KR20190114937A

KR20190114937A - 티오에프 방식에서 거리 측정 방법 및 및 이를 이용한 자율 주행 시스템

Info

Publication number: KR20190114937A
Application number: KR1020190116310A
Authority: KR
Inventors: 이제종
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2019-10-10

Abstract

티오에프 방식에서 거리 측정 방법 및 및 이를 이용한 자율 주행 시스템을 개시한다. 본 명세서에 따른 TOF 카메라는, 제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부; 복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 제1 신호의 제1 검출 시점을 제1 펄스 폭을 기준으로 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고, 발광부는 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 수광부는 지연된 레이저 빔에 대응하여 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 프로세서는 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 제1 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산할 수 있다.
본 명세서의 자율 주행 차량, 사용자 단말기 및 서버 중 하나 이상이 인공지능(Artificial Intelligence) 모듈, 드론 (Unmmanned Aerial Vehicle, UAV) 로봇, 증강 현실 (Augmented Reality, AR) 장치, 가상 현실(Virtual reality, VR) 장치, 5G 서비스와 관련된 장치 등과 연계될 수 있다.

Description

티오에프 방식에서 거리 측정 방법 및 및 이를 이용한 자율 주행 시스템 {DISTANCE MEASURING METHOD IN TOF SCHEME and autonomous driving system using the same}

본 명세서는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법과 이를 이용한 자율 주행 시스템에 관한 것이다.

자동차는 사용되는 원동기의 종류에 따라, 내연 기관(internal combustion engine) 자동차, 외연 기관(external combustion engine) 자동차, 가스 터빈(gas turbine) 자동차 또는 전기 자동차(electric vehicle) 등으로 분류될 수 있다.

자율 주행 차량(autonomous vehicle)이란 운전자 또는 승객의 조작 없이 자동차 스스로 운행이 가능한 자동차를 말하며, 자율 주행 시스템(autonomous driving system)은 이러한 자율 주행 자동차가 스스로 운행될 수 있도록 모니터링하고 제어하는 시스템을 말한다.

자율 주행을 위해서 외부 오브젝트에 대한 정보, 예를 들어 해당 오브젝트와의 거리, 상대 속도, 오브젝트의 형태 등를 생성하기 위한 여러 센서가 필요하다. 외부 오브젝트까지의 거리를 측정하는 센서로는 TOF(Time of Flight) 방식을 채용한 레이더나 라이다 등이 있다.

간접 TOF 방식은, 직접 시간 차이를 계산하여 거리를 검출하는 대신, 위상 차이나 커패시터에 저장된 전하를 이용하여 시간을 추출하고 이를 근거로 거리를 계산하는데, 후자인 커패시터 차징 방식이 주로 사용된다.

커패시터 차징 방식은, 발광시키는 레이저 빔과 같은 위상으로 스위칭 하는 커패시터가 저장하는 전하와 레이저 빔과 180도 위상으로 스위칭 하는 커패시터가 저장하는 전하를 각각 전압으로 환산하여 그 비율로 거리를 계산한다.

하지만, 발광하는 레이저 빔이 이상적인 구형파를 이루어 발광하거나 소등하지 못하고, 발광하는 레이저 빔의 파워를 표현하는 파형이 소정의 기울기를 갖고 상승하고 하강하여 발광과 소등 시점에 왜곡이 발생하고, 이에 거리 측정의 선형성이 일부 구간으로 제한되고 넓은 범위에서 정확한 거리 측정이 어렵다.

또한, TOF 방식의 거리 센서가 전하량을 전압으로 환산할 때 다이나믹 레인지에 따라 거리 오차가 발생하여, 같은 거리에 있는 오브젝트라도 표면 반사율에 따라 다른 거리값을 출력할 수 있다.

