud distance is measured, and the point cloud data generated based on the measured distance is processed, so that the information on the surrounding environment can be accurately constructed at a low cost.
본 발명의 실시예들에 의하면, (i) 광원으로부터 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울 및 (ii) 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사하며 수직 방향으로 움직이는 제2 거울을 포함함으로써, 어레이 타입을 사용하지 않으면서 제품의 크기 및 비용을 최소화하고, 고성능으로 핀 포인트를 측정할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, there is provided an optical system including: (i) a first mirror having a hole through which light emitted from a light source is passed, the first mirror having a focal point at which light reflected by a curved reflective surface converges; and (ii) And a second mirror that reflects light passing through the first mirror and reflects the light reflected from the object to the first mirror and moves in the vertical direction, thereby minimizing the size and cost of the product without using the array type, The pin point can be measured with high performance.
본 발명의 실시예들에 의하면, 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하며 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 전기 신호를 출력함으로써, 출력 신호가 소멸되기까지 대기할 필요가 없고, 불규칙적인 신호 처리 시간을 획일화하여 시스템의 동작을 안정화하고, 시스템의 처리 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, it is unnecessary to wait until the output signal disappears by receiving the reflected light and converting it into an electrical signal and outputting an electrical signal during the detection time in the sampling period. The operation of the system can be stabilized and the processing speed of the system can be improved.
본 발명의 실시예들에 의하면, 전기 신호에서 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 상기 전기 신호를 변환하고, 변환된 전기 신호의 크기를 조절하고, 기 설정된 크기를 갖는 시점을 검출함으로써, 워크에러를 개선하고 비교기만으로도 정확한 시점을 측정할 수 있는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, the electric signal is transformed so that the signal point having the maximum signal magnitude in the electric signal has a predetermined magnitude, the magnitude of the converted electric signal is adjusted, Thus, it is possible to improve the work error and to measure the accurate time by using only the comparator.
본 발명의 실시예들에 의하면, 반사 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정함으로써, 정확한 비행시간을 산출할 수 있는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, it is possible to calculate the accurate flight time by correcting the flight time using the pulse width of the reflected signal.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 오실레이터들에 포함된 논리소자의 위치를 조절하여 복수의 오실레이터들의 클럭 폭을 조절함으로써, 시간 디지털 변환기의 시간 분해능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, the time resolution of the time-digital converter can be improved by adjusting the clock width of a plurality of oscillators by adjusting the position of logic elements included in a plurality of oscillators.
본 발명의 실시예들에 의하면, 외부의 클럭 발생기로부터 수신한 기준 클럭의 개수 및 내부의 오실레이터에서 발생한 내부 클럭의 개수의 비율을 이용하여 비행시간을 보정함으로써, 정확한 비행시간을 산출할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, an accurate flight time can be calculated by correcting the flight time using the ratio of the number of reference clocks received from the external clock generator and the number of internal clocks generated in the internal oscillator .
본 발명의 실시예들에 의하면, 사용자의 육안으로 보이지 않지만 인공표식을 인식하는 장치는 인식할 수 있는 인공표식을 제공하고, 라이다 시스템이 그 인공표식을 인식하기 위한 별도의 카메라를 구비할 필요없이 주변을 스캐닝하는 과정에서 스캐닝한 지점들을 분석하여 인공표식을 인식할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, an apparatus that recognizes an artificial landmark, which is not visible to the user's eyes, provides an artificial landmark that can be recognized, and a lidar system needs to have a separate camera for recognizing the artificial landmark It is possible to recognize the artificial landmarks by analyzing the scanned points in the process of scanning the surroundings without the scanner.
본 발명의 실시예들에 의하면, 스캔 정보를 이용하여 노드에 관한 키 프레임을 생성하고 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지 산출하고 키 프레임을 갱신하여 지역 지도를 추정하고, 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지를 검출하고 오도메트리 엣지 및 루프 클로저 엣지를 기반으로 노드의 위치를 보정하여 전역 지도를 추정함으로써, 일정 조건하에서 일정 시간 내에 넓은 영역을 커버하는 지도를 작성할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, a key frame related to a node is generated using scan information, an odd map tree is calculated between successive nodes, a key frame is updated to estimate a local map, It is possible to create a map covering a wide area within a predetermined time under a certain condition by detecting a loop closure edge between non-contiguous nodes and correcting the position of the node based on the odometry edge and the loop closure edge, There is an effect.
본 발명의 실시예들에 의하면, 회전 가능하며 다양한 각도로 신호를 송수신할 수 있는 다채널 라이다를 구비하여 이동체 주변환경에 대한 장애물 정보를 3차원 적으로 획득할 수 있어 이동체의 전방 장애물 및 전방 하단의 낮은 높이 장애물도 검출할 수 있는 효과가 있다. According to the embodiments of the present invention, it is possible to three-dimensionally acquire obstacle information for the surrounding environment of the moving object by providing a multi-channel structure capable of rotating and transmitting / receiving signals at various angles, It is possible to detect low-level obstacles at the bottom.
본 발명의 실시예들에 의하면, 다채널 라이다를 통하여 획득한 주변환경에 대한 3차원 정보를 격자지도에 포함하는 투영지도를 생성할 수 있어 낮은 저장용량 및 연산능력으로도 이동체 주변 환경 정보 및 전방 하단의 낮은 높이의 장애물 정보를 충분히 획득할 수 있는 효과가 있다. According to the embodiments of the present invention, it is possible to generate a projection map including three-dimensional information on the surrounding environment acquired through the multi-channel ladder in a grid map, so that even with low storage capacity and computing power, It is possible to sufficiently acquire obstacle information at a lower level in the lower front.
본 발명의 실시예들에 의하면, 다채널 라이다를 통하여 이동체의 주변환경에 대한 3차원 정보를 획득하는 경우에도 투영지도를 생성함으로써 기존 2차원 환경정보에 적용하는 기법들을 그대로 적용할 수 있는 효과가 있다. According to the embodiments of the present invention, even when acquiring three-dimensional information about the surrounding environment of a moving object through multi-channel rendering, it is possible to apply the techniques applied to the existing two- .
본 발명의 실시예들에 의하면, 다채널 라이다를 통하여 이동체의 주변환경에 대한 3차원 정보를 획득하는 경우에도 투영지도를 생성함으로써 이동체의 안전과 최대 청소영역을 확보할 수 있는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, even in the case of acquiring three-dimensional information on the surrounding environment of the moving object through the multi-channel line, the projection map is generated, thereby securing the safety of the moving object and securing the maximum cleaning area.
본 발명의 실시예들에 의하면, 바닥면의 상태를 정확하게 검출할 수 있으며, 바닥면에 산재해 있는 낮은 장애물도 감지하는 것이 가능하고, 청소로봇의 슬립(slip)을 정확하게 검출할 수 있고, 청소 및 커버리지 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the embodiments of the present invention, it is possible to accurately detect the state of the bottom surface, to detect low obstacles scattered on the floor surface, to accurately detect the slip of the cleaning robot, And the coverage performance can be improved.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if the effects are not expressly mentioned here, the effects described in the following specification which are expected by the technical characteristics of the present invention and their potential effects are handled as described in the specification of the present invention.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체에 관한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치에 관한 도면이다.
도 6 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 광 송수신기에 관한 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체가 생성한 점군 데이터에 관한 도면이다.
도 18 내지 도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 광 송수신기의 신호 변환부에 관한 도면이다.
도 22 내지 도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 신호 판별기에 관한 도면이다.
도 28 내지 도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 시간 디지털 변환기에 관한 도면이다.
도 35는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치가 비행시간을 보정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 36 내지 도 51은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치가 인공표식을 인식하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 52는 본 발명의 실시예들에 따른 이동체들이 상호 작용하는 것을 예시한 도면이다.
도 53 내지 도 64는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치가 위치를 인식하고 지도를 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 65 내지 도 75는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 경로 제어기에 관한 도면이다.
도 76 내지 도 83은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 투영지도 생성기에 관한 도면이다.
도 84 내지 도 88은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체의 청소부에 관한 도면이다.
도 89 내지 도 96은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체가 이동하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 97은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체가 이동한 경로를 예시적으로 표시한 도면이다.1 to 3 are views of a moving body according to embodiments of the present invention.
4 and 5 are diagrams of a laddering device according to embodiments of the present invention.
6 to 15 are views of an optical transceiver of a lidar device according to embodiments of the present invention.
16 and 17 are views of point cloud data generated by a moving object according to embodiments of the present invention.
18 to 21 are views showing signal conversion units of an optical transceiver of a radar apparatus according to embodiments of the present invention.
22 to 27 are diagrams illustrating a signal discriminator of a radar device according to embodiments of the present invention.
28 to 34 are diagrams of a time digital converter of a laddering device according to embodiments of the present invention.
FIG. 35 is a view for explaining an operation for correcting the flight time by the Lada apparatus according to the embodiments of the present invention. FIG.
FIGS. 36 to 51 are views for explaining an operation of recognizing artificial landmarks according to the embodiments of the present invention.
52 is a view illustrating how moving objects interact according to embodiments of the present invention.
Figs. 53 to 64 are diagrams for explaining an operation in which the Lada device according to the embodiments of the present invention recognizes a position and generates a map. Fig.
65-75 are views of a path controller of a laddering device according to embodiments of the present invention.
Figures 76-83 are diagrams of a projection map generator of a laddering device in accordance with embodiments of the present invention.
84 to 88 are views of a cleaning part of a moving object according to embodiments of the present invention.
FIGS. 89 to 96 are views for explaining an operation of moving a moving object according to the embodiments of the present invention.
97 is a diagram exemplarily showing a moving path of a moving object according to embodiments of the present invention.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Will be described in detail with reference to exemplary drawings.
< 이동체><Mobile body>
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체에 관한 도면이다.1 to 3 are views of a moving body according to embodiments of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 이동체(1)는 라이다 장치(10), 이동 장치(20), 및 경로 제어기(30)를 포함한다. 이동체(1)는 도 1에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 이동체는 청소부를 추가로 포함할 수 있다.As shown in Fig. 1, the
이동체(1)는 미리 정의된 방식에 따라 특정 위치에서 다른 위치로 이동 가능하도록 설계된 장치를 의미하며, 바퀴, 레일, 보행용 다리 등과 같은 이동 수단을 이용하여, 특정 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다. 이동체(1)는 센서 등을 이용하여 외부의 정보를 수집한 후 수집된 정보에 따라서 이동할 수도 있고, 사용자에 의해 별도의 조작 수단을 이용하여 이동할 수 있다.The moving
이동체(1)의 일례로는 로봇 청소기, 장난감 자동차, 산업용 또는 군사용 목적 등으로 이용 가능한 이동 로봇 등이 있을 수 있으며, 이동체(1)는 바퀴를 이용하여 주행하거나, 하나 이상의 다리를 이용하여 보행하거나, 이들의 조합 등으로 구현될 수 있다.Examples of the moving
로봇 청소기는 청소 공간을 주행하면서 바닥에 쌓인 먼지 등의 이물질을 흡입함으로써 청소 공간을 자동으로 청소하는 장치이다. 일반적인 청소기가 사용자에 의한 외력으로 이동하는 것과 달리, 로봇 청소기는 외부의 정보 또는 미리 정의된 이동 패턴을 이용하여 이동하면서 청소 공간을 청소한다.The robot cleaner is a device that automatically cleans the cleaning space by suctioning foreign substances such as dust accumulated on the floor while traveling in the cleaning space. Unlike a general vacuum cleaner moving by an external force by a user, the robot cleaner cleans the cleaning space while moving using external information or a predefined movement pattern.
로봇 청소기는 미리 정의된 패턴을 이용하여 자동적으로 이동하거나, 또는 감지 센서에 의해 외부의 장애물을 감지한 후, 감지된 바에 따라 이동할 수도 있고, 사용자에 의해 조작되는 원격 제어 장치로부터 전달되는 신호에 따라 이동 가능하다.The robot cleaner may automatically move using a predefined pattern or may detect an external obstacle by a detection sensor and then move according to the detected motion or may be moved according to a signal transmitted from a remote control device operated by a user It is movable.
감지 센서는 라이다(LIDAR)로 구현될 수 있다. 라이다는 레이저 신호를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하고, 빛의 속도를 이용하여 반사체의 거리를 측정하는 장치이다. 레이저 신호는 포토 다이오드를 통하여 전기적인 신호로 변경된다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다.The sensing sensor may be implemented as a LIDAR. Lidar is a device that shoots a laser signal, measures the return time of reflected light, and measures the distance of the reflector using the speed of light. The laser signal is converted into an electrical signal through the photodiode. The laser signal may have a predetermined wavelength band.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 라이다 장치(10)가 본체의 상단부에 위치하고 있으나, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 위치에서 하나 이상으로 구현될 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3, the
라이다 장치(10)는 한 쌍의 광원 및 광 다이오드를 이용하여 광을 송수신하며, 이동성 거울 및 회전체를 이용하여 주변을 3차원 스캐닝한다.The
라이다 장치(10)는 타임 오브 플라이트(Time of Flight, TOF) 방식으로 동작할 수 있다. 타임 오브 플라이트 방식은 레이저가 펄스 또는 구형파 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 또는 구형파 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써, 측정 대상과 라이다 장치 사이의 거리를 측정한다.The
이동 장치(20)는 대상체까지의 거리를 기반으로 주행 경로를 산출하거나 장애물을 검출하여 이동체를 이동시킨다. 이동 장치(20)는 인공표식의 상대 위치를 기반으로 이동체를 이동시킬 수 있다. 이동 장치(20)는 바퀴, 레일, 보행용 다리 등과 같은 이동 수단으로 구현될 수 있다.The
<라이다 장치>≪
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치에 관한 도면이다. 라이다 장치는 이동체에 구현되거나 독립적으로 동작한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 라이다 장치(10)는 광 송수신기(100), 신호 판별기(200), 및 거리 측정기(300)를 포함한다. 라이다 장치(10)는 도 4에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 라이다 장치(10)는 인터페이스(400)를 추가로 포함할 수 있다.4 and 5 are diagrams of a laddering device according to embodiments of the present invention. The lidar device is implemented in a mobile object or operates independently. As shown in FIG. 4, the
광 송수신기(100)는 레이저 신호를 송신하고 반사된 신호를 수신한다. 광 송수신기(100)는 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 송수신기(100)는 기 설정된 검출 시간 동안 전기 신호를 출력한다. The
광 송수신기(100)는 빛을 전류나 전압으로 변환하는데, 광 다이오드의 출력을 버퍼링하고 스케일링하기 위한 회로가 필요하다. 예컨대, 광 다이오드에 트랜스 임피던스 증폭기(Trans Impedance Amplifier, TIA)가 연결될 수 있다. 트랜스 임피던스 증폭기는 광 다이오드의 전류를 증폭하고 전압으로 변환하여 출력한다. 트랜스 임피던스 증폭기는 R-TIA(Resistive Feedback TIA) 및 C-TIA(Capacitive Feedback TIA)로 구분될 수 있다.The
광 송수신기(100)는 신호 변환부를 포함할 수 있다. 광 송수신기(100)의 광 다이오드에 신호 변환부가 연결되고, 신호 변환부에 트랜스 임피던스 증폭기가 연결될 수 있다.The
광원은 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 대상체로 광을 출사한다. 샘플링 주기는 라이다 장치(10)의 제어부에 의해 설정될 수 있다. 샘플링 주기는 시작 제어 신호에 따라 광 송수신기(100)가 광을 출사하고 반사된 광을 수신하고 광을 전기 신호로 변환하기까지의 시간이다. 광 송수신기(100)는 다음 샘플링 주기에서 이러한 동작들을 반복하여 수행할 수 있다.The light source emits light to the object based on a predetermined sampling period. The sampling period can be set by the control unit of the
광 다이오드는 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 다이오드는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다. 광 다이오드는 광캐리어가 소멸할 때까지 전기 신호를 출력한다. 게다가, 출력 신호의 크기가 커질수록 신호가 소멸되기까지 소요되는 시간이 증가한다.The photodiode receives the light reflected by the object and converts it into an electric signal. The photodiode may be implemented as a PN junction photodiode, a PIN photodiode, an avalanche photodiode (APD), or the like. The photodiode outputs an electrical signal until the optical carrier disappears. In addition, as the size of the output signal increases, the time required until the signal disappears increases.
신호 판별기(200)는 전기 신호를 변환하여 정확한 시점을 측정하고 정지 제어 신호를 출력한다. 신호 판별기(200)는 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 상기 전기 신호를 변환하고, 변환된 전기 신호의 크기를 조절하고, 기 설정된 크기를 갖는 시점을 검출한다. 신호 판별기는 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성한다. The
신호 판별기(200)는 광 다이오드 또는 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전기 신호를 수신한다. 수신한 전기 신호, 즉, 입력 신호는 반사된 광에 의해 상승하고 하강하는 형태를 갖는다. 신호 판별기는 입력 신호에 대해 목적하는 시점을 정확하게 측정하여 전기 신호를 출력한다. The
신호 판별기(200)는 입력 신호를 미분하거나 입력 신호를 일정 분율 판별(Constant Fraction Discriminator, CFD)을 이용하여 변환한다. 일정 분율 판별은 원 신호를 지연시킨 신호와 일정 크기 비율만큼 조절한 신호가 같아지는 시점이 최대 크기의 일정 비율이 되는 시점을 찾는 방식이다.The
신호 판별기(200)는 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호의 기울기를 변환한다. 신호 판별기(200)는 변환된 입력 신호의 크기를 조절한다. 신호 판별기는 변환된 입력 신호의 크기를 N(상기 N은 자연수)차 증폭시킨다. 신호 판별기는 복수의 증폭 과정을 거쳐 신호의 기울기가 수직에 가깝도록 변환한다. 기울기가 크기 때문에, 단순히 비교기만으로 회로를 구현하더라도 정확한 시점을 획득할 수 있다.The
거리 측정기(300)는 타임 오브 플라이트 방식으로 시간 및 거리를 측정한다. 거리 측정기(300)는 시작 제어 신호 및 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정한다. 거리 측정기(300)는 빛의 속도를 이용하여 시간으로부터 거리를 산출한다.The
거리 측정기(300)는 두 시간의 차이를 디지털 값으로 변환하는 하나 이상의 시간 디지털 변환기(310, 312)를 포함할 수 있다. 시간 디지털 변환기의 입력 신호는 동일 신호원의 펄스 형태가 될 수도 있고, 다른 신호원의 에지가 될 수도 있다. 예컨대, 라이다 장치(10)는 시작 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지, 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 시간차를 산출할 수 있다.The
인터페이스(400)는 다른 장치(또는 호스트)와 정보를 송수신하는 통신 경로이다. 다른 장치는 인터페이스를 통해 라이다 장치(10)에 접속하여 파라미터를 설정할 수 있다. 라이다 장치(10)는 인터페이스를 통해 측정한 시간 및 거리를 다른 장치로 전송할 수 있다. The
<광 송수신기의 구조>≪ Structure of optical transceiver >
도 6 내지 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 광 송수신기에 관한 도면이다.6 to 15 are views of an optical transceiver of a lidar device according to embodiments of the present invention.
3차원 거리 측정 시스템은 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서, 초음파 센서, 레이저 센서 등 다양한 센서를 이용하여 공간의 거리를 측정한다. The three-dimensional distance measurement system measures the distance of space using various sensors such as a CCD (Charge Coupled Device) image sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, an ultrasonic sensor, and a laser sensor.
통상의 3차원 거리 측정 시스템은 센서의 중심을 포함한 평면을 스캔하는 2차원 거리 센서를 회전시켜 공간을 스캔한다. 이러한 2차원 거리 센서를 이용한 장치는 비용, 크기, 및 샘플링 레이트를 제한하지 않기 때문에, 연구 목적이 아닌 상용제품으로 생산하는 데 한계가 있다.A typical three-dimensional distance measurement system scans a space by rotating a two-dimensional distance sensor that scans a plane including the center of the sensor. Since the device using such a two-dimensional distance sensor does not limit the cost, the size, and the sampling rate, there is a limit in producing the product as a commercial product rather than a research purpose.
2차원 광 다이오드 어레이(Photodiode Array)가 적용된 장치는 구조광(Structure Light) 또는 비행시간(Time of Flight)을 이용하여 거리를 측정한다. 구조광은 고유 패턴을 투사하고 대응점을 검출하여 깊이를 계산하는 방식이고, 비행시간은 시간차 또는 위상차를 측정하여 거리로 변환하는 방식이다. 2차원 광 다이오드 어레이가 적용된 장치는 화각을 넓히기 어렵고, 픽셀마다 갖는 3차원 정보가 많아 핀 포인트 측정이 곤란한 문제가 있다.A device using a two-dimensional photodiode array measures the distance using Structure Light or Time of Flight. The structure light is a method of projecting a unique pattern and calculating a depth by detecting a corresponding point, and the flight time is a method of measuring a time difference or a phase difference and converting it into a distance. A device to which a two-dimensional photodiode array is applied has a problem that it is difficult to widen the angle of view, and it is difficult to measure pinpoint because of a large amount of three-dimensional information per pixel.
1차원 광 다이오드 어레이가 적용된 라이다 장치는 광 다이오드 어레이 및 레이저 다이오드 어레이(또는 레이저 다이오드와 디퓨저)를 포함한다. 광 다이오드 어레이는 실리콘 결정 위에 직선형으로 수백 내지 수천 개의 광 다이오드를 배열한 구조를 갖는다. 1차원 광 다이오드 어레이가 적용된 라이다 장치는 화각을 넓히기 어렵고, 구현에 필요한 고효율의 디퓨저(Diffuser), 센서 어레이, 멤스 거울(Mems Mirror) 등의 모듈들이 고가이므로 상용제품으로 생산하는 데 곤란한 문제가 있다.A lidar apparatus to which a one-dimensional photodiode array is applied includes a photodiode array and a laser diode array (or a laser diode and a diffuser). The photodiode array has a structure in which hundreds to several thousands of photodiodes are arranged linearly on the silicon crystal. Since the Lidar device with a one-dimensional photodiode array is difficult to widen the angle of view, and the high efficiency diffuser, sensor array, and MEMS mirror required for implementation are expensive, it is difficult to produce them as a commercial product have.
