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레이저로 물체 감지…자율주행차·청소로봇의 눈
이세은 기자  |  gc5994@daum.net
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승인 2019.10.04  02:23:25
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레이저를 이용해 3차원 공간을 정보로 측정하고 재생하는 라이다(LIDAR) 기술은 건축과 문화재 보호 등에 이용되기도 하고 공간 정보를 바탕으로 자율주행자동차가 활용할 수 있는 입체 지도를 생성하기도 한다. 가상체험을 할 수 있는 가상현실(VR)이나 증강현실(AR) 기술에 응용되기도 한다. 최근 국내연구팀이 이런 라이다 기술의 공간 재현 품질을 크게 높일 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 기술과 라이다 기술의 활용, 전망에 대해 알아보자.

   
 

라이다(LIDAR) 기술이란
  라이다는 레이저를 목표물에 비춰 사물과의 거리와 다양한 물성을 감지할 수 있는 기술이다. 광학 디퓨저 기반 라이다와 MEMS(Micro -Electro Mechanical Systems) 미러 및 모터 스캐닝 혼합식 라이다 기술 등이 있다. 일반적인 라이다는 레이저를 그대로 또는 미러를 이용해 반사시켜 물체에 조사하고, 이 레이저의 반사된 빛을 감지하는 방식을 사용한다. 그러나 광학 디퓨저 기반 라이다 기술은 광학적 디퓨저(프리즘과 유사한 광학 확산 굴절 장치)를 이용해 한 줄기의 레이저를 좌우상하로 확산시켜 사각 박스 형태로 대상체에 조사한다. 이를 통해 물리적 회전 장치가 없이 단일 레이저로 넓은 범위를 감지할 수 있다.
  MEMS 미러 및 모터 스캐닝 혼합식 라이다 기술은 고속 마이크로 노딩 미러와 모터 기반의 미러 스캐닝 구조를 접목한 독특한 방식의 라이다 구조에 관한 기술이다.
수직 방향은 MEMS 미러로 고속 굴절을 하고 수평 방향은 모터를 이용해 기계적으로 회전하는 방식이다.
  MEMS는 기존의 방식이 아닌 반도체 마이크로 칩 제조기술을 응용해 매우 작은 기계장치를 제조하는 기술로 제작한 장치다. 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.


빛 왜곡현상 제거 원천기술 확보
  울산과학기술원(UNIST) 심재영 전기전자컴퓨터공학부 교수와 윤재성 연구원 팀이 라이다를 이용해 얻은 넓은 공간의 3차원 영상에서 자동으로 유리면을 찾고 반사된 허상을 제거해 라이다 공간데이터의 품질을 높이는 원천기술을 개발했다. 기존 라이다는 레이저 빛이 유리에 부딪혀 생긴 허상을 실제 사물이나 건축물과 혼동해 왜곡된 공간으로 재생하는 단점이 있었다. 새 기술은 허상을 제거해 왜곡을 없앤다.
  연구팀은 두 단계 과정을 거쳐 유리면의 왜곡을 제거했다. 먼저 라이다에 회수되는 레이저의 수를 통해 유리면의 위치를 측정했다. 라이다는 레이저를 쏜 뒤 물체에 반사돼 돌아오는 레이저를 측정해 위치 정보를 얻는다. 보통은 하나의 레이저를 쏘아 하나의 레이저로 다시 회수되는데, 유리가 있으면 유리에 반사된 레이저와 유리를 통과해 물체에 부딪힌 레이저까지 두 개 이상의 레이저가 생성된다. 연구팀은 이를 바탕으로 유리면을 찾은 뒤 미리 만든 알고리즘을 바탕으로 반사된 허상의 위치를 계산해 찾았다. 그 다음 허상을 제거해 진짜 사물의 위치만으로 구성된 공간 입체 데이터를 얻는 데 성공했다.

라이다 활용분야 다양
  라이다는 안개, 비와 같은 악천후 상황에서 빛의 산란과 난반사가 발생할 수 있고 라이다 센서 검지부 외부의 오염에도 매우 취약하다. 따라서 실내용 자율주행 이동체, 맑은 날씨에 활용하는 장애인용 이동체 안전 보조 등에 활용이 가능하다. 실내용 자율주행 이동체는 실내용 완구 및 청소 로봇, 장애인용 자율주행 휠체어, 자율주행 근거리 택배 배송장치, 물류기지의 이송 로봇 등 다양한 활용범위를 가진다.
  라이다의 조사 면적을 특정함으로써 문, 창문을 통과하는 사람을 감지하거나 지하철 특정구역에 진입하는 물체를 감지하는 등 다양한 보안용 활용도 가능하다. 또한 제조 현장에서 작업자의 진입, 신체 일부의 간섭 등 안전을 감지하는 센서로 기존의 포토센서를 대체 및 보완하기 위해 활용할 수 있다.


라이다 세계시장 규모 급성장
  집계기관에 따르면 2020년에 라이다 세계 시장의 규모가 2016년 대비 두 배 정도로 커질 것으로 전망된다. 또한 아시아와 LAMEA(중남미, 중동, 아프리카) 등의 성장률이 북미와 유럽보다 더 높을 것으로 예상된다.
  라이다의 적용 분야별 세계시장 규모를 보면 현재 항공 분야가 50% 이상의 점유율을 나타내고 있고 그 뒤로 모바일, 우주, 그 외 응용분야가 시장을 형성하고 있다. 스마트카 분야의 관심도가 높아지면서 자율주행자동차, 무인기기 시장에서의 차량용 라이다 요구가 높아질 것으로 전망된다.
  차량용 라이다 세계시장은 2016년 북미와 유럽이 78%로 독점하고 있지만 향후 아시아, LAMEA 등이 부상할 것으로 전망된다. 특히 LAMEA 지역은 연간 성장률이 매년 30%에 육박할 정도로 높은 시장 성장률을 보일 것으로 예상된다. 아시아 지역 역시 26.6%의 성장률로 2020년 전 세계 차량용 라이다 시장의 21%를 장악할 전망이다.

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