KR102030457B1

KR102030457B1 - 거리 검출 센서 시간 변이 보상 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102030457B1
Application number: KR1020170142694A
Authority: KR
Inventors: 이철승
Original assignee: 현대오트론 주식회사
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-10-10
Also published as: KR20190048135A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 거리 검출 센서 시간왜곡 보상 장치는, 레이저 다이오드로 하여금 적어도 제 1 및 제 2 레이저 광을 송신하도록 제어하며, 스타트 신호 생성부 및 수신 신호 처리부를 포함하는 제어부를 포함하며, 상기 스타트 신호 생성부는 상기 제 1 및 제 2 레이저 광을 거리 검출 센서의 외부를 거치지 않고 수신하여 제 1 및 제 2 스타트 신호를 생성하며, 상기 수신 신호 처리부는 상기 제 1 및 제 2 레이저 광이 외부 물체로부터 각각 반사된 제 1 및 제 2 반사광을 전기적 신호로 변환한 제 1 및 제 2 전기적 신호를 제 1 및 제 2 전압 신호로 변환하는 전압 변환부; 상기 전압 변환부의 제 1 및 제 2 전압 신호를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭된 제 1 및 제 2 전압 신호와 임계값을 비교하여 제 1 스탑 신호 및 제 2 스탑 신호를 생성하는 비교기; 상기 비교기에서 입력 받은 상기 제 1 및 제 2 스타트 신호와 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 거리값을 산출하는 시간-디지털 변환부; 및 상기 제 1 및 제 2 스타트 신호와 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 시간 왜곡의 크기를 연산하고, 상기 연산된 시간 왜곡의 크기에 기초하여 상기 산출된 거리값을 보상하는 시간 왜곡 보상부를 포함하는 디지털 신호 처리부를 포함할 수 있다.

Description

거리 검출 센서 시간 변이 보상 장치 및 방법{An Apparatus And Method For Compensating Time Variation For Distance Detection Sensor}

본 발명은 거리 검출 센서 시간 변이 보상 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라이다(LIDAR) 센서의 수신 신호처리시 발생하는 거리 왜곡을 보상하는 거리 검출 센서 시간 변이 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.

라이다(Light Detection and Ranging: LIDAR)란 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술로써, 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하고, 이를 가시화하는 형태로 발전되어 건설, 국방 등의 분야에 응용되었고, 최근 들어 자율주행자동차 및 이동로봇 등에 적용되면서 핵심 기술로 주목을 받고 있다.

자동차용 라이다는 주행중인 차량이 앞 차와의 충돌을 피하거나 도는 충격을 최소화할 수 있도록 차간거리를 실시간으로 측정하여 경고 또는 차량 자동제어를 할 수 있도록 하는 장치로써 라이다/레이다, 영상센서, 통신 3D 맵 등 자율주행차의 차량거리 센서 시스템의 주요 부품 중 가장 필수적인 부품이다.

차량용 라이다 센서에서 거리 측정을 위해서 일반적으로 시간-디지털 변환기(TDC, Time-to-Digital Converter)를 이용한 거리 검출 회로가 사용되고 있다. 하지만, 기존 거리 검출 회로들의 경우, 레이저 반사광의 신호 감쇄를 직접적으로 감지할 수 없는 한계점이 있다. 따라서, 레이저 반사광이 감쇄에 의하여 크기가 감소될 경우, 내부 구성인 비교기에 설정되어 있는 임계값(threshold)이 변하지 않으므로, 시간적 왜곡(time-walk)이 발생되고, 시간 왜곡에 의해 거리 정보에 대한 왜곡이 발생될 수 있었다.

라이다 기술은 레이저광을 이용하여 거리를 측정하므로 수십 ~ 수 ns 이내의 데이터 수집 및 처리가 요구되는 매우 정밀한 기술이다. 따라서, ns 단위의 작은 시간 연산 오차에 대해서도 실제 거리 측정에서는 상당한 거리 오차로 표현되게 되며, 이러한 거리 오차는 차량 및 운전자의 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있다.

