KR101734354B1 - 차량 동역학의 특징화를 위한 레이저 다이오드 기반 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템 - Google Patents

차량 동역학의 특징화를 위한 레이저 다이오드 기반 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 동역학의 특징화를 위한 레이저 다이오드 기반 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템에 관한 것이다. 레이저 다이오드 기반, 바람직하게는 VCSEL 기반 레이저 이미징 시스템을 이용하여 차량 동역학을 특징화한다. 하나 이상의 레이저 빔이 노면(road surface)에 향해진다. CCD 또는 CMOS 카메라와 같은 이미징 매트릭스 센서를 포함하는 콤팩트 이미징 시스템은 개별 레이저 스폿들의 위치들 또는 간격들을 측정한다. 차량들의 적재 상태 및 차량들의 피치 및 롤 각은 레이저 스폿 위치들 또는 간격들의 변경을 분석함으로써 특징화될 수 있다.

Description

차량 동역학의 특징화를 위한 레이저 다이오드 기반 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템{A LASER DIODE BASED MULTIPLE-BEAM LASER SPOT IMAGING SYSTEM FOR CHARACTERIZATION OF VEHICLE DYNAMICS}
본 발명은 일반적으로 속도 및 롤 각(roll angle)과 같은 차량 동역학(vehicle dynamics)의 측정들에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 차량 동역학의 광학 측정들(optical measurements)에 관한 것이다.
속도 및 거리 측정들을 위해 레이저 자체 혼합 간섭(self-mixing interference; SMI)이 이용될 수 있다는 것이 알려져 있고, G. Giuliani, M. Norgia, S. Donati, T. Bosch "Laser Diode Self-mixing Technique for Sensing Applications" in Journal of Pure and Applied Optics, 6 (2002), 283-294 페이지를 참조한다. 또한, SMI 감지 애플리케이션들을 위해 특히 포토다이오드(photodiode)가 통합된 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser; VCSEL)가 적절하다는 것이 알려져 있다. 그러나, 자체 혼합 센서들(self-mixing sensors)을 이용한 속도 측정들이 갖는 일반적인 문제는, 길(road)에 대한 센서의 배향(orientation)이 직접적으로 측정에 영향을 미친다는 것이다. 차량이 예를 들어, 커브에서의 원심력에 의해 유도된 차체(vehicle body)의 기울어짐으로 인한, 길에 대한 그의 배향을 자주 변경함에 따라, 측정 에러들이 유도된다. 따라서, 자체 혼합 대지 속도 센서(self-mixing ground speed sensor)의 절대 측정 정확도는 차량 동역학, 즉, 차량의 롤(roll) 및 피치(pitch) 이동에 의해 절충된다.
JP 7120554 A는 레이저 다이오드로부터 방출된 레이저 빔이 렌즈를 통과한 후에 차량의 바닥으로부터 지표면으로 투사되는 감지 시스템을 개시한다. 지표면으로부터 반사된 빔은 도플러 편이를 받고, 렌즈에 입사하고, 다이오드로부터 방출된 빔을 간섭하고, 양쪽 빔의 비트가 포토다이오드에 입사하고 밴드-패스 필터를 통해 신호 처리 회로에 보내져서, 차량과 지표면 사이의 거리 및 차량 속도를 산출한다. 또한, 다이오드로부터 방출되어 지면에서 반사된 빔은 각도 감지부의 렌즈를 통과하여 포토다이오드 어레이에 입사한 후에 획득된 입사각이 처리 회로에 공급된다. 처리 회로는 차체의 경사 및 상하 변위의 영향을 산출된 지면 속도로부터 제거한 보상된 지면 속도를 계산한다.
또한, WO 2009/037278 A1호는 모터 차량의 모션 상태를 감지하는 센서 디바이스를 개시한다. 센서 디바이스는 도로 표면의 방향으로 전달된 간섭성 광을 발광하는 광원을 갖는 적어도 하나의 레이저 유닛 및 표면에서 산란된 광과 광원으로부터의 광 사이의 간섭을 특징짓는 적어도 하나의 측정 변수를 감지하도록 설계된 간섭 감지기를 포함한다. 측정 변수는 센서 디바이스의 속도 성분 및/또는 센서 디바이스과 도로 표면 사이의 거리를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 목적은 광학 레이저 기반 차량 동역학 센서들을 향상시키는 것이다. 이 목적은 독립 청구항들의 요지에 의해 해결된다. 본 발명의 유리한 실시예들 및 개량들은 종속 청구항들에 정의된다.
본 발명에 따르면, 레이저 다이오드 기반, 바람직하게는 VCSEL 기반 레이저 이미징 시스템을 이용하여 차량 동역학을 특징화한다. 가장 간단한 경우에, 단일 레이저 빔, 바람직하게는 다중 레이저 빔들은 기준면, 즉, 노면(road surface)에 향해진다. CCD 또는 CMOS 카메라와 같은 이미징 매트릭스 센서를 포함하는 콤팩트 이미징 시스템은 개별 레이저 스폿들의 위치들, 간격들 또는 거리들을 측정한다. 차량들의 적재(loading) 상태 및 차량들의 피치 및 롤 각은 레이저 스폿 위치들 또는 간격들의 변경을 분석함으로써 특징화될 수 있다.
