KR20140122002A - 거리 측정 장치 및 동작 방법 - Google Patents

거리 측정 장치 및 동작 방법 Download PDF

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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제2 주파수를 가진 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하고, 생성한 진폭 변조 신호를 위상차를 이용한 거리 측정 방법에 이용하여 보다 정확하고 빠르게 거리를 계산 할 수 있는 거리 측정 장치와 동작 방법을 제공한다. 예를 들어 진폭 변조 신호를 이용하여 빛을 측정위치에서 발광하고, 측정위치에 반사되어 거리 측정 장치로 돌아오는 빛을 이용하여 측정 신호를 생성하고, 측정 신호에 포함된 복수의 신호를 추출하고, 진폭 변조 신호를 생성할 때 사용한 복수의 신호와 측정 신호에서 추출한 복수의 신호를 각각 같은 주파수를 가진 신호끼리 비교하여 각각의 위상차를 측정한 후, 측정한 각각의 위상차를 기초로 거리 측정 장치와 주변 사물 사이의 거리를 측정하는 거리 측정 장치 및 거리 측정 방법을 제공한다.

Description

거리 측정 장치 및 동작 방법 {DISTANCE MEASURING SCANNER AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 거리 측정 장치 및 동작 방법에 관한 것으로, 특히 거리 측정 장치의 동작 중에 주파수가 다른 복수의 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 만들고, 진폭 변조 신호를 이용하여 빛을 측정위치에서 발광하며, 측정위치에 반사되어 거리 측정 장치로 돌아오는 빛을 이용하여 측정 신호를 생성하고, 측정 신호에 포함된 복수의 신호를 추출하고, 진폭 변조 신호를 생성할 때 사용한 복수의 신호와 측정 신호에서 추출한 복수의 신호를 각각 같은 주파수를 가진 신호끼리 비교하여 각각의 위상차를 측정한 후, 측정한 각각의 위상차를 기초로 거리 측정 장치와 주변 사물 사이의 거리를 측정하는 거리 측정 장치 및 거리 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 거리 측정 장치(이하 '스캐너')는 빛을 이용하여 스캐너와 주변 사물 사이의 거리를 측정한다. 빛을 이용하여 거리를 측정하는 방식은 삼각측량(triangulation) 방식, TOF(Time of Flight) 방식, 위상차(phase-shift)를 이용한 방식 등이 있다.
삼각측량 방식은 삼각측량법을 바탕으로 거리를 측정하는 방법이며, TOF 방식은 스캐너에서 빛을 발광한 시간과 그 발광된 빛이 주변 사물에 반사되어 거리측정 장치로 돌아오는 시간의 차이를 이용하여 스캐너와 주변 사물 사이의 거리를 계산하는 방법이다. 위상차를 이용한 방식은 일정한 주파수를 가진 신호를 이용하여 빛을 측정위치에 발광하고, 측정위치에 반사되어 스캐너로 돌아오는 빛을 이용하여 측정 신호를 생성하고, 측정 위치에 빛을 발광할 때 이용한 일정한 주파수를 가진 신호와 측정 측정위치에서 반사되어 스캐너로 돌아온 빛을 이용하여 생성한 측정 신호를 비교하여 위상차를 구하고, 구한 위상차를 기초로 거리를 측정하는 방법이다.
본 발명에서는 상기한 위상차를 이용한 방식을 기초로 스캐너와 주변 사물 사이의 거리를 계산한다. 본 발명은 주파수가 다른 복수의 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하고, 생성한 진폭 변조 신호를 이용하여 빛을 측정위치에 발광하여 보다 빠르고 정확하게 스캐너와 주변 사물 사이의 거리를 측정할 거리 및 공간을 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 주파수가 다른 복수의 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하고 생성한 진폭 변조 신호를 위상차를 이용한 거리 측정에 사용함으로써 보다 빠르고 정확하게 스캐너와 주변 사물 사이의 거리를 측정하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 거리 측정 장치는 제1 주파수를 가지는 제1 신호와 제2 주파수를 가지는 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하는 광원 제어부; 진폭 변조 신호에 따라 거리 측정용 빔을 측정 위치에 발광하는 송광부; 측정 위치에서 반사되어 거리 측정 장치로 돌아오는 빛을 측정하여 측정 신호를 생성하는 광검출부; 측정 신호에서 제1 주파수를 가지는 제3 신호와 제2 주파수를 가지는 제4 신호를 추출하는 필터부; 제3 신호와 제1 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정하고, 제4 신호와 제2 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정하는 위상차 비교부; 및 제1 측정 위상차와 제2 측정 위상차를 기초로 거리 측정 장치와 측정 위치 사이의 거리를 계산하는 거리 계산부를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 거리측정 장치의 동작 방법은 제1 주파수를 가지는 제1 신호와 제2 주파수를 가지는 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하는 단계; 진폭 변조 신호에 따라 거리 측정용 빔을 측정 위치에 발광하는 단계; 측정 위치에 반사되어 거리 측정 장치로 돌아오는 빛을 측정하여 측정 신호를 생성하는 단계; 측정 신호에서 제1 주파수를 가지는 제3 신호와 제2 주파수를 가지는 제4 신호를 추출하는 단계; 제3 신호와 제1 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정하고, 제4 신호와 제2 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정하는 단계; 및 제1 측정 위상차와 제2 측정 위상차를 기초로 거리 측정 장치와 측정 위치 사이의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스캐너는 위상차를 이용한 거리 측정 방법으로 정확하고 빠르게 거리를 측정할 수 있다.