본 발명은 상술한 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따르면, 복수의 레이저 펄스를 송신하고 복수의 레이저 펄스에 대응하는 복수의 반사광 펄스를 수신하여 시간 왜곡의 크기를 직접 감지하고, 감지된 시간 왜곡의 크기에 기초하여 외부 물체와의 거리를 정밀하게 보상하는 거리 검출 센서 시간 변이 보상 장치 및 방법이 제공된다.

이 경우, 상기 시간-디지털 변환부는 시간 지연을 각각 가지는 복수의 버퍼; 상기 복수의 버퍼 각각의 출력과 연결되며 상기 스탑 신호에 기초하여 상기 복수의 버퍼 각각의 출력값을 출력하는 복수의 레지스터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 시간-디지털 변환기는 상기 복수의 버퍼의 입력단에 상기 스타트 신호 생성부의 출력 및 상기 비교기의 출력을 OR 논리 연산하도록 하는 OR 게이트를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 시간 왜곡 보상부는 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간과, 제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 및 제 1 스타트 신호와 제 2 스타트 신호 사이의 간격의 차이로부터 시간 왜곡 값을 산출하고, 산출된 시간 왜곡 값을 보상하여 거리값을 보상할 수 있다.

또한, 상기 디지털 신호 처리부는 온도 보상부를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 거리 검출 센서 시간 왜곡 보상 방법은, 제 1 및 제 2 레이저 광을 송신하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 레이저 광에 각각 기초하여 제 1 및 제 2 스타트 신호를 생성하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 레이저 반사광을 수신하는 단계; 상기 제 1 및 제 2 레이저 반사광에 기초하여 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호를 생성하는 단계; 상기 증폭된 제 1 및 제 2 스타트 신호와 상기 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 거리 신호를 출력하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 스타트 신호, 상기 1 및 제 2 스탑 신호 및 상기 거리 신호에 기초하여 시간 왜곡의 크기를 연산하고 상기 시간 왜곡의 크기에 기초하여 거리값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 거리 신호를 출력하는 단계는, 시간 지연을 각각 가지는 복수의 버퍼; 상기 복수의 버퍼 각각의 출력과 연결되며 상기 스탑 신호에 기초하여 상기 복수의 버퍼 각각의 출력값을 출력하는 복수의 레지스터를 포함하는 시간-디지털 변환기를 통하여 거리 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 거리 신호를 출력하는 단계는 상기 복수의 버퍼의 입력으로 상기 스타트 신호 및 상기 스탑 신호를 OR 논리 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 거리값을 산출하는 단계는 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간과, 제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 및 제 1 스타트 신호와 제 2 스타트 신호 사이의 간격의 차이로부터 시간 왜곡 값을 산출하고, 산출된 시간 왜곡 값을 보상하여 거리값을 보상하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 거리값을 산출하는 단계는 상기 복수의 버퍼의 각각의 지연 시간을 온도에 따라 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 거리 검출 센서 시간왜곡(time walk) 보상 장치 및 방법은 펄스 신호 송신부에서 송신하는 복수의 레이저 펄스에 기초하여 시간 왜곡의 크기를 직접 검출할 수 있다. 또한, 복수의 스타트 펄스 신호 및 복수의 스탑 펄스 신호 간의 시간 왜곡을 제거하여, 스탑 펄스 신호 진폭의 감소로 인해 발생되는 시간 지연에 대한 거리 오차를 줄일 수 있다.