레이저 자체 혼합 대지 속도 센서와 결합하여, 본 발명에 따른 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템은 차량들의 대지 속도 측정의 절대 정확도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 레이저 이미징 시스템으로부터 도출된 피치 및 롤 각들은 대지 속도 측정의 시스템적 에러(systematic error)를 보정하기 위해 회전 매트릭스(rotation matrix)에서 구현될 수 있다.
레이저 자체 혼합 대지 속도 센서와 결합하여, 본 발명의 다중 스폿 레이저 이미징 시스템은 차량들의 대지 속도 측정의 신뢰성을 향상시킨다. 레이저 출력 전력, 빔들의 포커스 품질, 센서 출구 창들에 대한 오염들(contaminations to sensor exit windows) 및 노면 반사도는 길에서의 빔 스폿들의 콘트라스트비를 모니터함으로써 연속적으로 분석될 수 있다. 비정상 변경들은 레이저 고장, 아웃 오브 포커스 감지 빔(out-of-focus sensing beam), 센서 출구 또는 입구 창에 대한 심각한 오염들 또는 매우 낮은 반사도 길들의 존재를 나타낸다.
근적외선 VCSEL의 통상적인 파장(예를 들어, 0.86㎛)은 종래의 CCD 또는 CMOS 카메라의 스펙트럼 응답 범위 내에 있기 때문에, 바람직하게는 저비용 CCD 또는 CMOS 카메라가 다중 스폿 레이저 이미징 시스템의 감지 컴포넌트로서 이용된다.
특히, 차량 동역학 파라미터들의 검출을 위한 광학 차량 레이저 센서 시스템(optical vehicle laser sensor system)이 제공되며, 이것은,
- 적어도 하나의 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 디바이스 - 상기 레이저 빔은 상기 레이저 디바이스에 대향하여 배치된 기준면 상에 레이저 스폿을 발생시킴 -;
- 상기 기준면 상에 상기 레이저 스폿을 촬영하기 위한 렌즈를 갖는 적어도 하나의 매트릭스 센서를 포함하는 이미징 디바이스 - 상기 이미징 디바이스는 상기 기준면 상의 상기 레이저 스폿이 상기 이미징 디바이스의 시계 내에서 가시적이도록 배열됨으로써, 상기 이미징 디바이스의 광학 축, 또는 보는 방향과, 상기 레이저 빔의 방향이 일치하지 않음(non-coincident) -;
- 상기 기준면으로부터 후방 반사 또는 산란된 상기 레이저 빔의 신호로부터 상기 기준면으로 상대적으로 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 속도를 검출하기 위한 검출기; 및
- 상기 이미징 디바이스로부터 검색된 이미지 데이터 내에서 상기 레이저 스폿 위치를 검출하고, 상기 스폿 위치로부터 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 배향을 계산하기 위한 데이터 처리 디바이스
를 포함한다.
상기 이미징 디바이스의 보는 방향(viewing direction) 또는 광학 축과 상기 레이저 빔의 방향이 일치하지 않으므로, 카메라에 의해 촬영된 이미지 내의 레이저 스폿 위치는 기준면에 대한 레이저 디바이스의 거리와 기준면의 수직에 대한 상기 레이저 디바이스의 편각(polar angle)에 의존한다. 이와 관련하여 보는 방향에 대한 각 하에서 레이저 빔을 방출하는 것이 유리하다. 보는 방향에 대해 공간적으로 분리된 그러나 그에 평행한 레이저 빔에 비해, 보는 방향에 대한 빔의 각도는 레이저 디바이스의 수직 변위(vertical displacement)의 함수로서 이미지 내의 레이저 스폿의 더 큰 변위를 일으킨다.
하나보다 많은, 특히 적어도 3개의 공간적으로 분리된 레이저 빔들이 이용되는 경우에 배향의 결정의 민감도는 상당히 향상되고, 측정의 애매함은 제거될 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 개량에 따르면, 상기 레이저 디바이스는 3개의 공간적으로 분리된 레이저 빔들을 발생시키도록 되어 있고, 상기 3개의 레이저 빔들은 상기 기준면 상에 3개의 레이저 스폿들을 발생시키고, 상기 스폿들의 2개의 쌍은 상기 기준면을 따라 2개의 상이한 측면 방향들을 따라 분리된다.
특히, 레이저 스폿들 사이의 측면 거리들이 결정될 수 있고, 기준면에 대한 광학 차량 레이저 센서 시스템의 배향이 측면 거리들에 기초하여 계산될 수 있다.
2개의 일치하지 않는 방향들을 따르는 레이저 스폿들의 공간적 분리는 이들 방향들을 따르는 스폿들의 상호 거리들의 변경들을 측정하고 이에 따라 임의 방향의 기울기에 관한 정보를 제공할 수 있게 한다.
자동차, 모터 사이클, 트럭 또는 버스와 같은 로드 차량(road vehicle)의 경우에, 노면은 유리하게 기준면으로서 이용될 수 있다. 데이터 처리 디바이스에 의해 결정된 배향은 센서 시스템이 부착되는 차량의 롤 각 및 피치 각을 포함할 수 있다. 롤 각은 전방(forward) 또는 진로(heading) 방향 둘레의 차량의 회전의 각이다. 피치 각은 기준면, 또는 노면에 평행한 주행(driving) 방향에 수직으로 축 둘레의 회전의 각이다.
