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| 기계식 레이더 | 기계식 레이더(전자파 송수신) | |||
| 위상배열 레이더 | PESA | 비능동형 전자주사식 위상배열 레이더 | ||
| AESA | 능동형 전자주사식 위상배열 레이더 | |||
| 라이다 | 광자레이더(광자 시각화 탐지 및 거리 측정) | |||
| 양자 레이더 | 양자 레이더(양자 송수신) | |||
1. 개요
라이다(LIDAR)는 빛 탐지 거리 및 측정(LIght Detection And Ranging) 또는 레이저 시각화 탐지 및 거리 측정(Laser Imaging, Detection And Ranging)의 줄임말로, 레이더(RADAR)의 전자파 대신 초당 수백만 개에 달하는 레이저 펄스를 발사, 반사된 빛을 분석해 이미지화하는 기술이다. 레이저 거리 측량기 등이 라이다 기술을 이용한 대표적인 예이다.RADAR는 2개의 복수표준어(레이다/레이더)가 표준국어대사전에 등재되어 있지만, LIDAR는 라이더(rider)[1]가 있어 표준국어대사전에는 라이다로만 등재되어 있다. 그렇지만 일부 전문사전에서는 라이더로 등재되어 있으므로 주의가 필요하다.
레이더처럼 탐색이나 거리측정에만 쓰이는 건 아니고 빛 파장의 특성을 이용해 화학가스처럼 레이더로는 탐지하지 못하는 것을 탐지하는데 사용되기도 한다. 이 때문에 기상관측등 여러 분야에서 응용되고 있다.
2. 레이더와의 차이점
| 현대모비스 공식 유튜브 - LiDAR과 Radar와의 차이점 |
레이더는 전파로 주변 사물을 식별하는 기술이고, 라이다는 레이저로 주변 사물을 식별하는 기술이다. 또한 사람들이 레이더와 라이더는 서로 경쟁한다고 생각하기 쉬운데 실제로는 라이더와 레이더를 병행하여 상호 보완하여 사용하는 경우가 많다. 사람이 청각 아니면 시각에만 의존하는 게 아니라 상호 보완해서 주변을 인식하는 게 더 효율이 좋은 것과 마찬가지이기 때문.
2.1. 레이더에 비해 나은 점
- 레이더에 비해 정밀도가 압도적으로 높다. 오차범위가 mm 단위에서 머물 만큼 정밀한데 직진성이 강한 레이저를 기반으로 하는 장치이니 만큼, 파장이 상대적으로 긴 전파를 이용하는 레이더에 비해 왜곡이 발생할 확률이 낮기 때문이다. 이 때문에 주변의 지형지물은 물론 사람 얼굴 윤곽도 확인이 가능할 정도의 정밀한 3D 지도를 생성하는 것이 가능하다.
- 레이더에 비해 높은 수평방위각을 가지고 있다. 고도와 방위를 정확히 측정해내는 기술로, 작은 물체를 감지하는 능력도 레이더에 비해 뛰어나다.
- 레이더는 측정 불가능한 온도, 물질분포 등을 감지할수 있으며, 야간에도 초음파나 카메라보다 안정적으로 주변 환경을 스캐닝 할수 있다.
2.2. 레이더에 비해 부족한 점
- 라이다에 쓰이는 레이저는 전파에 비해 출력을 높이기 어렵다. 고출력 레이저는 위험성이 있기도 하며 고출력 레이저의 열을 냉각하기가 힘들다. 따라서 출력 문제로 탐지 범위에 제약이 크다.
- 탐색 범위가 레이더에 비해 좁다. 레이더는 다중안테나를 통한 위상변화 기술 등을 통해 단일 레이더만으로 광범위를 커버할 수 있게 되었지만 라이다는 현재 센서의 한계 탓에 광범위 탐색을 위해서는 센서를 기계적으로 회전시키는 등의 편법을 동원해야 된다. 아래에도 설명하겠지만 자율주행차용 라이다 센서가 회전하는 것이 바로 이것 때문이다. 문제는 자동차와 같이 고속으로 이동하는 장비에 적용하면 그만큼 라이다도 고속으로 회전해야 하는데, 이것이 짧은 수명과 잦은 고장의 원인이 된다.
- 감추기 힘들다. 레이더같이 플라스틱 정도는 간단하게 투과하는 전파를 쓰는 센서는 범퍼 주변이나 그릴에 숨길수 있으며 영상 센서의 메인인 카메라는 크기가 작아 숨기기에 좋지만 라이다는 탐색범위의 문제와 출력등이 겹쳐서 상당히 크게 돌출되게 되며 이는 현대 아이오닉 5 로보택시에서처럼 차의 미관을 해친다.
- 환경의 영향을 너무 크게 받는다. 전파는 주변 환경에 덜 민감 하지만 라이다는 짧은 파장인 빛을 이용한다는 특성상 습도나 눈, 비, 안개 등의 악천후에 취약한 편이다. 그나마 영상/초음파보다는 강하지만 전파를 사용하는 레이더와 비교할 경우 뒤쳐지는 부분.