이러한 문제를 해결하기 위하여 광 송수신기(100)는 3차원 스캐닝이 가능한 구조로 형성된다.In order to solve such a problem, the
광 송수신기(100)는 복수의 거울의 각도를 상이하게 설정하여 수평 방향과 지면 방향의 장애물을 동시에 검출할 수 있다. 광 송수신기(100)는 송신 광학부(120) 및 수신 광학부(130)에 거울을 각각 연결하고, 송신 광학부(120) 및 수신 광학부(130)를 회전시켜 전방향으로 장애물을 검출할 수 있다. 예컨대, 스캔라인은 각각 45도와 60도로 설정될 수 있고, 2개 이상으로 구성될 수도 있다.The
광 송수신기(100)는, 이동체(200)의 이동방향 전방 상부에 위치하며, 상기 적어도 두 개의 광 송수신기(101, 102)은 각각 수평 하방으로 서로 상이한 송신신호 발사각을 갖도록 탑재될 수 있다. 본 실시예에서 다채널 라이다는 다수의 레이저를 발광 또는 수광하는 광 송수신기를 포함하는 하나의 라이다(LiDAR)를 의미한다.The
도 9는 하이 빔(high beam)과 로우 빔(low beam)을 이용하는 2채널 거리 측정기를 탑재하고 있는 이동체(1)의 작동 예시이며, 도 10은 높은 장애물(high obstacle, 2)과 낮은 장애물(low obstacle, 4)을 모두 감지할 수 있는 다채널 라이다 장치(10)를 탑재하고 있는 이동체(1)의 작동 예시이다. 이동체(1)가 2채널 거리 측정기를 이용하는 경우 지면과 수평한 방향으로 어느 하나의 채널(ex. 로우 빔)을 이용하고, 지면과 사선의 방향으로 다른 하나의 채널(ex. 하이 빔)을 이용할 수 있다.9 is an operational example of a moving
도 11을 참조하면, 광 송수신기(100)는 광원(110), 제1 거울(120), 제2 거울(130), 및 광 다이오드(140)를 포함한다. 광 송수신기(100)는 도 11에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 도 12를 참조하면, 광 송수신기(100)는 반사체(150), 회전부(160), 포인트 조절부(112), 기준 각도 조절부(132), 이동 각도 조절부(134), 수직 주파수 조절부(136), 수평 주파수 조절부(162), 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11, the
광원(110)은 광을 출사하는 장치이며, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD) 등으로 구현될 수 있다. 광원은 나노 초 단위의 레이저 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다. 광원(110)에는 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 광원이 출사하는 속도를 조절하여 단위시간당 획득하는 점군 데이터 수를 조절하는 포인트 조절부(112)가 연결될 수 있다. 예컨대, 포인트 조절부(112)는 초당 10K 포인트를 획득하도록 광원(110)의 출사 속도를 설정할 수 있다.The
제1 거울(120)은 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함한다. 즉, 반사면을 관통하는 홀이 형성되어 있다. 광 송수신기(100)는 제1 거울(120)을 통과하도록 광의 이동 경로를 형성함으로써, 광원(110)으로부터 제2 거울(130)까지 광의 직진 경로를 유지하면서 광 송수신기(100)의 크기를 최소화할 수 있다. 제1 거울(120)의 반사면은 광의 일부를 투과하는 투웨이 미러(Two Way Mirror) 또는 하프 미러(Half Mirror)와 같은 광학부품들은 일반적으로 감도를 낮추므로 채용하지 않고, 거울의 중앙 부위에 구멍을 내고 수 mm의 광이 통과시켜 제2 미러(130)로 광의 이동 경로를 형성한다.The
제1 거울(120)은 곡면으로 형성되어 제1 거울(120)의 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는다. 제1 거울(120)의 반사면의 크기는 움직이는 제2 거울(130)의 각도에 따라 반사하는 광의 분포에 기반하여 적절한 크기를 갖는다. 제1 거울(120)은 파라볼릭 반사거울(렌즈와 거울을 하나로 구현한 형태)을 이용하여 집광 및 반사 기능을 수행한다. 즉, 제2 거울(130)을 통해서 다시 반사된 광을 모아서 반사체(150)로 보낸다.The
제1 거울(120)의 곡면에 의한 초점에는 반사체(150)가 위치한다. 반사체(150)는 제1 거울(120)로부터 반사된 광을 수신하여 광 다이오드(140)로 광을 반사시킨다. 제1 거울(120)의 곡면에 의한 반사 광선들을 광 다이오드(140)가 직접 수신할 수도 있으나, 반사체(150)를 거치면 제1 거울(120)의 곡면에 의한 반사 광선들이 광 다이오드(140)에 수직 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 반사 광선들은 광 다이오드(140)에 입사하기 전에, 평행한 직선 경로 또는 하나의 직선 경로를 형성할 수 있다. 광 다이오드(140)는 제1 거울(120)의 초점을 지나는 가상의 직선 경로 상에 위치한다. The
제2 거울(130)는 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고, 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사한다. 제2 거울(130)는 기 설정된 주기로 움직여서 제2 거울의 법선의 기울기를 변화시킨다. 제2 거울(130)은 이동성 거울이며, 휨 운동, 떨림 운동, 왕복 운동, 시소 운동, 회전 운동, 또는 이들의 조합으로 움직일 수 있다. 예컨대, 스윙 거울로 구현될 수 있다.The
제2 거울(130)에는 제2 거울(130)이 설치된 각도를 조절하는 기준 각도 조절부(132)가 연결될 수 있다. 예컨대, 기준 각도 조절부(132)는 제2 거울(130)의 법선을 지면의 수평면을 기준으로 -55도로 설정하여, 제2 거울(130)이 45도로 경사지게 설정할 수 있다. The
제2 거울(130)에는 제2 거울(130)이 움직이는 각도를 변화시키는 이동 각도 조절부(134)가 연결될 수 있다. 예컨대, 이동 각도 조절부(134)는 제2 거울(130)이 +/- 10도로 스윙하도록 설정할 수 있다.The
제2 거울(130)에는 제2 거울(130)이 수직 방향으로 움직이는 주기를 변화시키는 수직 주파수 조절부(136)가 연결될 수 있다. 예컨대, 수직 주파수 조절부(136)는 제2 거울(130)이 200 Hz로 진동(Oscillation)하도록 설정할 수 있다.A vertical frequency controller 136 may be connected to the
광 다이오드(140)는 제2 거울(130) 또는 반사체 등으로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 장치이다. 광 다이오드(140)는 광자 에너지의 빛이 다이오드를 타격하면 이동전자와 양의 전하 정공이 생겨 전자가 활동하는 원리가 적용될 수 있다. 광 다이오드(140)는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다.The
광 송수신기(100)는 움직이는 제2 거울(130)을 이용하여 광의 이동 경로 및 각도를 조절하여, 수직 시야각(Vertical Field of View)를 확보함으로써, 기존의 단일렌즈 및 광 다이오드 어레이(Photodiode Array)로 구현된 장치와는 달리 핀 포인트 측정이 가능하다.The
광 송수신기(100)는 송신 광학부 및 수신 광학부를 포함할 수 있다. 송신 광학부 및 수신 광학부는 레이저 신호의 경로이고, 경통 구조로 형성될 수 있다. 광 송수신기(100)는 복수의 거울의 각도를 상이하게 설정하여 수평 방향과 지면 방향의 장애물을 동시에 검출할 수 있다. 송신 광학부 및 수신 광학부에 거울을 각각 연결하고, 송신 광학부 및 수신 광학부를 회전시켜 전방향으로 장애물을 검출할 수 있다. 예컨대, 스캔라인은 각각 45도와 60도로 설정될 수 있고, 2개 이상으로 구성될 수도 있다.The
광 송수신기(100)는 회전부(160)를 포함할 수 있다. 광 송수신기(100)는 회전부(160)를 통하여 수평 스캐닝(Horizontal Scanning)을 수행한다. 회전부(160)는 광원(110), 제1 거울(120), 제2 거울(130), 및 광 다이오드(140)를 회전축을 기준으로 회전시킨다. 광원(110) 및 광 다이오드(140)는 지지대에 설치되며 지지대에 연결된 모터 등의 구동장치를 동작시킨다.The
회전부(160)에는 회전부(160)가 회전하는 속도를 조절하는 수평 주파수 조절부(162)가 연결될 수 있다. 예컨대, 수평 주파수 조절부(162)는 회전부(160) 5 Hz로 회전(Rotation)하도록 설정할 수 있다.The
도 13을 참조하면, 광원(110)으로부터 출사된 광은 1)부터 6)까지의 이동 경로를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13, the light emitted from the
1) 광원(110)으로부터 출사된 광은 제1 거울(120)의 홀을 지나 제2 거울(130)로 직선 경로로 이동한다. 광원(110)에서 출사된 광은 시준기(Collimator)를 통하여 콜리메이팅될 수 있다. 시준기(Collimator)는 입사 광선을 평행하게 만든다.1) Light emitted from the
2) 움직이는 제2 거울(130)로부터 반사된 광은 제2 거울(130)의 각도에 따라 대상체(2)로 이동한다.2) The light reflected from the moving
3) 대상체(2)로부터 반사된 광은 제2 거울(130)로 직선 경로로 이동한다.3) The light reflected from the
4) 움직이는 제2 거울(130)로부터 반사된 광은 제1 거울(120)로 이동한다.4) The light reflected from the moving
5) 제1 거울(120)에서 모인 광은 반사체(150)로 이동한다.5) The light collected in the
6) 반사체(150)로부터 반사된 광은 광 다이오드(140)로 직선 경로로 이동한다.6) The light reflected from the
도 13에 도시된 바와 같이, 제1 거울의 홀, 제2 거울, 반사체, 광 다이오드를 배치하여 광의 이동 경로를 조절함으로써, 광원과 광 다이오드를 인접하게 위치시켜, 광 송수신기(100) 및 회전체의 크기를 최소화하고, 회전체(160)의 회전 반경을 최소화할 수 있다. 13, the light source and the photodiode are positioned adjacent to each other by disposing the first mirror hole, the second mirror, the reflector, and the photodiode so as to adjust the movement path of the light, so that the
도 14 및 도 15는 광 송수신기의 이동성 거울의 이동 방식을 예시한 도면이다.FIGS. 14 and 15 are diagrams illustrating a movement method of a movable mirror of an optical transceiver. FIG.
도 14를 참조하면, 이동성 거울인 제2 거울(130)은 자석 및 코일에 의한 전자기력을 이용하여 움직일 수 있다. 거울의 중앙부위에는 부드러운 힌지가 있고 양 끝단에는 영구자석이 위치한다. 반사면의 후면의 끝단(또는 끝단에 가까운 지점)에 코일을 위치시킨다. 코일에 주기적으로 방향을 달리하여 전류를 흘려주면 제2 거울은 흔들리게 된다. 여기에서 자석과 코일에 의해서 생기는 힘은 작기 때문에, 제2 거울(130) 또는 제2 거울(130)의 법선(135)이 높은 주파수로 움직이려면, 힌지가 부드럽게 움직일 수 있는 소재를 사용할 필요가 있다. 힌지의 장력(Tension)이 강할수록, 제2 거울(130)이 적은 힘으로도 움직일 수도 있지만 고주파의 움직임을 만들기 어렵다.Referring to FIG. 14, the
이동성 거울은 멤스(MEMS) 기술을 사용하거나 초음파 모터(Piezo Motor)를 사용할 수도 있고, 가성비를 고려하여 도 7과 같은 구조로 동작하는 것이 바람직하다.It is preferable that the movable mirror use a MEMS (MEMS) technology or an ultrasonic motor (Piezo Motor), and operate in a structure as shown in FIG. 7 in consideration of a pseudo ratio.
도 14와 같은 구조는 수직 스캐닝 속도(Vertical Scanning Speed)가 낮을 수 있어, 다면체를 모터에 연결하여 회전하는 방식이 적용될 수도 있다. 도 15에서는 이동성 거울인 제2 거울(130)은 다각형 기둥으로 형성되어 회전축을 회전하며 움직일 수 있는 구조가 도시되어 있다. 광 송수신기는 제2 거울(130)의 회전 속도와 광원의 출사 속도의 관계를 조절하여 주기적인 시점마다 반사면의 법선의 기울기를 상이하게 조절할 수 있다.The structure shown in FIG. 14 may have a low vertical scanning speed, and a method of rotating the polyhedron by connecting the polyhedron to the motor may be applied. In FIG. 15, the
라이다 장치(10)는 FPGA 등으로 구현된 제어부를 통해 제2 거울의 수직 스캐닝 움직임을 조절한다. 제어부는 주기적으로 +/- 시그널을 송신하여, 제2 거울을 스윙시킨다. 시그널이 주기파형이면, 주기적인 시점에 따라 거울의 각도가 일정하다. 필요에 따라서는 거울의 후면에 PSD 센서를 장착하여 각도를 측정할 수 있다. The
라이다 장치(10)는 FPGA 등으로 구현된 제어부를 통해 수평 회전 움직임을 조절한다. 제어부는 회전부의 회전 속도를 제어하고 회전체 내부 또는 외부에 있는 엔코더를 통해서 회전 각도를 측정한다. The
제2 거울의 수직 스캐닝 움직임을 조절하는 제어부 및 수평 회전 움직임을 조절하는 제어부는 각각 독립된 모듈로 구현될 수 있다.The control unit for controlling the vertical scanning movement of the second mirror and the control unit for controlling the horizontal rotation movement may be implemented as independent modules.
거리 측정기(300)는 제2 거울의 수직 스캐닝 움직임을 조절하는 제어부로부터 수직 각도를 수신하고, 수평 회전 움직임을 조절하는 제어부로부터 수평 각도를 수신하여, 수직 각도와 수평 각도를 저장한다.The
라이다 장치(10)는 광원에서 출사된 광을 광 다이오드에서 수신하여, 비행기간(ToF)을 산출한다. 라이다 장치(10)는 인터페이스를 통하여 호스트로 수직 각도, 수평 각도, 및 비행시간을 전달한다. 비행기간은 보정 또는 캘리브레이션될 수 있다. 라이다 장치(10)는 수직 각도, 수평 각도, 및 비행시간 중에서 적어도 하나에 대해 노이즈를 제거하는 필터링을 수행한 후 호스트로 데이터를 전송할 수 있다. The
<점군 데이터><Point cloud data>
도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체가 생성한 점군 데이터에 관한 도면이다. 점군 데이터의 위치 단위는 미터이다.16 and 17 are views of point cloud data generated by a moving object according to embodiments of the present invention. The location unit of the point cloud data is the meter.
도 13과 같은 구조를 갖는 광 송수신기를 이용하여 획득한 점군 데이터가 도 16에 도시되어 있다. (i) 이동성 거울의 법선을 지면의 수평면을 기준으로 -55도로 설정하여, 이동성 거울이 45도로 경사지게 설정하고, (ii) 회전부를 5 Hz로 회전하도록 설정하고, (iii) 이동성 거울을 +/- 10도 각도로 스윙하며 200 Hz로 진동하도록 설정하고, (iv) 초당 10K 포인트를 획득하도록 광원의 출사 속도 또는 라이다 장치의 샘플링 레이트를 설정하면, 라이다 장치는 도 16에 도시된 3차원의 점군 데이터를 획득할 수 있다.The point cloud data acquired using the optical transceiver having the structure as shown in Fig. 13 is shown in Fig. (i) setting the normal of the movable mirror to -55 degrees relative to the horizontal plane of the ground to set the movable mirror to be inclined at 45 degrees, (ii) rotating the rotating part at 5 Hz, and (iii) Setting the output speed of the light source or the sampling rate of the ladder device such that it swings at a 10-degree angle and oscillates at 200 Hz, and (iv) obtains 10K points per second, The point cloud data of FIG.
바닥면을 함께 측정해야만 하는 어플리케이션은 도 17과 같은 점군 데이터를 획득할 수 있다. (i) 이동성 거울의 법선을 지면의 수평면을 기준으로 -55도로 설정하고, (ii) 회전부를 10 Hz로 회전하도록 설정하고, (iii) 이동성 거울을 +/- 10도 각도로 스윙하며 800 Hz로 진동하도록 설정하고, (iv) 초당 10K 포인트를 획득하도록 광원의 출사 속도 또는 라이다 장치의 샘플링 레이트를 설정하고, (v) 광 송수신기의 높이를 0.1 미터로 설정하면, 라이다 장치는 도 17에 도시된 3차원의 점군 데이터를 획득할 수 있다.An application that must measure the bottom surface together can acquire the point cloud data as shown in Fig. (ii) the rotating part is set to rotate at 10 Hz, (iii) the movable mirror is swung at an angle of +/- 10 degrees, and the normal of the movable mirror is set at -55 degrees relative to the horizontal plane of the ground, (Iv) setting the output speed of the light source or the sampling rate of the ladder device to obtain 10 K points per second, and (v) setting the height of the optical transceiver to 0.1 meter, Dimensional point cloud data shown in Fig.
포인트 조절부(112), 기준 각도 조절부(132), 이동 각도 조절부(134), 수직 주파수 조절부(136), 및 수평 주파수 조절부(162)가 설정하는 수치는 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.The values set by the
<광 송수신기의 신호 변환부><Signal Conversion Unit of Optical Transceiver>
도 18 내지 도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 광 송수신기의 신호 변환부에 관한 도면이다.18 to 21 are views showing signal conversion units of an optical transceiver of a radar apparatus according to embodiments of the present invention.
포토 다이오드에서 출력된 전기적인 신호는 포토 다이오드의 회로 특성에 따라 노이즈를 포함할 뿐만 아니라, 신호의 크기가 다양하고, 신호 출력 시간이 획일화되어 있지 않다. The electrical signal output from the photodiode not only contains noise according to the circuit characteristics of the photodiode, but also has a variety of signal sizes, and the signal output time is not uniform.
레이다는 반사된 레이저 신호가 포토 다이오드를 통과한 이후에도 포토 다이오드의 광캐리어가 소멸할 때까지 대기해야 하는 문제가 있다. 도 18에서는 포토 다이오드에서 출력된 전기적인 신호를 예시되어 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드에서 출력된 전기적인 신호는 신호가 소멸되기까지 상당한 시간이 요구된다. 특히, 출력 신호의 크기가 커질수록 신호가 소멸되기까지 소요되는 시간이 증가하는 문제가 있다.There is a problem that the radar must wait until the optical carrier of the photodiode disappears even after the reflected laser signal passes through the photodiode. In Fig. 18, an electric signal outputted from the photodiode is illustrated. As shown in Fig. 18, the electric signal output from the photodiode requires a considerable time until the signal disappears. In particular, as the size of the output signal increases, the time required until the signal disappears increases.
광 송수신기(100)는 이동체 또는 라이다 장치에 구현되거나 독립적으로 동작한다.The
도 19는 광 송수신기를 예시한 블록도이고, 도 20은 광 송수신기를 예시한 회로도이고, 도 21은 광 송수신기가 출력한 신호를 예시한 도면이다. FIG. 19 is a block diagram illustrating an optical transceiver, FIG. 20 is a circuit diagram illustrating an optical transceiver, and FIG. 21 is a diagram illustrating signals output from the optical transceiver.
도 19에 도시한 바와 같이, 광 송수신기(100)는 광원(110), 광 다이오드(140), 및 신호 변환부(150)를 포함한다. 광 송수신기(100)는 도 19에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 신호 변환부(150)에 트랜스 임피던스 증폭기가 연결될 수 있다.19, the
광원(110)은 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 대상체로 광을 출사한다. 샘플링 주기는 라이다 장치(10)의 제어부에 의해 설정될 수 있다. 샘플링 주기는 시작 제어 신호에 따라 광 송수신기(100)가 광을 출사하고 반사된 광을 수신하고 광을 전기 신호로 변환하기까지의 시간이다. 광 송수신기(100)는 다음 샘플링 주기에서 이러한 동작들을 반복하여 수행할 수 있다.The
광 다이오드(140)는 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 다이오드(140)는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광 다이오드(140)는 광캐리어가 소멸할 때까지 전기 신호를 출력한다. 게다가, 출력 신호의 크기가 커질수록 신호가 소멸되기까지 소요되는 시간이 증가한다.The
신호 변환부(150)는 출력 신호의 소멸 시간에 제한되지 않도록, 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 상기 전기 신호를 출력한다. 도 8을 참조하면, 신호 변환부(150)는 저항(151), 스위치(152), 및 커패시터(153)를 포함할 수 있다.The
저항(151)은 광 다이오드(140)에 연결된다. 저항(151)의 일단은 광 다이오드(140)에 연결되고 저항(151)의 타단은 접지에 연결된다. 저항(151)은 광 다이오드(140)의 양극 또는 음극에 연결될 수 있다.The resistor 151 is connected to the
저항 값이 작으면 광이 광 다이오드(140)를 통과하는 시간과 유사한 시간 동안 파형이 0아닌 값을 갖지만 출력 신호의 크기가 작은 문제가 있다. 따라서, 저항(151)에 대해 기 설정된 값보다 큰 값을 갖는 저항을 사용하여 전기 신호의 크기를 증폭시킬 필요가 있다. 이러한 경우 도 1에 도시된 바와 같이 신호의 뒤끌림 현상이 발생하게 된다.If the resistance value is small, there is a problem that the waveform has a value other than 0 for a time similar to the time when light passes through the
신호의 뒤끌림 현상을 해결하기 위해 스위치(152)를 통하여 전기 신호의 전달 경로를 변경한다. 광 송수신기(100)는 전기 신호의 크기가 감소하는 영역의 일부가 제거된 신호를 출력할 수 있다. 전기 신호의 후단을 제거하더라도, 라이다 장치(10)는 거리를 측정할 수 있다. 신호 판별기(200)가 전기 신호의 종료 시점을 검출하지 않고, 전기 신호의 시작 시점 및 최대 크기 시점을 검출하여 상승 에지 및 하강 에지를 출력하기 때문이다.And changes the propagation path of the electric signal through the
스위치(152)는 저항(151)에 병렬로 연결되어 전기 신호의 전달 경로를 변경한다. 예컨대, 스위치(152)는 트랜지스터 등으로 구현될 수 있다. The
도 21을 참조하면, 스위치(152)는 (i) 샘플링 주기(Ts) 중에서 검출 시간(Td) 동안 전기 신호를 제1 경로로 전달하고, (ii) 샘플링 주기(Ts) 중에서 차단 시간(Tc) 동안 전기 신호를 제2 경로로 전달한다. 제1 경로는 신호가 커패시터(153)를 통해 전달되는 경로이고, 제2 경로는 신호가 스위치(152)를 통해 접지로 전달되는 경로이다.Referring to Figure 21,
본 실시예들은 광 다이오드(140)에서 출력된 전기 신호가 뒤끌림 현상에 의해 신호 소멸 시간(T1, T2, T3)이 소요되더라도, 신호가 소멸될 때까지 대기할 필요없이 샘플링 주기에 따라 신호를 처리할 수 있다. In the present embodiments, even if the electric decay time (T1, T2, T3) is required due to the trailing phenomenon of the electric signal outputted from the
라이다 장치(10)는 샘플링 주기를 조절하고, 샘플링 주기에 따라 적절한 검출 시간을 산출하여 설정하고, 스위치(152)의 온오프 동작을 제어한다. 라이다 장치(10)의 제어부는 샘플링 주기, 검출 시간, 차단 시간, 출사한 광의 파형, 광원의 온오프 시간 간격, 시작 제어 신호의 펄스 폭, 정지 제어 신호의 펄스 폭, 광 송수신기의 회전 속도, 신호 판별기 및 시간 산출기의 신호 처리 및 대기 시간 등을 참조하여 스위치의 온오프 동작을 제어할 수 있다.The
커패시터(153)는 광 다이오드(140) 및 저항(151)이 연결된 지점에 연결되어 전기 신호를 출력한다. 커패시터(153)는 전기 신호의 DC성분을 제거하는 기능을 한다. 커패시터(153)의 후단에는 비반전 증폭기 회로가 연결될 수 있다.The
<신호 판별기><Signal discriminator>
도 22 내지 도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 신호 판별기에 관한 도면이다.22 to 27 are diagrams illustrating a signal discriminator of a radar device according to embodiments of the present invention.
