JP6891375B2 - 光学距離測定のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
[項目1]
物体までの距離を測定するシステムであって、
射出光パルスを発生する発光素子と、
上記物体から反射された戻り光パルスを受け取り、上記戻り光パルスを表すアナログパルス信号を出力する光センサと、
上記光センサに連結されたフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)であって、
上記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に変換し、
各デジタル信号値をサンプリングすることにより、上記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成し、上記サンプリングの時間分解能が上記FPGAのクロック周期より短いFPGAと、
上記物体までの上記距離を、上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値に基づいて計算するコントローラと、
を含むシステム。
[項目2]
上記発光素子、光センサ、FPGA、及びコントローラは、無人機、自律走行車、又はロボットにより支持される、項目1に記載のシステム。
[項目3]
上記時間分解能は上記FPGAの上記クロック周期の少なくとも5倍短い、項目1に記載のシステム。
[項目4]
上記FPGAは相互に連続的に連結された複数の遅延ユニットを含み、上記FPGAは、上記複数の遅延ユニットを使って上記サンプリングを実行する、項目1に記載のシステム。
[項目5]
上記複数の遅延ユニットは少なくとも25の遅延ユニットを含む、項目4に記載のシステム。
[項目6]
上記複数の遅延ユニットはキャリーチェーン又はルックアップテーブル(LUT)を含む、項目4に記載のシステム。
[項目7]
上記複数の遅延ユニットの各々は、5ピコ秒〜2000ピコ秒の範囲内の遅延を発生させる、項目4に記載のシステム。
[項目8]
上記FPGAは複数のラッチを含み、各ラッチは上記複数の遅延ユニットのうちの対応する遅延ユニットに連結され、各ラッチは、上記対応する遅延ユニットがデジタル信号値を受け取ったことに応答してラッチされる、項目4に記載のシステム。
[項目9]
上記FPGAは、
上記複数の遅延ユニットに沿って連続的にデジタル信号値を送信し、
上記FPGAのクロック周期中にトリガされた上記複数のラッチの数を判断し、
上記判断された数に基づいて上記デジタル信号値に対応する時間測定値を計算すること
によって上記複数の時間測定値を生成する、項目8に記載のシステム。
[項目10]
上記FPGAの上、中、又は付近に位置付けられた温度センサをさらに含み、上記FPGAは、
上記温度センサからの温度値を受け取り、
上記温度値に基づいて上記時間測定値を計算すること
によって上記複数の時間測定値を生成する、項目9に記載のシステム。
[項目11]
上記FPGAは複数のフェーズロックループ(PLL)クロックを含み、各々は異なる位相を有するクロック信号を生成し、上記FPGAは、上記複数のPLLクロックを使って上記サンプリングを実行する、項目1に記載のシステム。
[項目12]
上記複数のPLLクロックは少なくとも2つのPLLクロックを含む、項目11に記載のシステム。
[項目13]
上記複数のPLLクロックにより生成される上記クロック信号は、π/8、π/4、π/2、又はπだけ相互に位相シフトされている、項目11に記載のシステム。
[項目14]
上記FPGAは、
デジタル信号値を上記複数のPLLクロックの各々により生成される上記クロック信号と比較し、
上記デジタル信号値に対応する時間測定値を上記比較に基づいて計算すること
により、上記複数の時間測定値を生成する、項目11に記載のシステム。
[項目15]
上記FPGAは上記コントローラを含む、項目1に記載のシステム。
[項目16]
上記コントローラは上記FPGAに連結される、項目1に記載のシステム。
[項目17]
物体までの距離を測定する方法であって、
発光素子によって射出光パルスを発生させるステップと、
光センサにおいて、上記物体から反射された戻り光パルスを受け取るステップと、
上記光センサにより、上記戻り光パルスを表すアナログパルス信号を出力するステップと、
フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を使って上記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に変換するステップと、
上記FPGAを使って、各デジタル信号値をサンプリングすることによって上記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成するステップであって、上記サンプリングの時間分解能が上記FPGAのクロック周期より短いステップと、