각도에 대해 이들 각들을 계산하는 것은 필요하지 않다. 오히려, 이들 각들을 표현하는 수들이 계산될 수 있다. 따라서, 각들 대신에, 그와 등가인 파라미터들이 데이터 처리 디바이스에 의해 결정될 수 있다. 바람직하게는, 모든 이들 각, 또는 등가의 파라미터들은 각각 차량 동역학에 대한 상세 정보를 제공하기 위해 결정된다. 또한, 슬립각(요각(yaw angle)이라고도 함)도 결정될 수 있다. 이 각은 노면, 또는 기준면에 대해 각각 수직으로 축 둘레의 회전의 각이다. 이 각은 자체 혼합 진동 주파수들의 측정으로부터 결정된 전방 및 측면 속도들의 비교로부터 도출될 수 있다.
단일 레이저 빔을 이용하는 실시예와 유사하게, 레이저 빔들 중 적어도 하나가 기준면 법선(reference surface normal)에 대한 각 하에서 기준면에 충돌하는 경우에, 레이저 스폿들의 거리들의 변동은 유리하게 향상될 수 있다. 따라서, 3개의 레이저 빔들 중 적어도 2개가 이들 빔들이 평행하지 않도록 상이한 각들 하에서 방출되는 경우에 유리하다.
기준면에 대한 속도의 검출을 위한 다양한 검출 원리들이 존재한다. 예를 들어, 검출은 비행 시간 측정(time-of-flight measurement)에 기초할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 검출은 자체 혼합 레이저 전력 진동들의 측정에 기초할 수 있다. 레이저 광의 일부가 광학 경로를 따라 캐비티(cavity)로 후방 산란 또는 반사된 경우, 후방 반사광(back-reflected light)과 캐비티에 발생된 광의 간섭성 중첩(coherent superposition)은 강도 진동들을 일으킨다. 이 원리를 이용하는 특정 정확한 측정은 도플러 속도계(Doppler velocimetry)를 이용하여 수행될 수 있다.
이러한 목적을 위해, 단일 레이저 빔 또는 다수의 레이저 빔들 중 적어도 하나는 속도 방향을 따라 컴포넌트를 갖는 방향을 갖는다. 이것은 그의 방향이 기준면의 수직에 대한 각도를 포함하는 빔을 이용함으로써 쉽게 충족될 수 있다. 도플러 효과가 그 다음에 반사된 레이저 빔에 시변 위상 시프트(time varying phase shift)를 도입한다. 속도가 일정하면, 이 위상 시프트는 레이저 강도를 주기적으로 변하게 한다. 이 진동의 주파수는 속도에 정비례한다. 따라서, 본 발명의 개량에 따르면, 상기 기준면으로 상대적으로 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 속도를 검출하기 위한 상기 검출기는 자체 혼합 레이저 강도 진동(self-mixing laser intensity oscillation)을 검출하기 위한 검출기 및 상기 진동의 주파수 또는 주기를 결정하기 위한 회로를 포함한다.
레이저 강도는 검출기로서 모니터 포토다이오드를 이용하여 측정될 수 있다. 또한, 레이저 캐비티에 걸친 전압 또는 레이저 전류의 변동들을 각각 측정하는 것이 실현 가능하다.
빔들은 레이저 빔을 분할함으로써 발생될 수 있다. 그러나, 각각의 빔에 대해 하나씩, 3개의 레이저 다이오드들을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 이것은, 자체 혼합 진동들이 각각의 빔에 대해 별개로 결정될 수 있기 때문에, 자체 혼합 도플러 속도계를 이용하여 움직임의 컴포넌트들을 분리하는 것이 유리하다.
또한, 바람직한 타입의 레이저 다이오드들은 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser) 다이오드들(VCSELs)이다. 이들 타입의 레이저 다이오드들은 일반적으로 에지 발광 레이저 다이오드들에 비해 더 명확한 빔 프로파일들을 갖는 빔들을 생성한다. 또한, VCSEL들은 단일 레이저 다이오드에 대해 생산 비용들을 상당히 증가시키지 않고 단일 칩 상의 레이저 다이오드 어레이들로서 쉽게 생산될 수 있다. 따라서, 본 발명의 개량에 따르면, 레이저 디바이스는 그 위에 3개의 VCSEL 메사들을 갖는 칩을 포함한다. 본 발명의 디바이스는 다중 빔들을 이용하기 때문에, 이러한 VCSEL 레이저 다이오드들의 어레이는 특히 레이저 디바이스에 적절하다.
또한, 근적외선 발광 레이저 다이오드들, 즉, 적어도 800나노미터의 파장에서 발광하는 레이저 다이오드들을 이용하는 것이 유리하다. 0.86㎛ 근처의 파장의 통상적인 근적외선 VCSEL 레이저 광은 인간의 눈에 비가시적이지만, 그것은 그럼에도 불구하고 스펙트럼 응답 범위가 1㎛까지 도달하는 종래의 CCD 및 CMOS 카메라들에 의해 쉽게 검출될 수 있다. 빔이 노면에 향해질 때, 개별 레이저 스폿들은 높은 주변광의 존재에서조차 강한 콘트라스트로 촬영될 수 있다. 따라서, 본 발명의 개량에 따르면, 레이저 디바이스는 800 내지 1000 나노미터의 파장을 갖는 레이저 빔들을 발생시킨다.
