KR102123196B1 - 개선된 레이저 레인지파인더 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 분류정보를 얻기 위하여 사용되는 펄스형 비행시간 거리측정시스템을 기술한다. 센서는 이러한 센서의 감지영역내에서 이동하는 차량의 부분까지의 거리를 측정한다. 반사면을 갖는 4면 입방체로 구성되는 스캐닝기구가 레이저를시준하여 이동차량으로 레이저가 향하도록 하는데 사용된다. 프로세싱 시스템은 차량의 입체형상을 측정하기 위하여 각 거리범위데이터와 각도범위데이터를 처리한다.

Description

개선된 레이저 레인지파인더 센서 {IMPROVED LASER RANGEFINDER SENSOR}
본 발명은 일반적으로, 객체센서(object sensors)에 관한 것으로, 특히 차량을 정밀 및 정확하게 감지, 검출 및/또는 분류하는데 유용한 한편, 교통, 수출, 수입 또는 기타 규제집행카메라를 트리거할 수 있는 개선된 레이저 레인지파인더 센서(laser rangefinder sensor)에 관한 것이다.
종래의 광전센서는 노면 상부의 고정점으로부터 노면까지의 법선거리를 측정하고 센서의 하측을 통과하거나 정지하는 차량까지의 거리를 특정하기 위하여 비행시간(time-of-flight) 레이저 레인지파인더 시스템을 이용한다. 펄스빔(pulsed beams)의 높은 반복율 때문에, 전형적인 시스템은 차량이 센서의 하측을 이동할 때 다중 연속거리 측정값을 이용하여 차량의 길이방향 프로파일을 얻을 수 있다. 일부 통상적인 시스템은 또한 차량속도를 측정하여 이 정보를 차량의 프로파일을 얻는데 사용한다.
통상적으로, 센서는 어떠한 영역 또는 이러한 영역내에 있는 차량과 같은 객체로부터 반사되는 에너지의 일부를 수신한다. 그리고 반사되어 되돌아온 펄스 에너지는 영역내에 객체의 존재가 원인이 되어 방사되고 수신된 펄스에 대하여 비행시간을 측정하기 위한 입력으로서 제공된다. 또한 센서에는 영역내에 있는 하나 이상의 객체의 속도, 센서스(census), 크기 또는 형상을 나타내는 출력을 제공하는데 유용한 여러 가지 특징이 구비된다. 예를 들어, 전형적인 센서는 비행시간측정수단으로부터 입력을 수신하고 객체가 다수의 분류기준의 하나에 일치하는지의 여부(예를 들어, 객체가 자동차, 트럭 또는 모터사이클인지의 여부)를 나타내는 출력을 제공하기 위한 구성요소를 구비한다.
이러한 센서는 교통량 제어 및 감시와 함께 요금징수, 교통량 흐름분석, 교량/터널 간격검증 등을 포함하는 다양한 어플리케이션을 통하여 교통량을 추적하고 분석하는 비침습적 해결수단(noninvasive solutions)으로서 사용된다. 이들 어플리케이션은 매우 정확한 센서 추적 및 탐지기능을 요구하는 매우 다이나믹한 작동환경을 갖는다. 그러나, 통상적인 시스템은 여전히 정확한 측정이 불가능하고, 특히 궂은 날씨에, 차량의 식별 및 분류를 가능하도록 하는 충분히 빠른 스캔속도로 고속의 교통량 흐름을 추적할 수 없다.
따라서, 빠른 스캔속도에서 향상된 거리측정의 정확도와 해상도를 가진 센서 시스템이 요구된다. 또한 불리한 기후조건으로 인한 오측정을 줄일 수 있는 센서 시스템이 요구되기도 한다.
본 발명은 차량분류정보를 제공하기 위한 레이저수단을 포함하는 펄스형 비행시간 거리측정센서(pulsed time-of-flight ranging sensor)를 개시한다. 더 상세하게는, 본 발명은 센서로부터 센서의 감지영역내를 이동하는 차량의 부분까지의 거리범위를 측정하기 위한 레이저수단을 포함하는 펄스형 비행시간 거리측정센서를 개시한다. 또한 본 발명은 각 거리범위 데이터출력을 위한 센서각도에 일치하는 각각의 거리범위 데이터출력을 개시한다. 아울러, 차량을 가로지르는 적어도 하나의 빔을 스캔하기 위한 스캐닝 수단이 제공되고, 한 실시형태에서 이러한 스캐닝 수단은 스캐닝 미러(scanning mirror)로서 사용되는 반사면을 갖는 4면 입방체(four facet cube)이다. 또한 차량의 3차원 형상을 측정하기 위한 각 거리범위데이터와 각도범위데이터를 처리하기 위한 처리수단이 제공된다.