또한, 시간 디지털 변환기에서 상승 엣지만을 검출하여 시간 왜곡을 계산하기 때문에, 회로의 크기가 감소될 수 있으며, 이로 인해 회로 구성에 대한 비용이 감소할 수 있다. 물론 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거리 검출 센서 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시간왜곡(time walk) 보상장치에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TDC(Time-to-Digital Converter)의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시간 왜곡 연산 방법을 설명하기 위한 펄스 신호를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 TDC 출력을 나타낸 도면이다.
도 6는 거리 검출 센서 시스템의 TOF(Time OF Flight)를 검출하는 방법을 설명하기 위한 펄스신호를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스타트 신호 생성부에 대한 블록도이다.
도 8은 종래 기술의 시간왜곡의 발생을 설명하기 위한 펄스신호를 나타낸 도면이다.
도 9는 종래 기술의 상승 엣지 검출부 회로도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거리 검출 센서 시스템(200)을 나타낸 블록도이다.

거리 검출 센서 시스템(200)은 제어부(100), 레이저 다이오드(210), 레이저 다이오드 구동부(220), 광학부(230), 스타트 신호 포토 다이오드(240), 및 수신 포토 다이오드(250)를 포함한다.

제어부(100)는 스타트 신호 처리부(180) 및 수신 신호 처리부(190)를 포함하며, 거리 검출 센서 시스템(200)의 전체적인 제어 및 거리 연산을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 제어부(100)는 레이저 광 펄스를 연속해서 복수 회, 예컨대, 2회 이상 송신하도록 구성된다. (설명의 편의를 위하여, 제 1 레이저 광 및 제 2 레이저 광을 송신한다고 가정한다.) 따라서, 복수의 레이저 광 사이의 간격과 수신된 레이저 반사광 신호의 간격의 차이를 측정하여 시간 왜곡을 연산할 수 있도록 할 수 있다.

종래의 라이다 센서에서는 레이저 광 펄스를 연속으로 송신하도록 제어하지 않으므로, 시간 왜곡의 크기를 연산하는 것이 어려웠으나, 본 발명의 실시예에 따르면 연속된 레이저 광 펄스 송신을 통하여 시간 왜곡의 연산이 가능하다. 본 발명의 실시예에 따른 제어부(100)의 상세 구성인 스타트 신호 처리부(180) 및 수신 신호 처리부(190)는 도 3 및 도 7에 대한 설명에서 상세히 후술하기로 한다.

레이저 다이오드(210)는 제어부(100) 및 레이저 다이오드 구동부(220)의 제어에 따라 거리 검출을 위한 레이저 광을 송신할 수 있다.

레이저 다이오드 구동부(220)는 제어부(100)의 제어 하에 레이저 다이오드(210)에 레이저 다이오드 구동 전류를 출력한다. 일반적으로 제어부(100)는 소전류를 출력하지만, 레이저 다이오드(210)가 먼 거리까지 레이저 광을 송신하기 위해서는 출력 신호를 높여야 하고 상당한 구동 전류가 필요하다.

따라서, 거리 검출 센서 시스템은 통상적으로 제어부(100) 외 별도의 레이저 다이오드 구동부(220)를 탑재하여 필요한 구동 전류를 레이저 다이오드에 공급할 수 있다.

광학부(230)는 시야각 확보 및 정밀한 각 해상도 확보를 위해 레이저 발광 분포 균일화, 빔 정형 비율, 수광시 빔의 집광력 등 광학적 특성을 고려한 광학 렌즈(232, 238), 거울(234, 236), 프리즘(미도시) 등을 포함할 수 있다. 이 경우, 광학부(230)의 거울(234, 236)은 거리 연산의 출발점이 되는 스타트 신호를 생성하기 위하여 스타트 신호 포토 다이오드(240)를 포함할 수 있으며, 스타트 신호 생성부(180)에 레이저 다이오드(210)에서 송신한 레이저 광을 거리 검출 센서 시스템(200)의 외부를 거치지 않고 바로 수신할 수 있도록 구성된다.

스타트 신호 포토 다이오드(240)는 광학부를 거쳐서 레이저 다이오드(210)에서 송신한 레이저 광을 거리 검출 센서 시스템(200)의 외부를 거치지 않고 바로 수신하고, 수신된 레이저 광을 전기적 신호로 변환하여 스타트 신호 생성부(180)에 송신한다. 이 때, 스타트 신호 포토 다이오드(240)는 레이저 다이오드(210)와 함께 패키징되어 구성될 수도 있다.