따라서, 본 명세서는 이러한 상황을 감안하여 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서의 목적은, TOF 방식으로 넓은 범위에 걸쳐 선형적으로 거리를 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 명세서의 다른 목적은, 오브젝트에 관계 없이 일관성있게 거리를 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 명세서의 다른 목적은, 선형적이고 일관성 있게 거리를 측정하는 TOF 방식의 센서를 채용하여 자율 주행 성능을 향상시키는 자율 주행 시스템을 제공하는 데 있다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 티오에프 방식에서 거리 측정 방법은, 광원을 통해 제1 펄스 폭을 갖는 제1 레이저 빔을 방사하고, 포토 센서를 통해 제1 레이저 빔의 제1 방사 시점에 동기하여 제1 전압을 검출하고 제1 방사 시점과 180도 위상차를 갖고 동기하여 제2 전압을 검출하는 단계; 제1 및 제2 전압을 근거로 제1 거리를 계산하는 단계; 광원을 통해 제1 펄스 폭을 갖는 제2 레이저 빔을 제1 레이저 빔보다 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 포토 센서를 통해 제1 방사 시점에 동기하여 제3 전압을 검출하고 제1 방사 시점과 180도 위상차를 갖고 동기하여 제4 전압을 검출하는 단계; 및 제3 및 제4 전압을 근거로 제2 거리를 계산하고, 제2 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제3 거리를 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 TOF 카메라는, 제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부; 복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 제1 신호의 제1 검출 시점을 제1 펄스 폭을 기준으로 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고, 발광부는 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 수광부는 지연된 레이저 빔에 대응하여 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 프로세서는 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 제1 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 자율 주행 시스템은, TOF 카메라를 포함하여 센서 데이터를 출력하는 센싱 시스템; 차량 구동 장치를 전기적으로 제어하는 구동 제어 장치; 및 센싱 시스템으로부터 센서 데이터를 수신하고 이를 근거로 자율 주행 상황을 판단하고 이를 근거로 차량 구동 장치를 제어할 제어 신호를 생성하여 구동 제어 장치에 전송하는 제어부를 포함하여 구성되고, TOF 카메라는, 제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부; 복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 제1 신호의 제1 검출 시점을 제1 펄스 폭을 기준으로 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고, 발광부는 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 수광부는 지연된 레이저 빔에 대응하여 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 프로세서는 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 제1 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서에 따라 간접 TOF 방식으로 거리를 측정함으로써, 측정하고자 하는 최소 거리와 최대 거리 사이를 선형적으로 측정할 수 있고, TOF 방식에 내재된 거리 한계를 개선하고 측정하고자 하는 거리 범위의 전체를 정확히 측정할 수 있게 된다.

또한, 주변의 다양한 반사율을 가지는 오브젝트까지의 거리를 정확하게 측정하게 되어, 동시적 위치 추정 및 지도 작성(Simultaneous Localization And Mapping, SLAM) 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 반사율이 다른 오브젝트에 대한 거리 오차 문제를 개선하여, 다양한 환경에서 장애물을 감지하는 능력을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 다양한 오브젝트에 대한 거리 측정 능력을 향상된 센서를 채용함으로써, 자율 주행 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