속도 센서, 또는 속도를 검출하기 위한 검출기와 각각 결합하여, 차량의 대지 속도 측정의 정확성 및 신뢰성이 둘다 크게 향상될 수 있다. 일단 차량들의 피치 및 롤 각들이 본 발명의 다중 스폿 레이저 이미징 시스템으로부터 알려지면, 차량 동역학에 의해 유도된 속도 센서의 시스템적 에러가 그에 따라 보정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 개량에 따르면, 상기 데이터 처리 디바이스는 피치 각 및 롤 각을 계산하고 상기 피치 각 및 롤 각에 기초하여 상기 검출기에 의해 측정된 속도를 보정하도록 설정된다.
슬립각이 전방 및 측면 속도의 비교에 의해 결정될 수 있고, 결정된 롤 및 피치 각들에 기초하여 보정될 수 있다.
레이저 빔들이 각을 포함하는 경우, 취득된 이미지 내의 스폿들의 절대 위치뿐만 아니라 그들의 상호 거리들은 기준면에 대한 레이저 디바이스의 거리에 따라 변한다. 이 경우, 기준면에 대한 레이저 디바이스의 거리는 따라서 스폿들의 상호 거리 또는 간격으로부터 데이터 처리 디바이스에 의해 계산될 수 있다. 스폿 위치가 또한 변함에 따라, 노면에 대한 거리도 레이저 스폿의 위치로부터 결정될 수 있다.
또한, 레이저 다이오드들의 고장, 센서의 출구 창에 대한 오염들, 아웃 오브 포커스 감지 빔 및 낮은 반사도 길의 존재가 별개의 VCSEL 초점 스폿들의 콘트라스트비의 변경들을 모니터함으로써 드러날 수 있다.
시스템의 정확성은 광학 차량 레이저 센서 시스템이 제1 레이저 디바이스에 측면으로 오프셋된 제2 또는 추가의 레이저 디바이스를 포함하는 경우에 훨씬 더 향상될 수 있다. 차량의 전방 주행 방향과 같은 특정 전방 방향이 존재하는 경우, 이와 관련하여 레이저 디바이스들이 이 전방 방향을 따라 또한 전방 방향에 횡단으로 이격되는 경우 또한 유리하다. 카메라들이 기준면 근처에 배치될 수 있도록 레이저 디바이스들 둘다에 대해 별개의 이미지 센서들 또는 카메라들을 제공하는 것이 바람직하다. 기준면에 대한 레이저 디바이스의 거리의 측정은 특히 민감하다. 롤 각과 피치 각 둘다의 경우에서와 같이, 기준면에 대한 레이저 디바이스들의 거리들은 변하고, 이 각들은 측정된 거리들로부터 데이터 처리 디바이스에 의해 계산될 수 있다.
일반적으로, 레이저들은 레이저 스폿 위치들을 분명하게 검출하기 위해 기록된 이미지들에 충분한 콘트라스트를 제공하기 위해 충분히 강렬하다. 그러나, 콘트라스트는 배경광을 억제함으로써 더 향상될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 레이저 광을 투과하는 바람직하게 좁은 밴드패스 필터가 배경광을 차단하기 위해 매트릭스 센서의 상류에 배열된다. 바람직하게는, 필터의 최대 투과는 레이저 파장에 또는 그 근처에 있도록 선택된다.
추가의 대안적인 또는 부가적인 실시예들에 따르면, 레이저 다이오드는 펄스형 모드(예를 들어, 구형파)에서 동작되고, 시간적으로 동기화된 이미징은 레이저 스폿들의 콘트라스트비를 더 향상시킨다. 특히, 레이저 디바이스를 위한 펄스형 전원이 레이저 빔들을 펄스화하기 위해 제공된다. 이미징 디바이스는 이미지들이 펄스 중에 그리고 2개의 펄스들 사이에 취득되도록 펄스형 전원과 동기화된다. 배경 신호를 억제하기 위해, 데이터 처리 유닛은 간단하게 이미지들을 뺄 수 있다.
도 1은 CCD 카메라 및 CMOS 카메라의 스펙트럼 응답 곡선을 도시한 도면.
도 2는 노면 상의 레이저 스폿들의 이미지를 도시한 도면.
도 3은 광학 차량 레이저 센서 시스템의 실시예를 도시한 도면.
도 4는 2개의 공간적으로 분리된 레이저 디바이스들을 갖는 추가의 실시예를 도시한 도면.
도 5는 레이저 빔의 배향을 도시한 도면.
도 6은 광학 차량 레이저 센서 시스템의 추가의 실시예를 도시한 도면.
본 발명에 따른 차량 동역학 파라미터들의 검출을 위한 광학 차량 레이저 센서 시스템은 노면 상에 3개의 측면으로 분리된 레이저 스폿들이 생기도록 노면으로 향하는 3개의 공간적으로 분리된 레이저 빔들을 발생시키는 레이저 디바이스에 기초한다. 매트릭스 센서를 갖는 이미징 디바이스가 레이저 스폿들을 촬영한다. 차량의 속도는 도플러 유도된 자체 혼합 레이저 강도 진동들로부터 결정된다. 레이저 센서 시스템은 또한 촬영된 레이저 스폿들 사이의 측면 거리들을 계산하고 노면에 대한 광학 차량 레이저 센서 시스템의 배향, 또는 길에 대한 차량의 배향을 각각 결정하기 위한 데이터 처리 디바이스를 포함한다.