한 실시형태에서, 본 발명은 차량의 3차원 형상을 측정하기 위한 시스템을 제공하는 바, 이 시스템이 다수의 레이저 빔을 발생하고 각각 발생된 다수의 레이저빔에 각각 일치하는 다수의 반사빔을 검출하기 위하여 레이저 트랜스미터와 광검출기를 포함하는 거리센서, 거리센서에 대하여 배치되고 차량을 통하여 상기 각 발생된 레이저 빔의 시준(視準)을 위한 것으로서 각각 레이저 빔을 반사할 수 있게 배치된 반사면을 갖는 4면 입방체를 포함하고 사전에 정의된 스캔각도를 생성하기 위하여 레이저 빔의 발생을 트리거하도록 상기 거리센서와 데이터통신이 이루어지는 스캐너제어회로를 더 포함하는 스캐닝기구와, 차량이 센서의 감지영역내를 이동할 때 상기 발생된 레이저 빔과 반사된 빔의 타이밍으로부터 유도되는 비행시간 측정값을 이용하여 센서로부터 차량의 부분까지의 거리범위를 측정하고 이러한 거리범위에 기초하여 차량의 3차원 형상을 측정하기 위한 처리시스템을 포함한다.
또한 본 발명의 시스템은 비행시간측정을 위한 시간-디지털 변환기(TDC)를 포함하며, 이러한 TDC는 단일 레이저 펄스로부터 4개까지의 복귀 펄스(return pulse)를 수신할 수 있게 되어 있다. 한 실시형태에서, 적어도 두개의 TDC를 포함한다.
한 실시형태에서, 본 발명의 4면 입방체는 한 방향으로 일정한 속도로 연속하여 회전하며 1회전 마다 4회의 스캔이 이루어질 수 있다.
한 실시형태에서, 시스템은 다수의 레이저 풋프린트(laser footprints)를 발생하며, 상기 레이저 풋프린트는 단부와 단부가 접촉된 스트립의 형태로 나타나고 연속검출라인을 제공한다.
한 실시형태에서, 본 발명은 레이저 트랜스미터와 광검출기를 포함하는 거리측정센서의 감지영역을 통과하는 차량의 입체형상을 측정하기 위한 방법을 제공하는바, 이 방법이 레이저 빔을 일직선상에서 그 시계를 통하여 지향시키는데 사용되는 반사면을 갖는 4면 입방체와 사전에 정의된 스캔각도에서 레이저를 트리거하는 스캔제어회로를 포함하는 스캐닝기구를 이용하여 차량을 통하여 다수의 레이저 빔을 스캐닝하는 단계, 비행시간 측정값을 이용하여 센서로부터 차량의 부분까지의 거리를 측정하는 단계와, 차량의 입체형상을 측정하기 위하여 각 스캔각도에 대하여 거리데이터를 처리하는 단계를 포함한다.
한 실시형태에서, 4면 입방체는 스캔중에 일정한 속도로 한 방향으로만 연속하여 회전한다. 다른 실시형태에서, 스캐닝 입방체는 1회전 마다 4회의 스캔이 이루어질 수 있게 되어 있다.
한 실시형태에서, 본 발명의 방법은 비행시간 측정을 위하여 시간-디지털 변환기(TDC)를 이용하여, 이러한 TDC는 단일의 레이저 펄스로부터 4개까지의 복귀 펄스를 수신할 수 있게 되어 있다. 다른 실시형태에서, 이 시스템은 적어도 두개의 TDC를 포함한다.
한 실시형태에서, 시스템은 스캔중에 다수의 레이저 풋프린트를 발생하며, 상기 각 레이저 풋프린트는 단부와 단부가 접촉된 스트립의 형태로 나타나고 연속검출라인을 제공한다.
한 실시형태에서, 시스템의 거리측정해상도는 ±1cm 이다. 다른 실시형태에서, 거리측정의 한계는 커스터마이징될 수 있다.
한 실시형태에서, 스캔제어회로는 1도의 스캔각도마다 레이저 펄스를 트리거한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 도로(roadway)의 상부에 착설된 광전센서 시스템의 한 실시형태를 보인 정면도.
도 2는 높이가 'H'이고, 내려다본 각도, 즉 부각(俯角)이 'A'인 위치에 착설된 도 1의 센서의 측면도.
도 3은 센서가 약 7 미터 높이에 착설된 본 발명의 한 실시형태에서 레이저 풋프린트를 보인 설명도.
도 4는 센서가 교통방향에 대하여 각도가 0도 일 때 센서의 설치높이의 변화에 따른 차로(lane) 커버리지 데이터를 보인 표.
도 5a는 한 실시형태에 따른 감지시스템에 대한 다수의 성능파라메타를 보인 표.
도 5b는 본 발명의 한 실시형태에 따른 다수의 레이저출력 파라메타를 보인 표.
도 5c는 본 발명의 한 실시형태에 따라서 센서가 기능할 수 있는 다수의 환경요인과 관련된 성능파라메타를 보인 표.
도 6은 본 발명의 한 실시형태에 따른 회전 입방체 스캐너를 보인 설명도.