라이다에서 반사 신호의 피크 시점을 산출하는 방식으로 신호를 변환하여 제로를 검출하는 방식이 있다. 현실적으로 반사 신호에는 노이즈가 포함되어 있어, 신호 크기가 제로가 되는 시점을 목표 시점으로 사용할 수 없다. 제로 크로싱 검출기를 추가로 구현해야 한다.There is a method of detecting a zero by converting a signal by calculating a peak point of a reflected signal in the ladder. In reality, the reflected signal contains noise, and the point when the signal size becomes zero can not be used as the target point. An additional zero crossing detector should be implemented.
라이다에서 반사 신호의 시점을 산출하는 방식으로 하나의 문턱치를 사용하는 방식이 있다. 이러한 방식은 반사된 광량에 따라 신호의 형태가 다르기 때문에, 정확한 시점을 산출하기 어려운 문제가 있다. 즉, 워크에러(Walk Error)가 발생한다. 도 22를 참조하면, 신호의 형태에 따라 상이한 시점(T1, T2)이 산출됨을 쉽게 파악할 수 있다.There is a method of using one threshold value as a method of calculating the viewpoint of the reflected signal in the lidar. This method has a problem in that it is difficult to calculate an accurate viewpoint because the signal form varies depending on the amount of reflected light. That is, a walk error occurs. Referring to FIG. 22, it can be easily understood that different time points (T 1 , T 2 ) are calculated depending on the signal form.
라이다에서 반사 신호의 시점을 산출하는 방식으로 복수의 문턱치를 사용하는 방식이 있으나, 이러한 방식은 출력 신호를 피드백하고 신호를 지연시키기 때문에 회로 복잡도가 증가하는 문제가 있다.There is a method of using a plurality of threshold values in a method of calculating the viewpoint of the reflection signal in the case of the conventional method. However, this method has a problem that the circuit complexity increases because the output signal is fed back and the signal is delayed.
도 23은 신호 판별기를 예시한 블록도이다. 23 is a block diagram illustrating a signal discriminator.
도 23에 도시한 바와 같이, 신호 판별기(200)는 제1 변환부(210), 제2 변환부(220), 및 신호 검출부(230)를 포함한다. 신호 판별기(200)는 도 7에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.23, the
신호 판별기(200)는 광 다이오드(140) 또는 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전기 신호를 수신한다. 수신한 전기 신호, 즉, 입력 신호는 반사된 광에 의해 상승하고 하강하는 형태를 갖는다. 신호 판별기(200)는 입력 신호에 대해 목적하는 시점을 정확하게 측정하여 전기 신호를 출력한다. The
도 24를 참조하면, 입력 신호의 형태에 따라 입력 신호는 전단 시점(Tfront), 설정된 임계치와 만나는 목표 시점(T1, T2), 피크 시점(Tmax)을 갖는다. 신호 판별기(200)는 전단 시점(Tfront) 및 피크 시점(Tmax)에 가장 근접한 시점을 검출하기 위해 2단계 변환 과정을 수행한다.Referring to FIG. 24, the input signal has a front end time T front , a target time point T 1 , T 2 , and a peak time point T max , which meet the set threshold value, depending on the type of the input signal. The
제1 변환부(210)는 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호를 변환한다. 제1 변환부(210)는 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점의 크기가 제로가 되도록 변환한다. 예컨대, 제1 변환부(210)는 입력 신호를 미분하거나 입력 신호를 일정 분율 판별(Constant Fraction Discriminator, CFD)을 이용하여 변환한다. 일정 분율 판별은 원 신호를 지연시킨 신호와 일정 크기 비율만큼 조절한 신호가 같아지는 시점이 최대 크기의 일정 비율이 되는 시점을 찾는 방식이다. The
도 25에서는 입력 신호를 시간에 대하여 미분한 신호가 도시되어 있다. 도 25를 참조하면, 변환한 신호는 전단 시점(Tfront), 설정된 임계치와 만나는 상승 시점(Trising1, Trising2), 설정된 임계치와 만나는 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2), 후단 시점(Tend)을 갖는다. 후단 시점(Tend)은 변환 전의 신호의 피크 시점(Tmax)과 동일한 시점이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 제1 변환부(210)가 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호의 기울기를 변환하면, 상승 시점(Trising1, Trising2)은 전단 시점(Tfront)에 가까워지고 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2)은 후단 시점(Tend)에 가까워진다.In Fig. 25, a signal obtained by differentiating an input signal with respect to time is shown. Referring to Figure 25, the converted signal is the front end point (T front), rise time meets the predetermined threshold (T rising1, T rising2), fall time meets the predetermined threshold (T falling1, T falling2), the rear end point (T end ). The rear end point (T end ) is the same point as the peak point (T max ) of the signal before conversion. As shown in FIG. 25, when the
신호를 미분하거나 일정 분율 판별 방식을 신호에 적용하면, 지터가 심하고 최대 신호 진폭과 최소 신호 진폭의 비인 다이나믹 레인지가 좁게 될 수 있다. 미분 방식은 RC회로로 구현되기 때문에, 거리 변화에 따른 신호의 주파수 특성이 변화하여 시간 오차를 발생시킨다. 일정 분율 판별 방식은 신호의 기울기가 다르기 때문에, 비교기의 커패시터의 충전 시간이 다르게 되고 비교기의 응답시간이 달라져서 시간 오차를 발생시킨다. 따라서, 변환한 신호를 다시 변환할 필요가 있다.If the signal is differentiated or the fractional discrimination method is applied to the signal, the dynamic range, which is the ratio of the jitter to the maximum signal amplitude to the minimum signal amplitude, may become narrow. Since the differential method is implemented by the RC circuit, the frequency characteristic of the signal changes according to the change of the distance, and a time error is generated. Since the slope of the signal is different, the charging time of the capacitor of the comparator is different and the response time of the comparator is changed to generate a time error. Therefore, it is necessary to convert the converted signal again.
제2 변환부(220)는 변환된 입력 신호의 크기를 조절한다. 제2 변환부는 변환된 입력 신호의 크기를 N(상기 N은 자연수)차 증폭시킨다.The
도 26에서는 기울기가 변환된 입력 신호의 크기를 증폭한 신호가 도시되어 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 제2 변환부(220)가 기울기가 변환된 신호의 크기를 증폭하면, 기울기가 수직에 가까워져서, 상승 시점(Trising1, Trising2)은 전단 시점(Tfront)에 더욱 가까워지고 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2)은 후단 시점(Tend)에 더욱 가까워진다. In Fig. 26, a signal obtained by amplifying the magnitude of the input signal with the slope converted is shown. The
본 실시예는 2단계 변환 과정으로 인하여, 노이즈가 포함된 신호에 대해 단순히 임계치와 비교하는 회로를 구현하더라도 전단 시점(Tfront) 및 후단 시점(Tend)을 정확하게 획득할 수 있다.The present embodiment can accurately acquire the front end timing T front and the rear end timing T end even if a circuit for comparing the noise included signal with a threshold value is implemented due to the two stage conversion process.
신호 검출부(230)는 크기가 조절된 입력 신호로부터 기 설정된 기준 크기를 갖는 적어도 하나의 시점을 검출하여 출력 신호를 생성한다. 신호 검출부(230)는 크기가 조절된 입력 신호로부터 하나의 임계치를 기준으로 상승 에지 및 하강 에지를 출력한다. 정지 제어 신호는 상승 에지에 매칭하는 펄스이거나 하강 에지에 매칭하는 펄스이거나 상승 에지 및 하강 에지에 모두 매칭하는 펄스일 수 있다.The
라이다 장치(10)는 상승 에지 및 하강 에지에 따른 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정한다. The
<시간 디지털 변환기><Time digital converter>
도 27 내지 도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 시간 디지털 변환기에 관한 도면이다.Figures 27-34 are diagrams of a time digital converter of a laddering device in accordance with embodiments of the present invention.
비행시간을 측정하는 방식으로는 위상 편차(Phase Shifting) 방식, 등가시간 샘플링(Equivalent Time Sampling) 방식, 고해상도의 클럭을 이용한 직접 측정 방식, 및 복수의 지연 소자를 이용하는 시간 측정 방식 등이 있다.Examples of the method of measuring the flight time include a phase shifting method, an equivalent time sampling method, a direct measuring method using a high-resolution clock, and a time measuring method using a plurality of delay elements.
위상 편차 방식은 송신부에서 사인파를 지속적으로 송신하고 수신부에서 위상 편차를 이용하여 비행시간을 측정한다. 이러한 방식은 사인파의 주기에 따라 샘플링율이 제한되는 문제가 있고, 크로스토크에 의해 잘못된 비행시간을 산출하는 문제가 있다.The phase deviation method transmits the sine wave continuously at the transmitter and measures the flight time using the phase deviation at the receiver. This method has a problem that the sampling rate is limited according to the cycle of the sine wave, and there is a problem of calculating the erroneous flight time by the crosstalk.
등가시간 샘플링 방식은 오실로스코프에 적용된 방식으로 시간차를 두고 신호를 반복적으로 읽어 전체 신호를 재구성하는 방식이다. 이러한 방식은 샘플링율이 낮기 때문에 고속으로 이동하는 장애물을 감지하거나 이동체에 사용하는 데 제한된다.The equivalent time sampling method is a method that is applied to the oscilloscope and reads the signal repeatedly at a time difference to reconstruct the entire signal. This approach is limited to detecting obstacles moving at high speeds or using them for moving objects because of the low sampling rate.
고해상도의 클럭을 이용한 직접 측정 방식은 수 GHz로 동작하는 클럭을 이용하여 비행시간을 측정한다. 이러한 방식은 물리적으로 클럭 속도를 충분히 상승시킬 수 없기 때문에 시간 분해능을 향상시키는 데 한계가 있다.A direct measurement method using a high resolution clock measures the flight time using a clock operating at several GHz. This approach can not physically raise the clock speed sufficiently, so there is a limit to improving the time resolution.
복수의 지연 소자를 이용하는 시간 측정 방식은 시간 디지털 변환기(Time to Digital Converter, TDC)를 이용하여 시간차를 산출한다. 도 27에서는 기존의 시간 디지털 변환기가 도시되어 있고, 도 28에서는 기존의 시간 디지털 변환기의 신호가 예시되어 있다.A time measurement method using a plurality of delay elements calculates a time difference using a time to digital converter (TDC). In FIG. 27, a conventional time-to-digital converter is shown, and in FIG. 28, a signal of a conventional time-to-digital converter is illustrated.
도 27에서 버퍼는 수 십 내지 수 백 피코초(ps)의 시간 지연을 갖는다. 정지 신호를 이용하여 플립플롭을 동작시키면, 시간 지연은 도 28에서 1의 값을 갖는 플립플롭의 개수와 동일하게 된다. 즉, 지연 시간의 합계는 비행시간과 동일한 값을 갖는다. 이러한 방식은 버퍼를 통한 시간 지연에 의존적이고, FPGA 특성상 선형적인 시간 분해능을 가질 수 없는 문제가 있다. 게다가 대량의 지연 라인을 FPGA에 순차적으로 위치시켜야 하므로, FPGA에서 구현하기 위한 공간 및 소자의 개수가 제한되는 문제가 있다.27, the buffer has a time delay of several tens to several hundred picoseconds (ps). When the flip-flop is operated using the stop signal, the time delay becomes equal to the number of flip-flops having a value of 1 in Fig. That is, the sum of the delay times has the same value as the flight time. This scheme is dependent on the time delay through the buffer, and there is a problem that the FPGA can not have a linear time resolution. In addition, since a large number of delay lines must be sequentially placed in the FPGA, there is a limitation in the number of spaces and devices to be implemented in the FPGA.
도 29는 시간 디지털 변환기가 시간을 측정하는 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 30은 시간 디지털 변환기를 예시한 블록도이고, 도 31은 시간 디지털 변환기의 링 오실레이터를 예시한 블록도이다.FIG. 29 is a view for explaining an operation of time-digital converter to measure time, FIG. 30 is a block diagram illustrating a time-digital converter, and FIG. 31 is a block diagram illustrating a ring oscillator of a time-to-digital converter.
거리 측정기(300)는 시간 디지털 변환기를 이용하여 두 시간의 차이를 디지털 값으로 변환한다. The
시간 디지털 변환기는 시간 정보를 디지털 코드로 변환하는 장치이다. 시간 디지털 변환기는 두 입력 신호 사이의 시간 차이에 대응하는 디지털 코드를 생성한다.Time digital converter is a device that converts time information into a digital code. The time digital converter generates a digital code corresponding to the time difference between the two input signals.
시간 디지털 변환기의 입력 신호는 동일 신호원의 펄스 형태가 될 수도 있고, 다른 신호원의 에지가 될 수도 있다. 예컨대, 라이다 장치(10)는 시작 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지, 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 시간차를 산출할 수 있다.The input signal of the time digital converter may be in the form of a pulse of the same signal source, or may be the edge of another signal source. For example, the
도 29를 참조하면, 시간 디지털 변환기는 (i) 보통 카운터(Coarse Counter) 및 정밀 카운터(Fine Counter)가 카운팅한 개수(N1, N2)와 (ii) 보통 카운터의 큰 클럭과 정밀 카운터의 작은 클럭을 이용하여 시간을 측정한다. 보통 카운터의 큰 클럭 및 정밀 카운터의 작은 클럭 간의 시간차가 시간 디지털 변환기의 시간 분해능을 결정한다.29, the time-to-digital converter includes (i) a number (N 1 , N 2 ) counted by a coarse counter and a fine counter, and (ii) Time is measured using a small clock. The time difference between the large clock of the normal counter and the small clock of the precision counter determines the time resolution of the time digital converter.
도 30을 참조하면, 시간 디지털 변환기는 느린 오실레이터(510), 빠른 오실레이터(520), 보통 카운터(530), 정밀 카운터(540), 및 위상 검출기(550)를 포함한다.Referring to FIG. 30, the time-to-digital converter includes a
느린 오실레이터(510)는 시작 제어 신호에 의해 제1 클럭을 발생시킨다. 빠른 오실레이터(520)는 정지 제어 신호에 의해 제1 클럭보다 작은 제2 클럭을 발생시킨다. 즉, 느린 오실레이터(510)는 큰 클럭을 발생시키고, 빠른 오실레이터(520)는 작은 클럭을 발생시킨다.The
보통 카운터(530)는 느린 오실레이터(510)에 연결되어 느린 오실레이터(510)의 제1 클럭을 카운팅한다. 정밀 카운터(540)는 빠른 오실레이터(520)에 연결되어 빠른 오실레이터(520)의 제2 클럭을 카운팅한다.The
위상 검출기(550)는 느린 오실레이터(510) 및 빠른 오실레이터(520)에 연결되고, 보통 카운터(530) 및 정밀 카운터(540)에 연결되어, 제1 클럭 및 제2 클럭이 동기화된 시점을 검출한다.The
느린 오실레이터(510) 및 빠른 오실레이터(520)는 링 오실레이터(Ring Oscillator)로 구현될 수 있다. 링 오실레이터는 인버터 및/또는 버퍼를 루프순환 형태로 직렬 연결시킨 발진기이다. 느린 오실레이터(510) 및 빠른 오실레이터(520)는 시간 지연 소자 및 버퍼로 구성될 수 있다. 시간 지연 소자는 인버터를 이용한 디지털 소자 또는 전류원을 이용한 아날로그 소자 등으로 구현될 수 있다.The
도 31에서는 세 개의 인버터가 순차적으로 연결된 링 오실레이터가 예시되어 있으나 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 논리소자들의 조합이 사용될 수 있다.In FIG. 31, a ring oscillator in which three inverters are connected in series is exemplified. However, the present invention is not limited thereto, and a suitable combination of logic elements may be used according to the design to be implemented.
기존의 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 버퍼의 개수를 조절하여 클럭 폭을 조절한다. 기존의 시간 디지털 변환기는 버퍼 자체의 신호 지연 시간으로 인하여, 80 피코 초(ps) 정도의 분해능을 갖는다. Conventional slow oscillators and fast oscillators adjust the clock width by adjusting the number of buffers. Conventional time digital converters have a resolution of about 80 picoseconds (ps) due to the signal delay time of the buffer itself.
본 실시예들은 회로 상에서 느린 오실레이터(510)의 논리소자들의 위치 및 신호 경로를 변경하여 느린 오실레이터(510)의 클럭 폭을 조절할 수 있다. 빠른 오실레이터(520)의 논리소자들의 위치 및 신호 경로를 변경하여 빠른 오실레이터(520)의 클럭 폭을 조절할 수 있다. 즉, 느린 오실레이터(510)를 더 빠르게 동작하도록 변경하고, 빠른 오실레이터(520)를 더 느리게 변경할 수 있다. FPGA 툴의 수동 게이트 위치(Manual Gate Location) 조절 기능을 이용하여 직접적으로 각 게이트의 위치 및 라우팅 경로를 조절할 수 있다. 느린 오실레이터(510) 및 빠른 오실레이터(520)는 동일한 논리소자들로 조합될 수 있다. These embodiments can adjust the clock width of the
본 실시예는 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터를 회로 상에서 게이트들의 위치 및 신호의 라우팅 경로를 변경함으로써, 느린 오실레이터의 클럭 폭 및 빠른 오실레이터의 클럭 폭의 차이, 즉, 시간 분해능을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에 따른 시간 디지털 변환기는 10 피코 초(ps) 정도의 분해능을 갖는다.This embodiment can improve the difference between the clock width of the slow oscillator and the clock width of the fast oscillator, that is, the time resolution, by changing the position of the gates and the routing path of the signal on the circuit with slow oscillators and fast oscillators. The time-to-digital converter according to the present embodiment has a resolution of about 10 picoseconds (ps).
도 32는 두 개의 정지 제어 신호에 기반한 시간 디지털 변환기를 예시한 블록도이고, 도 33은 시간 디지털 변환기를 FPGA에서 예시적 구현한 것이다.FIG. 32 is a block diagram illustrating a time-to-digital converter based on two stop control signals, and FIG. 33 is an exemplary implementation of a time-to-digital converter in an FPGA.
신호 판별기(200)는 제1 신호 및 제2 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 신호는 상승 에지에 따른 정지 제어 신호이고, 제2 신호는 하강 에지에 따른 정지 제어 신호일 수 있다.The
도 32를 참조하면, 시간 디지털 변환기는 시작 제어 신호 및 제1 신호에 기반하여 제1 시간차를 산출한다. 시간 디지털 변환기는 시작 제어 신호 및 제2 신호에 기반하여 제2 시간차를 산출한다. 본 실시예는 상승 에지와 하강 에지를 함께 처리하기 때문에, 느린 오실레이터 또는 빠른 오실레이터를 공유하여 설계할 수 있다. 즉, 회로 상에서 느린 오실레이터를 공유하거나 빠른 오실레이터를 공유하여 제1 시간차 및 제2 시간차를 산출할 수 있다. 위상 검출기(552, 554)는 공유된 느린 오실레이터 또는 공유된 빠른 오실레이터로부터 기 설정된 거리보다 가깝게 위치함으로써, 시간 분해능을 향상시킬 수 있다.Referring to Fig. 32, a time-to-digital converter calculates a first time difference based on a start control signal and a first signal. The time digital converter calculates a second time difference based on the start control signal and the second signal. Since this embodiment treats the rising edge and the falling edge together, it can be designed by sharing a slow oscillator or a fast oscillator. That is, it is possible to calculate a first time difference and a second time difference by sharing a slow oscillator or sharing a fast oscillator on a circuit. The
도 33에서는 느린 오실레이터를 공유한 시간 디지털 변환기가 예시되어 있으며, 상승 에지 및 하강 에지를 처리하기 위하여 FPGA 블록에 3 개의 링 오실레이터들, 2 개의 위상 검출기들, 및 4 개의 카운터들을 구성하는 게이트들을 연결하여 배치한 예가 도시되어 있다.In FIG. 33, a time-digital converter sharing a slow oscillator is illustrated. In order to process a rising edge and a falling edge, gates constituting three ring oscillators, two phase detectors, and four counters are connected As shown in Fig.
<비행시간 보정><Flight time correction>
도 34는 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 예시한 블록도이다. 34 is a block diagram illustrating a Lada device according to another embodiment of the present invention.
FPGA의 온도 및 인가 전압에 따라 각 게이트의 시간 지연은 차이가 발생하게 된다. 온도 및 인가 전압으로 인하여 링 오실레이터의 주파수가 변경되고, 분해능에 미세한 편차가 발생한다. 이러한 편차는 비행시간의 오차를 유발한다.The time delay of each gate varies according to the temperature and the applied voltage of the FPGA. The frequency of the ring oscillator is changed due to the temperature and the applied voltage, and a slight deviation occurs in the resolution. This deviation causes an error in flight time.
비행시간의 오차를 모니터링하고 보정하기 위하여, 거리 측정기는 외부의 클럭 발생기(30)로부터 수신한 기준 클럭을 카운팅하고, 내부의 오실레이터에서 발생한 내부 클럭을 카운팅하는 기준 클럭 카운터(320)를 포함한다.The distance meter includes a reference clock counter 320 for counting the reference clock received from the
클럭 발생기(30)는 고정밀 크리스탈 발진기로 구현될 수 있다. 고정밀 크리스탈 발진기는 생성한 클럭을 기준 클럭 카운터(320)로 전달한다. 기준 클럭 카운터(320)는 매 x 회 클럭 입력이 들어오면, 링 오실레이터를 통하여 산출된 클럭의 개수를 내부 버퍼에 저장한다. 라이다 장치(10)는 주기적으로 저장된 클록의 개수를 읽고 비행시간을 보정한다. 비행시간을 보정하는 알고리즘은 다음과 같다.The
거리 측정기는 기준 클럭의 개수 및 내부 클럭의 개수의 비율을 이용하여 비행시간을 보정한다. ticks_per_x_crystal_clock은 실시간으로 계산되며, 구현 제품의 출하 직전에 수행되는 캘리브레이션 단계에서 저장된다. 저장된 기준 클럭의 개수 및 내부 클럭의 개수의 비율을 이용하여 비행시간을 보정하는 것은 수학식 1과 같이 표현된다.The distance measurer corrects the flight time using the ratio of the number of reference clocks and the number of internal clocks. ticks_per_x_crystal_clock is calculated in real time and stored at the calibration stage performed immediately prior to shipment of the implementation product. The correction of the flight time using the ratio of the number of stored reference clocks and the number of internal clocks is expressed by Equation (1).