800 내지 1000나노미터 파장의 적외선 스펙트럼 범위에서 발광하는 VCSEL은 특히 레이저 다이오드로서 바람직하다. 자체 혼합 대지 속도 센서들의 VCSEL 빔들은 이 경우에 인간의 눈에 비가시적이지만, 그것들은 그럼에도 불구하고 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 종래의 CCD 또는 CMOS 카메라로 쉽게 촬영될 수 있다. 점선은 CMOS 센서의 스펙트럼 응답을 도시하고, 연속 선은 CCD 센서의 스펙트럼 응답이다. 도 1에 표시된 바와 같이, 근적외선 VCSEL의 통상적인 파장(예를 들어, 수직 대시 선(dashed vertical line)에 의해 표시된, 0.86㎛)은 CCD 및 CMOS 센서들 둘다의 스펙트럼 응답 범위들 내에 있다.
예시적인 실시예로서 레이저 디바이스의 모든 VCSEL들이 약 0.02의 개구수(numerical aperture)로 노면에 포커싱된다고 가정하면, 노면에서의 VCSEL 포커스의 반지름은 약 26㎛이다. 통상적인 VCSEL로부터의 오직 1mW의 광학 전력이 4.7MW/m2의 노면에서 전력 밀도를 생성할 수 있다. 반대로, 햇빛이 완전히 드는 최대 조사(maximum irradiation of full sun)는 오직 1kW/m2이다. 따라서, 심지어 높은 주변광의 존재에서, VCSEL 포커스 스폿의 휘도는 배경의 것보다 적어도 3 자릿수 더 높다. 따라서, VCSEL 포커스 스폿들은 저비용 CCD 또는 CMOS 카메라들로도 매우 높은 콘트라스트를 갖고 시각화될 수 있고, 이것은 저비용 매트릭스 카메라로 촬영된 길 상의 3개의 레이저 스폿들(10, 11, 12)의 컬러 역 이미지(color inverted image)를 도시하는 도 2에서 검증된다.
도 3은 광학 차량 레이저 센서 시스템(1)의 제1 실시예를 도시한다. 레이저 디바이스(3)는 노면(2) 위의 거리 Z에 차량에 부착된다. 레이저 디바이스는 3개의 측면으로 분리된 레이저 빔들(30, 31, 32)을 발광한다. 레이저 빔들은 빔들(30, 31)과 빔들(31, 32) 사이에 둘다 각이 포함되도록 평행하지 않게 발광된다. 이 각들로 인해, 촬영된 스폿 위치들뿐만 아니라 그들의 상호 거리들은 레이저 디바이스가 노면(2)에 대해 경사지거나 거리 Z를 따라 거기에 수직으로 이동되는 경우에 변한다.
또한, 레이저 빔들이 노면(2)에 경사각으로 부딪힐 때, 노면을 따르는 측면 방향으로의 움직임에 대한 도플러 유도된 위상 시프트들은 레이저 다이오드들의 레이저 강도가 자체 혼합 진동들을 추출하고 그로부터 차량 속도를 결정하기 위해 평가될 수 있도록 반사광으로 유도된다.
노면(2) 상의 레이저 스폿들이 카메라의 시계(40) 내에 있도록 레이저 빔들(30, 31, 32) 근처에 카메라(4)가 배치된다.
예를 들어, 차량이 그의 주 진로(heading) 방향 또는 전방 방향(13)에 대해 경사진 경우, 빔들(31 및 32)의 스폿들 사이의 거리 ΔY는 변할 것이다. 이 방향에 관한 회전의 각을 롤 각 θ이라고 한다. 다른 한편으로, 방향(13)에 수직이고 노면(2)에 평행하게 연장하는 축(14)에 관한 차체의 경사가 레이저 빔들(30 및 31)의 스폿들의 위치 및 상호 측면 거리를 변경한다. 이 축(14)에 관한 회전의 각을 피치 각이라고 한다.
노면(2)에 대한 레이저 디바이스의 거리가 감소하면, 모든 스폿들 사이의 상호 거리들도 감소할 것이고, 그 반대일 수도 있다. 따라서, 길에 대한 거리는 레이저 스폿들의 상호 거리들 ΔX 및 ΔY로부터 또한 계산될 수 있다.
광학 차량 레이저 센서 시스템의 추가의 실시예의 구성이 도 4에 예시된다. 이 실시예에 따르면, 제1 레이저 디바이스(3) 및 제2 레이저 디바이스(5)가 이용되고, 이것들은 차량에서 2개의 상이한 위치에서 측면으로 오프셋되어 배열된다. 별개의 카메라(4, 6)가 각각의 레이저 디바이스(3, 5)에 대해 제공된다. 구체적으로, 레이저 디바이스(3, 5)는 거리 b에 의해 전방 방향(13)을 따라 그리고 거리 a에 의해 축(14)을 따라 거기에 횡단으로 이격된다.
레이저 빔들(30, 31) 및 (50, 51) 사이의 VCSEL 포커스 스폿 간격들 ΔX는 노면(2)에 대한 각각의 레이저 디바이스들(3, 5)의 높이에 비례한다.