도 1은 위상차를 이용한 거리 측정 방식을 이용한 스캐너의 기본적인 동작 방법을 나타내는 블록 구성도를 보여준다.
도 2는 위상차를 이용한 거리 측정 방식을 원리를 보여준다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 스캐너의 기본적인 동작 방법을 나타내는 블록 구성도를 보여준다.
도 4는 제1 신호와 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하는 한 예를 그래프로 보여준다.
도 5는 측정 신호에서 제3 신호와 제4 신호를 분리하는 한 예를 그래프로 보여준다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 스캐너의 동작 방법을 보여준다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 측정 신호에서 제3 신호와 제4 신호를 추출하는 방법을 보여준다.
도 8과 도 9는 스캐너가 회전거울과 같이 구성되는 예를 보여준다.
도 10과 도 11은 스캐너가 기울기를 조절할 수 있는 회전거울과 같이 구성되는 예를 보여준다.
도 12는 진공 청소 로봇에 탑재되어 사용되는 스캐너를 보여준다.
도 13은 자동차에 탑재되어 사용되는 스캐너를 보여준다.
이하, 본 발명과 관련된 스캐너에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에 기재된 실시예에 따른 구성은 다양한 장치에 적용될 수 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어 주변의 사물을 인식하여 동선을 정하는 로봇, 주변에서 일어나는 미세한 동작이나 주변 사물을 감지하는 장치, 자동차 주위를 감지하는 장치, 사용자의 동작을 인식하는 장치 및 3차원 영상을 만드는 장치 등이 있다.
다음은 도 1을 참고하여 위상차를 이용한 거리 측정 방식의 기본적인 동작 방법을 설명한다.
도 1은 위상차를 이용한 거리 측정 방식을 이용한 스캐너의 기본적인 동작 방법을 나타내는 블록 구성도(block diagram) 이다.
상기 스캐너(100)는 송광부(110), 수광부(120) 및 수광 렌즈(130)를 포함한다.
이하, 상기 구성요소에 대해 차례로 간단히 살펴본다.
송광부(110)는 측정 위치에 향해 일정 주파수를 가진 신호에 따라 빛의 강도를 조절하며 거리 측정용 빔(1)을 발광하는 광원(112)을 포함한다. 수광부(120)는 측정 위치에 반사되는 빛(7)을 검출하고, 검출한 빛을 이용하여 측정 신호를 생성하는 광검출부(122)를 포함한다. 또한 측정 위치에서 반사된 빛(7)을 광검출부(122)에 모아주는 수광 렌즈(130)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 송광부(110)에서 주변 사물(3)의 측정 위치를 향해 거리 측정용 빔(1)을 발광한다. 거리 측정용 빔(1)이 주변 사물(3)에 도착하면 측정 위치(A)에 반사되어 여러 갈래로 반사되는 빛(5)의 형태를 가진다. 이중 스캐너(100)에 포함된 수광 렌즈(130)에 의해 여러 갈래로 반사되는 빛의 일부(7)가 수광부의(120)의 광검출부(122)로 모이게 된다.
스캐너(100)는 측정 위치에 향해 발광한 거리 측정용 빔(1)을 생성할 때 사용한 일정 주파수를 가진 신호와 광검출부(122)에서 생성한 측정 신호를 비교하여 위상차를 측정한다. 스캐너(100)는 측정한 위상차를 기초로 스캐너(100)와 측정 위치(A) 사이의 거리를 얻을 수 있다. 자세한 내용은 도 2에서 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 스캐너(100)의 위상차를 이용한 거리 측정 방식을 더욱 자세히 설명한다. 도 2에서는 일정 주파수를 가진 신호에 따라 거리 측정용 빔(1)이 스캐너(100)에서 주변 사물(3)의 측정 위치(A)에 발광되는 것을 보여준다. 또한 일정 주파수를 가진 신호에 따라 발광된 거리 측정용 빔(1)이 측정 위치(A)에 반사되어 스캐너(100)로 돌아오는 빛(7)을 보여준다. 이때, 스캐너(100)와 측정 위치(A) 사이의 거리를 D, 거리 측정용 빔(1)과 반사되어 돌아오는 빛(7)의 측정 위상차는 g, 거리 측정용 빔(1) 및 반사되어 돌아오는 빛(7)의 파장을 L(=빛의 속도 c/ 일정 주파를 가진 신호의 주파수 f)로 한다면, 다음의 수학식 1을 충족하도록 연산하여 스캐너(100)와 측정 위치 사이의 거리 D를 얻을 수 있다.
참고로, 측정 위상차 g는 2π(=360도) 보다 작으며, 전체 위상차는 2π(=360도)의 정수 배와 측정 위상차 g의 합에 해당한다.
Figure pat00001
다음의 수학식 2를 충족하도록 연산하면 전체 위상차 및 전체 위상차를 구성하는 정수 N을 얻을 수 있다.
