KR102242454B1

KR102242454B1 - Distance Measuring System and Method thereof

Info

Publication number: KR102242454B1
Application number: KR1020190068675A
Authority: KR
Inventors: 정승백
Original assignee: 주식회사 에스원
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-04-20
Also published as: KR20200142148A

Abstract

본 발명 물체의 거리측정방법은 레이저 입력 전압을 인가하고 레이저 펄스를 생성하고 주기적으로 송신하는 단계와, 레이저에서 수신되는 레이저 펄스의 수신 전압을 측정하는 단계와, 레이저 입력 전압과 수신 전압을 기초로 듀티 사이클을 구하는 단계와, 듀티 사이클을 기초로 △t를 구하는 단계와, 상기 △t를 기초로 거리를 산정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특증으로 하는 것이다. The distance measuring method of an object of the present invention includes the steps of applying a laser input voltage, generating a laser pulse, and periodically transmitting it, measuring a received voltage of a laser pulse received from the laser, and based on the laser input voltage and the received voltage. The characteristic is that it includes a step of obtaining a duty cycle, a step of obtaining Δt based on the duty cycle, and a step of calculating a distance based on the Δt.

Description

Object distance measuring system and distance measuring method using the same TECHNICAL FIELD

본 발명은 물체의 거리 측정 방법에 대한 것이다. 일반적으로 물체의 거리측정은 빛, 소리, 전파 등의 신호를 송신한 후 물체에 반사되어 돌아오는 신호의 차이를 측정하여 거리를 측정하는 ToF(Time of Flight) 방식을 사용하는 것이고, 또한 FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)와 같이 신호 변환을 통해 거리를 측정하는 방식이 존재하는 것이다.The present invention relates to a method for measuring the distance of an object. In general, the distance measurement of an object is to use the ToF (Time of Flight) method, which measures the distance by measuring the difference between the signal reflected and returned from the object after transmitting signals such as light, sound, and radio waves. There is a method of measuring distance through signal conversion, such as Frequency Modulation Continuous Wave).

본 발명과 관련된 종래 기술은 대한민국 등록특허 제10-0489436호(2005. 5. 16. 공고)에 개시되어 있는 것이다. 도 1은 상기 종래의 펄스형 레이더를 이용한 물체의 거리측정장치 구성도이다. 상기도 1에서 종래의 펄스형 레이더를 이용한 물체의 거리측정장치는 센서부(21)와 지연회로(22)와 비교기 (23)와 플립플롭회로(24)와 카운터(25)와 고속발진기(26)와 제어부(27)를 포함하여 구성되고, 센서부(11)는 물체에 조사되는 펄스형 레이저의 조사광(V1)과 물체에 의해 산란되어 되돌아 오는 산란광(V1′)을 감지한다. 상기 센서부(11)는 포토다이오드를 사용한다. The prior art related to the present invention is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0489436 (announced on May 16, 2005). 1 is a block diagram of an object distance measuring apparatus using the conventional pulse-type radar. In Fig. 1, the object distance measuring apparatus using a conventional pulse-type radar includes a sensor unit 21, a delay circuit 22, a comparator 23, a flip-flop circuit 24, a counter 25, and a high-speed oscillator 26. ) And a control unit 27, and the sensor unit 11 senses the irradiation light V1 of the pulsed laser irradiated to the object and the scattered light V1' scattered by the object and returned. The sensor unit 11 uses a photodiode.