Figure 112011094879126-pct00001
여기서, Z0 및 ΔX0은 정지한 비-적재된(non-loaded) 차량에서 VCSEL들의 부착 높이 및 노면에서의 대응하는 VCSEL 포커스 스폿 간격들을 각각 표시한다. 차량 동역학의 존재에서의 실제 레이저 스폿 간격들은 ΔX'1 및 ΔX'2로서 표시된다. 피치/롤 및/또는 적재에 의해 유도된 레이저 디바이스들(3, 5)의 높이의 변경은 ΔZ1 및 ΔZ2로서 표시된다. 15㎝의 샤시 높이(Z0)를 갖는 통상적인 4.5m 길이 차량을 고려하면, 1도의 피치 각은 4㎝의 높이 변경 ΔZ를 생성할 수 있고, 이것은 ΔX의 26% 상대 변경에 대응한다. 따라서, 예를 들어, 오직 10K 픽셀과 같은 20000 픽셀보다 적은 픽셀을 갖는 저비용 CCD 또는 CMOS 카메라가 많은 애플리케이션들을 위해 충분할 것이다.
도 6의 다른 실시예에 도시된 바와 같이, 차량 높이의 변경 ΔZ은 또한 CMOS 또는 CCD 카메라(4)에 의해 캡처되는 레이저 스폿 위치로부터 도출될 수 있다.
레이저 빔은 노면 법선에 대해 경사각으로 노면에 충돌한다. 이것은 다음 수학식에 의해 표현될 수 있는 높이 시프트 ΔZ에 의존하는 레이저 스폿(12)의 위치의 시프트를 일으킨다.
Figure 112011094879126-pct00002
이 관계식에서, ΔY0은 레이저 대지 속도 센서(3)와 카메라 시스템(4) 사이의 간격을 표시한다. ΔY는 카메라(4)의 중심 광학 축(41)과 레이저 스폿(12) 사이의 거리를 표시한다. 간단함을 위해, 적재되지 않은, 정지 차량에 부착되는 센서(3)의 레이저 빔은 노면에서 포커싱되고 카메라(4)의 중심 광학 축을 가로지른다. 따라서, 차량 동역학 파라미터들은 이미 단일 레이저 빔을 모니터함으로써 취득될 수 있다. 레이저 빔은 또한 x-방향의 컴포넌트를 갖는 경우,
물론, 그들의 상호 거리의 상대 측정에 부가하여 또는 그에 대안적으로 레이저 스폿 위치 시프트들의 모니터링은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 다중 빔 디바이스에도 적용될 수 있다. 또한, 위치의 시프트는 레이저 빔(30)과 카메라(4)의 광학 축이 일치하지 않지만 평행한 경우에조차 관측된다. 이것은 카메라의 배율 상수(magnification factor)가 거리에 의존한다는 사실에 기인한다.
도 4에 도시된 바와 같이 2개의 레이저 디바이스들(3, 5)을 이용하는 배열에서, 차량들의 피치(Ψ) 및 롤(θ) 각들은 레이저 디바이스들의 상이한 위치들에서 VCSEL 부착 높이의 변경(ΔZ)으로부터 도출될 수 있다.
Figure 112011094879126-pct00003
따라서, 차량 동역학을 특징화하기 위해 관성 또는 각도 센서를 활용하는 대신에, 다중 빔 레이저 이미징 시스템은 차량들의 피치/롤 움직임 및 적재 상태들을 모니터하기 위해 효과적인 대안을 제공한다. 특히, 레이저 대지 속도 센서와 결합하여, 차량의 대지 속도 및 슬립각 측정의 정확성 및 신뢰성은 다음에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 현저하게 향상될 수 있다. 대지 속도 및 슬립각 측정의 정확성을 향상시키기 위한 목적으로, 데이터 처리 디바이스는 전술한 바와 같이 피치 각 및 롤 각을 계산하고, 그 다음에 계산된 피치 각 및 롤 각에 기초하여 검출기에 의해 측정된 속도들(즉, 속도 벡터의 값들)을 보정한다.
차량의 대지 속도 또는 속도 벡터 V0=(Vx, Vy, Vz)는 도플러 주파수 벡터 (f1, f2, f3)로부터 도출, 예를 들어, 각각의 VCSEL에 통합되는 포토다이오드에 의해 측정된다. 주파수들 f1, f2, f3은 각각의 레이저 강도들의 자체 혼합 진동들의 주파수들이다. 주파수들 f1, f2, f3 및 속도들 Vx, Vy, Vz(즉, 속도 벡터의 데카르트 컴포넌트들(cartesian components))의 관계는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112011094879126-pct00004
이 매트릭스 수학식에서, 각들 θ1, θ2, θ3은 노면의 수직에 대해 측정된 3개의 레이저 빔들의 편각들을 표시한다. 각들 φ1, φ2, φ3은 전방 방향(13)에 수직인 방향(14)에 대해 측정된 빔들의 방위각들을 표시한다. 전방 방향(13) 및 방향(14)에 대한 이들 각들의 배향은 레이저 빔들 중 하나(즉, 빔(30))에 대해 도 5에 도시된다.