보정 팩터 α는 ticks_per_x_crystal_clock_runtime를 ticks_per_x_crystal_clock_stored_during_calibration_process으로 나눈 값이다.The correction factor alpha is a value obtained by dividing ticks_per_x_crystal_clock_runtime by ticks_per_x_crystal_clock_stored_during_calibration_process.
도 13을 참조하면, 라이다 장치(10)는 복수의 시간 디지털 변환기(310, 312)를 포함하며, 기준 클럭 카운터(320)는 복수의 시간 디지털 변환기(310, 312) 사이에 위치한다. 기준 클럭을 발생시키는 클럭 발생기(30)는 이동체(1)에 포함될 수 있다. 기준 클럭 카운터(320)가 시간 디지털 변환기와 접촉하거나 기 설정된 거리 내에 위치하기 때문에, 시간 디지털 변환기에 사용되는 오실레이터와 거의 같은 온도 및 전압 특정을 갖게 된다. 내부 클럭도 온도 및 전압에 따라 변한다. 본 실시예는 내부 클럭을 분주해서 사용하지 않기 때문에 높은 정확도를 유지할 수 있는 효과가 있다.13, the
도 35는 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 장치가 시간을 보정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 35 is a diagram for explaining a time correction operation of the Lada apparatus according to another embodiment of the present invention. FIG.
라이다 장치(10)가 신호의 기울기를 변환하는 과정에서 RC회로로 구현된 미분 방식을 적용하면, 거리 변화에 따른 신호의 주파수 특성이 변화하여 시간 오차를 발생한다. 신호의 기울기를 변환하는 과정에서 일정 분율 판별 방식을 적용하면, 신호의 기울기가 달라서 비교기의 커패시터의 충전 시간이 다르게 되고 비교기의 응답시간이 달라져서 시간 오차를 발생시킨다. 따라서, 라이다 장치(10)는 시간 오차를 보정하는 과정을 수행한다.If the differential amplifier implemented by the RC circuit is applied in the process of converting the slope of the signal by the
거리 측정기(300)는 정지 제어 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정한다. 일반적인 광 다이오드의 출력 신호는 펄스 폭의 변화가 심하기 때문에, 펄스 폭 대 워크에러가 1 대 N으로 매칭하여 가까운 영역이 아니면 사용하기 곤란한 문제가 있다. 본 실시예는 신호를 변환하는 과정을 거쳤기 때문에, 펄스 폭 대 워크에러 간의 관계를 간단하게 모델링할 수 있다.The
거리 측정기(300)는 워크에러 및 펄스 폭 간의 함수를 모델링하고, 보정 팩터를 미리 측정한다. 펄스폭에 따른 보정 팩터는 도 14에 도시되어 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 거리 측정기(300)는 펄스 폭에 반비례하는 보정 팩터를 적용하여 비행시간을 보정한다. 반사 신호의 세기가 약하여 펄스 폭이 좁아지면 워크에러가 커지므로, 거리 측정기(300)는 보정 팩터를 크게 설정한다. 반사 신호의 세기가 강하여 펄스 폭이 넓어지면 워크에러가 작아지므로, 거리 측정기(300)는 보정 팩터를 작게 설정한다.The
비행시간에 관한 관계식은 수학식 2와 같이 표현된다.The relational expression concerning the flight time is expressed by Equation (2).
수학식 2에서 ttof는 보정된 비행시간이고, tfalling는 보정 전의 비행시간이다. 비행시간은 정지 제어 신호 및 시작 제어 신호 간의 시간차이다. 라이다 장치는 시작 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지, 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 시간차를 산출할 수 있다. fcomp는 펄스 폭 대 워크에러의 함수이고, tpulse는 신호의 펄스 폭이다. 라이다 장치는 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 펄스 폭을 산출할 수 있다.In Equation (2), t tof is the corrected flight time, and t falling is the flight time before correction. The flight time is the time difference between the stop control signal and the start control signal. The ladder device can calculate the time difference based on the rising edge or the falling edge of the start control signal, the rising edge or the falling edge of the stop control signal. f comp is a function of pulse width versus work error, and t pulse is the pulse width of the signal. The radar apparatus can calculate the pulse width based on the rising edge or the falling edge of the stop control signal.
<인공표식 인식><Artificial marker recognition>
도 36 내지 도 51은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치가 인공표식을 인식하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 36 to 51 are views for explaining an operation of recognizing artificial landmarks according to the embodiments of the present invention.
공간을 이동하는 이동체가 자신 또는 다른 물체의 위치를 파악하거나 다른 물체를 인식하기 위하여 표식(Lankmark)을 이용한다. 표식은 자연표식과 인공표식으로 구분된다. 자연표식을 이용하는 방식은 공간에 위치하는 구조물, 천장, 벽의 경계면 등으로부터 특정 성분을 추출하는 방식이고, 인공표식을 이용하는 방식은 특정 의미를 갖는 패턴 또는 태그를 공간이나 다른 물체에 부착시켜 카메라 등으로 인공표식을 인식하는 방식이다. Moving objects that move in space use markers (lankmarks) to locate themselves or other objects or to recognize other objects. The markers are divided into natural markers and artificial markers. The method of using a natural marker is a method of extracting a specific component from a structure, a ceiling, and a wall of a space, and the method using an artificial marker is a method of attaching a pattern or tag having a specific meaning to a space or another object, Is an artificial marker recognition method.
자연표식과 달리 인공표식은 다양한 문제가 있다. 일반 사용자 입장에서 미관상 거부감을 유발한다. 직접적인 빛의 반사, 어두운 환경, 또는 원거리에서는 오차가 크기 때문에, 인공표식의 인식률을 높이기 위해 인공표식은 일정한 크기 이상으로 제작되어야 하다. 공간과 어울리지 않는 형상 때문에, 외관을 중시하는 공간에서는 부착이 가능한 위치가 제한된다. 생산자 입장에서 인공표식 인식을 위한 별도의 카메라를 사용해야 한다.Unlike natural markers, artificial markers have various problems. It induces cosmetic rejection from the standpoint of the general user. In order to increase the recognition rate of artificial landmarks, the artificial landmarks must be made over a certain size, because of direct reflection of light, dark environment, or error in distance. Due to the unfavorable shape of the space, the position where attachment is possible is restricted in the space where the appearance is emphasized. For producers, a separate camera for artificial marker recognition should be used.
도 38은 인공표식 검출기를 예시한 블록도이다.38 is a block diagram illustrating an artificial marker detector.
도 38에 도시한 바와 같이, 라이다 장치(10)는 광 송수신기(100), 신호 판별기(200), 거리 측정기(300), 광도 측정기(400), 및 인공표식 검출기(500)를 포함한다. 라이다 장치(10)는 도 38에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 라이다 장치(10)는 위치 산출기를 추가로 포함할 수 있다.38, the
라이다 장치(10)는 인공표식을 인식하기 위한 별도의 카메라를 구비하지 않고, 대상체를 스캐닝한 지점들을 분석하여 사용자의 육안으로 보이지 않는 인공표식을 인식한다.The
광 송수신기(100)는 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 송수신기는 광원, 송신 광학부, 수신 광학부, 및 광 다이오드를 포함할 수 있다. 광 다이오드는 광자 에너지의 빛이 다이오드를 타격하면 이동전자와 양의 전하 정공이 생겨 전자가 활동하는 원리가 적용될 수 있다. 광 다이오드는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다.The
신호 판별기(200)는 입력 신호에 대해 목적하는 시점을 정확하게 측정하여 전기 신호를 출력한다. 신호 판별기(200)는 크기가 조절된 입력 신호로부터 기 설정된 기준 크기를 갖는 적어도 하나의 시점을 검출하여 출력 신호를 생성한다.The
거리 측정기(300)는 광을 출사하고 수신한 시간차를 이용하여 대상체의 지점들의 거리를 측정한다. 거리 측정기(300)는 시간 디지털 변환기(Time to Digital Converter)를 포함할 수 있다. 시간 디지털 변환기는 두 입력 신호 사이의 시간 차이에 대응하는 디지털 코드를 생성한다.The
거리 측정기(300)는 타임 오브 플라이트(Time of Flight, TOF) 방식으로 동작할 수 있다. 타임 오브 플라이트 방식은 레이저가 펄스 또는 구형파 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 또는 구형파 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써, 측정 대상으로부터의 거리를 측정한다.The
광도 측정기(400)는 대상체의 지점들에 반사된 광의 광도(Intensity)를 측정한다. 광도 측정기(400)는 광 송수신기(100) 또는 신호 판별기(200)로부터 수신한 전기 신호의 세기를 측정할 수 있다.The
인공표식 검출기(500)는 (i) 대상체의 지점들의 거리 및 (ii) 대상체의 지점들의 광도의 변화를 분석하여 대상체가 인공표식인지 여부를 판단하고, 인공표식에 포함된 비가시적 바코드를 분석하여 디지털 코드를 생성한다.The
인공표식 검출기(500)가 인식하는 인공표식은 베이스 및 비가시적 바코드를 포함한다. 비가시적 바코드는 제1 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질로 형성된 코드 시퀀스를 포함한다. 코드 시퀀스는 제2 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질에 의해 은닉되어 비가시화된다.Artificial markers recognized by the
위치 산출기는 라이다 장치 및 인공표식 간의 상대적인 위치를 산출한다. The position calculator calculates the relative position between the lidar device and the artificial landmarks.
도 39에서는 육안으로 관찰한 결과 백색을 띄는 인공표식(51), 육안으로 관찰한 결과 흑색을 띄는 인공표식(52), 인공표식 검출기(500)가 식별한 불연속한 줄무늬를 갖는 인공표식(53)이 도시되어 있다. 백색을 띄는 인공표식(51)이 백색 배경을 갖는 구조물 또는 공간에 부착되거나 흑색을 띄는 인공표식(52)이 흑색 배경을 갖는 구조물 또는 공간에 부착되면, 사용자는 인공표식(51, 52)을 인식할 수 없다. 반면에, 특정 파장 대역의 광을 수신하는 인공표식 검출기(500)는 인공표식(53)의 줄무늬를 식별할 수 있다.FIG. 39 shows an
도 40 내지 도 43을 참조하면, 인공표식(51, 52, 53)은 베이스(610a, 610b, 610c, 610d) 및 비가시적 바코드(620a, 620b, 620c, 620d)를 포함한다. 인공표식(51, 52, 53)은 커버(630c, 630d), 접착부, 또는 이들의 조합 등을 추가로 포함할 수 있다. 40 to 43,
비가시적 바코드는 베이스에 연결되며, 제1 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질로 형성된 코드 시퀀스를 갖는다. 코드 시퀀스는 제2 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질에 의해 은닉되어 비가시화된다. 제1 파장 대역은 적외선의 파장 대역이고, 제2 파장 대역은 가시광선의 파장 대역일 수 있으나, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 파장 대역이 사용될 수 있다.The invisible bar code is connected to the base and has a code sequence formed of a material that reflects, absorbs, or emits light in the first wavelength band. The code sequence is hidden by the material that reflects, absorbs, or emits light in the second wavelength band and becomes invisible. The first wavelength band may be a wavelength band of infrared rays and the second wavelength band may be a wavelength band of visible light rays. However, the present invention is not limited thereto.
코드 시퀀스는 제1 파장 대역의 광에 대한 반사율, 흡수율, 또는 발광율의 차이에 기반하여 명 영역(622a, 622b, 622c, 622d) 및 암 영역(624a, 624b, 624c, 624d)을 갖는다.The code sequence has
코드 시퀀스는 (i) 명 영역의 개수 또는 폭, (ii) 암 영역의 개수 또는 폭, 또는 (iii) 이들의 조합을 이용하여, 시작 패턴, 정보 패턴, 정지 패턴, 오류 정정 패턴, 또는 이들의 조합으로 표현된 1차원 시퀀스일 수 있다.The code sequence may be divided into a start pattern, an information pattern, a stop pattern, an error correction pattern, or a combination thereof using (i) the number or width of light domain, (ii) the number or width of dark regions, May be a one-dimensional sequence represented by a combination.
코드 시퀀스의 명 영역 및 암 영역은 제1 파장 대역의 광의 반사 파장, 흡수 파장, 발광 파장, 반사율, 흡수율, 발광율, 반사각도, 색상, 표면 성질, 또는 이들의 조합에 의해 구분될 수 있다.The bright region and the dark region of the code sequence can be distinguished by the reflection wavelength of light in the first wavelength band, the absorption wavelength, the emission wavelength, the reflectance, the absorption rate, the emission rate, the reflection angle, the hue, the surface property, or a combination thereof.
코드 시퀀스는 제2 파장 대역의 광의 반사 파장, 흡수 파장, 발광 파장, 반사율, 흡수율, 발광율, 반사각도, 색상, 표면 성질, 또는 이들의 조합에 의해 비가시화된다.The code sequence is invisible by the reflection wavelength of the light in the second wavelength band, the absorption wavelength, the emission wavelength, the reflectance, the absorption rate, the emission rate, the reflection angle, the hue, the surface property, or a combination thereof.
도 40을 참조하면, 베이스는 제2 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 백색 종이에 전방향 반사(Omnidirectional Reflective) 물질 또는 도료가 패터닝되어 코드 시퀀스를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 40, the base may include a material that reflects, absorbs, or emits light in the second wavelength band. For example, an omnidirectional reflective material or paint may be patterned on a white paper to form a code sequence.
도 41을 참조하면, 코드 시퀀스는 제2 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 반사율이 상이한 물질 또는 도료가 패터닝되어 코드 시퀀스를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 41, the code sequence may include a material that reflects, absorbs, or emits light in the second wavelength band. For example, a substance or paint having a different reflectance may be patterned to form a code sequence.
도 42 및 도 43을 참조하면, 커버(630c, 630d)는 제1 파장 대역의 광의 투과 경로 상에 위치한다. 커버(630c, 630d)는 제2 파장 대역의 광을 반사, 흡수, 또는 발광하는 물질을 포함한다. 커버(630c, 630d)는 특정 파장 대역을 필터링할 수 있다. 예컨대, 적외선 필터를 사용할 수 있다. 적외선 필터는 검붉은색을 띄므로, 사용자는 줄무늬가 아닌 단순히 검은색을 띄는 장치로 인식하게 된다.Referring to Figs. 42 and 43, the
인공표식은 베이스의 후면에 형성된 접착제층을 갖는 접착부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.The artificial marker may further include an adhesive portion (not shown) having an adhesive layer formed on the back surface of the base.
이하에서는 도 44 내지 도 46을 참조하여, 라이다 장치가 인공표식을 인식하는 동작을 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 44 to FIG. 46, the operation of recognizing the artificial landmarks will be described.
단계 S2110에서 인공표식 검출기는 대상체의 지점들의 광도가 불연속적으로 변화하는 후보 영역을 분할(Segmentation)한다. 불연속한 부분은 대상체의 지점들의 거리가 일정 범위 내에 있고, 지점들의 광도의 편차가 일정 범위를 넘고, 지점들의 광도의 일부는 최소값보다 작았다가 다른 일부는 최대값보다 크고 또 다른 일부는 최소값보다 작았다가 또 다른 일부는 최대값보다 큰 것을 반복하는 것을 의미한다. 예컨대, 후보 영역은 인공표식(53)의 줄무늬와 유사한 영역을 갖는다.In step S2110, the artificial landmark detector segments the candidate region in which the luminances of the points of the object discontinuously change. The discontinuity is that the distance of the points of the object is within a certain range, the deviation of the luminosity of the points is over a certain range, some of the luminances of the points are smaller than the minimum value, others are larger than the maximum value and others are smaller than the minimum value Another part means repeating something larger than the maximum value. For example, the candidate region has an area similar to the stripe of the
단계 S2120에서 인공표식 검출기는 기 설정된 기준거리를 기준으로 대상체의 지점들의 거리에 대한 광도를 정규화한다. 예컨대, x 미터를 기준으로 정규화하고, 기준거리는 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.In step S2120, the artificial landmark detector normalizes the luminous intensity with respect to the distances of the points of the object based on the predetermined reference distance. For example, normalize with respect to x meters, and the reference distance may be a suitable number depending on the design being implemented.
단계 S2130에서 인공표식 검출기는 정규화된 광도를 명 영역과 암 영역으로 구분하여, 후보 영역의 명 영역과 암 영역이 코드 시퀀스인지 여부를 판단한다. 인공표식 검출기는 2개 이상의 연속된 데이터의 평균을 계속적으로 계산하는 이동평균 등을 이용하여 명 영역과 암 영역으로 구분할 수 있다. 인공표식 검출기는 지역적인 데이터을 이용하여 주변과의 상대적인 대소를 판단할 수 있다.In step S2130, the artificial landmark detector divides the normalized luminous intensity into a bright region and a dark region, and determines whether the bright region and dark region of the candidate region are code sequences. The artificial landmark detector can be divided into a bright region and a dark region using a moving average that continuously calculates the average of two or more consecutive data. The artificial marker detector can use local data to determine the relative magnitude of the surroundings.
단계 S2130에서 인공표식 검출기가 코드 시퀀스인지 여부를 판단하는 기준은 구현되는 설계에 따라 적합한 판단 기준이 적용된다. 예컨대, 인공표식 검출기는 (i) 첫 번째 암 영역과 두 번째 암 영역 간의 간격, (ii) 마지막 암 영역과 마지막으로부터 두 번째 암 영역, (iii) 세그먼트된 부분이 평면 상에 있는 비율 또는 확률, 또는 (iv) 이들의 조합 등을 기준으로 유사 여부를 판단할 수 있다. 도 8a에서는 일정 각도로 꺾인 면에 부착된 인공표식이 도시되어 있고, 도 8b에서는 굴곡 면에 부착된 인공표식이 도시되어 있다. 지점마다 거리값이 상이하기 때문에, 이동체는 꼭지점 등을 기준으로 도킹하거나 목적하는 위치에 정확하게 근접할 수 있다. 인공표식이 하나 이상의 평면에 부착되면, 거짓양성(False Positive) 또는 1종오류(Type I Error)를 최소화할 수 있다.In step S2130, a criterion for determining whether the artificial landmark detector is a code sequence is determined according to the design being implemented. For example, the artificial landmark detector may be configured to detect (i) the distance between the first dark region and the second dark region, (ii) the last dark region and the second dark region from the end, (iii) Or (iv) combinations thereof. In Fig. 8A, an artificial landmark attached to a bent face at a certain angle is shown, and an artificial landmark attached to a curved face is shown in Fig. 8B. Since the distance value is different for each point, the moving object can be docked on the basis of the vertex or the like or can be brought close to a desired position precisely. If artificial markers are attached to more than one plane, false positives or Type I errors can be minimized.
단계 S2140에서 인공표식 검출기는 코드 시퀀스를 이진 코드로 변환하여 식별정보를 추출한다. 인공표식 검출기가 이진 코드로 변환하는 기준은 구현되는 설계에 따라 적합한 변환 기준이 적용된다. 예컨대, 인공표식 검출기는 가운데를 기준으로 일정 간격마다 각각의 좌우 방향으로 광도를 읽고, 광도가 임계치보다 크면 1로 설정하고 작으면 0으로 설정하는 방식으로 이진 코드를 생성할 수 있다.In step S2140, the artificial landmark detector converts the code sequence into a binary code to extract identification information. The criterion that the artificial landmark detector converts to the binary code applies the appropriate conversion criterion according to the design being implemented. For example, the artificial marker detector may read the luminous intensity in each of the left and right directions at regular intervals based on the center, and if the luminous intensity is larger than the threshold value, it is set to 1, and if it is smaller, the binary code can be generated.
이하에서는 도 47 및 도 48을 참조하여, 라이다 장치가 상대 위치를 산출하는 동작을 설명하기로 한다. 라이다 장치는 자세 정보 및 거리 정보를 이용하여 인공표식의 위치를 파악한다.Hereinafter, with reference to FIG. 47 and FIG. 48, the operation of calculating the relative position by the radar apparatus will be described. The lidar device uses the attitude information and the distance information to determine the position of the artificial marker.
단계 S2210에서 위치 산출기는 인식된 인공표식의 지점들을 일 방향으로 라인피팅(Line Fitting)한다. 위치 산출기는 라인피팅을 통해 직선 방정식을 산출할 수 있다. 라인피팅한 지점들을 보정하고, 수평선 또는 수직선을 기준으로 각도를 보정할 수 있다. 위치 산출기는 패턴매칭을 통해 인공표식의 지점들의 위치를 보정할 수 있다.In step S2210, the position calculator line-fitting the points of the recognized artificial marker in one direction. The position estimator can calculate the linear equation through line fitting. Line fitting You can calibrate one point and correct the angle based on the horizontal or vertical line. The position calculator can correct the position of the points of the artificial marker through pattern matching.
단계 S2220에서 위치 산출기는 (i) 라인피팅한 지점들과 라이다 장치 간에 가상으로 연장한 선 및 (ii) 라이다 장치의 진행 방향으로 가상으로 연장한 선 간에 상대 각도를 산출한다. 위치 산출기는 회전하는 광 송수신기의 각도를 비교하여 상대 각도를 산출한다. 도 10에서는 상대 각도 θ가 도시되어 있다.In step S2220, the position calculator calculates a relative angle between (i) the line-fitting points and the line virtually extending between the ladder device and (ii) the line extending virtually in the traveling direction of the device. The position calculator compares the angles of the rotating optical transceivers to calculate the relative angle. In Fig. 10, the relative angle [theta] is shown.
단계 S2230에서 위치 산출기는 라인피팅한 지점들 및 라이다 장치 간의 상대 거리를 산출한다. 도 10에서는 상대벡터 V, V1, V2가 도시되어 있다.In step S2230, the position estimator calculates the line-fitting points and the relative distance between the line devices. In Fig. 10, there is a relative vector V, V 1, V 2 is shown.
단계 S2240에서 위치 산출기는 상대 각도 및 상대 거리를 기반으로 상대 위치를 산출한다. 예컨대, 삼각함수 등을 이용하여 거리를 산출할 수 있다.In step S2240, the position calculator calculates the relative position based on the relative angle and the relative distance. For example, the distance can be calculated using a trigonometric function or the like.