한편, 도 7을 참조하면, 스타트 신호 생성부(180)는 스타트 신호 포토 다이오드(240)에서 생성한 전기적 신호를 수신하여 전압 변환부(810), 및 증폭기(820)를 거쳐 스타트 펄스를 생성하고, 비교기(830)를 거쳐 스타트 신호(START)를 생성한다.

이 경우, 전압 변환부(810)는 예컨대, 트랜스임피던스 증폭기(TIA, Trans-Impedance Amplifier), 증폭기는 예컨대, 프로그래머블 게인 증폭기(PGA, Programmable Gain Amplifier)으로 구성할 수 있다.

통상적으로 스타트 신호 포토 다이오드(240)를 통해 스타트 신호 생성부(180)로 인가되는 전기적 신호는 거리 검출 센서 시스템의 외부를 거치지 않고 바로 입력되므로 상당히 큰 레이저 펄스 신호를 전기적 펄스 신호로 변환한 것이므로 거리 왜곡(time-walk)이 잘 발생하지 않는다. 생성된 스타트 신호(START)는 수신 신호 처리 장치의 시간-디지털 변환기(TDC, Time-to-Digital Converter, 140)로 입력된다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스타트 신호(START)는 제 1 스타트 신호(415) 및 제 2 스타트 신호(417)를 가지게 된다. 제 1 스타트 신호(415)와 제 2 스타트 신호(417)는 td의 간격을 가지게 된다. 따라서, 레이저 반사광 신호는 이상적인 경우에 즉, 시간 왜곡이 없는 경우에는 시간 간격 td로 복수의 펄스가 입력되어야 한다. 그러나 시간 왜곡이 발생하게 되면 시간 간격 td 에서 벗어난 간격으로 레이저 반사광 신호가 입력되는 것처럼 연산되게 된다.

다시, 도 1을 참조하면, 수신 신호 포토 다이오드(250)는 광학부(230)를 통해 외부 물체(270)로부터 반사된 레이저 펄스 반사광을 수신한다. 이 경우, 외부 물체(270)로부터 반사된 레이저 펄스 반사광은 상당한 거리를 거쳐 수신되기 때문에 상당량이 감쇄되어 수신 신호 포토 다이오드(250)에 도달하게 된다. 수신 신호 포토 다이오드(250)는 수신된 레이저 펄스 반사광을 전기적 신호로 변환하여 제어부(100)의 수신 신호 처리부(190)에 출력할 수 있다.

이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수신 신호 처리부(190)의 구성에 대하여 설명한다.

도 2에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 수신 신호 처리부(190)는 전압 변환부(110), 증폭기(120), 비교기(130), 시간-디지털 변환기(TDC, 140), 디지털 신호 처리부(150) 및 온도 센서(160)을 포함한다.

전압 변환부(110)는 수신 신호 포토 다이오드(250)에서 수신한 복수의 레이저 반사광의 전기적 신호(센서 신호)를 전압 신호로 변환한다. 전압 변환부(110)는 예컨대, 전류-전압 변환기(Current-to-Voltage Converter)로서 TIA(Trans-impedance amplifier)가 사용될 수 있다.

변환된 전압 신호는 증폭기(120)을 통하여 비교기(130) 및 시간-디지털 변환기(140)의 입력 전압 레벨에 적합하도록 증폭될 수 있다. 이 경우, 증폭기(120)는 PGA(Programmable Gain Amplifier)가 사용될 수 있다.

증폭기(120)의 출력단에서 출력한 복수의 레이저 반사광의 전압 신호(425, 427)는 도 4에 나타낸 바와 같이 감쇄되어 나타난다. 이 경우, 상술한 전압 신호(425, 427)는 레이저 다이오드(210)에서 출력된 레이저 광이 광학부(230)를 거쳐 외부 물체(270)에서 반사되어 오는 사이 감쇄가 일어나기 때문이다.