본 발명은 차량분류정보를 제공하기 위한 레이저수단을 포함하는 펄스형 비행시간 측정의 거리측정센서 시스템을 기술하고 있다. 더 특별하게는, 본 발명은 센서로부터 센서의 감지영역내를 이동하는 차량의 부분까지의 거리범위를 측정하기 위한 레이저수단을 포함하는 펄스형 비행시간측정의 거리측정센서를 기술하고 각 거리범위 데이터출력을 위한 센서각도에 일치하는 각각의 거리범위 데이터출력을 기술하고 있다.
아울러, 차량을 통하여 적어도 하나의 빔을 스캔하기 위한 스캐닝 수단이 제공되고, 한 실시형태에서 이러한 스캐닝 수단은 스캐닝 미러로서 사용되는 반사면을 갖는 4면 입방체이다. 또한 차량의 입체형상을 측정하기 위한 각 거리범위데이터와 각도범위데이터를 처리하기 위한 처리수단이 제공된다.
본 발명은 여러 실시형태를 기술한다. 다음의 기술내용은 본 발명 기술분야의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위하여 제공된다. 본문에 사용된 언어는 어느 하나의 특정 실시형태의 일반적으로 부정하는 것으로 해석되어서는 아니되며 본문에 사용된 용어의 의미를 넘어 청구범위를 제한하는데 사용되어서는 아니 된다. 본 발명에서 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 기술사상과 범위를 벗어나지 않고 다른 실시형태 또는 적용형태에 적용될 수 있다. 또한, 사용된 용어 및 어구는 예시적인 실시형태를 설명하기 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명은 개시된 원리와 특징에 부합하는 수많은 대안, 변형 및 등가실시형태를 광범위하게 포괄한다. 본 발명을 필요없이 불명료하게 하지 않도록 명확성을 위하여 본 발명과 관련된 기술 분야에 알려져 있는 기술적 자료에 관한 세부사항은 상세히 설명하지 않았다.
도 1은 감지시스템의 광전센서(optoelectronic sensor: 105)를 정면에서 본 것으로, 이러한 광전센서는 센서(105)의 하측을 통과하는 차량(120)을 감지하거나 검출하거나 분류하고 비디오 및/또는 오디오 캡처장비를 트리거하기 위하여, 다수의 차로(lane: 115)를 갖는 도로(roadway: 110)의 상부에 착설된다. 한 실시형태에 따라서, 센서(105)는 고속으로 이동하는 차량을 검출하기 위하여 다중차로의 전자요금징수업무용으로 사용된다. 센서(105)는 전형적으로 차로 상부의 갠트리(gantry), 폴 암(poll arm) 또는 도로요금소 지붕구조물에 착설된다. 특히, 센서는 갠트리구조물(125)의 좌우 수직부분에 고정되어 차로의 상부에 연장된 갠트리구조물(125)의 수평부분의 중앙에 착설되는 것이 좋다.
도 2는 높이 'H'가 약 7 미터이고 내려다 보는 각도인 부각 'A'가 10도인 위치에 착설된 센서(205)를 보인 측면도이다. 이 센서(205)는 이로부터 방출되는 빔(225)이 도로를 향하여 하측으로 이동하고 갠트리(230)에 대하여 90도 이하의 각도로 도로와 만나도록 수직으로부터 약간 경사지게 착설되는 것이 좋다. 이러한 각도는 갠트리(230)에 대하여 부각(215)이 25도 미만, 좋기로는 약 10도가 되게 센서(205)를 착설함으로서 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2에서, 작동중에, 센서(105)는 센서 하측의 도로의 폭을 가로질러 도로를 스캔하여 거리/범위 측정값을 얻는다. 차량이 없는 경우, 거리측정값은 도로(110)에 대한 거리와 동일하다. 센서의 하측에 차량이 있는 경우, 차량의 상부면까지의 거리가 측정되어 각각 스캔할 때마다 차량의 횡방향 높이프로파일(transverse height profile)을 제공한다. 이와 같이, 도 2에서 보인 바와 같이, 차량이 스캐닝 레이저 빔을 통하여 통과할 때, 차량을 향하여 다수의 레이저 빔을 방출하고, 각 다수의 레이저 빔이 반사되는 반사빔을 검출하며, 각 방출된 레이저 빔과 이에 대응하는 반사빔에 대한 비행시간을 기록하고, 비행시간을 이용하여 거리정보를 생성하도록 함으로서 차량의 표면의 여러 지점에 대한 거리 또는 범위가 측정된다. 한 실시형태에서, 센서(105)는 협소한 레이저 빔(135)을 매초 120 스캔(sps)의 속도로 90도 시야의 폭을 가로질러 스캔한다. 협소한 레이저 빔의 폭은 여러 차량이 근접한 상태에서 고속으로 이동하는 경우에도 이러한 차량을 검출하고 분별할 수 있다.
이들 거리, 즉 측정된 거리는 차량 프로파일을 생성하는데 이용된다. 프로파일을 잘 알려진 바와 같이 거리측정값을 얻기 위하여 기하학적 변환을 이용하여 형성된다. 한 실시형태에서, 레이저 스캔은 광범위한 거리측정값을 얻고 보다 정확한 차량 프로파일을 생성하기 위하여 다양한 스캔각도에서 수행된다.