Figure pat00002
이때, 수학식 2의 g1은 거리 측정용 빔(1)이 주파수 f1을 가진 신호로 생성될 때 발생하는 제1 측정 위상차이며, g2는 거리 측정용 빔(1)이 주파수 f2를 가진 신호로 생성될 때 발생하는 제2 측정 위상차이다. c는 빛의 속도이다. 스캐너(100)는 측정 위치와 같은 거리를 위치를 유지하며, 적어도 다른 주파를 가진 두 개의 신호를 이용하여 거리 측정용 빔(1)을 같은 측정 위치를 향해 각각 발광하고, 제1측정 위상차와 제2 측정 위상차를 측정한다. 주파수 f1 및 f2, 측정한 제1 측정 위상차 g1 및 제2 측정 위상차 g2, 빛의 속도 c를 이용하여 수학시 2을 충촉하도록 연산하면, 적어도 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차를 구할 수 있다. 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차를 구하면 정수 N을 얻을 수 있다. 정수 N을 얻은 후, 상기한 수학식1 또는 수학시 2를 충족하도록 연산하여 스캐너(100)와 측정 위치 사이의 거리인 D를 얻을 수 있다.
위에서 설명했듯이, 거리를 측정하기 위해 스캐너(100)는 거리 측정용 빔(1)을 생성할 때 쓰이는 신호의 주파수를 바꿔가며, 거리 측정용 빔(1)을 측정 위치에 여러 번 발광해야 한다. 이러한 방법은 빠르게 거리를 측정하지 못하는 단점을 가진다. 본 발명은 위에서 설명한 위상차를 기초로 거리를 측정하는 방법의 단점을 보완하는 방법을 제시한다.
도 3는 본 발명의 한 실시예에 따른 스캐너의 기본적인 동작 방법을 나타내는 블록 구성도(block diagram) 이다.
상기 스캐너(300)는 송광부(310), 수광부(320), 전원 제어부(330), 통신부(340) 및 제어부(350) 등을 포함할 수 있다.
송광부(310)는 광원(312)과 광원렌즈(314)를 포함할 수 있다. 광원(312)은 LD(Laser Diode)와 LED(Light Emitting Diode) 등이 사용될 수 있으며, 광원 렌즈(314)는 콜리메이터 렌즈(collimator lens)가 사용되어, 광원(312)에서 나오는 빛을 평행광 또는 수렴광으로 만들 수 있다.
수광부(320)는 광검출부(322) 및 수광렌즈(324)를 포함할 수 있다. 수광렌즈(324)는 광검출부(322)에 빛을 모아주며, 광검출부(322)는 수광렌즈(324)에서 모아준 빛을 감지하고, 감지한 빛을 이용하여 측정 신호를 생성한다.
제어부(350)는 스캐너(300)의 전반적인 작동을 제어한다. 제어부(350)는 광원 제어부(351), 필터부(352), AGC부(Automatic Gain Control, 353), PLL부(Phase-Locked Loop, 354), ED부(Envelope Detector, 355), 위상차 비교부(356) 및 거리 계산부(357) 등을 포함할 수 있다.
광원 제어부(351)는 제1 주파수를 가지는 제1 신호와 제2 주파수를 가지는 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 만들고, 진폭 변조된 신호를 광원(312)에 보내준다. 필터부(351)는 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호에서 제1 주파수를 가진 제3 신호와 제2 주파수를 가진 제4 신호를 추출한다. 필터부(352)는 제1 필터부(358)와 제2 필터부(359)를 포함할 수 있다. AGC부(353)는 필터부(352)에서 추출한 신호가 일정한 레벨의 범위로 유지 되도록 제어한다. PLL부(354)는 필터부(352)에서 분리한 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다. PLL부(354)는 제1 PLL부(361)와 제2 PLL부(362)를 포함할 수 있다. ED부(355)는 필터부(352)에서 추출한 신호의 포락선을 검파한다. 위상차 비교부(356)는 제1 신호와 제3 신호를 비교하고 측정 위상차를 측정한다. 또한 위상차 비교부(356)는 제2 신호와 제4 신호를 비교하고 측정 위상차를 측정한다. 거리 계산부(357)는 위상차 비교부(356)에서 측정한 각각의 측정 위상차와 위에서 설명했던 수학식 2를 기초로 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리를 계산한다.
전원 공급부(330)는 제어부(350)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성 요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.
제어부(350)는 통신부(340)를 통해 거리 계산부(357)에서 계산한 거리를 외부의 장치에 유무선으로 전송할 수 있다.
도 3에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 스캐너도 구현될 수도 있다.
도 3에서는 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리를 거리 측정용 빔(31)을 이용하여 측정하는 것을 보여준다.
광원 제어부(351)는 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제2 주파수를 가진 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 광원 제어부(351)는 높은 주파수(예: 240MHz)를 가진 제1 신호와 낮은 주파수(예: 10MHz)를 가진 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성할 수 있다.
높은 주파수를 가진 제1 신호는 진폭 변조 신호 생성시에 캐리어 신호 역할을 할 수 있다.
제1 신호와 제2 신호의 진폭을 동일할 수 있으며, 제1 주파수와 제2 주파수의 주파수 차이는 10배 이상이 될 수 있다.
진폭 변조 신호에 따라 광원(312)은 빛의 강도를 조절하며 측정 위치를 향해 측정용 빔(31)을 발광한다.
참고로 광원(312)이 높은 주파수를 가진 신호에 따라 발광할수록 거리 측정 해상도(정확도)가 높아지지만, 측정 가능한 거리는 짧아 진다. 반대로 광원(312)이 낮은 주파수를 가진 신호에 따라 발광할수록 거리 측정 해상도(정확도)가 낮아지지만, 측정 가능한 거리는 길어진다.
