▲ 라이다 활용 사례     © 특허뉴스

 

라이다(LIDAR)는 레이저를 조사하고 이의 반사광을 감지해 물체와의 거리 및 각도 등을 측정하는 장치다. 광학 디퓨저 기반 라이다와 MEMS 미러 및 모터 스캐닝 혼합식 라이다 기술 등이 있다. 라이다 관련 시장 및 특허 동향을 분석해본다. <편집자>

 

주목받는 라이다(LIDAR) 기술

 

일반적인 라이다는 레이저를 그대로 또는 미러를 이용해 반사시켜 물체에 조사하고, 이 레이저의 반사된 빛을 감지하는 방식을 사용한다. 그러나 광학 디퓨져 기반 라이다 기술은 프리즘과 같은 광학적 디퓨저(프리즘과 유사한 광학 확산 굴절 장치)를 이용해 한 줄기의 레이저를 좌우 및 상하로 확산시켜, 한 줄기가 아닌 사각 박스 형태로 대상체에 조사한다. 이를 통해 단일 레이저로 물리적 회전장치가 없이 넓은 범위를 감지할 수 있다.

 

MEMS 미러 및 모터 스캐닝 혼합식 라이다 기술은 고속 마이크로 노딩 미러(solid-state)와 모터 기반의 미러 스캐닝 구조(mechanical)를 접목한 독특한 방식의 라이다 구조에 관한 기술이다. 즉, 수직방향은 MEMS 미러로 고속 굴절을 하고, 수평 방향으로는 모터를 이용해 기계적으로 회전하는 방식이다.

 

MEMS는 Micro-Electro Mechanical Systems의 약자로, 기존의 기계성형 방식이 아닌 반도체 마이크로 칩 제조기술을 응용해 매우 작은 기계장치를 제조하는 기술로 제작한 장치이다. 기술에서의 MEMS 미러는 매우 작은 모터와 반사경인 미러를 조합해 반도체 칩과 같이 작게 제조한 것을 뜻하며, MEMS 미러를 사용하는 방식 중 널리 사용되고 있는 장치는 DLP 방식의 프로젝터가 있다.

 

라이다(LIDAR) 활용 영역

 

라이다는 안개, 비와 같은 악천후 상에서 빛의 산란 및 난반사가 발생할 수 있으며, 라이다 센서 검지부 외부의 오염 등에도 매우 취약하다. 따라서 실내용 자율주행 이동체 또는 맑은 날씨에 활용하는 장애인용 이동체 안전 보조 등에 활용이 가능하다. 실내용 자율주행 이동체는 실내용 완구 및 청소 로봇, 추종형 자율주행 카터(이마트 등), 자율주행 서류배달 로봇, 장애인용 자율주행 휠체어, 자율주행 근거리 택배 배송장치, 물류기지의 이송 로봇(아마존 KIVA 등) 등 다양한 활용범위를 가진다.

 

보안용 및 제조산업 안전용으로도 활용 가능하다. 라이다의 조사 면적을 특정함으로써, 문 또는 창문을 통과하는 사람을 감지하거나, 지하철 특정구역에 진입하는 물체를 감지하는 등 다양한 보안용 활용이 가능하다. 또한 제조 현장에서 작업자의 진입, 신체 일부의 간섭 등 안전을 감지하는 센서로 기존의 포토센서를 대체 또는 보완하기 위해 활용할 수 있다.

 

현재 양산중에 있는 레벨2 이하의 자율주행 시스템은 라이다를 양산 적용하는 사례가 극히 적다. 이는 라이다가 고가이며, 양산가격대의 제품은 채널 수가 적고(4 또는 8 채널), 악천후 및 오염에 취약해 레이더 등 보조센서가 필요한 경우가 많기 때문이다. 레벨3 이상의 자율주행 시스템은 라이다가 거의 필수로 인식되고 있다. 이는 레이더가 거리 정확도는 높으나 각도 정확도가 낮고, 카메라 기반의 비전센서는 각도정확도는 상대적으로 높으나 거리정확도가 낮은 특성 때문이다. 반면 라이다는 거리와 각도 정확도가 모두 매우 높아, 고레벨 자율주행을 위한 물체인식, 정밀맵 생성, 레퍼런스 기반 상대측위에 대체품이 거의 없는 센서이다.