한 실시형태에서, 이들 측정값은 도로의 각 차량의 위치를 특유하게 검출하고, 분류하며 측정하도록 프로그램된 컴퓨터에 실시간 스트리밍된다(유선 또는 무선 네트워크를 통하여). 본 발명의 한 관점에 따라서, 스캐닝 레이저 레인지파인더는 차량의 검출과 트리거링의 정확성을 개선할 수 있는 단일평면 프로파일을 측정한다. 한 실시형태에서, 펄스형 비행시간 거리측정은 정확한 ±2.5cm(±1.0 인치)의 차량 프로파일을 제공한다. 컴퓨터에 연속 스캔을 스트리밍함으로서 실시간에 차량의 완전한 입체프로파일이 형성될 수 있다.
여기에서 센서의 설치높이는 설치장소에 따라서 달라질 수 있다. 여러 수평의 빔 폭과 설치높이의 상관관계가 다음의 도 4에서 보인 표에 제공되고 있으며, 이러한 표는 센서가 차량에 대하여 0 도의 각도로 설치되어 있을 때 수평빔폭(405)에서 센서의 설치위치인 가변설치높이(415)에 대한 차로 커버리지를 제공하는 표를 제공한다. 우선 실시형태에서, 방출되는 레이저 빔의 높은 반사율을 얻기 위하여 부각 'A'은 0~10 도의 범위이다. 반사스트립이 도로포장면이 매우 어두워 반사율이 낮은 경우 선택적으로 반사스트립이 선택적으로 사용될 수 있다. 이와 같이 함으로서 비 오는 날씨에 빗물이 포장도로에 남아 있어 스캐너로부터 에너지를 반사해버리는 경향을 보이는 경우에도(유사거울효과) 충분한 양의 에너지가 반사될 수 있도록 한다.
도 1 및 도 2에서, 한 실시형태에 따라서, 센서(105, 205)는 나란히 축외(off-axis) 구성으로 다이오드-레이저 트랜스미터와 실리콘 애벌런치 포토다이오드(silicon avalanche photodiode, APD) 리시버를 포함하는 펄스형 비행시간 레인지파인더를 이용한다. 참고로, 본 발명에서 사용된 애벌런치 포토다이오드는 전자사태에 의한 소규모의 공격으로도 대량의 전류를 발생하는 포토센서이다. 트랜스미터는 다이오드 레이저, 그 구동회로 및 시준렌즈를 포함한다. 광 리시버는 대물렌즈, 협대역 광 필터, 검출기/증폭기 및 임계값 검출기를 포함하고, 이들 각각은 서로 결합된다.
한 실시형태에서, 다이오드-레이저는 펄스출력을 발생하기 위하여 다이오드 드라이브에 의하여 구동되는 InGaAs 주입 레이저이다. 스캐너 제어회로로부터의 트리거 펄스는 필요스캔각도에서 레이저를 트리거한다. 한 실시형태에서, 실리콘 APD 리시버의 이상적인 레이저발광파장은 904nm 이다. 도 5b는 파장, 최대펄스폭, 펄스당 최대 에너지 및 평균레이저출력을 포함하는 본 발명의 한 실시형태에 따른 다수의 레이저출력파라메타를 보이고 있다. 한 실시형태에서, 레이저 파장은 904 nm 이다. 한 실시형태에서, 최대펄스폭은 8 ns 이다. 한 실시형태에서, 펄스당 최대 에너지는 64 nJ 이다. 한 실시형태에서, 평균레이저출력은 8 μW 이다. 상기 제시된 값은 본 발명의 한 실시형태를 반영하는 예시적인 값이다. 이들 값은 달라질 수 있으며 제조상의 차이로 제품 마다 약간씩 다를 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따라서, 센서는 또한 일렬로 스캔이 이루어져 다이오드-레이저 펄스가 직선으로 그 시야(도로)를 가로질러 효과적으로 향할 수 있도록 하는 회전형 4면 입방체를 사용한다. 이와 같이 4면 입방체는 레이저 시준기로서 사용된다. 도 6에서, 입방체 스캐너(601)는 연속하여 한 방향으로만 일정한 속도로 회전한다. 입방체 스캐너(601)는 4개의 면(601a, 601b, 601c, 601d)을 포함한다. 한 실시형태에서, 입방체 스캐너(601)는 4개의 면(601a, 601b, 601c, 601d)으로 구성되는 하나의 사각블록(691)과 또한 4개의 면으로 구성되는 제2의 사각블록(692)을 포함한다. 레이저 다이오드(602)으로부터 에너지를 받아 전달에너지를 반사할 수 있게 구성된 제2 블록(692)과, 도로 또는 차량으로부터 에너지를 받아 반사에너지를 반사할 수 있게 구성된 제1 블록(691)은 간극을 두고 분리되고 축을 통하여 물리적으로 결합되어 두 블록(691, 692)이 상대측에 대하여 회전할 수 있게 되어 있다. 두 블록(691, 692)은 간극을 두고 제2 블록(692)로부터 분리되고 이들이 회전될 수 있도록 양 블록에 결합된 베이스(693) 상에 착설된다.