예를 들어, 위에서 예시한 높은 주파수 240MHz는 약 63cm 정도의 거리까지 정확히 측정할 수 있으며, 거리 측정 해상도는 약 0.35mm 를 가진다. 위에서 예시한 낮은 주파수 10MHz는 약 15m 정도의 거리까지 정확히 측정할 수 있으며, 거리 측정 해상도는 약 1cm 를 가진다.
본 발명에서는 위에서 설명한 높은 주파수를 가진 신호를 이용하여 거리를 측정할 때와 낮은 주파수를 가진 신호를 이용하여 거리를 측정할 때의 각각의 단점을 높은 주파수를 가진 제1 신호와 낮은 주파수를 가진 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하고 진폭 변조 신호를 이용하여 거리를 측정하여 위에서 설명한 각각의 단점을 보완하고자 한다.
도 4는 위에서 설명한 진폭 변조 신호의 한 예를 그래프로 보여준다. 광원 제어부(351)는 상대적으로 높은 주파수(제1 주파수)를 가진 제1 신호(10)와 상대적으로 낮은 주파수(제2 주파수)를 가진 제2 신호(20)를 이용하여 진폭 변조 신호(30)을 생성한다. 광원 제어부(351)는 도 4의 진폭 변조된 신호(30)를 이용하여 광원(312)을 제어한다.
다시 도3을 설명한다.
광원(312)은 광원 제어부(351)에서 보내온 진폭 변조 신호에 따라 빛의 강도를 제어하며 측정 위치를 향해 측정용 빔(31)을 발광한다.
진폭 변조 신호를 이용하면 제1 주파수와 제2 주파수를 가진 빛을 동시에 측정 위치에 발광하는 효과를 가진다. 제1 주파수와 제2 주파수를 동시에 측정 위치에 발광하는 효과를 이용하여, 거리 측정 시간을 줄일 수 있다.
도 3에서는 광원(312)이 광원 제어부(351)에서 보내준 진폭 변조 신호에 따라 거리 측정 빔(31)을 측정 위치(T)에 향해 발광하는 것을 보여준다.
거리 측정용 빔(31)은 측정 위치(T)에 도착한다. 거리 측정용 빔(31)이 측정 위치(T)에 도착하면, 측정 위치에 반사되어 여러 갈래로 반사되는 빛의 형태(35)를 가진다. 이중 스캐너(300)에 포함된 수광렌즈(324)에 의해 여러 갈래로 반사되는 빛의 일부(37)가 수광부(320)의 광검출부(322)로 모이게 된다.
광검출부(322)는 수광렌즈(324)에서 모아준 빛을 감지하여 측정 신호를 생성하고 생성한 측정 신호를 필터부(352)에 전송한다.
필터부(352)는 제1 필터부(358)와 제2 필터부(359)를 이용하여 전송 받은 측정 신호에서 높은 주파수(제1 주파수)를 가진 제3 신호와 낮은 주파수(제2 주파수)를 가진 제4 신호를 추출할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 제1 필터부(358)는 밴드패스 필터 또는 하이패스 필터로 구성하여, 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호에서 높은 주파수(제1 주파수, 예: 240MHz)를 가진 제3 신호를 추출할 수 있다. 제2 필터부(359)는 밴드패스 필터 또는 로우패스 필터로 구성하여, 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호에서 낮은 주파수(제2 주파수, 예: 10MHz)를 가진 제4 신호를 추출할 수 있다.
도 5는 광검출부(322)에서 전송 받은 측정 신호에서 제3 신호와 제4 신호를 추출하는 한 예를 그래프로 보여준다.
제어부(350)는 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호(40)에서 위에서 설명한 필터부(352)를 통해 제1 주파수를 가진 제3 신호(50)와 제2 주파수를 가진 제4 신호(60)를 각각 추출한다.
다시 도 3을 설명한다.
제3 신호와 제4 신호는 위상차 비교부(356)에 전송된다. 위상차 비교부(356)는 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제1 주파수를 가진 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정한다. 또한 위상차 비교부(356)는 제2 주파수를 가진 제2 신호와 제2 주파수를 가진 제2 주파수를 가진 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다.
만약 광검출부(322)에 보내준 측정 신호에 노이즈가 많거나, 제1 필터부(358)를 거친 신호가 완벽하게 필터링 처리 되지 않았을 경우, 위상차 비교부(356)에서 제1 측정 위상차를 정확히 측정할 수 없다. 이 경우, AGC부(353)와 제1 PLL부(361)를 이용할 수 있다.
예를 들어, 제1 필터부(358)는 추출한 제3 신호를 AGC부(353)에 전송한다. AGC부(353)는 제1 필터부(358)에서 받은 제3 신호가 일정한 레벨의 범위로 유지 하도록 한다. AGC부(353)는 처리된 제3 신호를 제1 PLL부(361)에 전송한다. 제1 PLL부(361)는 AGC부(353)에서 보내준 제3 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다. 예를 들어, 제1 PLL부(361)는 AGC부(353)에서 보내준 제3 신호의 주파수를 제1 주파수와 같게 유지해준다.
위상차 비교부(356)는 제1 신호와 제1 PLL부(361)에서 보내온 제3 신호를 비교하여 위상차를 측정한다.
다른 예로, 제1 필터부(358)에서 추출한 제3 신호를 AGC부(353)에 전송한다. AGC부(353)는 제1 필터부(358)에서 받은 제3 신호가 일정한 레벨의 범위로 유지 하도록 한다. AGC부(353)는 처리된 제3 신호를 위상차 비교부(356)에 전송한다.