실외용 자율주행 이동체 및 영역 감시용으로 라이다를 활용할 수 있다. 실제로 200m급 장거리 센서로, 군용 UGV(Unmanned Ground Vehicle)와 고정형으로 특정 지역의 침투 객체를 감지하는 보안용은 물론 점차 확대되고 있는 자율주행 농기계 또는 건설장비에도 활용 가능하다.

 

라이다(LIDAR) 기술 동향

 

선진 각국은 자율주행에 관련해 프로젝트 등을 통해 기술개발을 지원하고 시장선점을 위해 법제화로 후원하고 있으며, 자율주행 0~1단계에 해당되는 ADAS 제품군에 대해서는 규제 또는 준 규제(NCAP 등)를 통해 의무화를 확대하고 있다. 이는 ADAS 장착을 통한 교통사고저감 효과가 차종에 따라 30~40% 수준으로 보고되고 있기 때문이다.

(능동안전) ADAS는 자율주행에 필요한 정보를 수집해 사고를 회피하도록 운전을 보조하는 능동안전시스템으로 미국, 유럽을 시작으로 법규화가 진행됨에 따라 개발이 더욱 가속화될 전망이다. ADAS 기술은 차선이탈 경고, 적응형 주행제어 시스템 등 외부 위험상황에 대해 운전자에게 영상정보 및 경고를 제공하는 보조기능에서 향후 적극적으로 차량을 제어하는 안전지능주행으로 발전될 것으로 전망된다.

 

ADAS 기술은 자동긴급제동(AEB), 차간거리제어(ACC), 차선이탈경고(LDW), 차선유지보조장치(LKA), 사각지대감지(BSD), 탑뷰모니터(AVM), 교통표지판자동인식(TSR), 보행자인식시스템(PDS), 운전자상태감시(DSM) 등 다양한 기능이 구현되고 있다.

미국, 유럽정부는 ADAS 기술의 도입을 가속화하기 위해 법률을 제정해 기술개발 및 상용화가 확대될 전망이다. 라이다 제품은 가격경쟁력을 확보할 경우 ADAS 시장공략이 가능할 것으로 전망된다.

 

라이다(LIDAR) 특허기술 동향

 

▲ 용접선 추종이 가능한 자율 주행식 강관 용접장치 특허 도면     © 특허뉴스

 

대우건설이 등록한 ‘용접선 추종이 가능한 자율 주행식 강관 용접장치’ 특허는 레이저로 2차원 라인을 용접부에 투사하는 2차원 라인 스캐너를 설치하고, 용접부에 투사된 2차원 라인을 CCD 카메라로 촬영한 후 2차원 라인을 판독해 용접부에 형성된 그루브(groove)중 어느 하나의 엣지(edge)를 용접선으로 하여 이를 추종하면서 용접토치를 이동함으로써 정밀한 용접이 가능하도록 하는 기술이다. 그루브중 어느 하나의 엣지와 기준 영상의 기준점과의 이격 거리를 검출하고, 이격 거리에 따라 상기 용접기의 X축구동기와 각도 조절모터를 제어해 용접토치를 이동시키는 것을 특징으로 한다.

 

▲ 자율주행 로봇용 라이다 장치 특허 도면     © 특허뉴스

 

에이랩스가 출원한 ‘자율 주행 로봇용 라이다 장치’ 특허는 무인 비행기에 장착되어 상기 무인 비행기 주변의 지형 또는 물체를 감지하는 무인 비행기용 라이다 장치이다. 무인 비행기에 고정 결합되는 본체와 회전 가능하도록 결합되는 회전체를 포함한다. 회전체는 레이저 조사부와 레이저 수광부를 포함하는 레이저 모듈과, 레이저 모듈이 회전 가능하도록 설치된 회전축부로 구성된다.