각 블록(691, 692)의 각 면은 반사면을 포함한다. 각 면 사이의 각도와 각 면과 각 블록의 베이스 사이의 각도는 90도이다. 4면 입방체는 1회전마다 4회의 스캔이 이루어지도록 한다. 통상적인 스캐닝 시스템은 레이저의 축선에 대하여 45도의 각도로 착설된 단일반사면을 사용함으로서 반사면의 1회전마다 단 1회의 스캔이 이루어진다. 본 발명의 입방체(601)는 레이저 축선에 수직인 4개 면을 가짐으로서 1회전마다 4회의 스캔이 이루어진다. 따라서, 본 발명 시스템의 모터는 동일한 스캔수를 얻기 위하여 통상적인 모터의 회전속도의 ¼ 만 회전하여도 된다. 아울러, 본 발명의 시스템에서 레이저는 1도의 회전에서 펄스화하므로, 4면 입방체를 사용하는 것은 본 발명 시스템의 레이저가 종래 시스템에서의 반복률의 ¼ 에서 펄스화가 이루어질 수 있게 하는 것이다. 이는 본 발명 시스템이 모터를 보다 신속하에 회전토록 하여 보다 신속한 스캔이 이루어져 저주파수에서 레이저가 펄스화할 수 있도록 하여 레이저가 과잉작동하거나 유해한 고온으로 가열되는 것을 방지할 수 있다.
회전 입방체는 3개 이상의 차로를 갖는 고속도로라 하여도 고속도로 전체를 가로질러 다이오드-레이저(602)가 직선에 가깝게 스캔하는데 요구되는 고정형 각도분리가 이루어질 수 있다. 모터제어기구(603)가 용이한 회전을 위하여 입방체(601)에 결합된다. 모터속도제어신호(631)와 파싯(facet) 위치신호(632)가 한 실시형태에서 적당한 인터페이스(660)를 통하여 컴퓨터에 연결된 디지털신호프로세서(DSP)(610)을 통하여 발생된다.
또한 DSP(610)는 레이저 트리거신호(633)를 발생하며, 이 신호는 레이저 드라이브를 트리거하여 레이저 다이오드(602)를 작동시킨다. 다이오드 레이저로부터 발광된 레이저 빔은 렌즈(605)을 이용하여 시준된다. 빔(604)은 목표차량을 스캔하기 위하여 회전 입방체 스캐너(601)에 의하여 지향되고 온도제어형 윈도우(606)을 통과한다. 윈도우는 필요시에 가열되거나 냉각되므로 윈도우는 응축에 의하여 습기가 서려 흐려지지 않는다.
한 실시형태에서, 광검출회로가 차량 및/또는 도로로부터 반사된 광선을 등가의 전기적인 아날로그 입력신호와 이후의 논리레벨의 신호로 변환한다. 이와 같이, 목표차량(650)으로부터 반사된 레이저 빔은 다시 스캐닝 입방체(601)에 의해 리시버 대물렌즈(607), 필터(608)와 APD 검출기(609)를 통하여 광 리시버(611) 측으로 향한다. 논리레벨신호는 디지털거리데이터(634)를 얻을 수 있도록 범위카운터 논리회로(620)내에서 처리된다.
한 실시형태에서, 펄스형 비행시간 측정값은 디지털신호프로세서(DSP)(610)에 의하여 판독되고 거리/범위 측정값으로 변환된다. 한 실시형태에서, 시간-디지털 변환기(TDC)가 비행시간 측정을 위한 단일칩의 집적회로로서 사용된다. 이 장치는 시스템의 임베디드 소프트웨어가 레이저가 작동될 때 발생되는 시작펄스(635)와 레이저의 반사에너지가 목표에 부딪쳤다가 스캐너측으로 반사할 때 발생되는 종료펄스(636) 사이의 시간을 제공함으로써 스캐너 하측의 객체의 거리를 측정할 수 있도록 한다. TDC를 사용함으로서 종래기술의 시간-아날로그 변환기(TAC)와 아날로그-디지털변환(ADC) 멀티칩 회로에 비교하였을 때 해상도가 보다 양호하고 크기를 소형화할 수 있으며 회로를 단순화하고 소비전력을 낮출 수 있으며 비용을 줄일 수 있다. 그 이유는 TDC 기술이 시간세그먼트(time segment)를 이러한 시간의 디지털표현으로 변환하는데 반해, TAC 기술은 시간세그먼트를 나중에 디지털 값으로 변환해야만 하는 아날로그 값으로 변환하기 때문이다. TAC는 작업의 수행을 위하여 비교적 대규모의 전자회로를 필요로 하는 반면에, TDC는 소형의 집적회로로 구성된다. TDC는 등가의 TAC 회로에 의하여 필요하게 된 것에 비하여 회로기판 영역의 약 0.005 %를 소비한다. 한 실시형태에서, 거리해상도는 종래기술이 ±7.62 cm 인 것에 대하여 ±1 cm 로 개선되었다.
