P+F, LiDAR와 MEMS 결합한 산업용 3D 센서 개발

PRT(Pulse Ranging Technology)와 MEMS 기술을 결합하여 고해상도 3D 포인트 클라우드 지원

독일의 산업 자동화 솔루션 전문기업인 퍼펄엔드푹스(Pepperl+Fuchs, 이하; P+F)가 경제적으로 뛰어난 정밀도를 제공하는 새로운 방식의 3D 측정 센서를 개발해 주목된다.

산업 자동화에서 자율차량 및 돌봄 로봇에 이르기까지 미래의 도전과제에 대응하기 위해서는 밀리미터 수준의 정밀도로 주변 환경을 빠르고 포괄적으로 포착할 수 있는 강력한 3D 센서가 필수요소가 되었다.

P+F는 독일 프라운호퍼 실리콘 기술 연구소(Fraunhofer Institute for Silicon Technology) ISIT와 함께 뛰어난 경제성을 유지하면서도 정밀도 및 성능을 극대화할 수 있는 새로운 기술 혁신에 나섰다. 바로 라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging)와 같은 고성능 거리 측정 기술과 미세전자기계시스템(MEMS; Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술의 결합을 처음으로 시도한 것.

P+F와 프라운호퍼 연구소는 지난 4월말 독일에서 개최된 하노버산업박람회(Hannover Messe 2023)에서 LiDAR와 MEMS 기술을 결합해 개발한 R3000 3-D LiDAR/MEMS 센서에 대한 연구 사례를 발표했다.

회사측은 “이 3D 측정은 P+F에서 개발한 거리 측정 방법인 PRT(Pulse Ranging Technology)에 기반”해 개발됐다고 밝혔다. PRT란 LiDAR 방식의 측정 방식을 의미하는 것으로 파악된다.

P+F의 설명에 따르면, PRT는 초당 250,000회 이상 방출되는 레이저 펄스를 기반으로 밀리미터 수준의 정확도로 수 센티미터에서 수백 미터에 이르는 거리를 측정할 수 있다. 또한, 주변광 및 기타 환경적 영향을 효과적으로 억제함으로써 빠르고 정확하며, 신뢰할 수 있는 측정 결과를 제공한다.

페펄앤드푹스는 3D에 도달하기 위해 R3000 제품 연구의 일환으로 프라운호퍼 ISIT의 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술과 PRT를 최초로 결합했다. 작고 경제적이며, 기계적으로 견고한 MEMS 미러를 센서에 통합한 것이다.

압전 구동 요소의 모션을 통해 방출된 레이저 빔은 두 축에서 40° x 30°으로 편향된다. 기존의 3D 센서와 달리 측정 과정에서 픽셀 그리드가 생성되지 않는다. R3000은 특히 작은 광점과 완벽한 스캐닝 기능을 사용하여 탁월한 디테일의 초고해상도 3D 포인트 클라우드를 생성한다.

여기에 R3000은 가능한 간단하게 사람과 머신 간의 통신이 이뤄질 수 있도록 추가 기능을 제공한다. 이 센서는 3D 포인트 클라우드는 물론, 프로그래밍 및 동작이 용이하도록 장면을 시각화할 수 있는 중첩된 강도의 이미지를 생성해 제공한다.

또한 가시 레이저 빔으로 각 측정 포인트를 디스플레이할 수 있다. R3000은 동기식 레이저 프로젝터를 통해 추가 툴을 사용하지 않고도 정밀하게 정렬 및 조정이 가능해 손쉽게 커미셔닝할 수 있다. 또한 이 기능은 사용자와 서비스 로봇 간의 상호작용도 지원할 수 있다.

P+F는 “PRT 및 MEMS를 결합하여 이러한 복잡하고 동적인 장면을 실시간으로 세밀하게 포착할 수 있다. 이는 AI(Artificial Intelligence) 툴을 이용해 완전히 새로운 평가가 가능하도록 포괄적인 데이터베이스를 생성한다.”고 말하고, “첨단 알고리즘과 결합된 이 센서는 생산 공장과 병원 또는 요양원뿐만 아니라 일상생활의 모든 영역에서 자율주행 차량 및 서비스 로봇의 발전을 크게 촉진할 것”이라고 기대감을 밝혔다.