다시 도 2를 참조하면, 증폭기(120)를 통과한 신호는 비교기(130)에 인가되며, 비교기(130)는 증폭기(120)를 통해 증폭된 복수의 전압 신호를 임계 전압(Threshold 전압)과 비교하여, 임계 전압 이상일 경우, 스탑(STOP) 펄스 신호를 생성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 제어부(100)가 연속된 복수의 펄스를 송신하였으므로, 증폭기(120) 및 비교기(130)를 통과한 스탑(STOP) 신호도 복수 개가 된다. 설명의 간략화를 위하여 증폭기를 통과한 복수의 스탑 신호가 제 1 스탑 신호 및 제 2 스탑 신호를 가진다고 가정하고 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이, 증폭기(120)를 통과한 복수의 전압 신호에 기초한 제 1 스탑 신호(435) 및 제 2 스탑 신호(437)는 레이저 반사광이 도달되는 경로에서 발생한 감쇄에 따라 도 4에 나타낸 바와 같이 비교기(130)를 통과하면서 Δtr 만큼의 시간 왜곡이 발생할 수 있다. 그리고, 최초 펄스 길이를 tp라 하면, Δtr 만큼이 시간 왜곡으로 인하여 펄스의 길이가 Δtp로 감소하게 된다.

시간-디지털 변환기(140)는 비교기(130)를 통과한 신호를 수신하고 TOF(Time Of Flight)를 연산을 위한 인코딩된 스타트 신호 및 스탑 신호를 시간-디지털 변환기(140)의 출력으로서 생성하게 된다.

본 발명의 시간-디지털 변환기(140)는 스타트 신호뿐 아니라 스탑 신호도 인코딩될 수 있도록 구성된다. 기존의 거리 검출 센서의 시간-디지털 변환기는 스탑 신호를 인코딩하지 않기 때문에 스탑 신호에 존재하는 거리 왜곡을 알 수 없었다.

도 3 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 시간-디지털 변환기(140)를 구체적으로 살펴보면, 시간-디지털 변환기(140)는 OR 게이트(300), 복수의 버퍼(310, 312, 313, 314) 및 복수의 레지스터(320, 322, 323)를 포함하며, 스타트 신호(START) 및 스탑 신호(STOP)를 인코딩하도록 구성된다. 여기서 도 5의 신호(510, 520, 530)들은 각각 시점 t0, t1 및 t2 시점에서 인코딩된 시간(거리) 신호들이다.

OR 게이트(300)는 입력으로 스타트 신호(START) 및 스탑 신호(STOP)를 인가 받아 OR 논리 연산을 수행한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 시간-디지털 변환기(140)는 OR 게이트(300)에 의하여 스타트 신호(START) 및 스탑 신호(STOP)를 인코딩할 수 있다.

종래 기술의 경우(도 8 및 도 9 참조)에는 본 발명의 OR 게이트(300)와 같은 구성이 없었으며, 시간-디지털 변환기(140)는 스타트 신호(START)만을 입력으로 받아서 스탑 신호(STOP)가 인가되었을 때의 각 버퍼의 출력 값을 시간-디지털 변환기(140)의 출력으로 출력했다. 따라서, 스탑 신호(STOP)의 시간 왜곡 여부 및 시간 왜곡 정보에 대하여 알 수가 없었다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 복수의 버퍼(B1 ~ Bn)는 입력으로 인가된 전압을 출력으로 그대로 출력할 수 있다. 단, 복수의 버퍼는 각각 지연시간(τ1 ~ τn)을 포함한다. 따라서, 각 버퍼의 지연시간이 동일하다고 가정하면(τ1 = τ2 = … = τn-1 =τn), 입력부에 인가된 전압은 kⅹτ1 초 후에는 k번째 버퍼까지 신호가 이동하게 된다.(단, 1≤k≤n)

복수의 레지스터(320, 322, 323)는 예를 들어, 상승 엣지(Rising edge)에서 출력값이 변하는 라이징 엣지 트리거드(rising edge triggered) D-플립플롭(D-flip flop)으로 구현되며, 클럭부(325)의 입력으로 스탑 신호(STOP)가 입력되며, 입력(D)에는 복수의 버퍼(B1 ~ Bn)의 각각의 출력부가 연결된다.