더욱이, TDC는 단일의 레이저 펄스로부터 최대 4개의 복귀펄스(return pulse)를 수신할 수 있다. 한 실시형태에 따라서, 센서에 두개의 TDC 칩을 이용하고 이들 사이에 전후로 스위칭시킴으로서 단일 레이저 펄스로부터 8개의 복귀펄스가 수신될 수 있다. 한 실시형태에서, 최대거리가 35ft로 설정되었을 때, 70 nS, 즉, 0.00000007초 이내에 8개의 복귀펄스가 수신된다. 이는 또한 TAC를 이용하여도 달성될 수 있으나, 이를 위하여 요구되는 회로의 양이 회로기판의 적어도 200배 이상의 공간을 차지하게 될 것이다. 이러한 구성은 비, 눈, 안개 등의 불리한 기상 조건에서 수신되는 복귀펄스를 무시하고 센서의 하측으로 이동하는 차량으로부터의 복귀펄스를 이용함으로서 상기 불리한 기상 조건에서도 시각능력을 향상시킨다.
도 5c는 본 발명의 한 실시형태에 따라서 센서가 수행할 수 있는 다수의 환경요인과 관련 성능파라메타를 보이고 있다. 한 실시형태에서, 환경요인은 온도, 열충격, 습기, 비, 눈하중, 얼음하중, 바람하중, 먼지, 진동, 충격, 신뢰성, 유지 보수성을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
한 실시형태에서, 제공된 레이저 구조와 시준광학장치(4면 입방체)는 수직축에서 82.6u 라디안이고 수평축에서 16.5m 라디안의 발산특성을 갖는 레이저 풋프린트를 제공한다. 도 1에서 보인 센서(105)가 도로 위의 7.65 m (25 피트)에 설치될 때, 90 레이저 펄스의 스캐닝으로 조사(照射)되는 지상의 도로폭은 15.3 m (50 피트)에 달한다. 한 실시형태에서, 센서(105)가 도로 위의 약 6 m (20 피트) 높이에 설치될 때, 단일 레이저 펄스는 도로 위에 0.762 mm (0.03") × 139 mm (5.49")의 스트립/풋프린트를 조사함으로서 레이저가 스캔각도 1도마다 펄스화될 때 고도의 차로해상도와 2~3개 차로에 대한 최적한 교차차로의 조사가 이루어질 수 있다. 다른 실시형태에서, 예를 들어, 센서가 7 미터의 높이에 설치되는 경우, 레이저 빔의 각 거리측정은 포장도로에서 0.508 mm (0.02") × 115.6 mm (4.55")의 스트립/풋프린트를 조사한다.
도 3에서, 다른 실시형태에서, 센서가 25 피트의 높이에 설치될 때, 포장도로의 레이저 풋프린트 범위는 수직방향(310)으로는 약 0.15 인치 (3.6 mm)이고 수평방향(305)으로는 4.6 인치 (117 mm) 이다. 풋프린트는 포장도로에 스트립의 형태로 나타나는 것임을 이해하여야 한다. 이들 "스트립" 패턴의 풋프린트는 스캔중에 형성되고 도로를 가로질러 단부와 단부가 연결되는 연속 스트립의 형태로 나타나 연속검출라인을 제공한다. 스트립형의 풋프린트 패턴은 발광칩의 출력 파싯(output facet)이 사각형인 다이오드 레이저의 사용 결과이다.
한 실시형태에서, 시스템은 매 스캔 마다 90 픽셀을 발생하며, 이는 중간에 간극이 아주 작게 스캔 라인을 가로질러 일렬로 배열한다. 도 1의 설치구조에서, 픽셀-간극 비율은 18.8보다 크다. 이러한 설치높이에서 연속 픽셀 사이의 간극은 약 6.6 mm (0.26") 이다. 따라서, 상기 간극의 크기보다 큰 임의의 형상, 예를 들어 5 cm (2") 크기의 차량용 견인봉과 같은 형상이 센서의 적어도 하나의 픽셀에 의하여 검출될 것이고, 따라서 한 실시형태에서 차량의 검출정확도는 99% 이상이 될 것이다. 연속 스캔 라인의 형태로 나타나는 이러한 형태의 레이저 풋프린트는 예를 들어 트레일러와 견인차량에 대한 그 부착물의 검출이 가능하도록 한다. 높은 픽셀-간극 비율은 본 발명의 스트립형 연속적인 스캔 라인 방식을 이용함으로서 얻을 수 있는 것이다. 한 실시형태에서, 레이저는 1 도의 간격을 두고 펄스화된다. 간격이 알려진 상태에서, 레이저의 폭이 각 분리와 맞는 정확한 비율로 크기가 증가하도록 하는 특정한 빔의 발산을 얻도록 적당한 레이저 폭과 광학장치가 선택된다. 당업자는 통상적인 스캐너가 본 발명의 스트립형의 연속적인 스캔 라인과는 대조적인 원형 풋프린트를 가짐으로서 통상적인 스캐너는 범위가 증가함에 따라서 중첩량이 큰 반면에 본 발명의 실시형태는 중첩량이 최소가 됨을 이해할 수 있을 것이다.