上記物体までの上記距離を上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値に基づいて計算するステップと、
を含む方法。
[項目18]
上記発光素子、光センサ、及びFPGAは、無人機、自律走行車、又はロボットにより支持される、項目17に記載の方法。
[項目19]
上記時間分解能は、上記FPGAの上記クロック周期より少なくとも5倍短い、項目17に記載の方法。
[項目20]
上記FPGAは相互に連続的に連結された複数の遅延ユニットを使って上記サンプリングを実行する、項目17に記載の方法。
[項目21]
上記複数の遅延ユニットは少なくとも25の遅延ユニットを含む、項目20に記載の方法。
[項目22]
上記複数の遅延ユニットはキャリーチェーン又はルックアップテーブル(LUT)を含む、項目20に記載の方法。
[項目23]
上記複数の遅延ユニットの各々は、5ピコ秒〜2000ピコ秒の範囲内の遅延を発生させる、項目20に記載の方法。
[項目24]
上記FPGAは複数のラッチを含み、各ラッチは上記複数の遅延ユニットのうちの対応する遅延ユニットに連結され、各ラッチは、上記対応する遅延ユニットがデジタル信号値を受け取ったことに応答してラッチされる、項目20に記載の方法。
[項目25]
上記複数の時間測定値を生成する上記ステップは、
上記複数の遅延ユニットに沿って連続的にデジタル信号値を送信するステップと、
上記FPGAのクロック周期中にトリガされた上記複数のラッチの数を判断するステップと、
上記判断された数に基づいて上記デジタル信号値に対応する時間測定値を計算するステップと、
を含む、項目24に記載の方法。
[項目26]
上記複数の時間測定値を生成する上記ステップは、
上記FPGAの上、中、又は付近に位置付けられた温度センサからの温度値を受け取るステップと、
上記温度値に基づいて上記時間測定値を計算するステップと、
を含む、項目25に記載の方法。
[項目27]
上記FPGAは複数のフェーズロックループ(PLL)クロックを使って上記サンプリングを実行するように構成され、各々は異なる位相を有するクロック信号を生成する、項目17に記載の方法。
[項目28]
上記複数のPLLクロックは少なくとも2つのPLLクロックを含む、項目27に記載の方法。
[項目29]
上記複数のPLLクロックにより生成される上記クロック信号は、π/8、π/4、π/2、又はπだけ相互に位相シフトされている、項目27に記載の方法。
[項目30]
上記複数の時間測定値を生成する上記ステップは、
デジタル信号値を上記複数のPLLクロックの各々により生成される上記クロック信号と比較するステップと、
上記デジタル信号値に対応する時間測定値を上記比較に基づいて計算するステップと、
を含む、項目27に記載の方法。
[項目31]
物体までの距離を測定するシステムであって、
射出光パルスを発生する発光素子と、
上記物体から反射された戻り光パルスを受け取り、上記戻り光パルスを表すアナログパルス信号を出力する光センサと、
上記光センサに連結されたフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)であって、
上記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に、(1)上記アナログパルス信号を複数の閾値と比較し、(2)上記複数のデジタル信号値を上記比較に基づいて生成することによって変換し、
上記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成するFPGAと、
上記物体までの上記距離を、上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値に基づいて計算するコントローラと、
を含むシステム。
[項目32]
上記発光素子、光センサ、FPGA、及びコントローラは、無人機、自律走行車、又はロボットにより支持される、項目31に記載のシステム。
[項目33]
上記複数の異なる閾値は少なくとも2つの異なる閾値を含む、項目31に記載のシステム。
[項目34]
上記FPGAは複数の差動入力ポートを含み、上記FPGAは、上記複数の差動入力ポートを使って上記アナログパルス信号を変換するように構成される、項目31に記載のシステム。
[項目35]
各差動入力ポートは低電圧作動信号(LVDS)インタフェース又はエミッタ結合論理(ECL)インタフェースを含む、項目34に記載のシステム。
[項目36]
上記FPGAは、上記複数の差動入力ポートの各々において上記アナログパルス信号と閾値を受け取り、各差動入力ポートは異なる閾値を受け取るようにさらに構成される、項目34に記載のシステム。
[項目37]