위상차 비교부(356)는 제1 신호와 AGC부(353)에서 보내온 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정한다.
또 다른 예로, 제1 필터부(358)에서 추출한 제3 신호를 제1 PLL부(361)에 전송한다. 제1 PLL부(361)는 제1 필터부(358)에서 보내준 제3 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다. 예를 들어, 제1 PLL부(361)는 제1 필터부(358)에서 보내준 제3 신호의 주파수를 제1 주파수와 같게 유지해준다.
위상차 비교부(356)는 제1 신호와 제1 PLL부(361)에서 보내온 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정한다.
만약 광검출부(322)에 보내준 측정 신호에 노이즈가 많거나, 제2 필터부(359)를 거친 신호가 완벽하게 필터링 처리가 되지 않았을 경우, 위상차 비교부(356)는 제2 위상차를 정확히 측정할 수 없다. 이 경우, ED부(355)와 제2 PLL부(362)를 이용할 수 있다.
예를 들어, 제2 필터부(359)에서 추출한 제4 신호를 ED부(355)에 전송한다. ED부(355)는 제2 필터부(359)에서 받은 제4 신호의 포락선을 검파한다. ED부(355)는 처리된 제4 신호를 제2 PLL부(362)에 전송한다. 제2 PLL부(362)는 ED부(355)에서 보내준 제4 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다. 예를 들어, 제2 PLL부(362)는 ED부(355)에서 보내준 제4 신호의 주파수를 제2 주파수와 같게 유지해준다.
위상차 비교부(356)는 제2 신호와 제2 PLL부(362)에서 보내온 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다.
다른 예로, 제2 필터부(359)에서 추출한 제4 신호를 ED부(355)에 전송한다. ED부(355)는 제2 필터부(359)에서 받은 제4 신호의 포락선을 검파한다. ED부(355)는 처리된 제4 신호를 위상차 비교부(356)에 전송한다.
위상차 비교부(356)는 제2 신호와 ED부(355)에서 보내온 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다.
또 다른 예로, 제2 필터부(359)에서 추출한 제4 신호를 제2 PLL부(362)에 전송한다. 제2 PLL부(362)는 제2 필터부(359)에서 보내준 제4 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다. 예를 들어, 제2 PLL부(362)는 제2 필터부(359)에서 보내준 제4 신호의 주파수를 제2 주파수와 같게 유지해준다.
위상차 비교부(356)는 제2 신호와 제2 PLL부(362)에서 보내온 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다.
거리 계산부(357)는 제1 신호와 제3 신호의 주파수인 제1 주파수 (f1), 제2 신호와 제4 신호의 주파수인 제2 주파수 (f2), 빛의 속도 (c), 및 위상차 비교부(356)에서 보내온 제1 측정 위상차 (g1)와 제2 측정 위상차 (g2)를 이용하여 위에서 설명한 수학식 2를 충족시켜 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구한다. 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차를 구하면 정수 N을 얻을 수 있다.
거리 계산부(357)는 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리를 계산한다. 제1 주파수(f1), 빛의 속도(c), 제1 측정 위상차(g1) 및 정수 N 또는 제2 주파수(f2), 빛의 속도(c), 제2 측정 위상차(g2) 및 정수 N을 이용하여 위에서 설명한 수학식 2를 충족시켜 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리(D)를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 스캐너(300)의 동작 방법을 보여준다.
이 실시예에 따르면 스캐너(300)는 송광부(310), 수광부(320), 전원 제어부(330), 통신부(340) 및 제어부(350) 등을 이용하여 스캐너(300)와 측정 거리 사이의 거리를 측정할 수 있다.
먼저, 광원 제어부(351)는 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제2 주파수를 가진 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성한다(S110). 예를 들어, 광원 제어부(351)는 높은 주파수(예: 240MHz)를 가진 제1 신호와 낮은 주파수(예: 10MHz)를 가진 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성한다.
광원(312)은 진폭 변조된 신호를 기초로 거리 측정 빔(31)을 측정 위치에 발광한다(S120).
거리 측정용 빔(31)은 측정 위치에 도착한다. 측정 위치에 도착한 거리 측정용 빔(31)은 측정 위치에 반사된다.
광검출부(322)는 측정 위치에서 거리 측정용 빔(31)이 반사되어 스캐너(300)으로 돌아오는 빛을 감지하고 측정한 빛을 이용하여 측정 신호를 생성한다(S130). 광검출부(322)는 필터부(352)에 측정 신호를 전송한다.
필터부(352)는 감지한 신호에서 제1 주파수를 가진 제3 신호와 제2 주파수를 가진 제4 신호를 각각 추출한다(S140). 자세한 내용은 도 7에서 설명하기로 한다.
위상차 비교부(356)는 제1 신호와 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정하고, 제2 신호와 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다(S150). 위상차 비교부(356)는 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제1 주파수를 가진 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정한다. 또한 위상차 비교부(356)는 제2 주파수를 가진 제2 신호와 제2 주파수를 가진 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다.
거리 계산부(357)는 제1 신호와 제3 신호의 주파수인 제1 주파수 (f1), 제2 신호와 제4 신호의 주파수인 제2 주파수 (f2), 빛의 속도 (c), 및 위상차 비교부(356)에서 보내온 제1 측정 위상차 (g1)와 제2 측정 위상차 (g2)를 이용하여 위에서 설명한 수학식 2를 충족시켜 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구한다(S160). 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차를 구하면 정수 N을 얻을 수 있다.