차량 동역학의 존재에서, 측정된 속도 벡터 V=(Vx, Vy, Vz)는 수학식 V0=MR -1V에 따라 참 차량 대지 속도 V0=(Vx0, Vy0, Vz0)를 도출하기 위해 회전 매트릭스 MR로 보정될 수 있고, 여기서 MR은 아래 매트릭스이다.
Figure 112011094879126-pct00005
따라서, 보정된 벡터 V0을 취득하기 위해, 측정된 벡터는 매트릭스 MR의 역과 곱해진다. 위의 수학식들에서, θ는 롤 각을 표시하고, Ψ는 피치 각을 표시한다. φ는 레이저 디바이스의 기준 배향, 또는 그의 전방 방향과, 차량의 전방 방향 사이의 각을 각각 표시한다. 이 각은 예를 들어, 레이저 디바이스의 부착의 부정확성으로 인해 일어날 수 있다.
각 φ는 캘리브레이션 절차에서 결정될 수 있다. 특히, 다중 빔들이 이용되고 횡단 또는 측면 속도의 결정이 각각의 레이저 다이오드들의 자체 혼합 신호들로부터 취득될 수 있는 경우, 각 φ는 차량이 앞으로 곧장 이동하고 있는 경우에 남아 있는 측면 속도로부터 취득될 수 있다. 이 경우, 각 φ는 관계식 φ=arctan(Vx/Vy)에 따라 계산될 수 있고, 여기서 Vy는 전방 속도(forward speed)를 표시하고, Vx는 횡단 가속(transversal acceleration) 없이 동적 상태(dynamic state)의 횡단 속도(transversal speed)를 표시한다.
대지 속도 이외에, 차량의 보디 슬립각(body slip angle)은 차량 동역학 제어에 관련된 다른 결정적인 파라미터이다. 측정된(β) 및 실제(β0) 차량의 보디 슬립각 사이의 관계는 다음 수학식에 따라 데이터 처리 디바이스에 의해 근사화될 수 있다.
Figure 112011094879126-pct00006
또한, θ는 롤 각을 표시하고, Ψ는 피치 각을 표시하고, φ는 레이저 디바이스의 기준 배향, 또는 그의 전방 방향과, 차량의 전방 방향 사이의 각을 표시한다. Vz0 및 Vy0은 보정된 수직 및 전방 속도들을 표시한다. 이 속도들은 위의 매트릭스 수학식에 따라 보정될 수 있다. 보디 슬립각은 차량의 실제 진로(또는 전방) 방향과 그의 세로 축 사이의 각이다. 이 각은 관계식 β=arctan(Vx/Vy)에 따라 각 φ와 유사하게 측정되고, 여기서 Vy는 전방 속도를 표시하고, Vx는 횡단 속도를 표시한다. 각 φ와 달리, 보디 슬립각은 통상적으로 횡단 가속 중에, 예를 들어, 턴(turn) 주행하는 동안, 각 φ가 레이저 디바이스와 차량의 세로 축의 오정렬(misalignment)로 인해 일어나는 동안, 일어난다. 따라서, 본 발명의 개량에 따르면, 예를 들어, 전방 및 측면 속도들의 비교에 의해 측정된, 측정된 보디 슬립각은 위의 수학식을 이용하여 보정된다.
일단 피치 및 롤 각들이 다중 스폿 레이저 이미징 시스템으로부터 알려지면, SMI 대지 속도 센서의 시스템적 에러는 회적 매트릭스 MR로 보정될 수 있다. 따라서, 대지 속도 및 슬립각의 절대 측정 정확성이 크게 향상될 수 있다.
정확성 향상 이외에, 광학 차량 레이저 센서 시스템은 대지 속도 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 개별 VCSEL의 출력 전력, 각각의 감지 빔의 포커스 품질 및 노면의 반사도는 각각의 VCSEL 초점 스폿들의 휘도 또는 콘트라스트비를 측정함으로써 연속적으로 분석된다.
콘트라스트비의 비정상적 감소는 VCSEL 고장, 아웃 오브 포커스 감지 빔, 센서 출구 창에 대한 심각한 오염들 또는 매우 낮은 반사도 노면의 존재를 나타낼 수 있다. 이러한 이벤트들의 앞선 검출은 특히 차량 안정도 제어(vehicle stability control)를 위해 이용될 수 있고 거친 환경에 직접적으로 노출되는 광학 센서(예를 들어, SMI 대지 속도 센서)에 대해 유리하다.
종래의 관성 또는 각도 센서를 요구하지 않고, VCSEL 기반 다중 빔 레이저 스폿 이미징 시스템은 차량들의 롤, 피치 각 및 적재 상태를 측정할 수 있다. 시스템은 차량 동역학 제어, 전조등 자동 레벨링 및 진보된 현가(suspension) 시스템들을 위해 이용될 수 있다. 특히, 다중 빔 자체 혼합 대지 속도 센서와 결합하여, 차량들의 대지 속도 및 슬립각 측정들의 정확성과 신뢰성이 둘다 크게 향상될 수 있다.