이 경우, 복수의 레지스터(320, 322, 323)는 복수의 버퍼(B1 ~ Bn)를 통하여 이동하고 있는 신호를 스탑 신호(STOP)가 시작되는 상승 엣지가 인가될 때에 출력부(Q)로 출력하게 된다.

도 5를 참조하면, 최초 스타트 신호(415)가 인가되는 시점(t0) 이전에는 복수의 레지스터(320, 322, 323)의 출력 신호(510)가 예를 들어, “0”을 출력하고 있다고 가정한다.

이 때, 최초 스타트 신호(415)가 인가되면 복수의 버퍼(B1 ~ Bn)를 통하여 “1” 신호가 인가되면서 계속 이동하게 된다. 따라서, 최초의 제 1 스탑 신호(435)가 인가되는 시점(t1)에는 복수의 레지스터(320, 322, 323)의 출력 신호(520)과 같이 스타트 신호(START)를 포함하는 신호가 생성된다.

그리고, 제 2 스탑 신호(437)가 인가되는 시점에는 스타트 신호(START) 및 제 1 스탑 신호(435)를 포함하는 포함하는 신호가 복수의 레지스터(320, 322, 323)의 출력 신호(530)로 출력된다.

이 경우, 제 1 스탑 신호(435)는 스타트 신호(START)와 동일하게 예를 들어, 4 비트의 “1” 신호가 인가되어야 하지만, 감쇄로 인한 시간 왜곡으로 인하여 도 5에 나타낸 바와 같이 3비트의 “1” 신호만이 인가될 수 있다. 이 경우, 후술할 디지털 신호 처리부(150)에서 시간 왜곡을 보상할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 신호 처리부(150)는 예를 들어, DSP(Digital Signal Processor) 등으로 구현되며, 온도 보상부(155) 및 시간 왜곡(Time-walk) 보상부(157)를 포함할 수 있다. 온도 보상부(155)는 온도 센서(160)의 센싱된 온도값에 기초하여 시간-디지털 변환기(140) 내부 버퍼의 지연 값의 변화에 따른 시간 오차를 연산할 수 있다.

시간 왜곡(Time-walk) 보상부(157)는 시간-디지털 변환기(140)의 출력 값에 기초하여 시간 왜곡을 연산하는 기능을 수행하며, 본 발명의 중요한 특징 중 하나이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제 1 스탑 신호(435) 및 제 2 스탑 신호(437)를 살펴보면, 시간 t2에서 제 1 스탑 신호(435)는 정상적으로는 제 1 스타트 신호(415)와 동일한 폭인‘1111’이 출력되어야 하지만, 시간 왜곡이 발생되어 ‘111’만 출력된 것을 알 수 있다.

시간 왜곡(Time-walk) 보상부(157)는 다음과 같은 연산을 통하여 시간 왜곡 발생을 보상할 수 있다.

(수학식 1)

여기서, TOF는 레이저 광 송신 후, 외부 물체에 반사되어 레이저 반사광을 수신한 시간, t0은 레이저 광 송신 시간, t1은 제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간, t2는 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간, Δtp는 제 1 스탑 신호의 펄스 폭, Δtd는 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 - (제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 + 상기 제 1 스타트 신호의 폭(tp)), tp는 제 1 스타트 신호의 펄스 폭, Δtf는 제 1 스탑 신호의 폴링 엣지(falling edge) 발생 시간과 실제 레이저 반사광의 전기적 신호를 증폭한 신호가 0V가 되는 시간과의 차이를 의미한다.