거리 계산부(357)는 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리를 계산한다(S170). 제1 주파수(f1), 빛의 속도(c), 제1 측정 위상차(g1) 및 정수 N 또는 제2 주파수(f2), 빛의 속도(c), 제2 측정 위상차(g2) 및 정수 N을 이용하여 위에서 설명한 수학식 2를 충족시켜 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리(D)를 얻을 수 있다.
도 7는 도 6에서 설명한 스캐너(300)의 동작 방법 중 측정 신호에서 제3 신호와 제4 신호를 추출하는 단계(S140)를 더욱 자세히 보여준다.
제어부(350)는 제1 필터부(358)를 이용하여 광검출부(322)에서 보내준 측정신호에서 제3 신호를 추출한다(S141). 제1 필터부(358)는 밴드패스 필터 또는 하이패스 필터로 구성하여, 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호에서 제1 주파수를 가진 제3 신호를 추출한다. 제1 필터부(358)는 추출한 제3 신호를 AGC부(353)에 전송한다.
AGC부(353)를 작동시켜서, 제1 필터부(358)에서 받은 제3 신호가 일정한 레벨의 범위로 유지 하도록 한다(S142). AGC부(353)에서 처리된 제3 신호는 제1 PLL부(361)에 전송된다.
제1 PLL부(361)를 작동시켜서, AGC부(353)에서 처리된 제3 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다(S143). 예를 들어, 제1 PLL부(361)는 제3 신호의 주파수를 제1 주파수와 같게 유지해준다.
또한 아래와 같이, 제어부(350)는 제2 필터부(359)를 이용하여 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호에서 제4 신호를 추출할 수 있다.
제어부(350)는 제2 필터부(359)를 이용하여 광검출부(322)에서 보내준 측정신호에서 제4 신호를 추출한다(S145). 제2 필터부(359)는 밴드패스 필터 또는 로우패스 필터로 구성하여, 광검출부(322)에서 보내준 측정 신호에서 제2 주파수를 가진 제4 신호를 추출한다. 제2 필터부(359)는 추출한 제4 신호를 ED부(355)에 전송한다.
ED부(355)를 작동시켜서, 제2 필터부(359)에서 받은 제4 신호의 포락선을 검파한다(S146). ED부(355)는 처리된 제4 신호를 제2 PLL부(362)에 전송한다.
제2 PLL부(362)를 작동시켜, ED부(355)에서 받은 제4 신호의 주파수를 일정하게 유지하게 해준다(S147). 예를 들어, 제2 PLL부(362)는 제4 신호의 주파수를 제2 주파수와 같게 유지해준다.
위에서 설명했듯이, 위상차 비교부(356)는 제1 신호와 제3 신호와 비교하여 제1 측정 위상차를 측정한다(S150). 또한 위상차 비교부(356)는 제2 신호와 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다(S150).
도 7에서는 제어부(350)가 제1 필터부(358)를 이용하여 광검출부(322)에서는 보내준 측정 신호에서 제3 신호를 추출한 후 AGC부(353)와 제1 PLL부(361)를 거쳐서 제1 측정 위상차를 측정하였다. 하지만, 도 7에서 점선으로 표시한 것과 같이 AGC부(353)를 작동시키는 단계(S142) 및 제1 PLL부(361)를 작동시키는 단계(S143)를 생략할 수 있다.
예를 들어 AGC부(353)를 작동시키는 단계(S142)를 생략하거나, 제1 PLL부(361)를 작동시키는 단계 (S143)를 생략할 수도 있다. 또한 AGC부(353)를 작동시키는 단계(S142)와 제1 PLL부(361)를 작동시키는 단계 (S143) 둘 다 생략될 수 있다.
도 7에서는 제어부(350)가 제2 필터부(359)를 이용하여 광검출부(322)에서는 보내준 측정 신호에서 제4 신호를 추출한 후 ED부(355)와 제2 PLL부(362)를 거쳐서 제2 측정 위상차를 측정하였다. 하지만, 도 7에서 점선으로 표시한 것과 같이 ED부(355)를 작동시키는 단계(S146) 및 제2 PLL부(362)를 작동시키는 단계(S147)를 생략할 수 있다.
예를 들어 ED부(353)를 작동시키는 단계(S146)를 생략하거나, 제2 PLL부(362)를 작동시키는 단계 (S147)를 생략할 수도 있다. 또한 ED부(355)를 작동시키는 단계(S146)와 제2 PLL부(362)를 작동시키는 단계(S147) 둘 다 생략할 수 있다.
도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 스캐너(300)가 회전거울(500)과 같이 구성되는 예를 보여준다. 회전거울(500)은 수평하게 회전할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 회전거울(500)이 시계반대 방향으로 회전하면, 스캐너(300)의 거리 측정 위치는 좌측으로 이동하게 되고, 이를 통해 스캐너(300)는 측정 위치를 수평 이동하며 연속적으로 거리를 측정할 수 있다. 또한 회전거울(380)은 상하로 기울기를 조절할 수 있게 구성될 수도 있다.
