무인 운반 차량이나 자율 주행 로봇 등 사람이 제어하지 않는 무인 로봇의 자율 주행을 실현하기 위해서 다양한 기술이 필요하고 오늘은 지도 제작, 장애물 회피, 경로 추종 등의 기술 적용에 있어 필수적인 데이터를 수집하는 거리측정 센서에 대해 알아보겠다. 거리측정 센서(Range Sensor)에는 크게 빛을 이용한 센서, 전파를 이용한 센서 등이 있다.
카메라 센서
카메라 센서는 통상적으로 카메라 내부의 이미지 센서를 뜻한다. 이미지 센서는 빛을 전기적 신호로 바꾸는 것으로 크게 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 타입과 CCD(Charge-Coupled Device) 타입이 있다.
CMOS와 CCD센서 모두 빛의 밝기 신호(전하량)을 이용해 영상신호로 변환하고 영상이나 이미지를 생성하는 방식이다.
다만 CMOS 방식은 각 픽셀의 전하량을 디지털 신호로 전달하는 방식이고, CCD는 각 픽셀의 전하량을 직접 전송하는 방식이다.
- CMOS
CMOS 이미지 센서는 센서에 입사한 빛을 디지털 신호로 변환하여 전달하는 시스템 반도체로 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 영상 혹은 사진 파일을 생성하며, 카메라의 필름과 같은 역할을 하게 된다. 각 픽셀의 빛의 세기에 따라 디지털 신호로 변환하는 과정에서 노이즈로 인해 전하의 손실이 발생할 수 있기 때문에 상대적으로 CCD보다 화질이 떨어진다.
- CCD
CCD 이미지 센서는 센서에 입사한 빛을 전하로 변환시켜 화상을 얻어내는 센서로 센서 내에 여러 개의 캐패시터가 연결되어 있어 자신 주변의 캐패시터로 충전된 전하를 전달한다. 센서의 픽셀마다 들어 있는 광 다이오드에 빛이 입사하게 되면 빛의 세기에 따라 전자가 형성되고 픽셀마다 발생한 전자 그룹을 출력부까지 그대로 이동시킨다. 출력부까지 이동하는 도중 노이즈가 발생하더라도 전자의 수 자체는 변함이 없기 때문에 노이즈에 대한 영향이 적고 화질 역시 CMOS보다 우수하다.
카메라 센서의 경우 이미지를 통하여 사물을 판단하기 때문에 위치정보만을 판단하며 2차원 이미지이기 때문에 차량 진행방향의 오차는 높은 편이지만 비젼과 진행방향과 수직한 방향으로의 오차는 적다. 따라서 종방향으로 길게, 횡방향으로 촘촘히 뻗어있는 차선을 판단하기에 적합하다. 때문에 ADAS 등의 기술에도 적용할 수 있고 차선 인식하는 기술에 적용하는 경우가 많다.
레이더(Radar, Radio Detection And Ranging) 센서
레이더란 전파(전자기파)를 방사한 후, 물체에 맞고 반사되어 수신된 전파로부터 물체까지의 거리, 이동 속도, 방향 정보 등 을 알아내는 방식이다. 레이더 센서는 날씨와 시간대에 대한 영향이 적어 비가 많이 오거나 안개가 자욱한 악천후 시와 야간 시에도 감지가 가능하다. 감지 거리 또한 다른 센서들에 비해 감지 거리가 길다는 장점이 있다. 다만 형태 인식이 불가능하다는 것과 각도 분해능이 좋지 않다는 단점이 있다.
레이더는 기본적으로 송신기(Transmitter), 수신기(Receiver), 안테나로 구성되어 있다. 전파 도달 거리에 따라 단거리, 중거리, 중장거리 등으로 나눌 수 있다. 전파의 파장이 길수록 도달할 수 있는 거리가 길어진다. 하지만 상대적으로 정확도는 떨어진다. 또한 전파를 이용하므로 회절현상 등에 의한 위치의 정확도는 다른 센서들에 비해 상대적으로 떨어지나 도플러 효과 등을 이용하여 추정하는 물체의 상대속도의 정확도는 높다.
신호 방사 방식에 따라 펄스(Pulse) 방식과 연속파(Continuous Wave) 방식으로 나뉜다.
- 펄스 레이더(Pulse Radar)
펄스 레이더는 짧은 시간 동안 강한 전자파를 송출하고 물체에 반사되어 돌아오는 신호 사이의 시간을 측정하는 일종의 진폭변조 방식으로 신호를 송출할 때 순간 높은 전력을 출력하기 때문에 그에 따른 회로가 필요하다.
