라이다(LiDAR, Light Detection and Ranging)는 레이저를 쏘고 물체에 반사돼 돌아온 빛으로 거리를 재는 센서입니다. 한 방향의 거리를 아주 빠르게 재면서 방향을 계속 바꾸면, 주변을 점 수만 개로 찍은 3D 지도(포인트 클라우드)가 만들어집니다. 종류는 거리를 재는 방식(ToF·FMCW), 빛을 뿌리는 방식(회전형·고정형), 보는 범위(2D·3D) 세 가지로 나눠 보면 정리됩니다.
빛이 돌아오는 시간으로 거리를 계산한다
가장 흔한 방식은 ToF(Time of Flight, 비행시간)입니다. 짧은 레이저 펄스를 쏘고 반사광이 돌아올 때까지 걸린 시간을 잽니다. 미국 해양대기청(NOAA)의 라이다 장비 설명도 펄스를 쏘고 같은 방향의 수신기가 반사 신호를 기다리는 구조로 설명합니다.
빛은 물체까지 갔다가 돌아오므로 거리는 빛의 속도에 걸린 시간을 곱하고 2로 나눈 값입니다. 1m 떨어진 물체라면 빛이 2m를 가는 데 약 6.7나노초가 걸리고, 1cm 차이는 약 0.07나노초입니다. 라이다가 센티미터 단위로 거리를 재려면 이만큼 짧은 시간 차이를 구분해야 합니다.
비행기에 싣는 측량용 라이다는 레이저, 빛을 여러 방향으로 보내는 스캐너, 기체 위치를 재는 GPS 수신기로 이뤄집니다(NOAA 해설). 땅을 재는 지형 라이다는 보통 근적외선을, 얕은 바다 바닥까지 재는 수심 라이다는 물을 통과하는 녹색 빛을 씁니다.
FMCW는 거리와 함께 속도까지 잰다
FMCW(주파수 변조 연속파) 라이다는 펄스 대신 주파수가 계속 바뀌는 빛을 내보내고, 돌아온 빛과 내보내는 빛의 주파수 차이로 거리를 계산합니다. 움직이는 물체에서 반사된 빛은 도플러 효과로 주파수가 한 번 더 바뀌므로, 점 하나하나가 다가오는지 멀어지는지와 그 속도까지 함께 얻습니다.
FMCW 라이다를 만드는 미국 Aeva는 Aeries II 발표에서 점마다 순간 속도를 초당 센티미터 정밀도로 재고, 최대 500m 거리까지 본다고 밝혔습니다(회사 발표 수치). 옆 차선 차가 다가오는지를 여러 프레임을 비교하지 않고 한 번의 측정으로 알 수 있다는 것이 장점입니다.
4D 라이다라는 이름은 회사마다 뜻이 다릅니다. Aeva의 4D는 3D 위치에 속도를 더한 것이고, Unitree L2의 4D는 3D 위치에 반사 밝기(그레이스케일)를 더한 것입니다. 제품 이름의 4D만 보고 속도 측정을 기대하면 안 됩니다.
회전형과 고정형은 빛을 뿌리는 방법이 다르다
레이저 한 줄기는 한 점만 잽니다. 넓은 범위를 보려면 빛을 여러 방향으로 보내야 하고, 그 방법에 따라 종류가 나뉩니다.
- 회전·미러 스캔형: 센서 머리나 내부 거울을 돌려 주변을 훑습니다. 로봇청소기 위의 둥근 돌출부, 자율주행 시험차 지붕의 원통형 센서가 이 방식입니다. Unitree L2는 브러시리스 모터로 거울을 돌려 360°×96° 범위를 보고, 무게 230g, 공식 페이지 가격은 419달러입니다.
- 고정형(솔리드스테이트) 계열: 움직이는 부품을 줄이거나 없애 차 범퍼·그릴이나 로봇 몸체 안에 넣기 쉽게 만든 방식입니다. 한 방향만 보기 때문에 시야가 좁아집니다. Unitree가 L2 비교표에 넣은 고정형 광각 라이다는 시야가 120°×75°입니다.
- 플래시형: 스캔하지 않고 넓은 면에 빛을 한 번에 뿌린 뒤, 카메라처럼 배열된 수신 소자로 받습니다. 움직이는 부품이 없어 작게 만들 수 있지만 멀리 보기는 어렵습니다.
2D와 3D는 보는 높이가 다르다
2D 라이다는 한 높이의 평면만 훑어 벽과 장애물의 단면을 봅니다. 물류 로봇(AMR)과 로봇청소기의 위치 추정에 많이 씁니다. 3D 라이다는 위아래로 여러 층을 함께 재서 낮은 턱이나 테이블 상판처럼 스캔 평면 밖에 있는 물체도 봅니다. 로봇에 어느 쪽을 고를지는 2D LiDAR와 3D LiDAR 차이에 정리했습니다.
아이패드·로봇·자율주행차 라이다는 재는 거리가 다르다
- 스마트폰·태블릿: 애플은 2020년 iPad Pro 발표에서 라이다 스캐너가 실내외에서 최대 5m 거리를 잰다고 밝혔습니다. 방 치수 재기, 증강현실, 어두운 곳에서 초점 맞추기에 쓰는 짧은 거리용입니다.
- 로봇용: Unitree L2는 반사율 90% 물체 기준 30m, 반사율 10%인 어두운 물체는 15m까지 잽니다. 유효 데이터는 초당 6만4천 점입니다.
- 자율주행차용: 고속도로에서 멀리 있는 차를 봐야 해서 수백 m를 목표로 합니다. 앞서 본 Aeva가 500m를 제시합니다.
같은 30m 라이다라도 검은 옷이나 타이어처럼 빛을 덜 반사하는 물체는 절반 거리에서야 잡힐 수 있습니다. 사양표의 최대 거리 옆에 반사율 조건이 붙어 있는지 확인하세요.
카메라·깊이 카메라와 무엇이 다른가
카메라는 색과 글자, 신호등처럼 무엇인지를 알아보는 데 강하고, 라이다는 얼마나 떨어져 있는지를 직접 잽니다. 라이다는 스스로 빛을 내므로 어두운 곳에서도 거리를 재지만 색을 구분하지 못합니다. 유리처럼 빛이 통과하거나 거울처럼 한 방향으로 튕겨 내는 표면에서는 점이 비거나 엉뚱한 위치에 찍힙니다.
깊이 카메라(스테레오·ToF·구조광)는 몇 m 안쪽을 촘촘하게 보는 데 맞습니다. 세 방식의 차이는 로봇 깊이 카메라 선택에서, 로봇이 센서를 함께 쓰는 방식은 로봇 센서 종류와 역할에서 다룹니다.
레이저가 눈에 닿아도 괜찮은가
레이저 제품은 국제 기준 IEC 60825-1로 위험 등급을 표시합니다. Class 1은 정상적으로 사용할 때 눈에 위험하지 않은 등급이고, Unitree L2도 사양표에 Class 1(IEC 60825-1:2014)로 표시돼 있습니다. 로봇이나 장난감에 들어간 라이다를 고를 때는 이 표기가 있는지 확인하세요. 분해하거나 광학 부품을 바꾸면 등급이 유지되지 않습니다.