High precision distance sensor for 3D map using ToF LiDAR principle
개요
Time of Flight(ToF) 라이다(Light detection and Ranging, LiDAR) 센서는 레이저 펄스의 비행 시간법을 통한 정확한 거리 정보를 얻어낼 수 있다는 장점이 있어 자율주행, 측량등 4차 산업 분야에서 필수적인 센서이다. 3D 라이다 센서 자체의 성능 개선을 위한 다양한 소형 광학계, 고속스캐너, 온도보상및 장거리 측정용 신호처리 연구를 진행하고 있다. 또한 자율 주행을 위한 객체 인식, SLAM, 원격 서비스 지원을 위한 증강현실에 적용을 위한 라이다 데이터 처리에 관한 연구도병행 진행하고 있다.
ToF 라이다 센서의 원리
연구내용
- ToF LiDAR sensor의 주요 구성요소인 송신부, 수신부, 스캐닝 시스템, 신호처리부들의 핵심기술인 LD 고속 구동용 충전 방전 기술, 반사율에 따른 walk error 저감, 온도 변화에 강건한 APD 구동 기술 등을 개발
- 고유의 한국형 라이다 플랫폼 기술 이전과 국내 유일의 라이다 생산업체인 SOSLAB(주) 교내 창업 및 공동연구 추진
ToF 라이다를 이용한 3D 구조물 측정
화재 초기 대응을 위한 안개 측정
- 3D point cloud data에 CompexYolo등과 같은 다양한 알고리즘을 활용하여 AI 기반 객체 인식 수행
ToF 라이다를 이용한 객체인식
- 노이즈 제거를 위한 알고리즘(AROR: Adaptive Radius Outlier Removal) 개발
AROR 알고리즘을 통한 노이즈 필터링
The simultaneous localization and mapping(SLAM) of a mobile robot
개요
배터리, 센서등 하드웨어의 발전과 더불어 AI, 자율주행 기술의 발전으로 인해 모바일 로봇은 사람이 수행하기 어렵고위험한 장소에서의 촬영, 화재 감지,배송, 탐사와 같은 새로운 분야에 활용되고 있다. 이를 위해 모바일로봇의 정확한 위치정보를 실시간으로(Simultaneous) 파악(Localization)하고 주변을 지도화(Mapping)하는 SLAM기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존 모바일 로봇에서 사용되는 카메라, 앤코더, 관성 센서는 모바일 로봇의 정확한 위치정보를 파악하지 못하는 문제점이 있어 이동 중 장애물과의 충돌이 발생하거나 최적 경로로 이동하지 못하는 문제점이 있다.모바일 로봇의 정확한 위치정보를 알아낼 수 있는 라이다 센서와 모바일 로봇의 동작을 지원하는 기존 센서를 융합하면 모바일 로봇의 위치 정확도를 향상시킬 수 있다. 이를 위해각 센서의 장점을 융합 하기 용이한 확장 칼만 필터 기법을 적용한 SLAM기술을 연구한다.
SLAM기술이 적용된 모바일 로봇의 활용 예시
연구내용
- 스캔 매칭 방법을 이용한 모바일 로봇의 Localization & mapping 알고리즘 개발
스캔 매칭 방법을 이용한 Localization 원리 스캔 데이터를 이용한 mapping 알고리즘
- 거리 정확도 향상을 위한 융합 센서 개발 및 확장 칼만 필터를 적용한 데이터 신호처리 방법 개발
확장 칼만 필터 기법을 이용한 융합 센서 데이터 처리 알고리즘
실험결과
모바일로봇 이동경로 파악 및 Mapping 실험 평가
모바일 로봇의 localization & mapping 실험영상
3D FMCW LiDAR sensor for harsh environments
개요
라이다 센서는 조명이 없어도 거리 측정이 가능하고 건물과 주변 도로의 정보를 3차원 이미지 데이터로 파악할 수 있어 자율주행, 드론, 교통 서비스등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 기존의 펄스 라이다(pulsed TOF, time-of-flight)의 경우 태양광 파장대의 잡음에 약하며 비, 눈, 안개가 있는 열악한 대기 환경에서는 정확한 거리 측정이 어렵다는 단점이 있다. 반면에 간섭 기반(FMCW, frequency modulated continuous wave) LiDAR는 레이저 송신 빔과 반사되어 오는 수신 빔이 만나서 발생되는 광 간섭 신호의 주파수를 측정하여 거리를 측정하는 방법으로 기존 라이다의 단점을 해결할 수 있어 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
FMCW LiDAR sensor의 원리
연구내용
- 내부 반사로 인한 원하지 않은 간섭 현상을 방지하여 FMCW LiDAR sensor의 거리 정확도를 향상시키는 2축 편광 방식의 송수신부 구조 설계
- 1km 이상 장거리 측정과 높은 거리 정확도를 갖기 위한 Frequency Locked Loop(FLL)가 사용된 레이저의 선형 주파수 제어기술 연구
- Frequency to Voltage Converter(FVC)의 리플 잡음의 감소를 위해 주파수 천이기법이 적용된 FVC기반 고속 주파수 측정 기술 연구
FVC를 활용한 FLL 블록 다이어그램
FLL가 사용된 주파수 선형 스위핑 제어를 적용하기 전(a)과 후(b)의 간섭 주파수의 변화