 

엠아이테크가 출원한 ‘자율주행차량을 위한 거리 데이터와 3차원 스캔 데이터의 정합 방법 및 그 장치’ 특허는 차량에 설치된 라이다 센서 및 3차원 스캐너를 이용해 주변 환경에 대한 거리 데이터 및 3차원 점군 데이터를 각각 획득한다. 거리 데이터와 3차원 점군 데이터 간의 상호 대응되는 복수의 대응점을 검출하고 대응점의 좌표를 이용해 거리 데이터와 3차원 점군 데이터 간의 좌표 변환 행렬을 산출한다. 차량의 주행 중에 거리 데이터 및 3차원 점군 데이터가 획득되는 경우에, 좌표 변환 행렬을 이용해 거리 데이터를 3차원 점군 데이터의 공간상에 실시간 매핑함으로써 자율주행차량을 위한 데이터 정합 장치를 제공한다.

 

▲ 자율자동차용 거리 및 3차원 스캔 데이터 정합 장치 특허 도면     © 특허뉴스

 

본 발명에 의하면, 자율주행차량의 주행 중에 라이다 센서로부터 획득되는 거리 데이터를 3차원 스캐너로부터 획득되는 3차원 스캔 데이터를 공간상에 실시간 매핑해 제공함으로써 자율주행차량의 안정성을 높일 수 있음은 물론 운전자에게 주변 환경 및 주행 정보를 시각화해 효과적으로 전달할 수 있다.

 

세계 자율주행차 및 산업·가전 로봇용 라이다 시장 현황

 

라이다 세계시장은 집계 기관에 따라 그 규모와 범위에 다소 차이가 있으나 ‘16년 331.9백만 달러에서 향후 연평균 16.3%의 성장률로 빠르게 성장해 ‘20년에는 624.9백만 달러 규모로 성장할 것으로 전망한다.

 

▲ 라이다 평균 판매가격, 판매수량 전망     © 특허뉴스

 

라이다 세계 시장의 규모는 2016년 대비 2020년 두 배 정도로 커질 것으로 전망되고 그 중 아시아 지역 및 그 외 지역(LAMEA)의 성장률이 북미와 유럽에 비해 더 높을 것으로 예상한다. 라이다의 적용 분야 별 세계시장 규모를 보면 현재 항공 분야에서 50% 이상의 점유율을 나타내고 있고, 그 뒤로 모바일, 우주, 그 외 응용분야에서 시장을 형성하고 있다. 특히, 스마트카 분야의 관심도가 높아짐과 함께 자율주행자동차 또는 무인기기 시장에서의 차량용 라이다 요구가 높아질 것으로 전망된다.

 

세계 차량용 시장은 ‘16년 81.6백만 달러에서 연평균 21.5%의 성장률로 ‘20년 177.8백만 달러 규모로 성장할 것으로 전망한다. 차량용 라이다의 세계시장은 ‘16년 북미와 유럽이 전체에 78% 정도로 과점체제로 진행되고 있으나 향후 아시아 및 그 외 지역(LAMEA)이 부상할 전망이다.

 

차량용 라이다 세계시장은 2016년 북미와 유럽이 전체에 78% 정도로 과점체제로 진행되고 있으나 향후 아시 및 그 외 지역(LAMEA)이 부상할 것으로 전망한다. 차량용 라이다 세계 시장의 규모는 라이다 시장의 성장과 비슷한 규모로 2016년 대비 2020년 두 배 이상으로 커질 것으로 전망된다. 특히 LAMEA 지역의 경우 현재 시장 규모가 매우 작은 영향도 있지만, 연간 성장률이 매년 30%에 육박할 정도로 높은 시장 성장률을 보일 것으로 예상된다. 이와 더불어 아시아 지역의 경우 역시 26.6%의 성장률로 2020년 전 세계 차량용 라이다 시장의 21%를 장악할 전망이다.

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