<도킹 스테이션><Docking station>
본 발명의 실시예에 따른 TOF 기반의 360도 라이다 장치가 마련된 이동체는 도킹 시스템을 다음과 같이 구성할 수 있다. 도킹 스테이션(docking station)에 반사율이 높은 재질로 구성하고, 비가시적인 바코드를 갖는 인공표식을 적용한다. The moving object provided with the TOF-based 360 degree apparatus according to the embodiment of the present invention can be configured as follows. A docking station is made of a material with a high reflectance and an artificial marker with an invisible bar code is applied.
도 50에 도시된 바와 같이 벽(wall)의 일측에 반사율이 높은 재질로 도킹 스테이션(docking station)을 구성한다. 이때 도킹 스테이션(450)은 다양한 패턴들을 적용하여 구성할 수 있다.As shown in FIG. 50, a docking station is formed of a material having a high reflectivity on one side of a wall. At this time, the docking station 450 may be configured by applying various patterns.
도 51에 도시된 바와 같이, 도킹 부분의 반사율이 높기 때문에, 도킹 스테이션의 위치를 찾을 수 있다. TOF 라이다 장치의 출력정보가 거리이기 때문에 도킹 스테이션의 정확한 위치를 알 수 있어서 도킹 성능을 향상시킨다.As shown in FIG. 51, since the reflectivity of the docking portion is high, the position of the docking station can be found. Since the output information of the TOF lidar device is distance, the exact position of the docking station can be known, thereby improving the docking performance.
이동체(1)에 장착된 레이저 수신기(laser receiver)에서 측정한 강도(intensity) 그래프를 보면, 도 51에 도시된 바와 같이 도킹 부분의 반사율이 높기 때문에 도킹 스테이션의 위치를 찾을 수 있다.In the intensity graph measured by the laser receiver mounted on the moving
TOF 기반 거리 측정기의 출력 정보는 거리값을 나타내기 때문에 도킹 스테이션의 정확한 위치를 알 수 있어서 도킹 성능을 향상시킬 수 있다.Since the output information of the TOF-based range finder indicates the distance value, the accurate position of the docking station can be known, thereby improving the docking performance.
<복수의 이동체 간의 상호 작용>≪ Interaction between plural mobile bodies >
도 52는 본 발명의 실시예들에 따른 이동체들이 상호 작용하는 것을 예시한 도면이다.52 is a view illustrating how moving objects interact according to embodiments of the present invention.
소형의 이동 로봇을 다수 적용하여 빌딩 등과 같은 넓은 공간에 대한 청소를 수행하는 이동 로봇 간에 상호 통신하여 청소 구형을 구분한다. 이동 로봇들은 본체에 부착된 비가시적인 바코드를 갖는 인공표식을 상호 인식한다. 기존의 빌딩 청소로봇은 크기가 매우 크고 고가의 장비 인데 반해 청소 속도가 느릴 뿐만 아니라 유지관리가 쉽지 않았다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 이동체는 기존의 가정용 청소로봇 사이즈의 다수 청소로봇들을 적용하여 넓은 지역을 청소할 수 있도록 할 수 있다.A plurality of small mobile robots are applied to distinguish cleaning spheres by communicating with mobile robots performing cleaning for a wide space such as a building. Mobile robots recognize artificial markers with invisible barcodes attached to the body. Conventional building cleaning robots are very large and expensive, but they are not only slow to clean, but also difficult to maintain. Accordingly, the moving body according to the embodiment of the present invention can clean a wide area by applying a plurality of cleaning robots of the size of a conventional household cleaning robot.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동체가 경사를 올라가거나 문턱이나 카펫 위를 올라가는 경우에 따라 수행하는 각 동작에 대한 정보들(전류, 충격량, 자세정보 등)을 획득하여 학습 기법을 적용하여 이동 로봇이 경사를 이동하는지 문턱을 이동 중인지 구분하도록 한다.(Current, impact amount, attitude information, and the like) for each operation performed according to the case where the mobile object moves up the slope or rises on the threshold or the carpet according to an embodiment of the present invention, Make sure to distinguish whether you are moving this slope or moving the threshold.
<위치 인식 및 지도 생성><Location recognition and map generation>
도 53 내지 도 64는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치가 위치를 인식하고 지도를 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.Figs. 53 to 64 are diagrams for explaining an operation in which the Lada device according to the embodiments of the present invention recognizes a position and generates a map. Fig.
로봇이나 차량 등의 이동체가 미지의 환경에서 이동하기 위해서는 주변환경에 관한 정보가 없으므로, 센서정보를 이용하여 환경에 관한 지도를 작성하고, 작성된 지도로부터 이동체의 현재 위치를 추정해야 한다. 이러한 위치를 인식하고 주변 환경 지도를 작성하는 방법을 동시 위치 추정 및 지도 작성(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)이라고 한다.In order to move a moving object such as a robot or a vehicle in an unknown environment, there is no information about the surrounding environment. Therefore, a map of the environment should be created using the sensor information, and the current position of the moving object should be estimated from the created map. Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is a method of recognizing such a location and creating a map of the surrounding environment.
도 53은 동시간 위치 인식 및 지도 작성(Simultaneous Localization And Mapping, SLAM) 방법이 처리하는 정보를 그래프 모델로 나타낸 것이다. 도 53을 참조하면, x는 로봇의 위치, u는 오도메트리 정보, z는 관측값, m은 추정 맵을 나타낸다. SLAM에 관한 방법으로는 필터 기반의 SLAM, 그래프 기반의 SLAM 등 다양한 방법이 있다.FIG. 53 is a graphical model of information processed by the Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) method. 53, x denotes the position of the robot, u denotes odometry information, z denotes an observation value, and m denotes an estimation map. There are various methods for SLAM such as filter-based SLAM and graph-based SLAM.
그래프 기반의 SLAM은 로봇의 위치와 움직임을 그래프의 노드 및 엣지로 표현한다. 노드는 특정 시점에서의 로봇 또는 인공표식의 위치이다. 엣지는 두 노드 간의 관계이며, 두 노드 간의 공간 상의 구속 조건(Constraint)을 의미한다. 측정된 엣지는 오차를 포함한다. 따라서, 로봇의 주행거리가 길어지거나 노드의 개수가 증가할수록, 위치를 추정하는 과정에서 오차가 누적되는 문제가 있다.The graph-based SLAM represents the robot's position and movement with graph nodes and edges. A node is the location of a robot or artificial marker at a particular point in time. An edge is a relationship between two nodes, which means space constraint between two nodes. The measured edges include errors. Therefore, as the travel distance of the robot becomes longer or the number of nodes increases, there arises a problem that errors are accumulated in the process of estimating the position.
도 54 및 도 55는 지도 생성기를 예시한 도면이다.54 and 55 are diagrams illustrating a map generator.
도 54 및 도 55에 도시한 바와 같이, 이동체(1)는 라이다 장치(10), 이동 장치(20), 경로 제어기(30), 및 지도 생성기(50)를 포함한다. 지도 생성기(50)는 지역 지도 추정부(710), 및 전역 지도 추정부(720)를 포함한다. 54 and 55, the
지도 생성기(50)는 스캐닝을 수행한 위치(Pose)를 노드로 표현하고 노드 간의 상대 위치(Relative Pose)를 산출한다. 지도 생성기(50)는 노드 간의 상대 위치에 따라 각각의 노드의 위치를 최적화하여 지도를 갱신한다. 지도 생성기(50)는 구속 조건들을 최대한 만족하는 노드값 또는 구속 조건들을 최소한 벗어나는 노드값을 찾고, 노드들의 위치에서의 오차들을 보정하는 과정을 수행하여 노드의 위치를 최적화한다. 즉, 노드들은 구속 조건을 기반으로 최적의 노드값으로 수렴한다.The
지도 생성기(50)는 현재 위치를 추정할 때 가까운 지역에서 얻어진 센서 데이터를 이용하여 현재 위치를 추정한다. 스캐닝 주기와 키 프레임 생성 주기는 구현되는 설계에 따라 적합한 수치로 설정되며, 필요에 따라 상이하게 설정될 수 있다.The
라이다 장치(10)는 이동 로봇이 위치하는 공간의 스캔 정보를 획득한다. 라이다 장치(10)는 라이다 센서를 이용하여 전방향(Omnidirectional) 또는 일부 영역의 거리 정보를 획득할 수 있다. 지도 생성기(50)는 거리 정보와 함께 이동 로봇의 오도메트리 정보를 추가로 획득할 수 있다. 지도 생성기는 이동 로봇의 이동 장치에 연결된 엔코더(Encoder) 또는 IMU(Inertial Measurement Unit)로부터 회전수, 기울기, 회전량 등의 오도메트리 정보를 획득할 수 있다. IMU는 가속도 센서 및 자이로 센서로 구현될 수 있다.The
이동 로봇의 위치는 3차원 벡터로 표현될 수 있다. 3차원 벡터는 기준 좌표계의 원점으로부터의 X좌표와 Y좌표, 로봇 좌표계의 X축과 기준 좌표계의 X축이 이루는 각도로 표현될 수 있다. The position of the mobile robot can be expressed by a three-dimensional vector. The three-dimensional vector can be represented by an X-coordinate and a Y-coordinate from the origin of the reference coordinate system, and an angle formed by the X-axis of the robot coordinate system and the X-axis of the reference coordinate system.
지역 지도 추정부(710)는 스캔 정보를 이용하여 노드에 관한 키 프레임을 생성하고, 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지를 산출한다. 노드 간의 관측값은 불확실성(Uncertainty)을 갖는다. 오도메트리 엣지의 불확실성은 공분산 행렬로 표현될 수 있다. The area
지역 지도 추정부(710)는 스캐닝 주기마다 획득한 복수의 스캔 정보 중에서 키 프레임을 저장한다. 스캔 정보는 점군(Point Cloud)로 표현될 수 있다. 키 프레임은 거리 정보 및 시간 정보를 포함한다. 지역 지도 추정부(710)는 등록된 키 프레임이 없으면 현재 입력된 거리 정보를 이용하여 키 프레임을 생성하고, 이후 키 프레임을 갱신하여 지역 지도를 추정한다. 지역 지도 추정부(710)는 복수의 스캔 정보를 합친 지역 지도를 기반으로 스캔 매칭을 수행하여 정확도를 향상시킬 수 있다. The area
지역 지도 추정부(710)는 스캔 정보를 회전 또는 이동하여 스캔 매칭하거나 이동 로봇의 오도메트리 정보를 측정하여 오도메트리 엣지를 산출한다. 지역 지도 추정부(710)는 스캔 매칭을 통하여 노드의 추정값을 기반으로 예측된 오도메트리 엣지 및 측정된 오도메트리 엣지 간의 오차를 보정한다.The area
전역 지도 추정부(720)는 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지를 검출한다. 이동 로봇이 방문한 지역을 다시 방문하면, 노드들의 오차를 보다 정확하게 보정할 수 있다. 시간적으로 연속한 노드 간의 오도메트리 엣지와 달리 루프 클로저 엣지는 시간적으로 연속하지 않는 노드 간에 공간적 관계를 형성한다. 다만, 모든 엣지 간에 루프 클로저 엣지를 생성하는 것은 비효율적이므로 구속 조건을 고려하여 적절한 루프 클로저 엣지를 검출할 필요가 있다.
전역 지도 추정부(720)는 오도메트리 엣지 및 루프 클로저 엣지를 기반으로 노드의 위치를 보정하여 전역 지도를 추정한다. 전역 지도 추정부(720)는 지역 지도를 결합하여 전역 지도를 확장하고 갱신한다.The
인터페이스는 다른 장치와 정보를 송수신하는 통신 경로이다. 다른 장치는 인터페이스를 통해 지도 생성기(50)에 접속하여 파라미터를 설정할 수 있다. 지도 생성기(50)는 인터페이스를 통해 측정 위치 및 지도를 다른 장치로 전송할 수 있다.An interface is a communication path for transmitting and receiving information to and from other devices. Other devices may establish parameters by accessing the
이하에서는 도 56을 참조하여, 지도 생성기가 스캔 매칭하는 동작을 설명하기로 한다. 도 56은 지도 생성기가 스캔 매칭하는 데이터를 예시한 도면이다.Hereinafter, referring to FIG. 56, the operation of the map generator for scan matching will be described. FIG. 56 is a diagram illustrating data that is scanned and matched by the map generator. FIG.
p는 시간 및 위치 변화에 따른 노드의 위치(Pose)이고, e는 노드 간의 공간적 관계이다. 지도 생성기가 획득한 스캔 정보는 고정 구조물로부터의 거리 정보를 포함한다. p is the position of the node according to the time and position change, and e is the spatial relationship between the nodes. The scan information acquired by the map generator includes distance information from the fixed structure.
로봇의 이동 전과 후의 스캔 정보를 비교하면 오도메터리 오차가 누적되어 공통적인 부분이 겹치지 않게 된다. 스캔 정보를 회전 또는 이동하고 관측값의 확률을 산출하는 스캔 매칭을 통하여 오도메터리 오차를 보정함으로써 로봇의 정확한 위치를 추정할 수 있다.When the scan information before and after movement of the robot is compared, the odometer errors are accumulated so that the common parts do not overlap. The accurate position of the robot can be estimated by correcting the odometer error through scan matching that rotates or moves the scan information and calculates the probability of the observed value.
이하에서는 도 57을 참조하여, 지도 생성기가 필터링하는 동작을 설명하기로 한다. 도 57은 지도 생성기가 필터링한 데이터를 예시한 도면이다.Hereinafter, the operation of filtering by the map generator will be described with reference to FIG. 57 is a diagram illustrating data filtered by a map generator.
특정 시간 또는 특정 위치에서 획득한 스캔 정보는 고정 구조물과 달리 이동 장애물과 같은 노이즈를 포함할 수 있고, 이동 로봇이 이동하며 점진적으로 갱신하는 지역 지도는 실제 구조물과 다른 구조물로 변경될 수 있다. 즉, 이동 장애물로 인하여, 동일한 위치에서 상이한 시간 주기로 획득한 스캔 정보를 스캔 매칭하면, 추정한 지도에서 오차가 발생한다.Unlike the fixed structure, the scan information acquired at a specific time or at a specific location may include noise such as a moving obstacle, and the area map that the mobile robot moves and gradually updates may be changed to an actual structure or another structure. That is, when the scan information acquired at different time periods at the same position due to the moving obstacle is scanned and matched, an error occurs in the estimated map.
지역 지도 추정부는 기 설정된 시간 구간에서 획득한 복수의 스캔 정보로부터 확률적 기법으로 이동 장애물과 고정 장애물을 판별하고, 새롭게 획득한 스캔 정보를 비교하여 키 프레임에서 이동 장애물을 제거하여 지역 지도를 갱신한다. 최근 N 개의 스캔 정보를 이용하여 노이즈를 제거하여 지역 지도를 갱신한다. 노이즈는 기 설정된 이동 거리를 이동하거나 기 설정된 회전 각도로 회전하여 변형된 점군 데이터일 수 있다.The area map estimating unit identifies moving obstacles and fixed obstacles from a plurality of scan information acquired in a predetermined time interval, compares newly acquired scan information, and updates the area map by removing moving obstacles from the key frame . Recently, the area map is updated by removing noise using N scan information. The noise may be point cloud data that has been shifted by a predetermined movement distance or rotated by a predetermined rotation angle.
지역 지도 추정부는 계산 부하를 줄이고 의미있는 정보를 획득하기 위해 이동 로봇의 이동 거리에 관한 제1 조건을 만족하면 키 프레임을 필터링할 수 있다. 제1 조건은 이동 거리를 기반으로 설정된다. 예컨대, 지역 지도 추정부는 기준 지점으로부터 특정 거리 이상으로 이동하면 필터링을 수행한다. The local map estimator can filter the key frame if the first condition regarding the moving distance of the mobile robot is satisfied in order to reduce calculation load and obtain meaningful information. The first condition is set based on the travel distance. For example, the local map estimator performs filtering when moving beyond a certain distance from the reference point.
이하에서는 지도 생성기가 전역 지도를 추정하는 동작을 설명하기로 한다. 도 58은 지도 생성기가 전역 지도를 추정하는 동작을 예시한 흐름도이고, 도 59 내지 도 63은 지도 생성기가 처리하는 데이터를 예시한 도면이다.Hereinafter, the operation of estimating the global map by the map generator will be described. FIG. 58 is a flowchart illustrating an operation of the map generator to estimate a global map, and FIGS. 59 to 63 illustrate data processed by the map generator.
전역 지도 추정부는 이동 로봇의 이동 거리 또는 주변환경의 변화에 관한 제2 조건을 만족하면 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 전역 지도를 추정한다. 제2 조건은 이동 거리 또는 주변환경의 변화를 기반으로 설정된다. 예컨대, 제2 조건은 특정 거리 이상 주행하거나 특정 거리 범위를 벗어나거나 주변 구조물의 매칭율이 일정 범위를 벗어나는 것으로 설정될 수 있다.The global map estimator estimates a global map for a set of updated key frames if the second condition regarding the movement distance of the mobile robot or the change of the surrounding environment is satisfied. The second condition is set based on a change in the moving distance or the surrounding environment. For example, the second condition may be set to travel for a certain distance or more, to depart from a certain distance range, or to set the matching rate of the surrounding structures out of a certain range.
최근 N 개의 스캔 정보는 모두 필터링된 데이터이며, 고정 구조물에 관한 데이터를 갖는다. 전역 지도 추정부는 필터링된 키 프레임들을 저장한다.The N scans in recent years are all filtered data and have data relating to the fixed structure. The global map estimator stores the filtered key frames.
단계 S2410에서 전역 지도 추정부는 특정된 키 프레임을 기준으로 불확실성 전파(Uncertainty Propagation)를 이용하여 각각의 키 프레임의 오차를 보정하고, 마할라노비스 거리(Mahalanobis Distance)를 이용하여 기 설정된 거리 내에 위치하는 키 프레임에 관한 제1 후보군을 추출한다. 마할라노비스 거리는 평균과의 거리가 표준편차의 몇 배인지를 나타내는 값으로, 어떤 값이 발생하기 어려운 값인지 또는 얼마나 이상한 값인지를 수치화한다. 도 9에서는 최근에 삽입된 키 프레임에 관한 노드(pn)을 기준으로 추출한 제1 후보군의 노드들(pk-1, pk, pk+1, pm-1, pm, pm+1)이 도시되어 있다.In step S2410, the global map estimator corrects the error of each key frame using the uncertainty propagation on the basis of the specified key frame, and determines the position of the key frame using the Mahalanobis distance The first candidate group related to the key frame is extracted. The Mahalanobis distance is a value indicating how many times the distance from the mean is the standard deviation. It is a numerical value that indicates which value is hard to generate or how strange it is. Figure 9 of a first candidate node extracted by the node (p n) on a key frame into the last (p k-1, p k , p k + 1, p m-1, p m, p m +1 ) is shown.
단계 S2420에서 전역 지도 추정부는 제1 후보군의 키 프레임 및 기 설정된 시간 구간에서 획득한 키 프레임를 비교하여 기 설정된 확률 범위에 매칭하는 키 프레임에 관한 제2 후보군을 추출한다. 도 10에서는 최근 N 개의 키 프레임에 관한 노드들(pn, pn -1, pn - 2)을 기준으로 추출한 제2 후보군의 노드들(pk, pm-1, pm, pm+1)이 도시되어 있다.In step S2420, the global map estimator compares the key frame of the first candidate group and the key frame obtained in the predetermined time interval, and extracts a second candidate group related to the key frame matching the predetermined probability range. In Figure 10 the nodes on the last N number of frame keys (p n, p n -1, p n - 2) the nodes of the second candidate is extracted based on (p k, p m-1 , p a m, p m +1 ) is shown.
단계 S2430에서 전역 지도 추정부는 일관성 확인 알고리즘을 이용하여 상기 제2 후보군으로부터 기 설정된 일관성 범위에 매칭하는 키 프레임에 관한 제3 후보군을 추출한다. 전역 지도 추정부는 오매칭된 후보를 재검사한다. 예컨대, 일관성 확인 알고리즘으로는 최대 클리크(Maximum Clique) 또는 싱글 클러스터 그래프 파티션(Single Cluster Graph Partitioning) 기법 등이 적용될 수 있다. 도 61에서는 추출한 제3 후보군의 노드들(pm-1, pm, pm+1)이 도시되어 있다.In step S2430, the global map estimator extracts a third candidate group related to the key frame matching the predetermined consistency range from the second candidate group using the consistency check algorithm. The global map estimator rechecks the mis-matched candidates. For example, a maximum clique or a single cluster graph partitioning technique may be applied as the consistency check algorithm. Also of a third candidate node extracted in 61 (p m-1, p m, p m + 1) is shown.
단계 S2440에서 전역 지도 추정부는 제3 후보군에 속하는 키 프레임을 대상으로 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지를 검출한다. 전역 지도 추정부는 최근 노드와 의미있는 노드 간에 공간적 관계를 형성한다. 도 12에서는 연속하지 않는 노드(pn, pm) 간의 루프 클로저 엣지(en, m)이 도시되어 있다.In step S2440, the global map estimator detects a loop closure edge between nodes that are not consecutive with respect to the key frame belonging to the third candidate group. The global map estimator forms a spatial relationship between a recent node and a meaningful node. In Fig. 12, loop closure edges (e n, m ) between non-contiguous nodes (p n , p m ) are shown.
단계 S2450에서 전역 지도 추정부는 그래프 최적화 기법으로 오도메트리 엣지의 오차 및 상기 루프 클로저 엣지의 오차를 보정한다. 전역 지도 추정부는 구속 조건들을 최대한 만족하는 노드값 또는 구속 조건들을 최소한 벗어나는 노드값을 찾고, 노드들의 위치에서의 오차들을 보정하는 과정을 수행하여 노드의 위치를 최적화한다. 즉, 노드들은 구속 조건을 기반으로 최적의 노드값으로 수렴한다. 예컨대, 복수의 오도메트리 에지들과 복수의 루프 클로저 에지들에 의한 에러 벡터에 대한 가중 제곱 합의 최소값을 산출하는 방식으로 오차를 보정할 수 있다.In step S2450, the global map estimator corrects the error of the odometry edge and the error of the loop closure edge using the graph optimization technique. The global map estimator finds a node value that minimally satisfies the constraints or minimizes the constraints and optimizes the position of the node by correcting the errors at the positions of the nodes. That is, the nodes converge to the optimal node value based on the constraint. For example, the error can be corrected in such a manner as to calculate the minimum value of the weighted squared sum of the error vectors by a plurality of odometry edges and a plurality of loop closure edges.
전역 지도 추정부는 복수의 지역 지도를 합친 전역 지도를 출력할 수 있다.The global map estimator may output a global map including a plurality of area maps.