- 연속파 레이더(CW Radar, Continuous Wave Radar)
연속파 레이더는 도플러 레이더라고도 한다. 전파를 지속적으로 송출하고 물체에 부딪혀 돌아오는 반사파를 측정하여 송신 주파수와의 차이를 측정하여 물체의 움직임을 감지하는 방식이다. 연속파 레이더는 움직이는 물체 뿐만 아니라 물체의 속도도 탐지가 가능하다.
- 주파수 변조형 연속파 레이더(FMCW Radar, Frequency Modulated CW Radar)
주파수 변조형 연속파 레이더는 연속파 레이더의 단점을 보완한 것으로 거리 측정을 위해서는 반사파의 시간을 알 수 있는 시간 정보 부분이 필요하기 때문에 연속파 레이더에 거리 측정을 위해 송신신호와 수신신호 간의 주파수의 변화를 줘서 송신시간을 획득하는 방식이다.
레이저(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 센서
레이저란 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation으로 우리말로 하면 유도방출 과정에 의한 빛의 증폭의 약어이다. 쉽게 말하면 빛을 물질에 의해 유도 방출 시키고, 유도 방출된 빛이 증폭하는 원리를 이용한 것이다.
구체적으로 설명하면 아인슈타인의 빛의 입자성(빛은 진동수에 비례하는 에너지를 광자라고 하는 입자들의 흐름이다.)을 기반으로 빛을 광자로 생각할 때 광자를 전자를 들뜬 상태로 만들기 위해 필요한 에너지를 가진 원자에 입사시키게 되면 입사한 빛(광자)가 원자와 상호작용을 하여 입사한 빛(광자)과 동일한 빛(광자 1개)이 방출되고 방출된 동일한 빛(유도 방출한 빛)이 증폭하는 원리이다.
이때 유도 방출을 하기 위해 사용되는 매질에 따라 가스 레이저, 고체 레이저, 액체 레이저 등으로 분류할 수 있다.
모든 레이저는 빛이기 때문에 광학적 특징을 갖게 되는데 대표적인 레이저의 특성은 다음과 같다
- 단색성(Monochromaticity) : 일반적인 자연광과는 달리 단일파장이라는 이상적인 모습에 근접하게 방출되기 때문에 색상 변화가 발생하지 않는 어느 정도 순수한 단일광으로 만들어진다.
- 간섭성(Coherence) : 간섭은 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저를 이루는 빛이 평균 시간 간격 동안 특정하게 진동하기 때문에 특정 지점 및 시점에 빛의 상태에 대해 확신을 가지고 예측할 수 있고, 장애물에 부딪히면 간섭을 일으킨다.
- 지향성(Directivity) : 지향성을 갖고 있기 때문에 각각의 빛은 서로 상쇄되지 않고 보강하여 어느 시점까지 도달할 때 퍼짐각이 아주 작다.
- 집속도(Focusability)와 고에너지 감도(Intensity) : 렌즈를 통해 매우 작은 범위로 집광할 수 있으며 그 지점에서의 에너지 강도는 면적 대비 매우 높은 특성을 가지게 된다. 돋보기를 이용하여 태양빛으로 종이를 태우는 것과 같은 원리.
레이저 거리 측정 센서 또는 위치 센서를 이용하여 최초 검지 시점과 일정 시간 경과 후의 검지 시점의 차이를 기반으로 속도 및 위치 측정, 장애물 탐지 등에 활용할 수 있으며 레이저 센서의 경우 빛이 반사되었다가 돌아오는 것을 이용하여 주변의 사물을 거리와 각도의 2차원 데이터로 받아들이기 때문에 전방 카메라나 레이더 센서 등 다른 센서들에 비해 상대적으로 장애물의 위치에 대한 정확도가 높다.
라이다(LiDAR, Light Detection And Ranging) 센서
앞서 서술한 레이저를 이용한 대표적인 센서 기술이 라이다(LiDAR, Light Detection And Ranging)이다.
라이다 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 목적으로 1930년대 처음 시도되었으나 1960년대 레이저의 발명과 함께 비로소 본격적인 개발이 가능하였다.
라이다는 기본적으로 레이저 송신부, 레이저 검출부, 신호 수집 및 처리와 데이터를 송수신하기 위한 신호처리부로 단순하게 구분될 수 있다.