상기 지연회로(12)는 상기센서부(11)로부터 조사광(V1)과 산란광(V1′)을 입력받아 비교기(13)로의 출력을 지연한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 지연회로(12)는 출력신호를 원하는 시간만큼 임의로 조절할 수 있도록 동축케이블의 길이로 조절하는 것이 가능하다. 또한, 상기 비교기(13)는 상기 센서부(11)로부터의 조사광(V1)과 상기 지연회로 (12)로부터의 조사광(V1,d)을, 상기 센서부(11)로부터의 산란광(V1′)과 상기 지연회로(12)로부터의 산란광(V1,d′)을 각각 비교하여 얻은 제 1 입사 펄스신호(Pin)와 제 1산란 펄스신호(Psc)를 포함하는 제 1 펄스신호(a)를 출력한다. 또한, 상기 제어부(14)는 상기 비교기(13)로부터 입력되는 제 1 입사 펄스신호 (Pin)와 제 1 산란 펄스 신호(Psc)의 상승 트리거시간(T1, T 2)을 계측하고 상기 계측한 시간의 차이(△T)를 통해 물체의 거리를 측정한다. 상기 제어부(14)는 롬과 램과 입출력장치와 업/다운 카운터와 기타 주변장치들이 집적된 마이그로프로센서로 구현되는 것이 바람직하다. 상기 플립플롭회로(24)는 상기 비교기(23)로부터 입사 펄스 신호(Pin)와 산란 펄스신호(Psc)를 포함하는 펄스신호(a)를 입력받아 상기 입사 펄스 신호(Pin)에 의해 상승 트리거되고 상기 산란 펄스신호(Psc)에 의해 하강 트리거 된 펄스신호(b)를 출력한다. 상기 카운터(25)는 상기 플립플롭회로(24)로부터 입력받은 펄스신호(b)의 펄스폭(①, ①′)을 카운팅한다. 상기 제어부(27)는 상기 카운터(25)로부터 출력되는 카운트값을 이용하여 물체의 거리를 측정하는 것이다.The delay circuit 12 receives the irradiated light V1 and the scattered light V1 ′ from the sensor unit 11 and delays the output to the comparator 13. In a preferred embodiment, the delay circuit 12 can be adjusted to the length of the coaxial cable so that the output signal can be arbitrarily adjusted for a desired time. In addition, the comparator 13 receives the irradiation light V1 from the sensor unit 11 and the irradiation light V1 and d from the delay circuit 12, and the scattered light V1 from the sensor unit 11 A first pulse signal (a) including a first incident pulse signal Pin and a first scattering pulse signal Psc obtained by comparing ′) and the scattered light (V1,d′) from the delay circuit 12, respectively Prints. In addition, the control unit 14 measures the rising trigger times (T1, T2) of the first incident pulse signal Pin and the first scattering pulse signal Psc input from the comparator 13, and the measured time Measure the distance of the object through the difference of (△T). The control unit 14 is preferably implemented as a micropro sensor in which ROM, RAM, input/output devices, up/down counters, and other peripheral devices are integrated. The flip-flop circuit 24 receives a pulse signal a including an incident pulse signal Pin and a scattering pulse signal Psc from the comparator 23 and is triggered upward by the incident pulse signal Pin. A down-triggered pulse signal b is output by the scattering pulse signal Psc. The counter 25 counts the pulse widths (①, ①') of the pulse signal b received from the flip-flop circuit 24. The control unit 27 measures the distance of the object using the count value output from the counter 25.

도 2는 종래 거리 측정 방법의 예시도 이다. 상기도 2에서 (a)는 30cm 거리에 있는 물체의 송수신 시간을 나타내고 ,(b)는 레이저 펄스를 송신하는 경우의 파형 및 걸리는 시간(△t)를 나타내고 있는 것이다. 따라서 상기와 같은 종래 거리 측정 방법은 예를 들어 30cm 거리에 있는 물체에서 레이저를 방사하면 레이저에서 물체까지 1ns의 시간이 걸리고, 물체에 반사되어 다시 레이저로 수신되는 시간 역시 1ns 걸리는 것을 나타내고 있으며, 레이저 펄스가 물체에 반사되어 되돌아 오는 시간 △t를 측정하면 레이저와 물체와의 거리를 계산할 수 있는 것이다. 그러나 30cm 거리와 같은 짧은 거리에 있는 물체와의 거리를 측정하기 위하여는 고속의 클럭 발생기와 카운터가 필요하며 고가의 FPGA, ADC 및 CPU가 필요함을 나타내고 있는 것이다.2 is an exemplary diagram of a conventional distance measuring method. In FIG. 2, (a) shows the transmission/reception time of an object at a distance of 30 cm, and (b) shows the waveform and the time taken (Δt) in the case of transmitting the laser pulse. Therefore, the conventional distance measurement method as described above indicates that, for example, if a laser is radiated from an object at a distance of 30 cm, it takes 1 ns from the laser to the object, and it takes 1 ns to be reflected on the object and received again by the laser. The distance between the laser and the object can be calculated by measuring the time △t that the pulse returns from the object. However, it indicates that high-speed clock generators and counters are required to measure distances to objects in short distances such as 30cm distance, and expensive FPGAs, ADCs, and CPUs are required.