이 경우, Δtd는 제 1 스타트 신호(415)와 제 2 스타트 신호(417)의 펄스 사이의 간격인 td에서 Δtr을 더한 간격과도 같다. 또한, 이 경우, Δtr=Δtf로 가정하고 산출된 것이다.

또한, 여기서, Δtr=

는 시간 왜곡의 크기를 산출한 것이다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 거리검출 시스템은 시간 왜곡의 크기를 직접 산출할 수 있으며, 산출된 시간 왜곡의 크기에 기초하여 보상된 거리값을 산정할 수 있다.

즉 요약하면, 본 발명의 실시예에 따른 시간 왜곡(Time-walk) 보상부(157)는 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간과, 제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 및 제 1 스타트 신호와 제 2 스타트 신호 사이의 간격의 차이로부터 시간 왜곡의 크기를 연산하고, 산출된 시간 왜곡의 크기에 기초하여 거리값을 보상할 수 있다.

디지털 신호 처리부(150)는 온도 보상부(155) 및 시간 왜곡 보상부(157)에서 보상된 거리값(TOF)를 출력으로 송신하게 된다.

이하에서는 도 8 및 도 9의 종래 기술에 따른 거리 검출 방법에 대하여 설명하면서 본 발명의 효과에 대하여 상세히 설명한다.

도 8 및 도 9을 참조하면, 종래 기술은 거리 검출 센서의 거리를 검출할 경우, 시간 왜곡의 크기를 감지할 수 없었다. 보다 상세하게, 종래 기술의 거리 검출 센서들은 스탑 신호가 1개이므로 스타트 신호의 시간만 연산하고 스탑 신호를 별도로 인코딩하지 않으므로, 시간 왜곡의 크기를 알 수 없었다. 따라서, 도 6과 같이 단순히 스타트 신호 상승 엣지의 발생 시간과 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간과의 차이를 카운팅하여 거리를 산출할 수 밖에 없었다.

도 8를 참조하면, 종래 기술의 거리 검출 센서는 스탑 신호를 인코딩할 수 있도록 스탑 신호를 복수의 버퍼(910)에 인가하는 구성이 없었다.

따라서, 도 9과 같이, 시간 왜곡이 그대로 반영되어 출력되며, 이를 보정하기 위해서는 복잡한 알고리즘이 필요했다.

본 발명은 복수의 스타트 신호 및 스탑 신호를 인가하고 간단한 스탑 신호 인코딩 회로를 부가하여 시간 왜곡의 크기를 직접 시간-디지털 변환기를 통하여 알 수 있다. 또한, 시간 왜곡의 크기를 알고 이를 디지털 신호 처리부에서 보상함으로서 거리 오차를 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 라이다를 활용한 거리 검출 센서는 레이저 광을 이용하기 때문에 ns단위의 작은 오차로도 큰 거리오차가 발생할 수 있었지만, 본 발명에 따르면, 간략한 회로 부가 및 연산을 통하여 시간 왜곡을 용이하게 검출하고, 전체적으로 시간 왜곡을 보상하기 위한 회로의 크기가 현저하게 감소될 수 있으며, 이로 인해 회로 구성에 대한 비용이 현저히 감소할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 제어부
110: 전압 변환부
120: 증폭기
130: 비교기
140: 시간-디지털 변환기
200: 거리검출센서
210: 레이저 다이오드
240: 스타트 신호 포토 다이오드
250: 수신 신호 포토 다이오드