各差動入力ポートは、上記アナログパルス信号が上記受け取った閾値より大きいか、小さいかに基づいてデジタル信号値を生成する、項目36に記載のシステム。
[項目38]
各差動入力ポートは、
上記アナログパルス信号を受け取るように構成される第一のピンと、
上記閾値を受けるように構成される第二のピンと
を含む、項目36に記載のシステム。
[項目39]
上記第二のピンは調整電圧を受け取るように構成され、上記調整電圧は、上記差動入力ポートの上記第一及び第二のピン間のオフセット電圧を補償するように構成される、項目38に記載のシステム。
[項目40]
上記コントローラは上記距離を、
上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値を関数に入力し、
上記関数を使って上記戻り光パルスに関する予測時間値を導き出すこと
によって計算するように構成される、項目31に記載のシステム。
[項目41]
上記関数はパルス信号モデルを含み、上記予測時間値は、上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値を上記パルス信号モデルに適合させることによって導き出される、項目40に記載のシステム。
[項目42]
上記複数の差動入力ポートの各々は測定されたオフセット電圧に関連付けられ、上記コントローラは、各差動入力ポートの上記測定されたオフセット電圧を上記関数に入力するように構成される、項目40に記載のシステム。
[項目43]
上記コントローラはオフセット調整パラメータを上記関数に入力するように構成され、上記オフセット調整パラメータは、上記複数の差動入力ポートのオフセット電圧を補償するように構成される、項目40に記載のシステム。
[項目44]
各差動入力ポートは遅延時間に関連付けられ、上記FPGAは、上記複数の時間測定値を生成する際に、各差動入力ポートの上記遅延時間を補償するように構成される、項目34に記載のシステム。
[項目45]
上記FPGAは上記コントローラを含む、項目31に記載のシステム。
[項目46]
上記コントローラは上記FPGAに連結される、項目31に記載のシステム。
[項目47]
物体までの距離を測定する方法であって、
発光素子により射出光パルスを発生させるステップと、
光センサにおいて、上記物体から反射された戻り光パルスを受け取るステップと、
上記光センサにより、上記戻り光パルスを表すアナログパルス信号を出力するステップと、
フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を用いて、上記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に、(1)上記アナログパルス値を複数の閾値と比較し、(2)上記複数のデジタル信号値を上記比較に基づいて生成することによって変換するステップと、
上記FPGAを用いて、上記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成するステップと、
上記物体までの上記距離を、上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値に基づいて計算するステップと、
を含む方法。
[項目48]
上記発光素子、光センサ、及びFPGAは、無人機、自律走行車、又はロボットにより支持される、項目47に記載の方法。
[項目49]
上記複数の閾値は少なくとも2つの異なる閾値を含む、項目47に記載の方法。
[項目50]
上記FPGAは複数の差動入力ポートを含み、上記変換するステップは、上記複数の差動入力ポートを用いて実行される、項目47に記載の方法。
[項目51]
各差動入力ポートは低電圧作動信号(LVDS)インタフェース又はエミッタ結合論理(ECL)インタフェースを含む、項目50に記載の方法。
[項目52]
上記複数の差動入力ポートの各々において上記アナログパルス信号と閾値を受け取るステップをさらに含み、各差動入力ポートは異なる閾値を受け取る、項目50に記載の方法。
[項目53]
各差動入力ポートを用いて、上記アナログパルス信号が上記受け取った閾値より大きいか、小さいかに基づいてデジタル信号値を生成するステップをさらに含む、項目52に記載の方法。
[項目54]
上記アナログパルス信号は各差動入力ポートの第一のピンで受け取られ、上記閾値は各差動入力ポートの第二のピンで受け取られる、項目52に記載の方法。
[項目55]
調整電圧を各差動入力ポートの上記第二のピンに印加するステップをさらに含み、上記調整電圧は、上記差動入力ポートの上記第一及び第二のピン間のオフセット電圧を補償するように構成される、項目54に記載の方法。
[項目56]
上記計算するステップは、
上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値を関数に入力するステップと、
