라이다 센서 구조와 원리

라이다 (Lidar)

라이다는 LIDAR, LiDAR, LADAR 등으로 쓰기도 하고 '라이다'라고 읽는다. Lidar가 1960년대 처음 만들어졌을 때는 Light Radar의 줄임말이었지만 LIght Detection And Ranging 또는 Laser Imaging, Detection and Ranging 등으로 쓰기도 한다.

 

레이더가 전파를 이용하여 물체와의 거리, 지형 등을 측정하는 것과 같이 Lidar는 전파대신 레이저를 이용하여 물체와의 거리와 지형을 측정한다. 레이더가 회전하며 전방향을 감시하는 것과 같이 Lidar도 레이저를 회전시킨다. Lidar는 레이저를 이용하여 스캔하며 거리를 측정하기 때문에 3D 지형 데이터를 얻을 수 있다.

 

처음 Lidar는 구름을 관측하기위해 사용되었고 아폴로 우주선이 달의 지형을 측정하기 위해 사용되기도 했다.

 

무인 자동차에서는 전방 물체와의 거리를 알기 위해 Lidar가 사용된다. 카메라만으로는 주위 지형의 정확한 거리를 알기 어렵고 2대의 카메라(스테레오 카메라)를 이용한 거리 측정 방법은 아직은 개발 단계에 있는 기술이다.

 

다음 사진은 Velodyne에서 나온 HDL-32E 모델이다. 윗 몸통이 회전하면서 주위 지형을 스캔하고, 100M 이더넷 통신으로 데이터를 보낸다.

 

 

모터 구동과 같은 기계적인 부분 없이 전자적으로 레이저의 방향을 바꾸는 Solid-State Lidar도 있다.

 

 

라이다의 구조

Lidar의 구조는 다음 그림과 같다. 레이저 소스에서 발사된 레이저는 물체에 반사되고 반사된 레이저는 레이저 수신기로 들어온다. 이때 레이저를 분석하여 물체와의 거리를 알 수 있다. (@ 레이저 거리 측정 원리)

 

레이저의 방향을 바뀌기 위해 거울을 사용한다. 틸팅 모터와 회전 모터 2개로 거울의 방향이 변경된다. 틸팅 모터와 회전 모터가 고속으로 동작하여 1초에 수십 번의 3D 이미지를 스캔 한다.

 

 

최근에는 Solid-state Lidar를 사용하여 모터와 같은 기계적인 장치 없이 전자적으로 레이저 방향을 바꾸기도 한다.

 

샤오미 로봇 청소기의 라이다 구조

삼성이나 LG의 로봇 청소기는 카메라를 사용하지만 샤오미의 로봇 청소기는 라이다 (Lidar)를 사용한다. 

 

샤오미 로봇 청소기의 라이다

 

샤오미 로봇 청소기에 사용되는 라이다는 비교적 간단한 구조의 2D 라이다 이다. 샤오미 로봇 청소기의 라이다의 전체 구조는 다음 그림과 같다.

 

 

상부와 하부의 2개의 구조로 구성되고 하부의 모터를 구동하여 상부 구조를 회전 시킨다. 회전 중심축에는 2개의 코일이 있고 상부 구조가 회전하면 코일이 서로 커플링 되어 발전기와 같은 원리로 상부의 전원을 공급한다. 상부에 있는 레이저 거리 센서로 거리를 측정하고 측정된 거리는 포토다이오드와 LED를 사용하여 광통신으로 하부로 전달한다. 상부에는 포토 인터럽터가 있고 하부에는 위치에 따라 슬롯이 있어 회전각을 알 수 있다.