도 8은 스캐너(300)와 회전거울(500)이 같이 구성된 예를 옆에서 본 모습으로 도시하였다. 광원 제어부(351)는 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제2 주파수를 가진 제2 호를 이용하여 진폭 변조 신호를 만들고, 진폭 변조 신호를 광원(312)에 전송한다. 광원(312)은 광원 제어부(351)에서 전송해준 진폭 변조 신호에 따라 거리 측정용 빔(31)을 회전거울(500)에 발광한다. 거리 측정용 빔(31)이 회전거울(380)에 도착하면, 회전거울(500)의 표면에 반사되어 주변 사물(3)의 측정 위치에 도착한다.
도 9는 거리 측정용 빔(31)이 측정 위치에 반사되는 모습을 도시하였다. 거리 측정용 빔(31)은 측정 위치에 도착한다. 거리 측정용 빔(31)이 측정 위치에 도착하면, 측정 위치에 반사되어 여러 갈래로 반사되는 빛의 형태를 가진다. 거리 측정용 빔(31)이 주변 사물(3)에 반사되어 여러 갈래로 반사되면, 그 중 일부의 빛(37)이 회전거울(500)에 도착한다. 회전거울(500)에 반사된 빛(37)은 스캐너(300)에 포함된 수광렌즈(324)를 통해 수광부(320)의 광검출부(322)로 모이게 된다.
광검출부(322)는 수광렌즈(324)에서 모아준 빛을 측정하고, 측정한 빛을 이용하여 측정 신호를 생성한다. 또한 광검출부(322)는 필터부(352)에 측정 신호를 전송한다.
필터부(352)는 측정 신호에서 제1 주파수를 가진 제3 신호와 제2 주파수를 가진 제4 신호를 각각 추출한다.
위상차 비교부(356)는 제1 신호와 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정하고, 제2 신호와 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다. 위상차 비교부(356)는 제1 주파수를 가진 제1 신호와 제1 주파수를 가진 제3 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정한다. 또한 위상차 비교부(356)는 제2 주파수를 가진 제2 신호와 제2 주파수를 가진 제4 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정한다.
거리 계산부(357)는 제1 신호와 제3 신호의 주파수인 제1 주파수 (f1), 제2 신호와 제4 신호의 주파수인 제2 주파수 (f2), 빛의 속도 (c), 및 위상차 비교부(356)에서 보내온 제1 측정 위상차 (g1)와 제2 측정 위상차 (g2)를 이용하여 위에서 설명한 수학식 2를 충족시켜 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구한다. 제1 전체 위상차 또는 제2 전체 위상차를 구하면 정수 N을 얻을 수 있다.
거리 계산부(357)는 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리를 계산한다. 제1 주파수(f1), 빛의 속도(c), 제1 측정 위상차(g1) 및 정수 N 또는 제2 주파수(f2), 빛의 속도(c), 제2 측정 위상차(g2) 및 정수 N을 이용하여 위에서 설명한 수학식 2를 충족시켜 스캐너(300)와 측정 위치 사이의 거리(D)를 얻을 수 있다.
도 10과 도 11에서는 회전거울(500)의 기울기를 상하로 조절할 수 있다는 것을 도시하였다. 회전거울(500)의 기울기를 상하로 조절하면, 거리 측정용 빔(31)이 주변 사물(3)에 도착하는 측정 위치가 상하로 조절된다. 스캐너(300)은 회전거울(500)을 이용하여 측정 위치를 상하좌우로 이동할 수 있다.
도 12은 진공 청소 로봇(700)에 탑재되어 사용되는 스캐너(300)를 도시하였다. 이 경우에도 스캐너(300)이 회전거울(500)과 같이 구성될 수 있다. 본 발명이 주변 사물(380)과 청소 로봇 사이의 거리를 측정하여 공간 데이터를 청소 로봇에 전송하면, 청소 로봇은 본 발명에서 전송 받은 정보를 바탕으로 동선을 정한다.
도 13는 자동차(900)에 탑재되어 사용되는 스캐너(300)를 도시하였다. 이 경우에도 스캐너(300)이 회전거울(500)과 같이 구성될 수 있다. 본 발명이 주변 사물과 자동차 사이의 거리를 측정하여 공간 데이터를 자동차에 전송하면, 자동차는 본 발명에서 전송 받은 정보를 바탕으로 안전거리를 확보한다. 예를 들어 자동차가 운전자에게 경고방송을 할 수 도 있으며 자동차 속도를 자동 제어할 수도 있다.