도 5a는 스캔속도, 범위정확도, 각도해상도 등과 같은 본 발명에 따른 한 실시형태의 센서에 대한 다수의 성능파라메타를 보인 표를 보인 것이다. 본 발명의 한 관점에 따라서, 센서의 최소범위게이트는 고객의 주문에 따라 커스터마이징 설정될 수 있다. 이와 같이 함으로서 고객은 사전에 결정된 범위까지 복귀되는 펄스를 무시하고 범위를 벗어난 거리만을 처리할 수 있다. 한 실시형태에서, 최소범위게이트는 0 ft로부터 1/8 ft 씩 증가하여 25 ft까지 설정될 수 있다. 이는 또한 불리한 기상조건이 스캔되는 차량의 입체프로파일 결과물을 왜곡시키는 근거리경보(오경보)의 원인이 되는 것을 방지하는데 이용될 수 있다.
한 실시형태에서, 고객은 각 스캔내에서 발생하는 펄스의 수를 사용자 정의로 설정할 수 있다. 한 실시형태에서, 고객은 스캔의 각도를 사용자 정의로 설정할 수 있다. 한 실시형태에서, 스캔의 각도는 최대 90도로부터 최소 20도까지 조절될 수 있다. 당업자라면 다른 여러 파라메타가 사용자의 기호에 따른 소프트웨어에 의하여 조절될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
당업자는 본 발명의 센서가 단일평면내에서 거리를 측정하므로 교정된 3차원 측정이 이루어질 수 있도록 하기 위하여 이동하는 차량의 속도가 다른 센서에 의하여 선택적으로 캡처될 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 그러나, 교정되지 않은 3-D 프로파일이라 할지라도 차량 프로파일에 관한 가치있는 정보를 얻을 수 있고 컴퓨터가 예를 들어 트럭과 버스를 용이하게 식별할 수 있도록 할 것이다. 당업자는 트럭, 버스, 픽업, 승용차, 밴, 세단, 컨버터블, 콤팩트 카 등 여러 형태의 차량의 분류가 소프트웨어의 복잡성에 의하여서만 제한되는 것을 인식하고, 시스템이 차량을 몇 가지 카테고리로 분류할 수 있게 되어 있음을 이해하여야 할 것이다. 한 실시형태에서 시스템은 12 종류까지의 차량을 분류할 수 있다. 한 실시형태에서, 본 발명의 센서는 전원인가시에 거리측정 프로세스를 자동으로 초기화하며, 자기교정 프로세스는 초기화시에 필드조정(field adjustment)이 필요없도록 한다.
다른 관점에 따라서, 본 발명의 시스템은 범위 데이터와 함께 객체의 반사강도를 보고할 수 있는 능력을 갖는다. 스캔 라인에서 모든 픽셀에 대한 반사강도를 캡처하기 위한 목적은 범위 보정을 수행하고 차량의 종류를 측정하는 분류알고리즘에 부가적인 데이터를 제공하기 위한 것이다. 아울러, 이러한 강도데이터는 불리한 기상조건하에서 차량의 분류와 검출을 개선하기 위하여 이용된다. 노면의 물 웅덩이 또는 기름 웅덩이로부터 반사가 일어나고 차량의 앞유리로부터 반사가 일어나는 경우, 센서에 의하여 보고되는 거리는 기준면에 대하여 실제거리 보다 상당히 길어질 수 있다. 따라서, 강도데이터의 캡처는 사용자로 하여금 센서로부터 보고된 데이터가 올바르지 않은 이유를 이해할 수 있도록 하는데 도움을 준다. 다른 트러블슈팅(troubleshooting)의 예는 센서의 광학장치 배열이 알지 못하는 이유로 변경된 경우이다. 이러한 경우에 있어서, 스캐너에 반사된 강도는 정확하고 일관된 거리측정을 위하여서는 너무 낮을 것이다. 따라서 범위 및 강도 데이터의 분석은 시스템 작업자가 감소된 센서성능의 원인을 확인할 수 있도록 한다.
상기 예는 본 발명의 시스템의 많은 응용예를 예시한 것에 불과하다. 본 발명의 단지 몇 개의 실시형태를 예로 들어 설명되었으나, 본 발명은 본 발명의 기술사상이나 범위를 벗어나지 않고 많은 다른 특정 실시형태로 구체화될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예 및 실시형태는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로서 본 발명은 첨부된 청구범위 내에서 변형될 수 있는 것으로 간주되어야 한다.
105: 광전센서, 110: 도로, 115: 차로, 120: 차량, 125: 갠트리 구조물, 135: 레이저 빔, 205: 센서, 215: 부각, 225: 빔, 230: 갠트리, 405: 수평빔폭, 415: 설치높이, 601: 입방체 스캐너, 601a-601d: 면, 603: 모터제어기구, 607: 대물렌즈, 608: 필터, 609: ADP 검출기, 610: 디지털신호 프로세서, 620: 범위카운터 논리회로, 691, 692: 블록, 631: 모터속도제어기, 632; 파싯위치신호, 633: 레이저 트리거신호, 634: 디지털 거리데이터, 635: 시작펄스, 636: 종료펄스, 640: 빔, 650: 목표차량.

