2D 라이다 원리의 심층 분석

[원문] https://www.slamtec.com/cn/News/Detail/449

 2D 라이다(LiDAR)란 레이저 광선이 1채널인 라이다로 삼각측량(triangulation) 방식과 ToF 방식으로 나뉩니다. 

2D라이다는 주로 로봇 분야에서 많이 쓰이며, 빠른 스캔 속도, 높은 해상도와 신뢰성으로 다채널 라이다와 비교했을 때, Angular Frequency(각주파수) 및 감도 반응이 더 뛰어나 

장애물과의 거리 측정과 정확도 또한 훨씬 뛰어납니다.

2D 라이다의 핵심 구성 요소

SLAMTEC의 2D 라이다를 기준으로 레이저 장치, 수신기, 신호 처리 장치와 회전장치 이렇게 4가지 주요 핵심 요소로 구성되어 있습니다.

1. 레이저 장치

레이저 장치는 라이다의 레이저를 방출하는 장치로 펄스 형식으로 깜빡입니다. SLAMTEC의 RPLIDAR A3시리즈 라이다의 경우, 초당 16000회 깜빡입니다.

2. 수신기

레이저 장치에서 방출한 레이저가 장애물에 반사되어 렌즈를 거쳐 수신기에 돌아옵니다.

3. 신호 처리 장치

신호 처리 장치는 레이저 장치의 방출과 수신기에서 수신 받는 신호를 처리합니다. 이 정보를 통해 목표 물체까지의 거리를 계산합니다.

4, 회전 장치

이상 3가지 요소는 거리를 측량하는 핵심 부품입니다. 회전 장치는 위에 서술한 부품들을 안정적으로 회전시켜 평면 스캔을 통해 실시간 평면 지도 데이터를 생성합니다.

2D라이다의 삼각측량(triangulation) 거리 측정법

레이저 삼각측량 거리 측정법은 1채널 레이저 광선이 일정한 입사각으로 목표물을 향해 방출되어 목표물 표면에서 발생한 반사와 난반사를 통해 거리를 측정합니다. 

렌즈를 이용해 반사된 레이저를 모아 광점(light spot)으로 CCD(Charge-coupled Device, 전하결합소자) 위치센서에 형상을 만듭니다. 

물체가 레이저 방향으로 이동할 경우, 위치센서에 광점 또한 이동합니다. 광점 위치의 이동거리는 물체의 이동거리에 대응하기 때문에 알고리즘 설계를 통해 물체와 

기준선과의 거리 값을 얻을 수 있습니다. 입사각과 반사각이 삼각형을 이루기 때문에 광점 위치의 이동거리 계산방식은 삼각법을 적용합니다. 

때문에 해당 측량 방식을 레이저 삼각측량 거리 측정법이라고 부릅니다.

1. 직사식(直射式) 레이저 삼각측량 거리 측정법

 그림1과 같이, 레이저 광선이 물체 표면에 수직으로 입사될 때, 즉 입사광선과 물체표면의 법선(法線)이 공선(共線)일 경우, 직사식 레이저 삼각측량 거리 측정법을 사용합니다.

2. 사선식(斜線式) 레이저 삼각측량 거리 측정법

 광로(光路) 시스템 중, 레이저 입사각과 물체의 법선과 이루고 있는 각이 90˚보다 작을 경우, 해당 입사방식을 사선식이라고 부르며, 

그림2는 사선식 레이저 삼각측량 거리 측정법의 광로를 나타낸 그림입니다.

 레이저 장치에서 방출된 레이저와 물체 표면의 법선이 일정한 각도로 물체에 입사되면 반사(난반사)광이 B에 위치한 렌즈를 통해 형상을 만들어 감광장치에 도달합니다.

 두가지 레이저 삼각측량 거리 측정법 모두 물체와의 거리를 비접촉식 거리 측정법으로 정밀하게 측정할 수 있습니다. 단, 직사식 거리 측정의 해상도는 사선식 거리 측정보다 높지 않습니다.

 SLAMTEC의 RPLIDAR시리즈 라이다는 사선식 레이저 삼각측량 거리 측정법을 사용하여, SLAMTEC의 독자적인 RPVision 3.0 레이저 거리 측정 엔진을 기반으로 

초당 16000회, 25m의 측정 반경, 0.225˚의 Angular Resolution(각도 분해능)으로 거리를 측정할 수 있습니다.

 거리를 측정하는 과정에서 RPLIDAR시리즈 라이다는 변조된 적외선 레이저 신호를 물체를 향해 방출해 물체에서 반사되어 발생한 반사광을 다시 RPLIDAR의 시각데이터 수집 시스템으로 받아들여 

내부의 DSP처리장치를 통해 실시간으로 물체와의 거리값과 레이저와 물체표면의 법선 사이의 각의 데이터를 통신 포트를 통해 송출합니다.

 모터가 구동되면, RPLIDAR의 거리 측정 주요 장치들이 시계방향으로 회전하며 주위 환경을 360도 스캔하여 거리를 측정합니다.

2D 라이다의 TOF(Time-of-Flight) 비행시간 거리 측정법

TOF 방식의 라이다는 레이저의 비행시간으로 목표물과의 거리를 측정합니다. 측정 원리는 레이저 장치에서 변조된 레이저 신호를 방출하고, 

물체에 반사된 후 레이저 측정기에 돌아오는 시간차로 거리를 측정하는 방법입니다.

 TOF방식을 기반으로 한 RPLIDAR S1은 55.5mmX55.5mmX51mm 사이즈로 현재 동종 업계에서 가장 작은 사이즈를 자랑합니다. 

RPLIDAR S1은 멀리 있는 물체도 안정적이고 정확한 거리 측정이 가능하며 최대 측정반경은 40m에 달하며, 

특정 조건에서는 그 이상의 거리도 측정이 가능하여 더 넓은 장소에서도 사용이 가능합니다.

 동시에, TOF 라이다는 짧은 찰나의 펄스로 거리를 측정하기에, 빛의 영향을 받는 야외에서의 사용에도 손색이 없습니다. 

실외의 60Klx의 강한 빛에서도 안정적이고 정확한 mapping이 가능합니다.

 전체적으로 보면, 삼각측량 거리 측정 방식의 라이다와 TOF 방식의 라이다 모두 실현에 있어서 저마다의 난이도가 존재합니다. 

원리상으로 TOF 라이다가 더 먼 거리를 측정할 수 있어 거리를 요구하는 장소에서 많이 쓰입니다. 

삼각측량 거리 측정 방식의 라이다는 상대적으로 저렴한 원가와 정확도로 가정뿐만 아니라 상업용으로도 쓰이며 업계 내 많은 주목을 받고 있습니다.