자율주행에 활용하는 라이다 센서

 

 라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging)는 에너지 밀도가 높고 직진성이 강한 고출력 펄스 레이저를 송신하여 목표물에 맞고 수신되는 지연 시간을 분석하여 물체까지의 거리를 측정하는 센서로, 이 센서는 레이저의 직진성을 이용하여 먼 거리의 물체를 정확하고 빠르게 감지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 라이다 센서는 가격이 매우 높아 자율주행 자동차에 필수적으로 적용되어야 하는지에 대한 논란이 많고 테슬라의 경우 라이다는 필요 없는 기술을 개발하고 있다. 하지만 많은 자동차 회사들이 라이다를 연구하고 있으니 오늘은 라이다에 대해 한번 알아보자

라이다 구분

1. 회전형 라이다: 회전형 라이다는 수직으로 동시에 송신하는 레이저 빔의 개수에 따라 4채널 / 16 채널 / 32 채널 / 64 채널/ 128 채널 등으로 구분하며 이러한 채널의 개수에 따라 라이다의 성능과 해상도가 결정된다, 물론 높으면 당연히 해상도가 높겠지만 그건 곧 가격의 증가로 이어지기에 이 또한도 트레이드오프 관계에 있어 결국  연구가 필요하다.
   • 장점:
     • 360도 회전이 가능하여 전방향으로 사물의 유무와 거리, 방향 정보를 획득할 수 있다.
     • 넓은 각도의 환경 정보를 수집할 수 있음
   • 단점:
     • 센서 구성이 복잡하고 가격이 높음
     • 수직으로 송신하는 레이저 빔의 개수에 따라 해상도가 결정되며, 채널 수가 많을수록 해상도와 가격이 올라감
2. 고정형 라이다:
   • 장점:
     • 구조가 단순하며 회전형에 비해 가격이 저렴
   • 단점:
     • 화각에 한계가 있어 화각을 벗어난 물체는 탐지가 불가

라이다의 종류

EMS 라이다

• 특징: 작은 반사 거울을 전자적으로 제어하여 스캔
• 장점: 크기가 작고 가격이 저렴
• 단점: 온도와 진동에 취약
• 적용: 기본적으로 고정형이지만, 설계에 따라 회전형으로 구현될 수 있습니다.

 

플래시 라이다

 

출처-MEMS-based lidar for autonomous driving

• 특징: 단일 레이저빔을 넓은 시야각으로 확장하여 송신하고, 다중 배열 수신소자를 통해 반사된 빔을 수신합니다.
• 장점: 이미지 포착 속도가 빠름
• 단점: 역반사체에 취약

광학 위상 배열(OPAS)

• 특징: 빛의 파면 형상을 제어하여 여러 방향으로 빔을 쏘아 물체를 인식
• 장점: 가격이 저렴하고 소형
• 단점: 시야가 좁음

FMCW 라이다

• 특징: 주파수 변조 레이저를 생성하여 수신한 신호의 위상과 주파수를 통해 거리와 속도를 측정합니다.
• 장점: 주변 환경에 강건합니다.
• 단점: 가격이 높고 아직 상용화 단계에 도달하지 못했습니다.
• 적용: 기본적으로 고정형이지만, 설계에 따라 회전형으로 구현될 수 있습니다.

 

라이다의 동작 원리

 

라이다는 TOF(Time of Flight) 원리를 이용하여 물체와의 거리를 측정하는데, 거리는 다음과 같이 계산할 수 있다.

 

여기서 c는 빛의 속도, Δt 는 송수신 시간 간격이다

라이다는 빛의 직진성을 이용하기 때문에 물체를 식별하는 범위가 mm 단위로 정밀하지만, 악천후에서 성능이 약화되고, 물체의 반사율에 따라 성능이 결정되는 단점이 있다.

라이다의 해상도와 데이터

라이다의 해상도는 가로 방향의 포인트 수와 수직적으로 사용하는 채널 수에 의해 결정된다. 라이다는 레이저를 통해 반사된 빛으로 물체를 센싱 하기 때문에 대상물이 반사된 레이저 포인트로 점처럼 구성되므로, 이를 포인트 클라우드 데이터(Point Cloud Data)라고 하며, 3차원 공간에서 점들의 집합으로 채널 수와 회전 수에 따라 해상도가 결정된다. 물론 이를 또 ai와 접목시키려는 시도는 늘어나고 있으며 이러한 노력으로 진짜 영화에서 보던 게 가능할지는 조금 더 지켜보자

라이다의 상용화와 미래

라이다 센서의 높은 가격을 낮추기 위해 다양한 연구와 개발이 진행되고 있으며, 카메라 센서와의 융합을 통해 라이다의 단점을 극복하는 방식으로 진화하고 있습니다. 라이다의 상용화는 자율주행 자동차뿐만 아니라 다양한 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.