- 라이다를 사용하는 데 있어 가장 큰 걸림돌은 비싼 가격이다. 라이다가 사용되는 대표적인 분야인 자율주행시스템에서도 라이다가 시장 점유율을 높이지 못하는 이유가 바로 이것으로, 구글 웨이모가 사용하는 라이다 센서의 가격은 7만 5천달러로 알려져 있고, 다른 업체의 자율주행차도 라이다 가격만 웬만한 소형차 값이 나온다. 물론 대량생산되어 양산차에 장착되는 라이다의 단가는 수천불 수준으로 이보다 훨씬 저렴하다. 실제로 구글 웨이모가 라이다를 양산하면서 그 비용이 7500달러로 10분의 1로 감소했다. 문제는 이렇게 가격을 내려도 라이다 기반 자율주행은 라이다를 전방위로 장착해야 하기 때문에 실제 비용은 개별 센서 가격의 3~5배로 뛴다는 것.
다만 기술의 발전으로 360도가 아닌 120도 정도의 시야각을 가진 저렴한 버전의 라이더가 나오고 있어서 비용문제는 해결될 것으로 보여진다. 실제로 화웨이에서 200달러짜리 라이다를 개발했다고 밝혔으며#, 또 벨로다인은 2020년에 1000달러인 가격을 500달러 수준으로 내리겠다고 발표#하는 등 점점 가격이 낮아지고 있다는 점은 라이다 진영으로서는 반가운 소식이다.# 100만원때로 낮아졌다. - 라이다의 전력 소모도 무시할 수 없는 수준이라, 전기차가 대세로 떠오른 2020년대에는 높은 소비 전력도 라이다를 기피하는 원인이 됐다.
3. 자율주행 시스템에서
자율주행 자동차를 보면 지붕에 회전하는 원통이나 경찰차 경광등처럼 보이는 장치가 달려있는 경우가 많은데 이것이 라이다 센서다. 주요 개발 기업은 세계 라이다센서 1위 업체인 루미나 테크놀로지스, 벨로다인 라이다, A아이, 오스터, AEVA 테크놀로지스, 이노비즈 테크놀로지스 등이 있다. 양산차에도 탑재된 케이스가 늘어나고 있는데 아우디 A8의 경우 지붕에 회전하는 원통식이 아닌 범퍼 앞에 어레이 타입으로 장착되어 있으며, 제네시스 EQ900에도 라이다가 탑재되어 있다. 그리고 볼보 EX90, 폴스타 3 등에도 라이다 센서가 탑재되어 있다.
상기한 라이다의 단점으로 인해 AESA 레이더를 사용하는 업체들도 있으나, 라이다의 가격이 떨어지고 기술이 발전되면서 라이다를 이용한 자율 주행 시스템은 늘어날 가능성이 있다. 구글 웨이모의 자율주행 시스템도 라이다를 기반으로 하고 있다. 아이폰에 라이다 센서를 적극적으로 활용중인 Apple 또한 개발 루머가 돌고 있는 Apple Car의 자율 주행 시스템을 라이다 센서 기반으로 할 것으로 추측되고 있다. 삼성벤처투자도 미국의 신생 라이다 개발 기업인 퀴너지 시스템(Quanergy Systems)에 9,000만 달러(한화 약 900억 원)을 투자했고 현대자동차그룹의 경우 자율주행 3단계 차량에 라이다 탑재를 목표로 현대모비스뿐 아니라 프랑스의 차량용 라이다 개발업체인 발레오와 손잡고 소형 라이다 개발 중에 있다. #
한편 2021년 기준, 자율주행시스템인 테슬라 오토파일럿을 개발 및 판매하고 있는 테슬라의 수장 일론 머스크는 라이다에 대해서 굉장히 부정적으로 평가한다.
“라이다를 공짜로 줘도 쓰지 않겠다”
“(라이다는) 비싸고 불필요하다”
“전방 레이더와 초음파, 카메라 개발로 라이다가 수행하는 기능을 보완할 수 있다”
테슬라 테크노 킹, 일론 머스크 #
실제로 테슬라 오토파일럿에 라이다를 사용하지 않고 “(라이다는) 비싸고 불필요하다”
“전방 레이더와 초음파, 카메라 개발로 라이다가 수행하는 기능을 보완할 수 있다”
테슬라 테크노 킹, 일론 머스크 #
4. 방식
4.1. 주사식 스캐너
| 현재 구글 웨이모에 납품하고 있는 벨로다인 (Velodyne)의 라이다 |
주사식 라이다의 가장 큰 장점은 기타 라이다에 비해 매우 높은 위치정밀도를 보장하는 점이다. 채널 당 대응하는 광선이 물체에 부딪혀 반사되어 되돌아오는 시간을 정확히 측정하는 방식이기에, 고성능 제품의 경우 오차범위가 0.001mm 수준이며, 위 사진에 있는 제품들도 기본적으로 1mm 정도의 분해능을 가진다. 따라서, 고해상도로 도시 전체를 스캔해야 하거나 정밀한 구조 분석을 요하는 경우엔 주사식 스캐너를 사용하는 라이다를 사용한다. 드론에나 장착 가능한 16채널이나 32채널짜리 주사식 라이다라 하더라도, 장시간 비행해 다양한 부분에서 스캐닝을 하면 매우 방대하고 정밀한 수준의 데이터를 얻을 수 있다.