또한, 일반적으로 기존 거리 측정은 ToF(Time of Flight) 방식을 사용하고 있으며 상기 방식은 주로 레이저를 이용한 빛을 주로 이용하는 것으로 빛의 속도는 매우 빠르므로 수 m 내지 수백 m 이내의 거리를 측정하기 위하여는 매우 빠른 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 CPU, 카운터 등이 필요한 것이다.In addition, in general, conventional distance measurement uses the ToF (Time of Flight) method, and the method mainly uses light using a laser, and the speed of light is very fast, so to measure a distance within several m to several hundreds of m. Requires very fast Field Programmable Gate Array (FPGA) or CPU, counter, etc.

상기와 같은 종래의 물체 거리 측정 방법은 신호 처리를 위하여 고속 카운터, ADC, FPGA 등이 필요하므로 비용이 과다하게 소요되는 문제점이 있는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 저속의 MCU에서도 거리 측정이 가능하도록 하기 위한 것이고, 또한, 저전력에서도 구현 가능하며 구조가 간단한 거리 측정방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.The conventional object distance measurement method as described above requires a high-speed counter, ADC, FPGA, etc. for signal processing, and thus requires excessive cost. Accordingly, an object of the present invention is to provide a distance measurement method and apparatus that can be implemented even in a low-speed MCU, and can be implemented in low power and have a simple structure.

상기와 같은 목적을 가진 본 발명 물체의 거리측정방법은 레이저 입력 전압을 인가하고 레이저 펄스를 생성하고 주기적으로 송신하는 단계와, 레이저에서 수신되는 레이저 펄스의 수신 전압을 측정하는 단계와, 레이저 입력 전압과 수신 전압을 기초로 듀티 사이클을 구하는 단계와, 듀티 사이클을 기초로 △t를 구하는 단계와, 상기 △t를 기초로 거리를 산정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특증으로 하는 것이다. The object distance measurement method of the present invention having the above object includes the steps of applying a laser input voltage, generating a laser pulse, and periodically transmitting, measuring a received voltage of a laser pulse received from the laser, and a laser input voltage. The characteristic is that it includes a step of obtaining a duty cycle based on a received voltage and a step of obtaining Δt based on the duty cycle, and a step of calculating a distance based on the Δt.

상기와 같이 이루어지는 본 발명 물체의 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법은 저가및 저속의 MCU에서도 레이저를 이용하여 물체의 거리를 측정할 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한, 본 발명은 고속의 클럭이 필요하지 아니하므로 저전력의 구현이 가능하고 고속 ADC가 필요 없으므로 구조가 간단하여 비용이 저렴한 효과가 있는 것이다.The object distance measurement system and the distance measurement method using the same as described above have the effect of measuring the distance of the object using a laser even in a low-cost and low-speed MCU. In addition, since the present invention does not require a high-speed clock, it is possible to implement low power and because a high-speed ADC is not required, the structure is simple and thus the cost is low.

도 1은 종래 펄스형 레이더를 이용한 물체의 거리측정장치 구성도,
도 2는 종래 거리 측정 방법의 파형 예시도,
도 3은 본 발명 적용되는 물체의 거리 측정 방법에 적용되는 파형 예시도,
도 4는 본 발명 물체의 거리 측정 시스템 구성도,
도 5는 본 발명 물체의 거리 측정 방법에 대한 제어 흐름도이다.1 is a configuration diagram of a distance measuring apparatus of an object using a conventional pulse-type radar,
2 is an exemplary waveform diagram of a conventional distance measuring method,
3 is an exemplary view of a waveform applied to a method for measuring a distance of an object to which the present invention is applied;
4 is a block diagram of a system for measuring a distance of an object of the present invention;
5 is a flowchart illustrating a method for measuring a distance of an object according to the present invention.

