[논문 리뷰] Low-cost Retina-like Robotic Lidars Based on Incommensurable Scanning

Zheng Liu, Fu Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 19.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인간 시각을 모방하여 중심부에 초점이 맞춰진 피치형 밀도를 가진 망막 유사 각도 해상도를 달성하기 위해 비공배 스캐닝을 사용하는 저비용, 대량 생산이 가능한 로봇 라이다를 제안한다. 이 방법은 전통적인 기계식 라이다에 비해 더 높은 효과적 해상도를 제공하고 제조를 단순화하며, 눈과 유사한 주의 집중 기능과 정밀한 센서 캘리브레이션을 필요로 하는 애플리케이션을 지원한다.

ABSTRACT

High performance lidars are essential in autonomous robots such as self-driving cars, automated ground vehicles and intelligent machines. Traditional mechanical scanning lidars offer superior performance in autonomous vehicles, but the potential mass application is limited by the inherent manufacturing difficulty. We propose a robotic lidar sensor based on incommensurable scanning that allows straightforward mass production and adoption in autonomous robots. Some unique features are additionally permitted by this incommensurable scanning. Similar to the fovea in human retina, this lidar features a peaked central angular density, enabling in applications that prefers eye-like attention. The incommensurable scanning method of this lidar could also provide a much higher resolution than conventional lidars which is beneficial in robotic applications such as sensor calibration. Examples making use of these advantageous features are demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 자율 로봇에서의 대량 보급을 제한하는 전통적인 기계식 스캐닝 라이다의 높은 제조 비용과 복잡성을 해결한다.
• 새로운 스캐닝 메커니즘을 통해 로봇 라이다 센서의 간편한 대량 생산을 가능하게 한다.
• 눈과 유사한 주의 집중 기능을 지원하기 위해 피치형, 맹막 유사 각도 해상도 패턴을 도입한다.
• 특유의 스캐닝 특성을 활용해 로봇 시스템의 해상도 및 캘리브레이션 정확도를 향상시킨다.
• 고해상도 중심 샘플링과 비공배 스캐닝 동역학을 활용한 실용적 애플리케이션을 시연한다.

제안 방법

• 비공배 주파수 비율을 가진 두 개의 회전 거울을 사용하여 비주기적이고 반복되지 않는 각도 샘플링 패턴을 생성함으로써 비공배 스캐닝을 구현한다.
• 라이다의 각도 해상도를 중심 영역에 집중시켜 인간 망막의 중심부인 복합체(fovea)를 모방한다.
• 비용과 복잡성을 줄이기 위해 단일 레이저 소스와 단일 광검출기를 사용하면서도 고해상도 데이터 수집을 유지한다.
• 비공배 회전 주파수를 활용해 주기적 앨리어싱을 방지하고 효과적 각도 해상도를 향상시킨다.
• 로봇 플랫폼에 적합한 컴act하고 저비용의 기계적 설계에 스캐닝 메커니즘을 통합한다.
• 수신된 시계열 거리 측정값을 중심부에서 최고 해상도를 가지는 가변 해상도의 2차원 각도 맵으로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비공배 스캐닝을 사용하여 자율 시스템 내에서 대량 생산이 가능한 저비용 고해상도 라이다를 구현할 수 있는가?
• RQ2 눈과 유사한 주의 집중 기능이 요구되는 로봇 작업에서, 피치형 각도 해상도 패턴은 기존의 균일한 스캐닝 방식에 비해 성능 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 비공배 스캐닝은 기존 라이다 스캐닝 방법에 비해 효과적 각도 해상도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 유일한 샘플링 특성 덕분에 이 라이다 설계는 고정밀 센서 캘리브레이션 작업을 지원할 수 있는가?
• RQ5 맹막 유사 해상도와 비공배 스캐닝 동역학을 갖춘 이 센서는 어떤 실용적 로봇 애플리케이션에서 유용한가?

주요 결과

• 비공배 스캐닝 방법은 주기적 샘플링 아티팩트를 피함으로써 기존 라이다보다 더 높은 효과적 각도 해상도를 달성한다.
• 센서는 중심부 해상도가 높은 피치형 해상도 패턴을 보이며, 로봇 인식에서 눈과 유사한 주의 집중 메커니즘을 가능하게 한다.
• 간단하고 저비용의 부품 사용과 기계적으로 안정된 구성 덕분에 대량 생산이 간편한 설계를 가능하게 한다.
• 비반복적이고 고해상도의 중심 영역 샘플링 덕분에 센서 캘리브레이션 작업에서 향상된 성능을 보였다.
• 로봇 주행 및 캘리브레이션 애플리케이션을 시연하여 이 접근 방식이 실제 자율 로봇 시스템에서의 실현 가능성을 입증하였다.
• 이 방법은 실험적 검증과 실용적 구현 사례를 포함한 12페이지, 16장의 저널 논문으로 완성 가능하다.