그래서 높은 정밀도를 요구하는 분야. 가령 고정밀 생산시스템에서의 자동운전 로봇이나 국토지리정보를 위해 도시를 통짜로 스캔하는 경우 이러한 주사식 라이다를 사용하게 된다.
가령 오므론 산하 로봇 사업부 adept의 운송용 로봇인 Lynx!의 경우, 일선 호텔의 자동화 수거 시스템에서부터 테슬라의 기가팩토리에서도 사용될 정도의 높은 완성도와 쉬운 프로그래밍, 사용자 친화적인 모션과 디자인으로 KIVA Systems의 로봇에 비해 상당히 인기가 좋은 모델이다.
Lynx!의 전면을 살펴보면 일반적인 운송용 로봇과 다르게 기기 앞에 마치 입을 벌린 것처럼 검은 틈이 있는데, 이 부분에 라이다가 내장되어 있어 빠른 속도로 주변 환경을 스캔해 자신의 위치를 측량할 수 있도록 구성되어 있다. 덕분에 사람이 많이 지나다니는 곳에서도 잘 빠져나가는 진기를 보여주며, 별도의 2D 마커 없이도 자동화 시스템, 가령 로봇이 특정 제품을 Lynx!에 달린 트레이에 담아주기 위해선 매우 정밀한 위치에 정차해야 하는데 그런 것 역시도 손쉽게 구현되도록 하고 있다. 단, 사람과 같이 다니는 일이 정말 많거나 Lynx!에 장착되는 운송장치가 클 경우 추가적인 라이더도 장착할 수 있다.
그 밖에도 최근 출시되는 로봇 청소기들 역시 중국산을 중심으로 라이다를 장착한 제품들이 다수 출시되고 있어, 반려동물 대변과 양말 등을 장애물로 인지해 회피하며 청소한다. 첨언하자면 라이다만으로 특정 사물을 인식해서 회피하는건 쉽지 않다. 일반적으로 라이다는 기본적인 벽체 인식을 통해 맵 생성 및 내비게이션에 활용되고, 동물의 대변이나 양말, 혹은 케이블 등을 인식하는 목적으로는 전면에 카메라를 설치해 AI를 통해 어떤 사물인지 판단하는 것이 일반적이다.
iPhone 12 Pro, iPhone 12 Pro Max LiDAR 3D 스캔기능이 바로 주사식 라이더, 정확히는 VCSEL(수직 공진 표면 발광 레이저)를 통해 작동하는 라이더다.
4.2. 섬광 스캐너
섬광 스캐너는 펄스 레이저와 정밀하게 교정된 렌즈, 그리고 고성능 이미지 센서를 통해 구성된 스캐너다. 위에 있는 주사식 스캐너와 달리, 빔 스플리터라고 불리는 특정한 렌즈에 의해 발사된 빔이 수천 갈래로 나누어져 발사되며, 이후 물체에 반사된 빔이 PMT와 CCD에 각각 수신될 때, PMT에는 되돌아온 빛의 수신 시간이, CCD에는 패턴이 반사된 이미지가 촬영된 것을 사용해 특정 빔이 언제 도착했는지를 연산하여 한번에 특정 영역을 통으로 스캔할 수 있도록 해 준다.
주사식 스캐너에 비해 주변 환경을 다시 읽는, 소위 샘플링 레이트가 매우 높은 것이 장점으로, 차량의 자율 주행을 위한 라이더는 보통 이 방식의 라이다가 사용된다. 빠른 속도로 특정 각도에 대응하는 전체 공간의 데이터를 얻어야 하는데, 이는 높은 정밀도보단 빠른 반응속도를 요하기 때문이다.
주사식 라이다에 비해 분해능이 떨어지는 편으로, 같은 자리에서 같은 물체를 계속 측량한다고 해서 주사식 스캐너처럼 더 높은 해상도의 데이터를 얻을 수 있는게 아니라 그냥 카메라 녹화하듯이 거리 데이터가 조금씩 움직이는 데이터만을 얻을 수 있다. 누적하면 된다고야 하지만, 섬광 스캐너는 가로세로 해상도의 개념이 있기 때문에 채널 단위로 슬라이스를 나누어 고정밀 스캐닝을 하는 주사식과 달리 누적에도 한계가 큰 편이다.
구글 탱고 프로젝트에서 사용된 위치 정위 시스템 및 3D 스캐닝 시스템도 섬광식 스캐너 라이다에 해당한다.