본 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 명세서에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 명세서의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 명세서에서 제안하는 방법들이 적용될 수 있는 무선 통신 시스템의 블록 구성도를 예시한다.
도 2는 무선 통신 시스템에서 신호 송/수신 방법의 일례를 나타낸 도이다.
도 3은 5G 통신 시스템에서 사용자 단말과 5G 네트워크의 기본동작의 일 예를 나타낸다.
도 4는 5G 통신을 이용한 차량 대 차량 간의 기본 동작의 일 예를 예시한다.
도 5는 본 명세서의 실시예에 따른 차량을 도시한 도면이다.
도 6은 본 명세서의 실시예에 따른 차량의 제어 블럭도이다.
도 7은 본 명세서의 실시예에 따른 자율 주행 장치의 제어 블럭도이다.
도 8은 본 명세서의 실시예에 따른 자율 주행 차량의 신호 흐름도이다.
도 9는 V2X 어플리케이션의 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 V2X 사이드링크에서의 자원 할당 방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 TOF 카메라로 오브젝트의 거리 이미지를 출력하는 예를 도시한 도면이다.
도 12는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 원리를 도시한 도면이다.
도 13a와 도 13b는 레이저 빔의 펄스 폭에 따라 거리 측정의 선형성이 유지되는 범위가 달라지는 것을 도시한 도면이다.
도 14는 TOF 카메라에서 레이저 빔을 지연시켜 출력할 때의 출력 신호를 도시한 도면이다.
도 15는 TOF 카메라의 구성 블록을 도시한 도면이다.
도 16은 본 명세서의 일 실시예에 따라 선형 구간을 확장하여 TOF 카메라를 캘리브레이션 하는 동작 흐름도를 도시한 도면이다.
도 17a 내지 도 17c는 TOF 카메라를 캘리브레이션 하는 과정을 그래프로 도시한 도면이다.
도 18은 TOF 방식으로 거리를 측정할 때 광원의 발광 형태와 포토 센서에서 검출되는 신호를 도시한 도면이다.
도 19는 포토 센서의 동작 구간을 도시한 도면이다.
도 20은 본 명세서의 일 실시예에 따라 포토 센서의 선형 구간에서 TOF 카메라를 동작시키면서 캘리브레이션 하는 동작 흐름도를 도시한 도면이다.
도 21은 본 명세서의 일 실시예에 따라 거리를 측정하는 TOF 카메라의 포토 센서가 신호를 일정한 레벨로 출력하도록 하는 동작 흐름도를 도시한 도면이다.
도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따라 같은 거리에 있는 반사율이 다른 오브젝트까지의 거리를 측정한 결과를 종래의 것과 비교하여 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 자율 주행 정보를 필요로 하는 장치 및/또는 자율 주행 차량이 필요로 하는 5G 통신(5th generation mobile communication)을 단락 A 내지 단락 G를 통해 설명하기로 한다.

A. UE 및 5G 네트워크 블록도 예시

도 1은 본 명세서에서 제안하는 방법들이 적용될 수 있는 무선 통신 시스템의 블록 구성도를 예시한다.

도 1을 참조하면, 자율 주행 모듈을 포함하는 장치(자율 주행 장치)를 제1 통신 장치로 정의(도 1의 910)하고, 프로세서(911)가 자율 주행 상세 동작을 수행할 수 있다.

자율 주행 장치와 통신하는 다른 차량을 포함하는 5G 네트워크를 제2 통신 장치로 정의(도 1의 920)하고, 프로세서(921)가 자율 주행 상세 동작을 수행할 수 있다.

5G 네트워크가 제 1 통신 장치로, 자율 주행 장치가 제 2 통신 장치로 표현될 수도 있다.

예를 들어, 상기 제 1 통신 장치 또는 상기 제 2 통신 장치는 기지국, 네트워크 노드, 전송 단말, 수신 단말, 무선 장치, 무선 통신 장치, 자율 주행 장치 등일 수 있다.

예를 들어, 단말 또는 UE(User Equipment)는 차량(vehicle), 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털 방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, HMD는 머리에 착용하는 형태의 디스플레이 장치일 수 있다. 예를 들어, HMD는 VR, AR 또는 MR을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 1을 참고하면, 제 1 통신 장치(910)와 제 2 통신 장치(920)은 프로세서(processor, 911,921), 메모리(memory, 914,924), 하나 이상의 Tx/Rx RF 모듈(radio frequency module, 915,925), Tx 프로세서(912,922), Rx 프로세서(913,923), 안테나(916,926)를 포함한다. Tx/Rx 모듈은 트랜시버라고도 한다. 각각의 Tx/Rx 모듈(915)는 각각의 안테나(926)을 통해 신호를 전송한다. 프로세서는 앞서 살핀 기능, 과정 및/또는 방법을 구현한다. 프로세서 (921)는 프로그램 코드 및 데이터를 저장하는 메모리 (924)와 관련될 수 있다. 메모리는 컴퓨터 판독 가능 매체로서 지칭될 수 있다. 보다 구체적으로, DL(제 1 통신 장치에서 제 2 통신 장치로의 통신)에서, 전송(TX) 프로세서(912)는 L1 계층(즉, 물리 계층)에 대한 다양한 신호 처리 기능을 구현한다. 수신(RX) 프로세서는 L1(즉, 물리 계층)의 다양한 신호 프로세싱 기능을 구현한다.