상기와 같은 목적을 가진 본 발명 물체의 거리 측정 시스템 및 이를 이용한 거리 측정 방법을 도 3 내지 도 5를 기초로 하여 설명하면 다음과 같다.A system for measuring a distance of an object of the present invention and a method for measuring a distance using the same will be described with reference to FIGS. 3 to 5 as follows.

도 3은 본 발명에 적용되는 물체의 거리 측정 방법에 적용되는 파형 예시도 이다. 상기도 3에서 송신 레이저 펄스 Tx를 주기적으로 전방으로 송신하면, 물체에 반사되어 레이저로 수신되는 수신 레이저 펄스는 Rx이고, △t 역시 주기적으로 생성되는 것이다. 이때, 물체와의 거리에 따라서 △t 펄스 폭이 변경되고 따라서 △t에 해당하는 전압을 측정하면 거리를 알 수 있게 되는 것이다. 즉 레이저 펄스 송신 시의 입력 전압이 5V라고 가정하고 레이저 펄스의 수신 시의 레이저 측정 전압이 1V라고 가정하면, Duty Cycle은 20%가 되고 듀티 사이클{Duty cycle(%)}=Ton/(Ton+Toff)*100으로 정의되는 것이다. 여기서 레이저 펄스의 주기 T=Ton+Toff이고, Ton은 레이저 펄스 신호가 송신되고 물체에 반사되어 레이저에서 수신하기까지 걸리는 시간이다.3 is an exemplary view of waveforms applied to a method of measuring a distance of an object applied to the present invention. When the transmission laser pulse Tx is periodically transmitted forward in FIG. 3, the reception laser pulse reflected by the object and received by the laser is Rx, and Δt is also periodically generated. At this time, the pulse width of Δt is changed according to the distance to the object, and thus the distance can be known by measuring the voltage corresponding to Δt. That is, assuming that the input voltage at the time of laser pulse transmission is 5V and the laser measurement voltage at the time of receiving the laser pulse is 1V, the duty cycle becomes 20% and the duty cycle {Duty cycle(%)}=Ton/(Ton+) Toff)*100. Here, the period of the laser pulse is T=Ton+Toff, and Ton is the time it takes for the laser pulse signal to be transmitted, reflected on an object, and received by the laser.

도 4는 본 발명 물체의 거리 측정 시스템 구성도이다. 상기도 4에서 본 발명 물체의 거리 측정 시스템은 레이저(130)에 입력 전압을 인가하여 레이저 펄스를 생성하고 일정한 주기로 물체 방향으로 전송하도록 제어하고 ADC의 디지털 출력 전압을 측정하고 측정된 전압을 기초로 물체의 거리를 산정하는 MCU(100)와, 레이저 펄스의 송신 신호 Tx와 물체에 반사된 신호를 수신하는 수신부인 포토 다이오드(140)의 레이저 펄스 수신 신호 Rx를 입력으로 하고 출력된 펄스는 Duty Cycle을 가지고 일정한 전압으로 출력하는 것으로 출력된 전압을 ADC로 전송하는 XOR 게이트(110)와, XOR 게이트의 출력 전압을 디지털 신호로 변환하고 MCU로 전송하는 ADC(Analog Digital Converter, 120)로 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.4 is a block diagram of an object distance measurement system according to the present invention. In FIG. 4, the object distance measurement system of the present invention applies an input voltage to the laser 130 to generate a laser pulse, controls to transmit it in the direction of the object at a certain period, and measures the digital output voltage of the ADC, based on the measured voltage. The MCU 100 that calculates the distance of the object and the laser pulse reception signal Rx of the photodiode 140, which is a receiver that receives the transmission signal Tx of the laser pulse and the signal reflected from the object, are input and the output pulse is duty cycle. It is characterized by consisting of an XOR gate 110 that transmits the output voltage to the ADC by outputting a constant voltage and an ADC (Analog Digital Converter, 120) that converts the output voltage of the XOR gate into a digital signal and transmits it to the MCU. It is done with.