Claims

레이저 다이오드로 하여금 적어도 제 1 및 제 2 레이저 광을 송신하도록 제어하며, 스타트 신호 생성부 및 수신 신호 처리부를 포함하는 제어부를 포함하며,
상기 스타트 신호 생성부는 상기 제 1 및 제 2 레이저 광을 거리 검출 센서의 외부를 거치지 않고 수신하여 제 1 및 제 2 스타트 신호를 생성하며;
상기 수신 신호 처리부는
상기 제 1 및 제 2 레이저 광이 외부 물체로부터 각각 반사된 제 1 및 제 2 반사광을 전기적 신호로 변환한 제 1 및 제 2 전기적 신호를 제 1 및 제 2 전압 신호로 변환하는 전압 변환부;
상기 전압 변환부의 상기 제 1 및 제 2 전압 신호를 증폭하는 증폭기;
상기 증폭된 제 1 및 제 2 전압 신호와 임계값을 비교하여 제 1 스탑 신호 및 제 2 스탑 신호를 생성하는 비교기;
상기 비교기에서 입력 받은 상기 제 1 및 제 2 스타트 신호와 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 거리 신호를 인코딩하는 시간-디지털 변환부; 및
상기 제 1 및 제 2 스타트 신호, 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호 및 인코딩된 거리 신호에 기초하여 시간 왜곡의 크기를 연산하고, 상기 시간 왜곡의 크기에 기초하여 거리값을 산출하는 시간 왜곡 보상부를 포함하는 디지털 신호 처리부를 포함하는,
거리 검출 센서 시간 왜곡 보상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 시간-디지털 변환부는
직렬로 연결된 복수의 버퍼; 상기 복수의 버퍼 각각의 출력과 연결되며 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 상기 복수의 버퍼 각각의 출력값을 출력하는 복수의 레지스터를 포함하는
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 시간-디지털 변환부는 상기 복수의 버퍼의 입력단에 상기 스타트 신호 생성부의 출력 및 상기 비교기의 출력을 OR 논리 연산하도록 하는 OR 게이트를 더 포함하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 시간 왜곡 보상부는, 상기 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간과, 상기 제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 및 상기 제 1 스타트 신호와 상기 제 2 스타트 신호 사이의 간격의 차이로부터 상기 시간 왜곡의 크기를 연산하고, 상기 시간 왜곡의 크기에 기초하여 상기 거리값을 산출하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 디지털 신호 처리부는 온도 보상부를 더 포함하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 장치.
제 1 및 제 2 레이저 광을 송신하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 레이저 광에 각각 기초하여 제 1 및 제 2 스타트 신호를 생성하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 레이저 광을 수신하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 레이저 광에 기초하여 제 1 및 제 2 스탑 신호를 생성하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 스타트 신호와 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 거리 신호를 인코딩하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 스타트 신호, 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호 및 상기 거리 신호에 기초하여 시간 왜곡의 크기를 연산하고 상기 시간 왜곡의 크기에 기초하여 거리값을 산출하는 단계를 포함하는,
거리 검출 센서 시간 왜곡 보상 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 거리 신호를 출력하는 단계는, 직렬로 연결된 복수의 버퍼; 상기 복수의 버퍼 각각의 출력과 연결되며 상기 제 1 및 제 2 스탑 신호에 기초하여 상기 복수의 버퍼 각각의 출력값을 출력하는 복수의 레지스터를 포함하는 시간-디지털 변환기를 통하여 거리 신호를 출력하는 단계를 포함하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 거리 신호를 출력하는 단계는 상기 복수의 버퍼의 입력으로 상기 스타트 신호 및 상기 스탑 신호를 OR 논리 연산하는 단계를 더 포함하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 거리값을 산출하는 단계는 상기 제 2 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간과, 상기 제 1 스탑 신호의 상승 엣지 발생 시간 및 상기 제 1 스타트 신호와 상기 제 2 스타트 신호 사이의 간격의 차이로부터 상기 시간 왜곡의 크기를 연산하고, 상기 시간 왜곡의 크기에 기초하여 상기 거리값을 산출하는 단계를 포함하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 거리값을 산출하는 단계는 상기 거리값을 온도에 따라 보상하는 단계를 더 포함하는,
거리 검출 센서 시간왜곡 보상 방법.