라이다 센서 원리는 라이다에서 발사한 펄스 레이저(빛) 신호가 주변의 사물과 부딪힌 후 되돌아 올 경우, 재수신되는 펄스 레이저(빛)을 분석해 사물의 위치나 운동 방향, 속도 등을 포함한 공간 정보를 획득하는 방식이다.
라이다는 빛을 이용하는 광 기반 센서라는 점에서 전파를 이용해 정보를 획득하는 레이더와 차이가 있다.
라이다 센서는 레이저 신호의 변조 방식에 따라 크게 비행시간 거리측정(TOF, Time of Flight) 방식과 위상변이(Phase Shift) 방식으로 구분할 수 있다.
- 비행시간 거리측정 방식 : 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 모든 물체들에 부딪힌 후 되돌아오는 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 방식으로 dToF(Direct ToF) 방식이기도 하다.
- 위상변이 방식 : 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 빔을 방출하고 측정 범위 내에 있는 물체들로부터 반사되어 돌아오는 신호의 위상 변화량을 측정하여 시간 및 거리를 계산하는 방식으로 iToF(Indirect ToF) 방식이기도 하다.
dToF방식은 iToF 방식보다 스위칭 속도가 빠르고 정확한 데이터를 얻을 수 있으며 원거리에 사용할 수 있어 AR 분야에 적합하다.
라이다의 파장
라이다에 사용되는 레이저 광원은 250㎚ 부터 11㎛까지 다양하게 사용이 가능하며 레이저의 파장은 대기, 구름, 비 등 공기중의 수분에 대한 투과성과 eye-safety에 직접적인 영향을 주기 때문에 라이다의 성능을 결정하는 주요 요인 중 하나이다.
라이다에 응용되는 파장은 크게 시각안전파장으로 알려진 1,550㎚ 대역과 실리콘 광 검출기를 이용할 수 있는 850㎚ 및 905㎚ 대역의 부군을 이용하는 기술로 나눠진다.
905㎚
- 소모 전력이 낮기 때문에 발열이 적지만 1550㎚보다 탐지거리가 짧다.
- 수분에 대한 흡수력이 1550㎚보다 낮아서 공기 중의 수분에 상대적으로 영향을 덜 받는다.
- 일상생활에서 접할 수 있는 태양광에 905㎚ 대역이 더 많기 때문에 태양광에 의한 노이즈 현상이 더 많을 수 있다.
- 상대적으로 원가를 낮추기 쉽다.
1550㎚
- 905㎚ 보다 안전하다 (905㎚도 Eye-safety Class 1 이라서 시력 손상이 없지만 비교하자면 1550㎚가 더 안전하다).
- 905㎚ 보다 탐지거리가 길 뿐만 아니라 태양광에 의한 노이즈 역시 상대적으로 영향을 덜 받는다.
- 수분에 대한 흡수력 905㎚보다 높아서 공기 중의 수분에 영향을 더 받지만 광원의 출력을 높여 해결이 가능하다.
- 반도체 레이저 수신부의 민감도로 인해 레이저 출력을 높여야 하기 때문에 높은 탐지거리를 가지지만 소모 전력이 커지고 발열이 심해진다.
- 상대적으로 원가가 높다.
이러한 라이더 기술을 적용한 무인 로봇 센서, 2D 레이저 스캐너, 3D 레이저 스캐너, 3D Flash Lidar 등 다양한 기술들이 있다.
적외선(IR, Infrared Radiation) 센서
적외선 센서는 광 기반 센서로 적외선을 이용한다. 적외선은 파장 범위가 700㎚ ~ 1㎜인 빛으로서 파장이 적색빛보다는 길고 극초단파보다는 짧은 전자기파의 총칭이다. 적외선 센서는 가시광선 범위보다 파장이 긴 범위로 비가시광선 부분을 사용하여 측정하는 센서이다.
적외선 센서는 특정 물체로부터 방사된 적외선이 센서 내 강유전체의 분극을 변화시켜 외부 자유 전하를 발생시킴으로써 물체를 감지한다. 적외선 센서는 적외선을 발생시키는 LED(발광부)와 적외선을 감지하는 빛 센서(수광부)로 나눠지며, 발광부에서 나온 적외선이 물체에 반사되어 수광부에 들어오는 양에 따라 전압의 양이 변하게 된다. 빛의 양을 감지해서 흐르는 전류의 양을 정하는 포토트랜지스터라고도 한다.