도 5는 본 발명 물체의 거리 측정 방법에 대한 제어 흐름도 이다. 상기도 5에서 본 발명 물체의 거리 측정 방법은 레이저에 입력 전압을 인가하여 레이저 펄스를 생성하고 생성된 레이저 펄스 신호를 주기적으로 송신하는 단계(S11)와, 물체에 반사되어 레이저에서 수신되는 레이저 펄스 수신 전압을 측정하는 단계(S12)와, 레이저 입력 전압과 수신 전압을 기초로 Duty Cycle(듀티 사이클)을 구하는 단계(S13)와, Duty Cycle(듀티 사이클)을 기초로 레이저 펄스의 송신 신호가 물체에 반사되어 수신되는데 걸리는 시간 △t(Ton)를 구하는 단계(S14)와, 상기 △t를 기초로 거리를 산정하는 단계(S15)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다. 상기 S13 단계에서 Duty cycle(%)=Ton/(Ton+Toff)*100이고, 전체시간(T : 레이저 펄스 신호의 주기)=Ton+Toff 인 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 레이저의 수신 전압은 듀티 사이클에 비례하여 큰 것을 특징으로 하는 것이다.5 is a flowchart illustrating a method for measuring a distance of an object according to the present invention. 5, the method of measuring the distance of an object according to the present invention includes the step of generating a laser pulse by applying an input voltage to the laser and periodically transmitting the generated laser pulse signal (S11), and the laser pulse reflected by the object and received from the laser. Measuring the received voltage (S12), obtaining the duty cycle based on the laser input voltage and the received voltage (S13), and the transmission signal of the laser pulse based on the duty cycle It is characterized in that it comprises a step (S14) of obtaining a time Δt (Ton) to be reflected and received, and a step (S15) of calculating a distance based on the Δt. In the step S13, the duty cycle (%) = Ton/(Ton + Toff) * 100, and the total time (T: period of the laser pulse signal) = Ton + Toff. In addition, the received voltage of the laser is characterized in that it is large in proportion to the duty cycle.

100 : MCU, 110 : XOR 게이트,
120 : ADC, 130 : 레이저,
140 : 포토 다이오드100: MCU, 110: XOR gate,
120: ADC, 130: laser,
140: photodiode

Claims

In a system that measures the distance of an object using a laser,
The system for measuring the distance of the object,
An MCU 100 configured to apply an input voltage to the laser 130 to generate a laser pulse, control the transmission to the object direction at a constant period, measure the digital output voltage of the ADC, and calculate the distance of the object based on the measured voltage;
The laser pulse transmission signal Tx and the laser pulse reception signal Rx of the receiver 140 that receives the signal reflected on the object are input as inputs, and the output pulses are output at a constant voltage with a duty cycle, and the output voltage is transmitted to the ADC. An XOR gate 110;
And an ADC (Analog Digital Converter, 120) that converts the output voltage of the XOR gate into a digital signal and transmits it to the MCU.

The method of claim 1,
The duty cycle is a system for measuring the distance of an object, characterized in that Ton/(Ton+Toff)*100.
Here, Ton is the time it takes for the laser pulse signal to be transmitted and reflected on an object to be received by the laser, and the period of the laser pulse (T) = Ton+Toff.

The method of claim 1,
A system that measures the distance of an object,
A system for measuring a distance of an object, characterized in that the laser reception voltage is large in proportion to the duty cycle.

The method of claim 1,
The ADC is a low speed and the MCU is a system for measuring the distance of an object, characterized in that the low / low speed specification.

The method of claim 1,
The receiving unit,
A system for measuring the distance of an object, characterized in that it is a photodiode.

In the method of measuring the distance of an object using a laser,
The method of measuring the distance of the object,
Generating a laser pulse by applying an input voltage to the laser and periodically transmitting the generated laser pulse signal (S11);'
Measuring a laser pulse reception voltage reflected by the object and received by the laser (S12);
A step (S13) of obtaining a duty cycle based on the laser input voltage and the received voltage;
Calculating a time Δt (Ton) for receiving the transmission signal of the laser pulse by reflecting it on the object based on the duty cycle (S14);
And calculating a distance based on the Δt (S15), wherein a laser reception voltage is large in proportion to a duty cycle.

The method of claim 6,
In the step S13, the duty cycle (%) = Ton/(Ton+Toff)*100, and the total time (T: period of the laser pulse signal) = Ton+Toff.
Here, Ton is the time it takes for the laser pulse signal to be transmitted and reflected on the object to be received by the laser, and the total period (T) = Ton + Toff

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