도 64는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위치 인식 및 지도 작성 방법을 예시한 흐름도이다. 이동 로봇의 위치 인식 및 지도 작성 방법은 이동 로봇의 지도 생성기에 의하여 수행될 수 있다. FIG. 64 is a flowchart illustrating a method of recognizing and generating a position according to another embodiment of the present invention. The location recognition and mapping method of the mobile robot can be performed by the map generator of the mobile robot.
단계 S2510에서 지도 생성기는 이동 로봇이 위치하는 공간의 스캔 정보를 획득한다. 스캔 정보를 획득하는 단계(S2510)는 라이다 센서를 이용하여 전방향 또는 일부 영역의 거리 정보를 획득할 수 있다. 스캔 정보를 획득하는 단계(S2510)는 거리 정보와 함께 이동 로봇의 오도메트리 정보를 추가로 획득할 수 있다. In step S2510, the map generator acquires scan information of a space where the mobile robot is located. In step S2510 of acquiring scan information, distance information of all directions or a partial area may be obtained using a Lydia sensor. The step of acquiring the scan information (S2510) may further acquire the odometry information of the mobile robot together with the distance information.
단계 S2520에서 지도 생성기는 스캔 정보를 이용하여 노드에 관한 키 프레임을 생성하고, 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지를 산출하고 상기 키 프레임을 갱신하여 지역 지도를 추정한다. In step S2520, the map generator generates a key frame related to the node using the scan information, calculates an odd metric edge between consecutive nodes, and updates the key frame to estimate the area map.
지역 지도를 추정하는 단계(S2520)는 상기 스캔 정보를 회전 또는 이동하여 스캔 매칭하거나 상기 이동 로봇의 오도메트리 정보를 측정하여 상기 오도메트리 엣지를 산출한다. 지역 지도를 추정하는 단계(S2520)는 스캔 매칭을 통하여 노드의 추정값을 기반으로 예측된 오도메트리 엣지 및 측정된 오도메트리 엣지 간의 오차를 보정한다.In step S2520, the scan map information is rotated or moved to scan-match or the odometry information of the mobile robot is measured to calculate the odometry edge. The step of estimating the local map (S2520) corrects the error between the predicted odd edge and the measured odd edge based on the estimated value of the node through scan matching.
지역 지도를 추정하는 단계(S2520)는 이동 로봇의 이동 거리에 관한 제1 조건을 만족하면 상기 키 프레임을 필터링한다. 지역 지도를 추정하는 단계(S2520)는 기 설정된 시간 구간에서 획득한 복수의 스캔 정보로부터 확률적 기법으로 이동 장애물과 고정 장애물을 판별하고, 새롭게 획득한 스캔 정보를 비교하여 상기 키 프레임에서 상기 이동 장애물을 제거하여 상기 지역 지도를 갱신한다.The step of estimating the local map (S2520) filters the key frame if the first condition regarding the moving distance of the mobile robot is satisfied. The step of estimating the local map (S2520) comprises the steps of discriminating the moving obstacle and the fixed obstacle from the plurality of scan information acquired in the predetermined time interval, comparing the newly obtained scanning information, And updates the area map.
단계 S2530에서 지도 생성기는 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지를 검출하고, 오도메트리 엣지 및 루프 클로저 엣지를 기반으로 노드의 위치를 보정하여 전역 지도를 추정한다.In step S2530, the map generator detects a loop closure edge between nodes that are not consecutive with respect to the set of updated key frames, and estimates the global map by correcting the position of the node based on the edge map and the loop closure edge.
전역 지도를 추정하는 단계(S2530)는 이동 로봇의 이동 거리 또는 주변환경의 변화에 관한 제2 조건을 만족하면 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 전역 지도를 추정한다. The step of estimating the global map (S2530) estimates the global map of the set of updated key frames when the moving distance of the mobile robot or the second condition regarding the change of the surrounding environment is satisfied.
전역 지도를 추정하는 단계(S2530)는 특정된 키 프레임을 기준으로 불확실성 전파를 이용하여 각각의 키 프레임의 오차를 보정하고, 마할라노비스 거리를 이용하여 기 설정된 거리 내에 위치하는 키 프레임에 관한 제1 후보군을 추출한다.The step of estimating the global map (S2530) includes correcting the error of each key frame using the uncertainty propagation based on the specified key frame, and determining a key frame located within a predetermined distance using the
전역 지도를 추정하는 단계(S2530)는 제1 후보군의 키 프레임 및 기 설정된 시간 구간에서 획득한 키 프레임를 비교하여 기 설정된 확률 범위에 매칭하는 키 프레임에 관한 제2 후보군을 추출한다.The global map estimation step S2530 compares the key frame of the first candidate group and the key frame acquired in the predetermined time interval to extract a second candidate group related to the key frame matching the predetermined probability range.
전역 지도를 추정하는 단계(S2530)는 일관성 확인 알고리즘을 이용하여 제2 후보군으로부터 기 설정된 일관성 범위에 매칭하는 키 프레임에 관한 제3 후보군을 추출한다. 지도 생성기는 제1 후보군 내지 제3 후보군에 속하는 노드 중 적어도 하나에 대하여 루프 클로저 엣지를 생성한다.In step S2530 of estimating the global map, a third candidate group related to the key frame matching the predetermined consistency range is extracted from the second candidate group using the consistency check algorithm. The map generator generates a loop closure edge for at least one of the nodes belonging to the first to third candidate groups.
전역 지도를 추정하는 단계(S2530)는 그래프 최적화 기법으로 오도메트리 엣지의 오차 및 루프 클로저 엣지의 오차를 보정한다.The step of estimating the global map (S2530) corrects the error of the odometry edge and the error of the loop closure edge using the graph optimization technique.
<라이다 장치의 경로 제어><Path control of the Lidar device>
도 65 내지 도 75는 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 경로 제어기에 관한 도면이다.65-75 are views of a path controller of a laddering device according to embodiments of the present invention.
청소로봇은 이러한 센서들에 의해 획득된 정보들을 융합하더라도 융단(carpet) 등 바닥의 재질을 구분하거나 벽(wall)을 감지하는 것이 가능할 뿐이며, 경사도와 같이 바닥의 높낮이 상태를 구분하거나 옷, 동물의 배설물, 문턱 등 낮은 장애물을 감지하는 것은 불가능한 문제점이 있다.Even if the cleaning robot fuses the information obtained by these sensors, it is possible to distinguish the material of the floor such as a carpet or to detect the wall, and to distinguish the height of the floor such as the inclination, There is a problem that it is impossible to detect low obstacles such as excrement, threshold, and the like.
이하 본 발명에서는 점군(Point cloud)를 기반으로 바닥면의 상태, 특히 바닥면의 높낮이 상태를 측정하거나 낮은 장애물을 감지하는 알고리즘이 적용된 청소로봇에 대하여 설명한다.Hereinafter, a cleaning robot according to an embodiment of the present invention will be described with reference to a point cloud based on a bottom surface state, in particular, an elevation state of a bottom surface or an algorithm for detecting a low obstacle.
경로 제어기(30)는 바닥면 상태 결정부(810), 장애물 검출부(820), 슬립 판단부(830), 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.The
도 66 내지 도 68은 바닥면의 상태에 따라 서로 다른 형태로 획득되는 점군 데이터를 보여주는 개념도이다.66 to 68 are conceptual diagrams showing point cloud data obtained in different forms according to the state of the floor surface.
이동체(1)은 라이다(LiDAR) 센서, TOF(Time Of Flight) 센서 등 오브젝트의 3차원 정보를 획득할 수 있는 센서를 이용하여 주변 환경에 대한 정보를 3차원 정보로 획득할 수 있다. 바닥면의 각 지점을 포인트(point; 1110)로 정의하면, 이동체(1)은 라이다 센서, TOF 센서 등을 이용하여 각 포인트(1110)에 대한 정보를 3차원 정보로 획득할 수 있다.The moving
<바닥면 상태 결정><Determination of floor condition>
각 포인트(1110)에 대한 정보가 3차원 정보로 획득되면, 이러한 포인트(1110)들의 집합인 점군(point cloud)에 대한 정보를 통해 바닥면의 상태, 예컨대 바닥면의 높낮이를 구별하는 것이 가능해진다. 본 발명에서 이동체(1)은 바닥면에 대한 점군 데이터를 기초로 바닥면의 상태, 예컨대 바닥면의 높낮이 상태를 측정한다.When the information about each
일반 가정의 집안 환경에서 바닥면에 높낮이가 형성된 부분은 도 66 내지 도 68에 도시된 바와 같이 문턱, 경사로, 절벽 등이다. 도 66은 문턱에 대한 예시이고, 도 67은 경사로에 대한 예시이며, 도 68은 절벽에 대한 예시이다.As shown in Figs. 66 to 68, the portions where the elevation is formed on the floor surface in a home environment of a general home are a threshold, a ramp, a cliff, and the like. Fig. 66 is an example of a threshold, Fig. 67 is an example of a ramp, and Fig. 68 is an example of a cliff.
이동체(1)의 안전한 주행과 청소 성능의 향상을 위해서는 이동체(1)가 바닥면에 높낮이가 형성된 부분을 구별할 수 있어야 한다. 그런데 현재 상용화된 로봇들을 살펴보면 바닥면의 높낮이를 구분하는 데에 사용되는 정보가 매우 제한적이기 때문에, 그 상황에 맞닥뜨렸을 때에 바닥면의 높낮이를 제대로 구분하는 것이 쉽지 않다.In order to improve the safe traveling and cleaning performance of the moving
예를 들면 로봇이 문턱이나 경사로를 올라갈 때 로봇이 앞으로 들리면서 로봇의 피치(pitch) 각이 발생한다. 이로 인해 로봇이 문턱을 오르는지 아니면 경사로를 오르는지를 구분하는 것이 쉽지 않다.For example, when the robot goes up a threshold or a ramp, the pitch of the robot is generated as the robot is lifted forward. This makes it difficult to distinguish whether the robot is climbing the threshold or climbing the ramp.
또한 로봇이 문턱을 오를 때 로봇의 앞 부분이 들리면 로봇에 장착된 바닥 센서가 노출된다. 이로 인해 로봇이 바닥면의 상태를 절벽으로 오인식하는 경우가 발생할 수도 있다.Also, when the front of the robot is heard when the robot climbs the threshold, the bottom sensor mounted on the robot is exposed. This may cause the robot to misunderstand the condition of the floor as a cliff.
본 발명에서 이동체(1)은 라이다 센서, TOF 센서 등을 이용하여 점군 데이터로 전방에 위치하는 바닥면에 대한 정보를 획득한다. 바닥면의 상태에 따라 도 66 내지 도 68에 도시된 바와 같이 점군 데이터(1120, 1130, 1140)가 달라질 것이므로, 이동체(1)은 이러한 점군 데이터(1120, 1130, 1140)를 기초로 바닥면의 상태를 검출할 수 있다.In the present invention, the moving
또한 이동체(1)은 점군 데이터(120, 130, 140)를 기초로 바닥면의 높낮이 변화 상황을 검출하여 바닥면의 상태에 따른 적절한 제어 기능을 수행할 수 있다.Also, the moving
<장애물 검출><Obstacle detection>
이동체(1)은 오브젝트의 3차원 정보를 획득할 수 있는 센서로 TOF 센서를 이용하는 경우 TOF 기반의 360도 거리 측정기를 이용하여 오브젝트의 3차원 정보를 획득할 수 있다.When the TOF sensor is used as the sensor for acquiring the three-dimensional information of the object, the moving
이동체(1)가 TOF 기반의 360도 거리 측정기를 이용하는 경우 바닥면의 상태뿐만 아니라, 카펫 검출, 장애물 탐지, 위치 추정 등도 가능해진다.When the moving
앞서 설명한 바와 같이 라이다 센서, TOF 센서 등을 이용하면, 이동체(1)은 점군 데이터를 토대로 바닥면 등 주변 환경을 입체적으로 재구성하는 것이 가능해진다. 이동체(1)은 이와 같이 재구성된 주변 환경에 대한 정보로부터 바닥면에 대한 정보를 분리하여 바닥면의 높낮이 상태(문턱, 경사로, 절벽 등) 외에 바닥면의 재질(타일, 마루, 카페트 등), 바닥면에 산재해 있는 낮은 장애물(옷, 동물의 배설물, 블록 등)의 존재 여부 등을 검출할 수 있다.As described above, by using the Lada sensor, TOF sensor, or the like, the moving
라이다 장치(10)는 실내의 각 지점에 대한 정보로 제1 지점들에 대한 정보와 제2 지점들에 대한 정보를 획득할 수 있다. 라이다 장치(10)는 로우 빔(low beam)과 관련된 적어도 하나의 채널 신호를 이용하여 제1 지점들에 대한 정보를 획득할 수 있다. 라이다 장치(10)는 하이 빔(high beam)과 관련된 적어도 하나의 채널 신호를 이용하여 제2 지점들에 대한 정보를 획득할 수 있다. The
장애물 검출부(820)는 제1 지점들에 대한 정보 또는/및 실내의 공간과 관련된 제2 지점들에 대한 정보를 기초로 실내에 위치하는 장애물을 검출하는 기능을 수행한다. 장애물 검출부(820)는 점군 데이터(1150)로부터 획득한 바닥면에 대한 정보를 바탕으로 바닥면에 산재해 있는 낮은 장애물들도 용이하게 검출할 수가 있으며, 이에 따라 회피 주행 및 청소도 가능해진다.The
이동체에 구비된 청소부가 바닥면의 상태와 장애물에 대한 정보를 기초로 실내에 대한 청소 기능을 수행한다.The cleaning unit provided in the mobile unit performs the cleaning function for the room based on the condition of the floor and the information about the obstacle.
본 발명에 따라 이동체(1)가 낮은 장애물에 대한 적절한 대처를 수행할 수 있다면, 이동체(1)의 청소 성공률 및 커버리지 성능도 향상시킬 수가 있다.According to the present invention, if the
<슬립 검출><Slip detection>
다음으로 이동체(1)의 슬립 검출(slip detection) 방법에 대하여 설명한다. 이하 설명에서는 슬립 검출 방법이 적용되는 대상으로 이동체(1)을 일례로 들어 설명할 것이나, 본 발명에서 제안하는 슬립 검출 방법은 이에 한정되지 않고, 바퀴를 이용하여 구동하는 로봇이라면 모두 적용 가능하다.Next, a slip detection method of the
이동체(1)은 자이로 센서와 앞바퀴 인식 센서인 수동 인코더(passive encoder)를 이용하여 슬립을 감지할 수 있다. 이 경우 이동체(1)은 양쪽 바퀴의 인코더로부터 추정된 자신의 회전 속도와 자이로 정보를 비교하여 슬립을 검출하며, 수동 인코더를 이용하여 자신의 이동을 검출하고 양쪽 바퀴의 인코더로부터 획득된 자신의 속도와 비교하여 자신이 실제로 이동하는지 여부를 검사한다.The
그러나 바닥면의 상태에 따라 수동 인코더의 회전이 다르고, 요철이 많은 지역이나 문턱, 카펫 등과 같이 주행면의 높이차가 발생하는 환경에서 부정확한 정보를 제공하는 문제점이 있다.However, there is a problem that the rotation of the passive encoder is different according to the state of the floor surface, and inaccurate information is provided in an environment in which there is a difference in the height of the running surface, such as an uneven region, a threshold, or a carpet.
이동체(1)은 적외선 신호(또는 레이저 신호)의 광학적 흐름(optical flow)을 기반으로 슬립을 감지하는 것도 가능하다. 이 경우 이동체(1)은 저면에 부착된 발광 소자와 수광 소자 간 신호의 흐름을 바탕으로 자신의 움직임을 검출하고, 이 움직임 정보를 바퀴의 인코더 정보와 비교하여 자신이 슬립 상황이나 구속 상황에 놓여 있는지 여부를 판단한다.It is also possible for the moving
그러나 신호가 바닥면의 반사율에 매우 민감하기 때문에, 바닥면이 고르지 않을 경우 슬립 감지가 어려운 문제점이 있다.However, since the signal is very sensitive to the reflectance of the bottom surface, there is a problem that slip detection is difficult when the bottom surface is uneven.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 레이저 오도메트리(laser odometry)를 기반으로 이동체(1)의 슬립을 검출하는 방법에 대하여 설명한다.In order to solve such a problem, a method of detecting a slip of the moving
레이저 오도메트리는 단채널/다채널 360도 레이저 거리 측정기로부터 획득한 주변 장애물까지의 거리를 이용하여 이동체(1)의 이동량을 추정하고, 이를 통해 초기 위치부터 추정된 이동체(1)의 이동량을 누적 합산하여 현재의 위치를 추정하는 방법을 말한다. 여기서, 현재 시점에 측정된 주변 장애물 정보와 이전 시점에 획득된 주변 장애물 정보 사이의 차이값을 시간차로 나누면 이동체(1)의 속도를 추정할 수 있다.The laser odometry estimates the amount of movement of the moving
도 71은 이동체의 슬립 상황(slip situation)을 검출하는 방법을 설명하기 위한 참고도이다.71 is a reference diagram for explaining a method of detecting a slip situation of a mobile body.
이동체가 A 지점에서 B 지점으로 미끄러진 경우, 이동체의 슬립을 알아내기 위해서는 이동체의 주변에 위치한 장애물들(1310, 1320)을 이용해야 한다. 본 발명에서는 이 경우 다채널(혹은 단채널) 레이저 거리 측정기를 이용하여 이동체의 주변에 위치한 장애물들(1310, 1320)에 대한 정보를 획득한다.When the moving object slides from the point A to the point B, it is necessary to use the
도 72 및 도 73은 서로 다른 두 지점에서 획득된 이동체으로부터 장애물들(310, 320)까지의 거리 정보를 보여주는 참고도이다. 도 72는 도 71의 A 지점에서 측정된 이동체과 장애물들(1310, 1320) 사이의 거리 정보(1331, 1332, 1333, 1334)를 보여주며, 도 73은 도 71의 B 지점에서 측정된 이동체과 장애물들(1310, 1320) 사이의 거리 정보(1341, 1342, 1343, 1344)를 보여준다.72 and 73 are reference views showing distance information from the moving object to the
이동체은 서로 다른 두 지점에서 획득된 장애물들(1310, 1320)에 대한 정보들(1351, 1352, 1353, 1354)을 이동하거나 회전시켜 매칭시킴으로써 두 지점에서 자신의 이동량을 산출할 수 있다.The moving object can calculate its movement amount at two points by moving or rotating the
본 실시예에서 이동체는 파티클 필터(particle filter)를 적용하여 서로 다른 두 지점에서 획득된 장애물들(1310, 1320)에 대한 정보들(1351, 1352, 1353, 1354)을 매칭시킬 수 있다.In this embodiment, the moving object can match the
도 74 및 도 75는 서로 다른 두 지점에서 획득된 장애물 정보들을 매칭시키는 방법을 설명하기 위한 참고도들이다.74 and 75 are reference views for explaining a method of matching obstacle information obtained at two different points.
도 74는 A 지점을 기준으로 B 지점에서 획득된 장애물 정보를 매칭하는 과정을 보여준다. 랜덤 파티클(random particle; 1360)들은 A 지점을 기준으로 결정된 파티클 경계(particle boundary; 1370) 이내에 위치하며, 위치, 자세각 등 임의로 생성된 후보에 대한 정보를 가지고 있다.74 shows a process of matching the obstacle information obtained at the point B with respect to the point A as a reference. The
B 지점에서의 이동체에 대한 정보가 특정 랜덤 파티클이 가진 정보일 것으로 가정하고, 각 랜덤 파티클이 가진 정보를 기초로 두 지점에서 획득된 장애물 정보들을 매칭하여 보면, B 지점에서 측정된 장애물 정보와 가장 유사한 정보를 가지고 있는 랜덤 파티클을 찾을 수 있다. 그러면 그 랜덤 파티클이 가지고 있는 정보를 B 지점에서의 이동체에 대한 정보로 추정할 수 있다.Assuming that the information on the moving object at point B is information possessed by a specific random particle, and matching the obstacle information obtained at two points based on the information of each random particle, You can find random particles that have similar information. Then, the information held by the random particle can be estimated as information on the moving object at point B.
도 75는 선택된 랜덤 파티클(1380)이 가지고 있는 정보를 기초로 A 지점과 B 지점에서의 장애물 정보들을 매칭시킨 결과를 보여준다. 도 7과 같이 장애물 정보들이 매칭되어 장애물들(1310, 1320)이 서로 같은 위치에 배열되면, 이동체의 각 지점에서의 상대적인 위치차를 알 수 있게 되고, 이를 통해 이동체가 미끄러진 정도를 검출하는 것이 가능해진다.75 shows a result of matching the obstacle information at points A and B based on the information held by the selected
또한 상기에서 검출된 정보를 시간차(이동체가 A 지점에 위치한 시간과 B 지점에 위치한 시간 사이의 차이값)로 나누면 이동체의 현재 속도도 계산할 수가 있다.Also, the current speed of the moving object can be calculated by dividing the detected information by the time difference (the difference value between the time at which the moving object is located at the point A and the time when the moving object is located at the point B).
또한 랜덤 파티클(1360)의 개수를 늘리고 이동체의 위치에 대한 확률적 오차를 고려한다면 더욱 정확한 정보를 예측하는 것이 가능해진다.Further, if the number of
<투영지도 생성><Projection map generation>
도 76 내지 도 83은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 장치의 투영지도 생성기에 관한 도면이다.Figures 76-83 are diagrams of a projection map generator of a laddering device in accordance with embodiments of the present invention.