上記関数を使って上記戻り光パルスに関する予測時間値を導き出すステップと、
を含む、項目50に記載の方法。
[項目57]
上記関数はパルス信号モデルを含み、上記予測時間値は、上記複数のデジタル信号値と上記複数の時間測定値を上記パルス信号モデルに適合させることによって導き出される、項目56に記載の方法。
[項目58]
上記複数の差動入力ポートの各々が測定されたオフセット電圧に関連付けられ、上記計算するステップは、各差動入力ポートの上記測定されたオフセット電圧を上記関数に入力するステップを含む、項目56に記載の方法。
[項目59]
上記計算するステップは、オフセット調整パラメータを上記関数に入力するステップをさらに含み、上記オフセット調整パラメータは、上記複数の差動入力ポートのオフセット電圧を補償するように構成される、項目56に記載の方法。
[項目60]
各差動入力ポートは遅延時間に関連付けられ、上記複数の時間測定値を生成する上記ステップは、各差動入力ポートの上記遅延時間を補償するステップを含む、項目50に記載の方法。
[項目61]
距離測定装置を校正する方法であって、
複数の差動入力ポートを含むフィールドプログラマブルアレイ(FPGA)を提供するステップを含み、上記複数の差動入力ポートの各々はオフセット電圧に関連付けられ、上記FPGAは、
物体から反射された戻り光パルスを表すアナログパルス信号を受け取り、
上記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に、(1)上記複数の差動入力ポートを使って上記アナログパルス値を複数の閾値と比較し、(2)比上記較に基づいて上記複数のデジタル信号値を生成することによって変換し、
上記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成する
ように構成され、
上記アナログパルス信号を変換する際に、上記複数の差動入力ポートの各々に関連付けられた上記オフセット電圧を補償するために上記FPGAを校正するステップを含む方法。
[項目62]
上記FPGAは無人機、自律走行車、又はロボットにより支持される、項目61に記載の方法。
[項目63]
各差動入力ポートに関連付けられた上記オフセット電圧を測定するステップをさらに含む、項目61に記載の方法。
[項目64]
各差動入力ポートは、
上記アナログパルス信号を受け取るように構成された第一のピンと、
閾値を受け取るように構成された第二のピンと、
を含む、項目63に記載の方法。
[項目65]
上記測定するステップは、
可変電圧信号を上記第一のピンに印加するステップと、
定電圧信号を上記第二のピンに印加するステップと、
上記差動入力ポートの出力信号の変化を検出するステップと、
上記変化が検出されたときに、上記第一及び第二のピン間の電圧差を判断するステップと、
を含む、項目64に記載の方法。
[項目66]
上記判断するステップは、上記第一及び第二のピン間の上記電圧差を測定するステップを含む、項目65に記載の方法。
[項目67]
上記判断するステップは、
上記出力信号の上記変化が検出された時点を判断するステップと、
上記電圧差を上記時点と上記可変電圧信号の波形に基づいて計算するステップと、
を含む、項目65に記載の方法。
[項目68]
上記可変電圧信号は増大する電圧信号を含む、項目65に記載の方法。
[項目69]
上記可変電圧信号は三角波信号又は台形波信号を含む、項目65に記載の方法。
[項目70]
上記校正するステップは、調整電圧を各差動入力ポートの上記第二のピンを印加するステップを含み、上記調整電圧は、上記差動入力ポートに関連付けられる上記オフセット電圧を補償するように構成される、項目64に記載の方法。
[項目71]
上記校正するステップは、上記複数の差動入力ポートの上記オフセット電圧を関数の入力パラメータとして使用するステップを含み、上記関数は、上記複数のデジタル信号値、上記複数の時間測定値、及び上記入力パラメータに基づいて上記戻り光パルスに関する予測時間値を導き出すように構成される、項目63に記載の方法。
[項目72]
上記校正するステップは、
オフセット調整パラメータを判断するステップであって、上記オフセット調整パラメータは上記複数の差動入力ポートの上記オフセット電圧を補償するように構成されるステップと、
上記オフセット調整パラメータを関数の入力として使用するステップであって、上記関数は、上記複数のデジタル信号値、上記複数の時間な測定値、及び上記オフセット調整パラメータに基づいて上記戻り光パルスに関する予測時間値を導き出すように構成されるステップと、
を含む、項目61に記載の方法。
Claims (11)
- 物体までの距離を測定するシステムであって、
射出光パルスを発生する発光素子と、
前記物体から反射された戻り光パルスを受け取り、前記戻り光パルスを表すアナログパルス信号を出力する光センサと、