Claims (15)

  1. 차량의 3차원 형상 측정 시스템에 있어서,
    상기 차량의 3차원 형상 측정 시스템은
    복수의 레이저 빔을 발생하고 복수의 반사된 빔을 검출하되, 상기 반사된 빔 각각이 상기 발생된 상기 복수의 레이저 빔 중의 하나에 대응하도록 구성된 센서와;
    상기 센서와 데이터 통신하여 사전 결정된 스캔각도에서 상기 레이저 빔의 발생을 트리거하는 제어기와;
    상기 차량이 상기 센서의 감지영역 내에서 이동할 때 상기 발생된 상기 레이저 빔 및 상기 반사된 빔의 타이밍으로부터 얻은 비행시간 측정값을 이용하여 상기 스캔각도 각각에 대해 상기 센서로부터 상기 차량의 부분까지의 거리범위를 측정하고, 상기 거리범위를 기반으로 상기 차량의 3차원 형상을 측정하는 처리 시스템과;
    서로에 대해 회전가능한 2개의 4면 구조체를 포함하되, 제1의 4면 구조체는 레이저 원에 의해 발생된 레이저 빔을 수신 및 반사하도록 되고 제2의 4면 구조체는 스캔영역에서 차량 또는 도로로부터 반사된 에너지를 수신 및 반사하도록 구성된 스캐닝 기구를 포함하고,
    상기 처리 시스템은 상기 비행시간 측정을 수행하기위한 적어도 2개의 시간-디지털 변환기(TDC)를 포함하고, 스캔 동안 상기 처리 시스템은 8개의 반사된 빔이 70나노초 이하로 수신될 수 있도록 각각의 상기 TDC들 간에 전후로 스위칭하도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 4면 구조체는 일정한 속도로 한 방향으로 연속하여 회전하는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 4면 구조체는 1회전마다 4회의 스캔이 가능한 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 TDC 각각은 단일의 레이저 펄스로부터 4개 이하의 복귀 펄스를 수신하도록 된 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 차량의 3차원 형상 측정시스템은 복수의 레이저 풋프린트를 발생하고, 상기 레이저 풋프린트는 단부와 단부가 접촉된 스트립들의 형태로 나타나고 연속된 검출라인을 제공하는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 차량의 3차원 형상 측정시스템의 거리측정 해상도는 ±1cm인 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정시스템.
  9. 레이저 트랜스미터와 광검출기를 포함한 센서의 감지영역을 통과하는 차량의 3차원 형상 측정방법에 있어서,
    상기 차량의 3차원 형상 측정방법은
    제어기를 사용하여 상기 차량에 걸쳐 복수의 레이저 빔을 스캐닝하되, 상기 제어기는 사전 결정된 스캔각도로 상기 레이저 빔을 트리거하는 단계와;
    처리 시스템을 사용하되, 비행시간 측정값을 이용하여 상기 스캔각도 각각에 대해 상기 센서로부터 상기 차량의 부분까지의 거리범위를 측정하고, 상기 처리 시스템은 상기 비행시간 측정을 수행하기위한 적어도 2개의 시간-디지털 변환기(TDC)를 포함하고, 스캔 동안 상기 처리 시스템은 8개의 반사된 빔이 70나노초 이하로 수신될 수 있도록 각각의 상기 TDC들 간에 전후로 스위칭하도록 구성되는 단계와;
    각각의 스캔각도에 대한 상기 거리범위를 처리하여 상기 차량의 3차원 형상을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 차량에 걸쳐 복수의 레이저 빔을 스캐닝하는 것은 서로에 대해 회전가능한 2개의 4면 구조체를 포함하는 스캐닝 기구를 사용하여 상기 차량에 걸쳐 복수의 레이저 빔을 스캔하는 것을 포함하되, 제1의 4면 구조체는 레이저 원에 의해 발생된 레이저 빔을 수신 및 반사하도록 되고 제2의 4면 구조체는 스캔영역에서 차량 또는 도로로부터 반사된 에너지를 수신 및 반사하도록 되는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 4면 구조체는 스캔중에 일정한 속도로 한 방향으로 연속하여 회전하는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 4면 구조체는 1회전마다 4회의 스캔을 생성하도록 되는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상 측정방법.
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 TDC 각각은 단일의 레이저 펄스로부터 4개 이하의 복귀 펄스를 수신하도록 되는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상측정방법.
  15. 제14항에 있어서,
    스캔 동안 복수의 레이저 풋프린트를 발생하고, 상기 레이저 풋프린트 각각은 단부와 단부가 접촉하는 스트립들의 형태로 나타나고 연속된 검출라인을 제공하는 것을 특징으로 하는 차량의 3차원 형상측정방법.
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