빛은 사물에 부딪히면 반사되고 반사된 빛은 빛 센서로 들어간다. 반사된 적외선만을 감지하여 움직임을 감지하는 움직임 센서는 사물에서 나오는 적외선을 이용하지 않는다. 적외선을 직접 방출하고 반사되는 적외선을 측정하는 센서가 훨씬 빠르게 반응하기 때문에 움직임을 측정하기 좋다.
발광부가 없는 적외선 센서도 있다. 모든 사물이 스스로 적외선을 방출하고 온도에 따라 파장이 변하는 것을 이용하여 사물의 형태를 구별할 수 있다. 적외선 센서는 기존 온도 센서, 자외선 센서보다 감도 및 정확도가 높다.
적외선은 근적외선(NIR, Near Infrared), 단파장 적외선(SWIR, Short-Wave Infrared), 중파장 적외선(MWIR, Mid-Wave Infrared), 장파장 적외선(LWIR, Long-Wave Infrared)으로 나눌 수 있다.
SWIR 대역은 가시광보다 파장이 길어 안개나 먼지 입자에 대한 레일리 산란이 적어 악천후 환경에서 우수한 가시성을 보장해 줄 수 있고 사람 눈에 가장 안전한 파장이다.
초음파(Ultrasonic Wave) 센서
초음파는 사람이 들을 수 있는 가청 주파수 보다 높은 20khz대 이상의 음파를 의미한다. 초음파 센서는 초음파를 방사하여 물체에 맞고 돌아오는 초음파를 이용해 가까운 거리에 있는 물체 혹은 사람의 유·무, 거리 측정, 속도 측정 등이 가능하다.
Reference.
김견욱, 박규순.(2021).레이저 무기체계 개발동향 및 기술.국방과 기술,(505),74-93.
박지현, 서연곤, 엄성용, 김윤호.(2020).레이저 센서 기반의 다차로 교통정보 측정용 드론시스템 구현.한국정보기술학회논문지,18(12),113-119.
신정섭, 정보희, 이강일, 강지안, 이은정, 천수경, 지호진.(2022).레이저 위치 센서의 레이저 스팟 크기에 따른 출력 특성 분석.전자공학회논문지,59(5),39-49.
김영준, 백종현, 최규형.(2013).레이저레이더 센서를 이용한 철도 건널목 지장물 검지 알고리즘 개발.전기학회논문지,62(12),1813-1819.
서호태, 박성렬, 이경수.(2017).차선 유실구간 측위를 위한 레이저 스캐너 기반 고정 장애물 탐지 알고리즘 개발.자동차안전학회지,9(3),24-30.
김종덕, 권기구, 이수인.(2012).라이다 센서 기술 동향 및 응용.전자통신동향분석,134-143.
김정우. (2022). 이미지 센서 수요 만족을 위한 생산 프로세스 효율화 정책에 관한 연구. 한국정보기술학회논문지, 20(12), 175-183.
윤성하, 김재학, 오태규, 박덕우, 김규식.(2016).아나로그 타입 CCD 이미지 센서를 이용한 라돈 카운터.대한전자공학회 학술대회,(),219-221.
이성욱.(2021).자율 주행 차량 및 무인 이동체에서 활용되는 레이더 센서 기술에 대한 소개.전자공학회지,48(11),33-40.
장시웅, 정동훈.(2018).레이더 센서를 이용한 거리 측정 시스템의 설계 및 구현.한국정보통신학회논문지,22(7),1009-1014.
김성범, 류지일, 우현구, 용부중. (2019). 첨단자동차의 전자파 내성 실험 환경에 관한 연구: 레이더 센서를 중심으로. 자동차안전학회지, 11(4), 50-56.
허준석. (2023). 단파장 적외선 이미지 센서 기술. 전자공학회지, 50(1), 25-31.
https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=iotsensor&logNo=221179624478
https://www.rohm.co.kr/electronics-basics/laser-diodes/ld_what10
'logistics' 카테고리의 다른 글
| SLAM이란? 무인 이동 차량의 지도 생성 (0) | 2023.06.22 |
|---|---|
| 최적 경로 찾기 #2 - 에이스타(A*) 알고리즘, 자바 코드 구현 포함 (0) | 2023.06.20 |
| 무인 운반 차량의 물류 최적화에 대한 고찰 (0) | 2023.05.26 |
| [SEMI] HSMS란? 메세지 구조 자세히 설명 (0) | 2022.09.20 |
| [SEMI] SECS-II란? 메세지 내용 표준 적용 방법 (0) | 2022.09.20 |