도 76을 참조하면, 이동체는 라이다 장치(10), 이동 장치(20), 경로 제어기(30), 및 투영지도 생성기(60)를 포함한다. 도 77은 본 발명의 일실시예에 따른 다채널 라이다 기반 이동체의 장애물 검출 방법의 흐름도이다. Referring to Fig. 76, the moving body includes a
라이다 장치(10)는 이동체의 장애물 정보를 포함하는 3차원 환경정보를 검출하기 위하여, 송신신호의 발사각이 상이한 적어도 두 개의 광 송수신기를 구비한다. The
투영지도 생성기(60)는 적어도 두 개의 광 송수신기의 수신 정보를 기초로 장애물을 3차원 상에서 정의하기 위한 상기 3차원 환경정보를 생성하고, 2차원 공간 지도에 상기 3차원 환경정보가 포함된 투영지도를 생성한다. 3차원 환경 정보는 장애물에 대한 정보를 포함하며, 장애물에 대한 정보로 장애물의 위치, 크기, 형태 등에 대한 정보를 포함할 수 있다. 또한 2차원 공간 지도는 일 형태로 2차원 격자 지도로 형성될 수 있다.The
경로 제어기(30)는 최적 경로를 생성하기 위한 것으로서 상기 투영지도를 기반으로 장애물의 공간 상의 위치를 판단하고, 장애물을 회피하여 주행하기 위한 주행 경로를 생성한다. 경로 제어기(30)는 장애물의 공간 상의 위치를 판단할 때 장애물의 크기와 형태도 판단할 수 있으며, 장애물과의 충돌 없이 최소 거리로 접근하여 장애물을 회피하여 주행하기 위한 주행 경로를 생성할 수 있다.The
투영지도 생성기(60)는 라이다 장치(10)의 수신신호를 분석하여 문턱, 경사, 절벽을 포함하는 장애물의 형태 정보를 생성하고, 상기 3차원 환경정보를 n3의 정육면체를 이용하여 표현할 수 있다. The
투영지도 생성기(60)는 라이다 장치(10)에서 획득된 장애물의 수평적인 위치정보 및 수직적인 위치정보의 각각을 이용하여 마킹 격자 위치 및 격자 마킹 값을 결정할 수 있고, 또한 높이 정보가 포함된 투영지도를 1 또는 0의 이진 정보로 변경한 이진 투영지도를 허프 변환하여 직선 영역을 추출할 수 있다. The
투영지도 생성기(60)는, 청소지도와 비교하여 청소를 하지 않은 영역에 대한 우선순위를 높이고, 거리가 가까운 곳의 직선의 우선순위를 높일 수 있다. The
경로 제어기(30)는, 적어도 두개의 광 송수신기(101, 102)로부터 바닥면까지의 수직 거리, 상기 광 송수신기의 송신신호의 수평 하방 발사각을 기반으로 장애물의 존재 여부를 추정할 수 있다. The
이동체(1)에 적용되는 라이다 장치(10)는 다수의(2개 이상) 레이저 발/수광 세트(101, 102)를 360도 또는 일정 범위내에서 회전시켜 주변의 장애물 정보를 3차원으로 획득할 수 있다(S2610). 본 실시예에서 3차원 환경 정보는 이동체의 주변에 대한 3차원 정보를 의미하며, 이러한 3차원 환경 정보는 장애물에 대한 정보도 포함함은 물론이다.The
이동체는 낮은 장애물(작은 장난감, 옷가지 등)을 구분하고, 수직 환경(문턱, 경사, 절벽)을 구분하고, 3차원 지역 지도 기반의 충돌 회피 경로를 계획할 수 있다.The mobile can distinguish low obstacles (small toys, clothing, etc.), vertical environments (threshold, slope, cliff), and plan a collision avoidance path based on 3D area map.
일반적으로, 낮은 장애물들은 (예를 들어, 장난감 블록, 양말, 옷가지 등) 청소로봇의 흡입구나 바퀴에 끼어 문제를 일으킬 수 있기 때문에 청소로봇의 안전한 주행을 위하여 반드시 고려되어야 한다. 그럼에도 불구하고, 기존의 적외선 또는 초음파 기반의 장애물 감지 청소로봇들은 센서들의 위치보다 낮은 장애물에 대한 감지가 불가능하였다. In general, low obstacles (for example, toy blocks, socks, clothes, etc.) may be interfered with the intake or the wheels of the cleaning robot, which must be considered for safe running of the cleaning robot. Nevertheless, existing infrared or ultrasonic based obstacle detection cleaning robots were unable to detect obstacles that were lower than the sensors' position.
특히, 지도 생성과 위치 추정 성능이 가장 우수한 단채널 레이저 스캔 센서 기반의 청소로봇은 SLAM 성능을 향상시키기 위하여 센서의 위치를 로봇의 가장 상단으로 설정하였기 때문에 낮은 장애물에 대한 감지가 불가능하다.In particular, the cleaning robot based on the short channel laser scan sensor, which has the best map generation and position estimation performance, can not detect low obstacles because the sensor position is set at the uppermost position of the robot to improve the SLAM performance.
기존 청소로봇들에 반하여, 본 발명의 일실시예가 적용되는 다채널 LiDAR 기반의 이동체(1)은 수평적인 장애물 감지 뿐만 아니라 청소로봇의 하단을 측정할 수 있기 때문에, 기존의 단채널 레이저 스캔 센서 기반의 청소로봇과 같이 우수한 SLAM 성능을 유지하면서 도 4와 같이 청소로봇의 높이와 센서의 위치에 무관하게 낮은 장애물들을 감지할 수 있다. In contrast to conventional cleaning robots, a multichannel LiDAR-based moving
수직 환경은 청소로봇의 주행 및 위치 추정 성능에 많은 영향을 미치는 중요 환경이다. 수평적으로 장애물을 측정하는 청소로봇들(범퍼 기반, 적외선 또는 초음파 기반, 단채널 레이저 스캔 센서 기반 청소로봇 등)은 수직 환경을 미리 확인할 수 없기 때문에 그 환경에 직면하였을 때 상황을 인지하거나, 무시하고 지나치게 된다. 문턱을 올라가거나 경사(bar-chair의 고정 장치 등)에 올라가면 청소로봇의 위치 추정 성능에 영향을 미치게 되어 청소 성능이 저하된다. 또한, 절벽인 경우 청소로봇이 빠졌을 때 청소로봇의 동작이 더 이상 불가능하기 때문에 바닥 측정 센서를 장착하여 청소로봇이 절벽에 빠지는 일을 방지하도록 하였다. 바닥 측정 센서의 경우에도 청소로봇 내에 장착되어 바퀴 바로 앞의 상황만을 감지하기 때문에 청소로봇이 회전하거나 빠르게 움직일 경우 미리 대응하여 청소로봇의 안정성을 향상시키는 것이 불가능하다. The vertical environment is an important environment that greatly affects the running and positioning performance of the cleaning robot. Cleaning robots that measure obstacles horizontally (such as bumper-based, infrared, or ultrasound-based, single-channel laser scan-sensor based cleaning robots) can not ascertain the vertical environment in advance, And over. Climbing the threshold or climbing up a slope (such as a bar-chair fixture) will affect the location estimation performance of the cleaning robot and degrade cleaning performance. In addition, in case of a cliff, since the operation of the cleaning robot is no longer possible when the cleaning robot is removed, a floor measuring sensor is installed to prevent the cleaning robot from falling into the cliff. Even in the case of the floor measuring sensor, since it is mounted in the cleaning robot and only the situation immediately before the wheel is detected, it is impossible to improve the stability of the cleaning robot in advance when the cleaning robot rotates or moves quickly.
도 78은 본 발명의 실시예에 따라 3차원 환경정보를 1byte(8bit)로 표시한 경우의 격자 정보를 도시한 것이고, 도 79 및 도 80은 본 발명의 실시예에 따라 2byte 투영지도의 높이 표현 방법을 도시한 것이고, 도 81 및 도 82는 본 발명의 실시예에 따라 3차원 장애물의 1byte 투영지도 표시 결과를 도시한 것이다. FIG. 78 shows lattice information when 3-dimensional environment information is represented by 1 byte (8 bits) according to an embodiment of the present invention. FIG. 79 and FIG. 80 show the height information FIG. 81 and FIG. 82 show a 1-byte projection map display result of the three-dimensional obstacle according to the embodiment of the present invention.
이동체(1)가 다채널 라이다 장치(10)를 이용할 경우, 수직 환경에 대하여 도 66 내지 도 68에 도시된 장애물 정보를 획득하는 것이 가능하고 이를 기준으로 청소로봇의 주행 경로를 미리 계획할 수 있다. 따라서 청소로봇이 수직 환경에 직면하기 전에 이를 감지하여 회피하는 것이 가능하다. When the
기존의 청소로봇들 중 레이저 스캔 센서 기반의 청소로봇은 주변의 장애물 정보를 거리를 둔 상태에서(직면하지 않는 상태)에서 장애물들을 감지할 수 있기 때문에 미리 충돌을 회피할 수 있는 이동경로를 계획할 수 있다. 그러나 앞서 언급되었던 것과 같이, 낮은 장애물을 감지할 수 없고, 수직 환경을 구분할 수 없기 때문에, 여전히 장애물과의 충돌 위험이 있다. Among the conventional cleaning robots, the cleaning robot based on the laser scanning sensor can detect the obstacles in a state in which the obstacle information of the surroundings is kept at a distance (non-confronted state). Therefore, . However, as mentioned earlier, there is still a risk of collision with obstacles, since low obstacles can not be detected and vertical environments can not be distinguished.
다채널 라이다 장치(10)가 적용된 이동체(1)는 주변에 대한 3차원 정보를 제공하기 때문에 낮은 장애물들과, 수직 환경들을 포함한 로봇의 안전한 주행에 영향을 미치는 장애물들과의 충돌을 회피할 수 있는 경로를 장애물들에 직면하기 전에 계획하는 것이 가능하다.Since the
본 발명에서 개시하고 있는 다채널 라이다 장치(10)를 통하여 획득된 청소로봇의 주변 3차원 환경정보를 작은 저장 공간에 정보 손실 없이 표시하는 투영지도를(projective map) 제안한다. 청소로봇은 낮은 제조 단가를 유지해야 하기 때문에 큰 메모리 사이즈와 높은 연산 능력을 보장할 수 없다. 즉, 기존의 이동체 연구들에서 사용되어온 큰 저장 용량과 좋은 연산 성능을 필요로 하는 point cloud를 그대로 적용하는데 한계가 있다. 본 발명의 개시에서는 청소로봇 주변의 장애물 정보와 지도 정보를 정보의 손실 없이 작은 저장 공간에 저장하기 위한 투영지도(projective map)를 제안하고 있다. The present invention proposes a projective map for displaying the surrounding three-dimensional environment information of the cleaning robot obtained through the
일반적인 청소로봇에서는 저장 용량이 작고, 작은 연산 성능으로도 활용이 가능하기 때문에 격자지도(grid map)가 주로 사용되어 왔다. 그러나 환경을 3차원으로 표현하는 point cloud는 2차원 격자지도에 비해 공간적 차수가 1차 더 많기 때문에 더 많은 저장 공간을 필요로 하기 때문에 청소로봇에서는 연산 능력과 저장 공간의 제약이 발생한다. 따라서 다음과 같은 방법으로 격자지도에 3차원 정보를 포함할 수 있는 투영지도를 생성하도록 한다.(S2620)Grid maps have been mainly used in general cleaning robots because they have small storage capacity and can be used for small computation performance. However, since the point cloud that represents the environment in three dimensions requires more storage space because the spatial order is larger than that of the two dimensional grid map, the cleaning robot is limited in the computing capacity and storage space. Accordingly, a projection map including three-dimensional information is generated on the grid map in the following manner (S2620)
1) 3차원 공간을 n3 의 정육면체를 이용하여 표현한다.(S2621) 1) A three-dimensional space is expressed using a cubic n3 (S2621)
2) LiDAR에서 획득된 장애물의 수평적인 위치정보를 이용하여 마킹할 격자 위치를 결정한다.(S2622) 2) Determine the grid position to be marked using the horizontal position information of the obstacle obtained in LiDAR (S2622)
3) LiDAR에서 획득된 장애물의 수직적인 위치정보를 이용하여 격자에 마킹할 값을 결정한다.(S2623) 3) The value to be marked on the grid is determined using the vertical position information of the obstacle obtained in LiDAR (S2623)
예를 들어, 3차원의 주변공간을 33(cm3)의 정육면체를 이용하여 표현하면 3cm x 3cm x 3cm의 정육면체의 격자들로 3차원 주변환경을 표현하는 것이다.For example, if the three-dimensional surrounding space is expressed using a cubic body of 33 (cm 3), the three-dimensional surroundings are expressed by cubic lattices of 3 cm x 3 cm x 3 cm.
여기서, 각 격자가 1byte(8bit)로 표현된 경우를 살펴보면 도 78에 도시된 바와 같이 결정할 수 있다. Here, the case where each lattice is represented by 1 byte (8 bits) can be determined as shown in FIG. 78.
도 78에서 나타난 것과 같이 높이 정보 격자 사이즈를 이용하여 각 bit로 할당하여 표시하면 정보의 손실 없이 2차원 격자지도를 이용하여 3차원 정보를 표시할 수 있다. 다음의 예를 이용하여, 도 78의 투영지도 생성방법을 더 자세히 나타낸다. As shown in FIG. 78, three-dimensional information can be displayed using a two-dimensional grid map without loss of information by allocating and displaying each bit using a height information grid size. The projection map generation method of FIG. 78 will be described in more detail using the following example.
예를 들면, 격자의 크기가 1.5cm라고 할 때(n=1.5), 장애물이 수직위치가 지면에서부터 4.5cm라면 아래와 같이 표현 가능 하다. 이를 16진수를 이용하여 표현하면, 격자에 들어갈 값은 0x70이다. For example, if the grid size is 1.5 cm (n = 1.5) and the vertical position of the obstacle is 4.5 cm from the ground, Expressed using hexadecimal numbers, the value to be entered into the lattice is 0x70.
0 : 1 : 1 : 1 : 0 : 0 : 0 : 0 0: 1: 1: 1: 0: 0: 0: 0
도 79 및 도 80에 도시된 바와 같이, 격자지도를 2byte (16bit)로 표현하면 1byte 격자와 같은 측정 범위를 가진다면 더 세밀하게 표현하는 것이 가능하고, 1byte 격자와 같은 격자 사이즈를 가진다면 더 넓은 범위를 표현할 수 있다. As shown in FIGS. 79 and 80, if a grid map is expressed by 2 bytes (16 bits), it can be expressed more finely if it has the same measurement range as a 1 byte grid, and if it has the same grid size as a 1 byte grid, The range can be expressed.
도 78 내지 도 80에 도시된 바와 같이, 3차원 주변 환경정보를 3차원 배열 또는 3차원 point cloud없이 2차원적 격자지도를 이용하여 위치 정보의 손실 없이 투영지도를 생성하는 방법을 제안하였다. 도 78 내지 도 80의 지도를 이용하여 청소로봇에서 3차원 정보를 표현하는 방법을 도시하면 도 81 및 도 82와 같이 나타낼 수 있다. As shown in FIGS. 78 to 80, a method of generating a projection map without loss of position information using a two-dimensional grid map without a three-dimensional array or a three-dimensional point cloud is proposed. A method of representing three-dimensional information by the cleaning robot using the maps of FIGS. 78 to 80 can be shown in FIGS. 81 and 82. FIG.
도 81 및 도 82에 도시된 바와 같이 청소로봇에서 측정된 3차원 장애물은 2차원 투영지도에 정보 손실 없이 표현하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 도 81에서 보는 것과 같이 지역 지도의 (2, 1)위치의 장애물은 1n의 높이 내에 있기 때문에, M(2,1) = 00010000 이므로 (여기서 M은 지역지도를 나타낸다), 16진수로 표현 시 도 8와 같이 M(2,1)=0x10이 된다. As shown in FIGS. 81 and 82, it can be seen that the three-dimensional obstacle measured by the cleaning robot can be expressed without loss of information in the two-dimensional projection map. 81, since the obstacle at the (2, 1) position of the area map is within the height of 1n, M (2,1) = 00010000 (where M represents the area map) 8, M (2, 1) = 0x10.
청소로봇에 있어서 벽을 구분하는 것은 매우 중요한 능력 중 하나이다. 먼지가 많이 모이는 벽과 바닥의 경계나 구석진 곳에 붙어서 청소하는 능력은 먼지를 많이 모아 담아야 하는 청소로봇의 청소 성능을 가늠하는 중요한 척도가 된다. 따라서 주변 환경 정보로부터 벽을 구분하고 벽에 가까이 접근하여 충돌 없이 벽을 따라 이동하는 wall following 기능이 매우 중요하다. In cleaning robots, distinguishing walls is one of the most important skills. The ability to clean by attaching to the edge or corner of the wall and floor where the dust is gathered is an important measure of the cleaning performance of the cleaning robot which must collect the dust. Therefore, wall following function is very important because it separates the wall from surrounding information and moves close to the wall without collision.
기존의 청소로봇에서 하나 또는 두 개의 적외선 또는 거리 측정 센서를 이용하여 센서의 오차에 따라 로봇이 벽을 따라 직선으로 이동하지 못하고 지그재그로 이동하는 방식과는 달리, 주변의 정보를 360도 획득할 수 있는 레이저 스캔 센서 기반의 청소로봇들은 더 많은 환경정보를 이용하여 주변의 벽을 정확히 구분하고, 더 많은 정보들 (예를 들어, 벽의 진행 방향 등)을 제공할 수 있다. Unlike the conventional cleaning robot that uses one or two infrared or distance measurement sensors to move the robot in a straight line along the wall according to the error of the sensor, it moves around in a zigzag manner. Cleaning scanners based on laser scanning sensors can use more environmental information to accurately identify the surrounding walls and provide more information (eg, the direction of the wall).
일반적으로, 3차원 다채널 라이다 기반의 청소로봇은 3차원 환경정보를 사용하기 때문에 기존의 2차원 레이저 스캔 센서 기반의 벽 추출 알고리즘들을 사용하는 것이 어렵다. Generally, it is difficult to use the conventional 2D laser scan sensor based wall extraction algorithms because the cleaning robot based on 3D multi-channel Lada uses 3D environment information.
그러나 본 발명의 일실시예가 적용된 다채널 라이다 기반의 이동체는 3차원 환경정보를 획득함에도 불구하고, 투영지도를 사용하여 용이하게 모든 정보를 종합하여 기존이 2차원 환경 정보에서 사용하는 기법들을 다음과 같은 과정을 거쳐 그대로 사용할 수 있다.However, in spite of acquiring 3D environment information, a multi-channel RDA based moving object to which an embodiment of the present invention is applied can easily integrate all information using a projection map, And can be used as it is.
1) 높이 정보가 포함된 투영지도를 1또는 0으로 표현되는 이진 정보로 바꾼다.1) Replace the projection map containing height information with binary information expressed as 1 or 0.
2) 이진 투영지도를 허프 변환하여 직선 영역을 추출한다. 2) Extract the linear region by Hough transform the binary projection map.
3) 청소 지도와 비교하여 청소를 하지 않은 영역에 대한 우선순위를 높이고, 거리가 가까운 곳의 직선의 우선순위를 높인다.3) Increase the priority for areas that have not been cleaned compared to the cleaning map, and increase the priority of the straight line near the distance.
더욱 상세히 설명하면, 벽에 대한 정보를 추출하기 위하여 3차원 정보를 담고 있는 투영지도를 1과 0으로 표시되는 이진화 과정을 통해 2차원 정보로 압축하는 과정을 거친다. 투영지도를 이진화하는 과정은 알고리즘 1)과 같이 나타낼 수 있다.(S2630)More specifically, in order to extract information about a wall, a projection map containing three-dimensional information is compressed into two-dimensional information through a binarization process represented by 1 and 0. The process of binarizing the projection map can be represented as Algorithm 1) (S2630)
알고리즘 1)Algorithm 1)
if M(n,m) >0if M (n, m) > 0
B(n,m) = 1; B (n, m) = 1;
elseelse
B(n,m) = 0; B (n, m) = 0;
여기서, B는 이진 지도로 지역지도를 모두 1과 0만을 이용하여 표시한 지도이다. Here, B is a map in which binary maps are used to display all the area maps using only 1 and 0.
알고리즘 1)에서 보는 것과 같이, 투영지도 M의 위 과정을 거처 이진지도 B로 변환되며, 2차원 정보로 환원된다.(S2631) 도 82의 정보를 이진화 하면 다음 도 83과 같이 나타낼 수 있다. As shown in Algorithm 1), the above process of the projection map M is transformed into the binary map B and converted to the two-dimensional information (S2631). The information in FIG. 82 is binarized as shown in FIG.
도 83와 같이 표시된 이진 지도를 이용하여 우리는 기존에 많이 사용되어온 알고리즘들을 쉽게 적용할 수 있다. 보통의 경우 벽은 직선 성분이 매우 강하게 나타나기 때문에 본 문서에서는 기존 영상처리나 장애물 지도 분석에 많이 사용되어온 허프 변환을 통하여 직선 성분들을 추출한다.(S2632) Using the binary map shown in FIG. 83, we can easily apply the existing algorithms. In this paper, linear components are extracted through Hough transform, which is often used for existing image processing and obstacle map analysis (S2632). In this paper,
3차원 환경정보를 표시하는 투영지도를 이진화를 통해 이진 지도로 변환하고 이를 허프 변환을 통하여 직선 성분들을 추출하여 벽을 추정하고 나면, 각 추정된 벽들에 대하여 우선 순위를 부여하도록 한다(S2633). 각 벽들의 우선 순위는 다음의 사항들을 기준으로 구분한다. After the projection map for displaying the three-dimensional environment information is converted into a binary map through binarization and the straight line components are extracted through the Hough transform to estimate the wall, the estimated walls are given priority in step S2633. Priority of each wall is classified according to the following.
1) 청소 유무, 청소가 되지 않은 곳의 우선순위를 높이 한다. 1) Increase the priority of cleaning and non-cleaning.
2) 거리 관계, 거리가 가까울수록 우선순위를 높이 한다. 2) The higher the distance relation and distance, the higher the priority.
위 두 사항을 기준으로 모든 추정된 벽들에 대하여 우선순위를 부여하고, 그 중 최고 우선순위의 벽을 추종할 수 있도록 한다.Priority is given to all estimated walls based on the above two points, and the wall of the highest priority among them is followed.
기존 청소로봇들에서 감지되지 않은 낮은 장애물들은 로봇에 말려 들어갈 수 있는 옷가지, 장난감 블록, 또는 동물의 배설물 등 실제로 로봇의 안전한 주행과 청소 성능에 많은 영향을 미치고 있어 반드시 감지되고 회피되어야 한다. 본 발명의 일실시예가 적용된 다채널 LiDAR를 장착한 이동체(1)은 다채널 LiDAR가 장착된 위치보다 낮은 장애물들에 대한 정보를 획득할 수 있기 때문에 낮은 장애물과의 충돌 및 이에 따라 발생하는 다양한 문제들을 회피할 수 있다. 이를 위하여 3차원 지도 정보에서 바닥과 장애물을 구분하여 장애물을 표시하는 것이 매우 중요하다. The low obstacles that are not detected by the conventional cleaning robots must be detected and avoided because they have a lot of influence on the safe running and cleaning performance of robots, such as clothes, toy blocks, or animal excrements that can be caught in the robots. Since the moving
도 69에서 보는 것과 같이 청소로봇에 장착된 다채널 LiDAR에로부터 측정된 청소로봇의 아래 방향 정보에서 센서에서 바닥까지의 거리가 dn = h/cos(θn) (여기서, n= 1, 2, 3) 가 되면 바닥으로 추정할 수 있다. 그렇지 않은 경우 바닥이 아닌 장애물로 표시 가능하다. 이를 투영지도를 이용하여 나타내면 다음과 같이 표현하는 것이 가능하다.(S2640) 69, the distance from the sensor to the floor in the downward direction information of the cleaning robot measured from the multichannel LiDAR mounted on the cleaning robot is dn = h / cos (? N) (where n = 1, 2, 3 ), It can be estimated as the bottom. Otherwise, it can be displayed as an obstacle rather than a floor. If this is expressed using the projection map, it can be expressed as follows (S2640)
도 81을 참조하여 예를 들면, 다채널 LiDAR 센서의 위치가 3n인 경우, 낮은 장애물들은 0x80 (10000000)보다 작은 수로 표시된다. 또한, 보통의 청소로봇들과 같이 낮지 않은 장애물들은 모두 투영지도에 0x80보다 크거나 같은 값으로 표시될 것이다. 이러한 두 정보를 조합하여 장애물 정보를 획득할 수 있고 청소로봇은 다음 장과 같이 장애물에 직면하기 전에 미리 충돌 회피 경로를 계획할 수 있다.(S2650) For example, referring to FIG. 81, when the position of the multi-channel LiDAR sensor is 3n, low obstacles are displayed with a number smaller than 0x80 (10000000). Also, all non-low obstacles, such as normal cleaning robots, will be displayed on the projection map with a value greater than or equal to 0x80. By combining these two pieces of information, the obstacle information can be obtained, and the cleaning robot can plan the collision avoidance path in advance before facing the obstacle as in the next chapter (S2650)
<이동체의 청소부>≪
도 84 내지 도 88은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체의 청소부에 관한 도면이다.84 to 88 are views of a cleaning part of a moving object according to embodiments of the present invention.