前記光センサに連結されたフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)であって、
前記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に変換し、
各デジタル信号値をサンプリングすることにより、前記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成し、前記サンプリングの時間分解能が前記FPGAのクロック周期より短いFPGAと、
前記物体までの前記距離を、前記複数のデジタル信号値と前記複数の時間測定値に基づいて計算するコントローラと、
を含み、
前記FPGAは相互に連続的に連結された複数の遅延ユニットを含み、前記FPGAは、前記複数の遅延ユニットを使って前記サンプリングを実行し、
前記FPGAは複数のラッチを含み、各ラッチは前記複数の遅延ユニットのうちの対応する遅延ユニットに連結され、各ラッチは、前記対応する遅延ユニットがデジタル信号値を受け取ったことに応答してラッチされ、
前記FPGAは、
前記複数の遅延ユニットに沿って連続的にデジタル信号値を送信し、
前記FPGAのクロック周期中にトリガされた前記複数のラッチの数を判断し、
前記判断された数に基づいて前記デジタル信号値に対応する時間測定値を計算すること
によって前記複数の時間測定値を生成する、システム。 - 前記発光素子、光センサ、FPGA、及びコントローラは、無人機、自律走行車、又はロボットにより支持される、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の遅延ユニットはキャリーチェーン又はルックアップテーブル(LUT)を含む、請求項1または2に記載のシステム。
- 前記FPGAの上、中、又は付近に位置付けられた温度センサをさらに含み、前記FPGAは、
前記温度センサからの温度値を受け取り、
前記温度値に基づいて前記時間測定値を計算すること
によって前記複数の時間測定値を生成する、請求項1から3の何れか1つに記載のシステム。 - 前記FPGAは複数のフェーズロックループ(PLL)クロックを含み、各々は異なる位相を有するクロック信号を生成し、前記FPGAは、前記複数のPLLクロックを使って前記サンプリングを実行する、請求項1から請求項4の何れか1項に記載のシステム。
- 前記複数のPLLクロックは少なくとも2つのPLLクロックを含む、請求項5に記載のシステム。
- 前記複数のPLLクロックにより生成される前記クロック信号は、π/8、π/4、π/2、又はπだけ相互に位相シフトされている、請求項5又は請求項6に記載のシステム。
- 前記FPGAは、
デジタル信号値を前記複数のPLLクロックの各々により生成される前記クロック信号と比較し、
前記デジタル信号値に対応する時間測定値を前記比較に基づいて計算すること
により、前記複数の時間測定値を生成する、請求項5から請求項7の何れか1項に記載のシステム。 - 前記FPGAは前記コントローラを含む、請求項1から請求項8の何れか1項に記載のシステム。
- 前記コントローラは前記FPGAに連結される、請求項1から請求項9の何れか1項に記載のシステム。
- 物体までの距離を測定する方法であって、
発光素子によって射出光パルスを発生させるステップと、
光センサにおいて、前記物体から反射された戻り光パルスを受け取るステップと、
前記光センサにより、前記戻り光パルスを表すアナログパルス信号を出力するステップと、
相互に連続的に連結された複数の遅延ユニット及び前記複数の遅延ユニットのうちの対応する遅延ユニットに連結される複数のラッチを含むフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を使って前記アナログパルス信号を複数のデジタル信号値に変換するステップと、
前記FPGAの前記複数の遅延ユニットを使って、各デジタル信号値をサンプリングすることによって前記複数のデジタル信号値に対応する複数の時間測定値を生成するステップであって、前記複数のラッチは、前記対応する遅延ユニットがデジタル信号値を受け取ったことに応答してラッチされ、前記サンプリングの時間分解能が前記FPGAのクロック周期より短いステップと、
前記物体までの前記距離を前記複数のデジタル信号値と前記複数の時間測定値に基づいて計算するステップと、
を含み、
前記複数の時間測定値を生成するステップは、前記FPGAを使って、
前記複数の遅延ユニットに沿って連続的にデジタル信号値を送信するステップと、
前記FPGAのクロック周期中にトリガされた前記複数のラッチの数を判断するステップと、
前記判断された数に基づいて前記デジタル信号値に対応する時間測定値を計算すること
によって前記複数の時間測定値を生成するステップとを含む、方法。
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