Claims (15)

  1. 차량 동역학 파라미터들의 검출을 위한 광학 차량 레이저 센서 시스템(optical vehicle laser sensor system)으로서,
    레이저 디바이스(3) - 상기 레이저 디바이스(3)는 3개의 공간적으로 분리된 레이저 빔들(30, 31, 32)을 발생시키도록 되어 있고, 상기 3개의 레이저 빔들(30, 31, 32)은 상기 레이저 디바이스(3)에 대향하여 배치된 기준면(2) 상에 3개의 레이저 스폿들(10, 11, 12)을 발생시키고, 상기 스폿들(10, 11, 12)의 2개의 쌍은 상기 기준면(2)을 따라 2개의 상이한 측면 방향들을 따라 분리됨 -;
    상기 기준면(2) 상에 상기 레이저 스폿들(10, 11, 12)을 촬영하기 위한 렌즈를 갖는 적어도 하나의 매트릭스 센서를 포함하는 이미징 디바이스(4) - 상기 이미징 디바이스(4)는 상기 기준면(2) 상의 상기 레이저 스폿들(10, 11, 12)이 상기 이미징 디바이스(4)의 시계(40) 내에서 가시적이도록 배열됨으로써, 상기 이미징 디바이스(4)의 광학 축(41)과 상기 레이저 빔들(30, 31, 32)의 방향이 일치하지 않음(non-coincident) -;
    상기 기준면(2)에 대해, 상기 기준면(2)으로부터 후방 반사 또는 산란된(reflected or scattered back) 상기 레이저 빔(30, 31, 32)의 신호로부터의 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 상대적인 속도를 검출하기 위한 검출기; 및
    상기 이미징 디바이스(4)로부터 검색된 이미지 데이터 내에서 상기 레이저 스폿의 위치들을 검출하고, 상기 스폿의 위치들로부터 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 배향을 계산하기 위한 데이터 처리 디바이스
    를 포함하는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 데이터 처리 디바이스는 상기 레이저 스폿들(10, 11, 12) 사이의 측면 거리들을 결정하고, 상기 측면 거리들에 기초하여 상기 기준면(2)에 대한 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 배향을 결정하도록 되어 있는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 데이터 처리 디바이스는 레이저 스폿의 위치로부터 상기 기준면까지의 상기 레이저 디바이스(3)의 거리 또는 상기 레이저 스폿들(10, 11, 12)의 상호 거리를 계산하도록 되어 있는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 디바이스는 상기 3개의 레이저 빔들(30, 31, 32) 중 적어도 2개를 상이한 각들 하에서(under different angles) 방출하도록 되어 있는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기준면에 대해 상기 광학 차량 레이저 센서 시스템의 상대적인 속도를 검출하기 위한 상기 검출기는 자체 혼합 레이저 강도 진동(self-mixing laser intensity oscillation)을 검출하기 위한 검출기 및 상기 진동의 주파수 또는 주기를 결정하기 위한 회로를 포함하는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 디바이스는 3개의 레이저 다이오드들을 포함하고, 각각의 레이저 다이오드는 상기 3개의 레이저 빔들(30, 31, 32) 중 하나를 발생시키도록 되어 있는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레이저 디바이스(3)는 3개의 수직 공동 표면 발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode)들을 포함하는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이저 디바이스(3)에 대해 측면으로 오프셋된 추가의 레이저 디바이스(5)를 포함하고, 상기 레이저 디바이스들(3, 5)은 전방 방향을 따라 또한 상기 전방 방향에 대해 횡단으로 이격되는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 데이터 처리 디바이스는 상기 기준면(2)에 대해 상기 레이저 디바이스(3)와 상기 추가의 레이저 디바이스(5)의 거리를 결정하고, 상기 거리들로부터 롤 각(roll angle) 및 피치 각(pitch angle)을 계산하도록 되어 있는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 데이터 처리 디바이스는 상기 차량의 피치 각 및 롤 각 중 적어도 하나를 계산하고 상기 피치 각 및 롤 각에 기초하여 상기 검출기에 의해 측정된 속도를 보정하도록 설정되는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 데이터 처리 디바이스는 V0=MR -1V를 계산함으로써 상기 속도를 보정하도록 되어 있고, V0=(Vx0, Vy0, Vz0)는 보정된 속도 벡터를 표시하고, V=(Vx, Vy, Vz)는 측정된 속도 벡터를 표시하고, MR -1은 아래 매트릭스의 역(inverse)이고,
    Figure 112016106185417-pct00007

    여기서, θ는 상기 롤 각을 표시하고, Ψ는 상기 피치 각을 표시하고, φ는 상기 레이저 디바이스의 전방 방향과 상기 차량의 전방 방향 사이의 각을 표시하는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 데이터 처리 디바이스는 아래 수학식에 따라 측정된 보디 슬립각(measured body slip angle) β의 값을 보정하도록 되어 있고,
    Figure 112016106185417-pct00008
    ,
    여기서, β0은 보정된 보디 슬립각을 표시하는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 레이저 디바이스(3)를 위한 펄스형 전원을 더 포함하고, 상기 이미징 디바이스(4)는 하나의 펄스 동안에 그리고 2개의 펄스들 사이에 이미지들이 취득되도록 상기 펄스형 전원과 동기화되도록 되어 있고, 상기 데이터 처리 유닛은 하나의 펄스 동안에 그리고 2개의 펄스들 사이에 취득된 상기 이미지들을 빼도록 되어 있는 광학 차량 레이저 센서 시스템.
  14. 제1항에 따른 광학 차량 레이저 센서 시스템을 포함하는 차량.
  15. 삭제
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