청소부(90)를 구비한 이동체(청소로봇)는 도 85에 도시된 바와 같이 흡입구(1420)의 일측에 장착된 유량 센서(flow sensor, 1410)를 이용하여 먼지(1430)의 유입량을 검출할 수 있다.The moving body (cleaning robot) provided with the cleaning part 90 can detect the inflow amount of the
이동체(1)은 이를 위해 유량 센서로 초음파식 유량 센서(ultrasonic flow sensor), TOF 기반의 유량 검출기(flow detector) 등을 이용할 수 있다. 이동체(1)가 이러한 유량 센서를 이용하여 먼지의 유입량을 검출하는 경우 광소자를 이용하는 경우보다 윈도우(window)에 부착되는 먼지에 덜 민감하게 작용할 수 있다.For this purpose, the moving
청소부(90)는 이물질 유입량 검출부를 더 포함할 수 있다. 이물질 유입량 검출부는 청소 기능을 수행하는 장치의 흡입구에 부착된 유량 센서를 이용하여 이물질의 유입량을 검출하는 기능을 수행한다. 청소로봇은 바닥면의 상태와 이물질의 유입량을 기초로 실내에 대한 청소 기능을 제어할 수 있다.The cleaning unit 90 may further include a foreign matter inflow amount detecting unit. The foreign matter inflow amount detecting unit detects a foreign matter inflow amount by using a flow rate sensor attached to an intake port of a device performing a cleaning function. The cleaning robot can control the cleaning function for the room based on the state of the floor surface and the inflow amount of foreign matter.
도 86 및 도 87을 참조하면, 청소부(90)는 사이드 브러쉬(side brush) 및/또는 브러쉬 휠(brush wheel)을 포함한다. 도 88을 참조하면, 이동 로봇의 앞단의 하단에 부착되거나 형성된 원통형의 브러쉬 휠은 바퀴의 역할을 수행함으로써 문턱이나 카펫을 비교적 쉽게 올라 갈 수 있도록 한다.86 and 87, the cleaning unit 90 includes a side brush and / or a brush wheel. Referring to FIG. 88, a cylindrical brush wheel attached to or formed at the lower end of the front end of the mobile robot acts as a wheel so that the threshold or the carpet can be raised relatively easily.
<이동체의 이동 장치>≪ Moving Device of Moving Object &
도 89 내지 도 96은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체가 이동하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.FIGS. 89 to 96 are views for explaining an operation of moving a moving object according to the embodiments of the present invention.
이동 장치(20)는 전진 구동부(910), 조향부(920), 및 후진 구동부(930)를 포함한다. 이동체(1)은 전진하거나 후진을 이용한 청소 모션을 수행할 수 있다. 이동체(1)은 TOF 기반의 360도 거리 측정기를 이용하여 이동 방향 및 경로를 결정한다.The
TOF 기반의 360도 거리 측정기를 장착한 이동체(1)은 전방, 후방 등 센서의 장착 위치에 관계없이 후진도 자유롭게 할 수 있기 때문에, 기존의 전진만 하는 로봇과 달리 다음과 같은 다양한 모션 적용이 가능하다.The moving object (1) equipped with the TOF-based 360-degree distance measuring device can freely move backward regardless of the mounting position of the sensors such as the front and rear sensors, so that the following various motions can be applied Do.
첫째, 180도 방향 전환시 이동체(1)가 도 90에 도시된 바와 같이 회전하지 않고 도 91에 도시된 바와 같이 바로 후진함으로써 전체 청소 시간을 줄일 수 있다.First, when the
둘째, 먼지가 많은 곳에서 집중 청소시 이동체(1)가 도 92에 도시된 바와 같이 앞뒤로 움직이면서 청소하여 충분히 먼지를 제거할 수 있다.Second, when the
이 경우 이동체(1)가 회전하지 않고 그 지역을 청소하기 때문에 위치 추정 성능을 유지하고 회전에서 많이 발생하는 슬립을 줄일 수 있다. 또한 이동체(1)가 브러시(brush)와 걸레를 양쪽 방향으로 모두 사용하기 때문에, 기존에 직진만 하는 경우 브러시와 걸레를 한쪽 방향으로만 사용하여 먼지가 한쪽으로 많이 묻는 문제점도 해결하고, 위치 추정 성능을 유지하고, 회전에서 많이 발생하는 슬립(slip)을 줄일 수 있다. In this case, since the
<충돌 회피경로 생성><Creation of Collision Avoidance Path>
도 93 내지 도 96을 참조하여, 청소로봇의 안전과 최대 청소영역을 확보할 수 있는 최적의 충돌 회피경로 생성 알고리즘을 설명하다. 93 to 96, an optimal collision avoidance path generation algorithm capable of ensuring the safety of the cleaning robot and the maximum cleaning area will be described.
본 실시예에 따른 청소로봇은 낮은 장애물을 포함한 모든 장애물 정보를 투영지도에 표현되기 때문에 이를 바탕으로 하여 장애물과의 충돌에 직면하기 전에 충돌 회피가 가능한 경로를 계획하는 것이 가능하다. 장애물로부터 가장 먼 곳들을 연결하여 충돌을 회피하는 경로를 생성하는 기존의 청소로봇들과 달리, 본 실시예에 따른 청소로봇은 장애물에 가까이 붙으면서 장애물과의 충돌을 회피하면서 가능한 많은 지역을 빠짐없이 청소할 수 있다. Since the cleaning robot according to the present embodiment expresses all the obstacle information including the low obstacle on the projection map, it is possible to plan the path that can avoid the collision before confronted with the obstacle. Unlike the conventional cleaning robots which generate a path for avoiding collision by connecting the furthest points from the obstacle, the cleaning robot according to the present embodiment closely approaches the obstacle and avoids collision with the obstacle, It can be cleaned.
도 93은 청소로봇이 청소를 하는 경우 청소로봇과 장애물 간의 관계를 도시한 것이다. 93 shows the relationship between the cleaning robot and the obstacle when the cleaning robot performs cleaning.
도 93에서 도시된 바와 같이, 장애물들은 모두 청소로봇의 safe zone의 바깥에 위치하여야 한다. 그러나 청소로봇에서 장애물까지의 가장 가까운 거리 do가 최소가 되도록 경로를 생성하여야 최대한 넓은 면적을 청소할 수 있게 된다. 도 95를 기반으로 최적 경로는 수학식 (3)의 최적화 문제로 환원된다. As shown in Figure 93, all obstacles must be located outside the safe zone of the cleaning robot. However, it is possible to clean the large area as much as possible by creating a path such that the closest distance do from the cleaning robot to the obstacle is minimized. Based on FIG. 95, the optimal path is reduced to the optimization problem of equation (3).
수학식 (3)의 최적화 문제를 만족하면서 청소로봇의 이동경로를 결정해야 하는데, 이를 위하여 식 (3)의 최적화 문제를 기존 이동체의 경로 계획 알고리즘에 적용할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 RRT (rapid random tree)와 Potential field(참고, wavefront 방법과 유사하다.) 기법을 고려한다.The optimization problem of Eq. (3) must be determined and the movement path of the cleaning robot must be determined. For this, the optimization problem of Eq. (3) can be applied to the existing path planning algorithm of the mobile robot. Particularly, the present invention considers the RRT (rapid random tree) and the Potential field (similar to the wavefront method).
먼저, RRT의 경우, 다음과 같이 청소로봇이 이동할 수 있는 다양한 경로의 집합인 로드맵(roadmap)을 생성하고, 그 중 최적의 경로를 선택하기 위하여 수학식 (3)의 최적화 문제 적용한다. First, in the case of the RRT, a roadmap is created as a set of various paths through which the cleaning robot can move, and the optimization problem of Equation (3) is applied to select an optimum path among the paths.
도 94는 수학식 (3)의 최적화 문제가 적용된 RRT로부터 최적의 경로를 선택하는 과정을 도시한 것이다. 94 shows a process of selecting an optimal path from the RRT to which the optimization problem of Equation (3) is applied.
도 94에서 점선은 청소로봇이 이동할 수 있는 모든 경로들을 표시한 것이고, 실선은 가능한 모든 경로들 중에서 수학식 (3)의 최적화 문제를 통해 선택된 청소로봇의 이동 경로 이다. In FIG. 94, the dotted line indicates all the paths that the cleaning robot can move, and the solid line is the movement path of the cleaning robot selected through the optimization problem of Equation (3) among all possible paths.
도 95 및 도 96은 수학식 (3)의 최적화 문제를 통한 potential field 기반의 경로 생성 과정을 도시한 것이다. FIGS. 95 and 96 illustrate a potential field-based path generation process through the optimization problem of Equation (3).
Potential field를 적용하였을 때에는 장애물과 청소로봇의 거리에 따라 도 13(a)와 같은 potential을 부여하게 된다. When the potential field is applied, the potential as shown in FIG. 13 (a) is given according to the distance between the obstacle and the cleaning robot.
도 95에 도시된 바와 같이 수학식 (3)의 최적화 문제를 potential field에 적용하면 do가 r + ds일때 potential이 최소가 되기 때문에 도 96과 같은 경로를 얻을 수 있다. As shown in FIG. 95, when the optimization problem of Equation (3) is applied to the potential field, the potential is minimized when do is r + ds, so that the path shown in FIG. 96 can be obtained.
다채널 LiDAR를 장착하여 3차원 환경정보 획득이 가능한 청소로봇의 청소 주행 알고리즘은 다음과 같은 효과가 있다. 먼저, 투영지도를 제안함으로써 큰 저장 공간과 연산 능력이 필요한 3차원 공간정보를 기존의 2차원 격자지도에 정보 손실 없이 적용할 수 있다. 또한, 투영지도를 이용하여 3차원 정보를 쉽게 기존의 방법들을 적용하여 벽 정보를 추출하였고, 장애물을 구분할 수 있다. 또한 이러한 벽과 장애물 정보를 기반으로 하여 청소영역을 최대화하고 장애물과의 충돌을 회피할 수 있는 주행 경로를 계획할 수 있다.The clean running algorithm of a cleaning robot that can acquire 3D environment information by installing a multi - channel LiDAR has the following effects. First, by proposing a projection map, it is possible to apply the three-dimensional spatial information that requires a large storage space and computation capability to the existing two-dimensional grid map without information loss. In addition, wall information can be extracted by applying existing methods to 3D information easily using projection map, and obstacles can be distinguished. Also, it is possible to maximize the cleaning area based on the wall and obstacle information, and to plan the traveling route to avoid the collision with the obstacle.
<이동 경로 표시><Display of route>
도 97은 본 발명의 실시예들에 따른 이동체가 이동한 경로를 예시적으로 표시한 도면이다.97 is a diagram exemplarily showing a moving path of a moving object according to embodiments of the present invention.
본 발명의 이동체는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다. 이 때, 사용자는 상기 이동체가 청소를 수행한 영역을 상기 디스플레이부를 통해 시각적으로 확인할 수 있도록, 이동체의 주행 영역을 나타내는 맵이 표시된다. 예컨대, 사용자가 이동체의 청소동작을 수행한 영역 및 청소동작을 수행할 예정인 영역을 모두 포함하는 맵을 게임 캐릭터가 이동하는 것과 같이 표시할 수 있다.The moving body of the present invention may further include a display portion. At this time, a map indicating a traveling area of the moving object is displayed so that the user can visually confirm the area where the moving object has been cleaned through the display unit. For example, a map including both the area where the user performed the cleaning operation of the moving object and the area where the cleaning operation is to be performed may be displayed as the game character moves.
이동체 및 라이다 장치 등에 포함된 구성요소들이 각각의 도면에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.The moving body, and the Lidar device are shown separately in the respective drawings, the plurality of components may be mutually coupled to form at least one module. The components are connected to a communication path connecting a software module or a hardware module inside the device and operate organically with each other. These components communicate using one or more communication buses or signal lines.
이동체 및 라이다 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.The moving body and the Lidar device may be implemented in logic circuitry by hardware, firmware, software or a combination thereof, and may be implemented using a general purpose or special purpose computer. The device may be implemented using a hardwired device, a field programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC), or the like. Further, the device may be implemented as a System on Chip (SoC) including one or more processors and controllers.
이동체 및 라이다 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.The mobile device and the Lidar device may be implemented as software, hardware, or a combination thereof in a computing device having hardware components. The computing device includes a communication device such as a communication modem for performing communication with various devices or wired / wireless communication networks, a memory for storing data for executing a program, a microprocessor for executing and calculating a program, Device. ≪ / RTI >
각 도면에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도면에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.It is to be understood that the present invention is not limited to the above-described exemplary embodiments, and that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Or may be variously modified and modified by executing one or more processes in parallel or by adding other processes.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.The operations according to the present embodiments may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. A computer-readable medium represents any medium that participates in providing instructions to a processor for execution. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, or a combination thereof. For example, there may be a magnetic medium, an optical recording medium, a memory, and the like. The computer program may be distributed and distributed on a networked computer system so that computer readable code may be stored and executed in a distributed manner. Functional programs, codes, and code segments for implementing the present embodiment may be easily deduced by programmers of the technical field to which the present embodiment belongs.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present embodiments are for explaining the technical idea of the present embodiment, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (20)
상기 측정한 거리를 기반으로 생성한 점군 데이터를 처리하여 이동 경로를 생성하는 경로 제어기; 및
상기 이동 경로를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치
를 포함하는 이동체.A lidar device for measuring a distance from an object based on flight time;
A path controller for processing the point cloud data generated based on the measured distance to generate a movement path; And
And a moving unit configured to move the moving object based on the moving route,
.
상기 라이다 장치는,
광을 송신하고 수신하여 전기 신호를 출력하는 광 송수신기;
상기 전기 신호를 분석하여 제어 신호를 생성하는 신호 판별기; 및
상기 제어 신호를 기반으로 상기 광의 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체.The method according to claim 1,
The Lidar apparatus includes:
An optical transceiver for transmitting and receiving light and outputting an electric signal;
A signal discriminator for analyzing the electrical signal to generate a control signal; And
A distance measuring unit for calculating a distance of the light based on the control signal,
And the moving object.
상기 라이다 장치는 복수의 광 송수신기를 포함하며, 상기 복수의 광 송수신기는 상이한 각도로 설치되어 다채널 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 이동체.3. The method of claim 2,
Wherein the Lidar apparatus includes a plurality of optical transceivers, and the plurality of optical transceivers are installed at different angles to perform multi-channel scanning.
상기 광 송수신기는 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하는 제1 거울 및 기 설정된 주기로 움직이는 제2 거울을 포함하며, 상기 제1 거울은 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 것을 특징으로 하는 이동체.3. The method of claim 2,
The optical transceiver includes a first mirror including a hole through which the emitted light passes, and a second mirror moving in a predetermined cycle, wherein the first mirror has a focal point at which light rays reflected by a curved reflecting surface converge .
상기 광 송수신기는 상기 광 송수신기의 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 전기 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이동체.3. The method of claim 2,
Wherein the optical transceiver outputs an electrical signal during a detection period of a sampling period of the optical transceiver.
상기 신호 판별기는 상기 전기 신호를 변환하고 기 설정된 기준 크기를 갖는 시점을 검출하여 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이동체.3. The method of claim 2,
Wherein the signal discriminator converts the electrical signal and detects a time point having a predetermined reference magnitude to generate the control signal.
상기 거리 측정기는 상기 제어 신호의 펄스 폭을 이용하여 상기 비행시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 이동체.The method according to claim 6,
Wherein the distance measuring unit corrects the flight time using the pulse width of the control signal.
상기 거리 측정기는 조절된 논리소자의 위치 및 신호경로를 기반으로 클록 폭을 조절한 복수의 오실레이터를 갖는 시간 디지털 변환기를 이용하여 상기 비행시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 이동체.3. The method of claim 2,
Wherein the distance measuring unit calculates the flight time using a time digital converter having a plurality of oscillators whose clock widths are adjusted based on a position and a signal path of the controlled logic device.
상기 이동체는 기준 클럭을 발생시키는 클럭 발생기를 포함하며,
상기 거리 측정기는 상기 클럭 발생기로부터 수신한 상기 기준 클럭을 카운팅하고, 내부의 오실레이터에서 발생한 내부 클럭을 카운팅하는 기준 클럭 카운터를 포함하며,
상기 거리 측정기는 상기 기준 클럭의 개수 및 상기 내부 클럭의 개수의 비율을 이용하여 상기 비행시간을 보정하는 것을 특징으로 하는 이동체.The method according to claim 1,
Wherein the moving body includes a clock generator for generating a reference clock,
The distance measuring device includes a reference clock counter for counting the reference clock received from the clock generator and counting an internal clock generated in an internal oscillator,
Wherein the distance measuring unit corrects the flight time using a ratio of the number of the reference clocks and the number of the internal clocks.
상기 라이다 장치는,
상기 대상체가 인공표식인지 여부를 판단하고 상기 인공표식에 포함된 비가시적 바코드를 분석하는 인공표식 검출기를 추가로 포함하는 이동체.The method according to claim 1,
The Lidar apparatus includes:
Further comprising an artificial landmark detector for determining whether the target object is an artificial landmark and analyzing an invisible bar code included in the artificial landmark.
상기 점군 데이터를 분석하여 노드에 관한 키 프레임을 생성하고, 연속하는 노드 간의 오도메트리 엣지를 산출하고 상기 키 프레임을 갱신하여 지역 지도를 추정하며, 상기 갱신한 키 프레임의 집합에 대하여 연속하지 않는 노드 간의 루프 클로저 엣지를 검출하고, 상기 오도메트리 엣지 및 상기 루프 클로저 엣지를 기반으로 상기 노드의 위치를 보정하여 전역 지도를 추정하는 지도 생성기를 추가로 포함하는 이동체.The method according to claim 1,
Analyzing the point cloud data to generate a key frame related to the node, calculating an odometry edge between consecutive nodes, updating the key frame to estimate a local map, Further comprising a map generator for detecting a loop closure edge between the nodes and estimating a global map by correcting the position of the node based on the odometry edge and the loop closure edge.
상기 경로 제어기는,
상기 점군 데이터를 분석하여 바닥면의 높낮이 변화와 관련된 정보를 생성하는 바닥면 상태 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체.The method according to claim 1,
Wherein the path controller comprises:
And a floor condition determination unit for analyzing the point cloud data to generate information related to a change in height of the floor surface.
상기 점군 데이터를 분석하여 장애물을 3차원 상에서 정의하기 위한 3차원 환경정보를 생성하고, 2차원 공간 지도에 상기 3차원 환경정보가 포함된 투영지도를 생성하는 투영지도 생성기를 추가로 포함하는 이동체.The method according to claim 1,
Further comprising a projection map generator for generating three-dimensional environment information for defining the obstacle on three dimensions by analyzing the point cloud data and generating a projection map including the three-dimensional environment information on a two-dimensional space map.
상기 전기 신호를 분석하여 제어 신호를 생성하는 신호 판별기; 및
상기 제어 신호를 기반으로 상기 광의 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기
를 포함하는 라이다 장치.An optical transceiver for transmitting and receiving light and outputting an electric signal;
A signal discriminator for analyzing the electrical signal to generate a control signal; And
A distance measuring unit for calculating a distance of the light based on the control signal,
Lt; / RTI >
상기 광 송수신기는 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하는 제1 거울 및 기 설정된 주기로 움직이는 제2 거울을 포함하며, 상기 제1 거울은 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.15. The method of claim 14,
The optical transceiver includes a first mirror including a hole through which the emitted light passes, and a second mirror moving in a predetermined cycle, wherein the first mirror has a focal point at which light rays reflected by a curved reflecting surface converge Lt; / RTI >
상기 광 송수신기는 상기 광 송수신기의 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 전기 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.15. The method of claim 14,
Wherein the optical transceiver outputs an electrical signal during a detection period of the sampling period of the optical transceiver.
상기 신호 판별기는 상기 전기 신호를 변환하고 기 설정된 기준 크기를 갖는 시점을 검출하여 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.15. The method of claim 14,
Wherein the signal discriminator converts the electrical signal and detects a time point having a predetermined reference size to generate the control signal.
상기 거리 측정기는 상기 제어 신호의 펄스 폭을 이용하여 상기 비행시간을 보정하는 것을 특징으로 라이다 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the distance measuring unit corrects the flight time using the pulse width of the control signal.
상기 거리 측정기는 조절된 논리소자의 위치 및 신호경로를 기반으로 클록 폭을 조절한 복수의 오실레이터를 갖는 시간 디지털 변환기를 이용하여 상기 비행시간을 산출하는 라이다 장치.15. The method of claim 14,
Wherein the distance measuring device calculates the flight time using a time digital converter having a plurality of oscillators whose clock widths are adjusted based on the position and signal path of the controlled logic device.
상기 거리 측정기는 외부의 클럭 발생기로부터 수신한 기준 클럭을 카운팅하고, 내부의 오실레이터에서 발생한 내부 클럭을 카운팅하는 기준 클럭 카운터를 포함하며,
상기 거리 측정기는 상기 기준 클럭의 개수 및 상기 내부 클럭의 개수의 비율을 이용하여 상기 비행시간을 보정하는 라이다 장치.The method according to claim 1,
The distance measuring device includes a reference clock counter for counting a reference clock received from an external clock generator and counting an internal clock generated in an internal oscillator,
Wherein the distance measuring unit corrects the flight time using a ratio of the number of the reference clocks and the number of the internal clocks.
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