[라이다(LiDAR)란 무엇인가]

라이다(LiDAR)는 “Light Detection and Ranging”로 풀이되며, 빛을 사용하여 거리를 측정하는 기술을 의미한다. 라이다 시스템은 일련의 레이저 파형을 생성하고, 해당 파형이 주변 환경에서 반사되어 돌아오는데 걸리는 시간을 측정하여 거리 정보를 얻는다. 이러한 거리 정보는 3D 지도 생성, 거리 측정, 물체 인식 및 위치 추적 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.

라이다 시스템은 일반적으로 레이저 다이오드, 스캐너, 타이밍 및 신호 처리 장치, 수신기 및 컴퓨터 등으로 구성된다. 레이저 다이오드는 레이저 파형을 발생시키고, 스캐너는 레이저를 방향성 있게 조정하여 주변 환경에 빛을 쏜다. 레이저 파형은 주변 물체에서 반사되어 돌아온 후 수신기에 의해 감지되고, 이러한 반사된 빛의 도착 시간을 측정하여 거리를 계산하게 된다.

라이다는 자동차, 로봇, 드론 등 다양한 응용 분야에서 사용된다. 자율주행 자동차에서는 라이다를 사용하여 주변 환경을 스캔하고, 도로, 차량 및 보행자와의 거리를 측정하여 충돌을 피하고 경로를 계획한다. 라이다는 또한 지형 조사, 도시 계획, 환경 모니터링, 건물 모델링 등의 분야에서도 활용된다.

라이다의 장점은 빠른 측정 속도, 고해상도의 거리 정보, 낮과 밤 모두에서 작동 가능하다는데 있다. 그러나 라이다 시스템은 비교적 값이 비싸고 크기가 크며, 복잡한 환경에서는 정확도가 떨어질 수 있다. 최근에는 기술의 발전으로 더 작고 저렴한 라이다 시스템이 개발되고 있어, 다양한 분야에서 보다 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. – 출처. 아이씨엔 미래기술센터

[MEMS란 무엇인가]

MEMS는 “Micro-Electro-Mechanical Systems”로 풀이되며, 미세전자기계시스템으로 번역된다. MEMS 기술은 소형화된 전자기계 장치를 개발하고 제조하기 위해 마이크로패브리케이션 및 나노패브리케이션 기술을 활용하는 것을 의미한다. 이 기술은 다양한 산업 분야에서 사용되며, 센서, 액추에이터, 광학 장치, 생체 의료 기기 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.

MEMS 기술은 통상적으로 반도체 제조 공정과 유사한 공정을 사용하여 작은 크기의 기계 장치를 제조한다. 주로 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 위에 구성 요소를 형성하고, 이를 이용하여 각종 센서와 액추에이터를 만들어낸다. MEMS 장치는 작고 경량이며, 전력 소비가 낮고, 고성능을 제공하는 특징을 가지고 있다.

MEMS 기술을 이용해 만들어진 장치들은 크기가 매우 작기 때문에 일반적인 크기의 기기들과는 다른 물리적 특성을 보인다. 질량이나 관성 등의 중요성은 줄어드는 대신 표면장력이나 마찰력 등이 핵심변수로 작용한다.

MEMS 기술을 이용하는 대표적인 센서는 가속도 센서를 들 수 있다. 스마트폰이나 스마트밴드처럼 제품의 움직임이나 움직임의 방향 정보를 이용하느 대부분의 스마트 디바이스에 활용된다. 또한 MEMS기술은 다양한 분야에서 활용되며, 크기가 작기 때문에 캡슐형 내시경, 콘텍트렌즈 등과 같은 헬스케어 분야에서 활용하기 위한 다양한 제품들이 개발되고 있다. – 출처. 아이씨엔 미래기술센터