상기와 같이 설명된 스캐너는 위에 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 거리 측정 장치에 있어서,
    제1 주파수를 가지는 제1 신호와 제2 주파수를 가지는 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하는 광원 제어부;
    상기 진폭 변조 신호에 따라 거리 측정용 빔을 측정 위치에 발광하는 송광부;
    상기 측정 위치에서 반사되어 상기 거리 측정 장치로 돌아오는 빛을 측정하여 측정 신호를 생성하는 광검출부;
    상기 측정 신호에서 상기 제1 주파수를 가지는 제3 신호와 상기 제2 주파수를 가지는 제4 신호를 추출하는 필터부;
    상기 제3 신호와 상기 제1 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정하고, 상기 제4 신호와 제2 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정하는 위상차 비교부; 및
    상기 제1 측정 위상차와 상기 제2 측정 위상차를 기초로 상기 거리 측정 장치와 상기 측정 위치 사이의 거리를 계산하는 거리 계산부를 포함하는
    거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 거리 계산부는
    상기 제1 측정 위상차와 상기 제2 측정 위상차를 기초로
    상기 제1 신호와 상기 제3 신호 사이의 제1 전체 위상차 또는
    상기 제2 신호와 상기 제4 신호 사이의 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구하고,
    상기 제1 전체 위상차 또는 상기 제2 전체 위상차를 이용하여 상기 거리 측정 장치와 상기 측정 위치 사이의 거리를 계산하는
    거리 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 측정 위상차는 360도보다 작고,
    상기 제2 측정 위상차는 360도보다 작으며,
    상기 제1 전체 위상차는 360도의 정수 배와 상기 제1 측정 위상차의 합에 해당하고,
    상기 제2 전체 위상차는 360도의 정수 배와 상기 제2 측정 위상차의 합에 해당하는
    거리 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 거리 계산부는
    상기 제1 주파수, 상기 제2 주파수, 상기 제1 측정 위상차와, 및 상기 제2 측정 위상차를 기초로
    상기 제1 전체 위상차 또는 상기 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구하는
    거리 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 제1 필터부와 제2 필터부를 포함하고,
    상기 제1 필터부는 하이패스 필터나 밴드패스 필터로 구성되어 상기 측정 신호에서 상기 제3 신호를 추출하고,
    상기 제2 필터부는 로우패스 필터나 밴드패스 필터로 구성되어 상기 측정 신호에서 상기 제4 신호를 추출하는
    거리 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 신호를 일정한 레벨의 범위로 유지하게 하는 AGC(Automatic Gain Control)부를 더 포함하는
    거리 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제3 신호의 주파수를 제1 주파수로 일정하게 유지해주는 제1 PLL(Phase-Locked Loop)부를 더 포함하는
    거리 측정 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제4 신호의 포락선을 검파하는 ED(Envelope Detector)부를 더 포함하는
    거리 측정 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제4 신호의 주파수를 제2 주파수로 일정하게 유지해주는 제2 PLL(Phase-Locked Loop)부를 더 포함하는
    거리 측정 장치.
  10. 거리 측정 장치의 동작 방법에 있어서,
    제1 주파수를 가지는 제1 신호와 제2 주파수를 가지는 제2 신호를 이용하여 진폭 변조 신호를 생성하는 단계;
    상기 진폭 변조 신호에 따라 거리 측정용 빔을 측정 위치에 발광하는 단계;
    상기 측정 위치에 반사되어 상기 거리 측정 장치로 돌아오는 빛을 측정하여 측정 신호를 생성하는 단계;
    상기 측정 신호에서 상기 제1 주파수를 가지는 제3 신호와 상기 제2 주파수를 가지는 제4 신호를 추출하는 단계;
    상기 제3 신호와 상기 제1 신호를 비교하여 제1 측정 위상차를 측정하고, 상기 제4 신호와 제2 신호를 비교하여 제2 측정 위상차를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 측정 위상차와 상기 제2 측정 위상차를 기초로 상기 거리 측정 장치와 상기 측정 위치 사이의 거리를 계산하는 단계를 포함하는
    동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 거리를 계산하는 단계는
    상기 제1 측정 위상차와 상기 제2 측정 위상차를 기초로
    상기 제1 신호와 상기 제3 신호 사이의 제1 전체 위상차 또는
    상기 제2 신호와 상기 제4 신호 사이의 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구하는 단계와,
    상기 제1 전체 위상차 또는 상기 제2 전체 위상차를 이용하여 상기 거리 측정 장치와 상기 측정 위치 사이의 거리를 계산하는 단계를 포함하는
    동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 측정 위상차는 360도보다 작고,
    상기 제2 측정 위상차는 360도보다 작으며,
    상기 제1 전체 위상차는 360도의 정수 배와 상기 제1 측정 위상차의 합에 해당하고,
    상기 제2 전체 위상차는 360도의 정수 배와 상기 제2 측정 위상차의 합에 해당하는
    동작 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전체 위상차 또는 상기 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구하는 단계는
    상기 제1 주파수, 상기 제2 주파수, 상기 제1 측정 위상차와, 및 상기 제2 측정 위상차를 기초로
    상기 제1 전체 위상차 또는 상기 제2 전체 위상차 중 적어도 하나를 구하는 단계를 포함하는
    동작 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 측정 신호에서 상기 제1 주파수를 가지는 상기 제3 신호를 추출하는 단계는
    상기 제3 신호를 일정한 레벨의 범위로 유지하게 하는 단계 또는
    상기 제3 신호의 주파수를 제1 주파수로 일정하게 유지해주는 단계 중 적어도 하나의 단계를 포함하는
    동작 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 측정 신호에서 상기 제2 주파수를 가지는 상기 제4 신호를 추출하는 단계는
    상기 제4 신호를 검파하는 단계 또는
    상기 제4 신호의 주파수를 제2 주파수로 일정하게 유지해주는 단계 중 적어도 하나의 단계를 포함하는
    동작 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170088388A (ko) * 2015-10-22 2017-08-01 광저우 엑스에어크래프트 테크놀로지 씨오 엘티디 무인기 및 무인기의 거리 측정 필터링 장치, 방법 및 상기 방법에 기반한 거리 측정 방법
KR20190062923A (ko) * 2017-11-29 2019-06-07 에이테크솔루션(주) TOF(Time-Of-Flight) 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법
JP2023040126A (ja) * 2015-03-25 2023-03-22 ウェイモ エルエルシー 複数の光検出及び測距装置（ｌｉｄａｒ）付きの車両

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