2D 라이다는 모바일 로봇 내비게이션, 충돌 방지 시스템, 구역 모니터링 및 산업 자동화에 사용되는 기본 센서입니다. 동일한 "평면" 스캐닝 형상을 가진 장치라도 설계 방식이 매우 다양하며, 따라서 실제 환경에서의 성능 또한 크게 차이가 납니다. 초기 제품 라인업 검토 단계, 예를 들어 2D 라이다 카탈로그만 보더라도 기계식 솔루션과 솔리드 스테이트 솔루션 간의 주요 설계 차이점을 쉽게 알 수 있습니다.
아래는 이러한 차이점이 정확히 무엇이며, 사양뿐 아니라 실제 작동에서 어떻게 나타나는지에 대한 자세한 분석입니다.
기계식 2D 라이다란 무엇인가요?
기계식 2D 라이다는 회전하는 광학 장치를 사용합니다. 하우징 내부에는 거울 또는 전체 광학 장치를 구동하는 모터가 있습니다. 레이저 빔은 단일 평면에서 공간을 순차적으로 "빗질"하듯이 조사하여 수십에서 수백 도에 이르는 넓은 시야각을 생성합니다.
주요 디자인 특징
- 움직이는 요소(엔진, 베어링)의 존재;
- 전체 시야각에 걸쳐 안정적인 스캔 형상;
- 물리적 회전이 스윕의 원인이 됩니다.
이 특정 방식은 모바일 로봇 및 보안 시스템에서 오랫동안 표준으로 사용되어 왔습니다.
2D 고체 라이다란 무엇인가요?
고체형 2D 라이다는 기계적 회전이 없습니다. 스캐닝 각도는 특정 구현 방식에 따라 이미터, 마이크로미러(MEMS) 또는 위상 광학 어레이를 전자적으로 제어하여 생성됩니다.
주요 디자인 특징
- 기존 회전 부품의 부재;
- 전자빔 방향 제어;
- 더욱 간결하고 밀폐된 건축 양식.
흔히 쓰이는 이름에도 불구하고 "고체 상태"는 다양한 기술적 접근 방식을 포괄하지만, 모두 기존 엔진을 거부한다는 공통점을 가지고 있습니다.
신뢰성과 마모: 시간이 지남에 따라 발생하는 현상
기계식 라이다
실제 사용 환경에서 마모는 중요한 고려 사항입니다. 베어링과 모터는 지속적으로 작동하며, 때로는 24시간 내내 작동하기도 합니다. 시간이 지남에 따라 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.
- 반발의 증가;
- 소음 증가;
- 회전 안정성 감소;
- 정기적인 부품 교체의 필요성.
적절한 조건에서 설치 권장 사항을 준수하면 제품 수명은 상당히 길어질 수 있지만, 결국에는 한계가 있습니다.
고체 라이다
회전 부품이 없으면 기계적 마모가 크게 줄어듭니다. 이러한 장치는 다음과 같습니다.
- 진동에 더 잘 견딥니다.
- 자주 켜고 끄면 더 안정적으로 작동합니다.
- 몸의 기울기나 방향에 덜 민감합니다.
동시에 내구성은 전자 부품 및 열 성능 쪽으로 초점이 옮겨가고 있습니다.
외부 환경에 대한 저항력
진동과 충격
- 기계적인 이 모델들은 특히 강성 서스펜션이 있는 이동 플랫폼에 설치될 경우 지속적인 진동에 더욱 민감합니다.
- 고체 상태 일반적으로 솔루션은 "잃을 것"이 없기 때문에 더 나은 안정성을 보여줍니다.
먼지와 오물
두 설계 모두 깨끗한 광학 장치가 필요하지만, 다음과 같은 차이점이 있습니다.
- 기계식 라이다에서 오염은 회전 균형에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 솔리드 스테이트 방식에서는 주로 신호 품질에 영향을 미치며, 기계적인 부분에는 영향을 주지 않습니다.
자연과 데이터를 스캔합니다
관점의 통일성
기계식 라이다는 시야각 전체에 걸쳐 균일한 각도 해상도를 제공합니다. 이는 특히 다음과 같은 경우에 중요합니다.
- SLAM 알고리즘;
- 물체의 형태를 정확하게 판별하는 것;
- 데이터의 예측 가능성.
고체 상태 라이다는 다음과 같은 특징을 가질 수 있습니다:
- 점들의 밀도가 고르지 않음;
- 해상도가 서로 다른 고정 섹터;
- 최대 시야각에 제한이 있습니다.
이는 단점이 아니라 시스템을 설계할 때 고려해야 할 특징입니다.
새로 고침 빈도 및 지연 시간
기계식 라이다는 대개 고정된 회전 속도로 작동합니다. 이는 다음과 같은 이점을 제공합니다.
- 안정적인 데이터 흐름;
- 예측 가능한 지연;
- 내비게이션 알고리즘과의 명확한 동기화.
고체 소자 솔루션은 다음과 같은 이점을 제공할 수 있습니다:
- 스캔 모드를 동적으로 변경합니다.
- 부문 간 빈도를 재분배합니다.
- 특정 시나리오에 최적화되어 있습니다.
간단한 작업에서는 차이가 거의 느껴지지 않지만, 고속 주행 시에는 매우 중요할 수 있습니다.
차원 및 통합
기계식 라이다
- 보통 몸의 윗부분에 위치합니다.
- 회전 영역을 고려해야 합니다.
- 로봇이나 기계의 설계에 제약을 가할 수 있습니다.
고체 라이다
- 더욱 컴팩트한;
- 평면 패널에 통합하기가 더 쉽습니다.
- 보호 케이스에 넣기가 더 쉽습니다.
이러한 이유로 엄격한 폼팩터 요구 사항을 가진 양산 장치에는 솔리드 스테이트 솔루션이 자주 선택됩니다.
유지보수 및 운영 비용
| 매개변수 | 기계적인 | 고체 상태 |
|---|---|---|
| 정기 유지보수 | 가능한 | 최저한의 |
| 편집에 대한 민감성 | 평균 | 낮은 |
| 입다 | 현재의 | 거의 없음 |
| 시간에 따른 안정성 | 감소할 수 있음 | 더욱 더 |
기계식 라이다가 여전히 최상의 선택인 경우
- 넓은 공간에서의 내비게이션;
- 오랜 역사와 잘 정립된 알고리즘을 갖춘 프로젝트;
- 균일한 데이터 밀도가 중요한 시스템;
- 부품의 서비스 및 교체가 허용되는 경우.
고체 라이다의 장점
- 소형 모바일 플랫폼;
- 진동이 발생하는 실외 장비;
- 신뢰성 요구 사항이 엄격한 양산 제품;
- 유지보수를 최소화하는 것이 중요한 프로젝트.
결과
기계식 2D 라이다와 솔리드 스테이트 2D 라이다의 차이는 단순히 모터의 유무에만 있는 것이 아닙니다. 설계 철학, 장기적인 성능, 그리고 통합 방식의 차이입니다. 기계식 모델은 예측 가능하고 익숙한 데이터를 생성하는 반면, 솔리드 스테이트 모델은 환경 조건에 대한 안정성과 복원력을 제공합니다.
올바른 선택을 하는 것은 라이다의 종류를 고르는 것에서 시작하는 것이 아니라, 작동 조건, 데이터 요구 사항 및 허용 가능한 운영상의 절충점을 이해하는 것에서 시작됩니다.