UL(제 2 통신 장치에서 제 1 통신 장치로의 통신)은 제 2 통신 장치(920)에서 수신기 기능과 관련하여 기술된 것과 유사한 방식으로 제 1 통신 장치(910)에서 처리된다. 각각의 Tx/Rx 모듈(925)는 각각의 안테나(926)을 통해 신호를 수신한다. 각각의 Tx/Rx 모듈은 RF 반송파 및 정보를 RX 프로세서(923)에 제공한다. 프로세서 (921)는 프로그램 코드 및 데이터를 저장하는 메모리 (924)와 관련될 수 있다. 메모리는 컴퓨터 판독 가능 매체로서 지칭될 수 있다.

B. 무선 통신 시스템에서 신호 송/수신 방법

도 2는 무선 통신 시스템에서 신호 송/수신 방법의 일례를 나타낸 도이다.

도 2를 참고하면, UE는 전원이 켜지거나 새로이 셀에 진입한 경우 BS와 동기를 맞추는 등의 초기 셀 탐색(initial cell search) 작업을 수행한다(S201). 이를 위해, UE는 BS로부터 1차 동기 채널(primary synchronization channel, P-SCH) 및 2차 동기 채널(secondary synchronization channel, S-SCH)을 수신하여 BS와 동기를 맞추고, 셀 ID 등의 정보를 획득할 수 있다. LTE 시스템과 NR 시스템에서 P-SCH와 S-SCH는 각각 1차 동기 신호(primary synchronization signal, PSS)와 2차 동기 신호(secondary synchronization signal, SSS)로 불린다. 초기 셀 탐색 후, UE는 BS로부터 물리 브로드캐스트 채널(physical broadcast channel, PBCH)를 수신하여 셀 내 브로드캐스트 정보를 획득할 수 있다. 한편, UE는 초기 셀 탐색 단계에서 하향 링크 참조 신호(downlink reference Signal, DL RS)를 수신하여 하향 링크 채널 상태를 확인할 수 있다. 초기 셀 탐색을 마친 UE는 물리 하향 링크 제어 채널(physical downlink control channel, PDCCH) 및 상기 PDCCH에 실린 정보에 따라 물리 하향 링크 공유 채널(physical downlink shared Channel, PDSCH)을 수신함으로써 좀더 구체적인 시스템 정보를 획득할 수 있다(S202).

한편, BS에 최초로 접속하거나 신호 전송을 위한 무선 자원이 없는 경우 UE는 BS에 대해 임의 접속 과정(random access procedure, RACH)을 수행할 수 있다(단계 S203 내지 단계 S206). 이를 위해, UE는 물리 임의 접속 채널(physical random access Channel, PRACH)을 통해 특정 시퀀스를 프리앰블로서 전송하고(S203 및 S205), PDCCH 및 대응하는 PDSCH를 통해 프리앰블에 대한 임의 접속 응답(random access response, RAR) 메시지를 수신할 수 있다(S204 및 S206). 경쟁 기반 RACH의 경우, 추가적으로 충돌 해결 과정(contention resolution procedure)를 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 과정을 수행한 UE는 이후 일반적인 상향 링크/하향 링크 신호 전송 과정으로서 PDCCH/PDSCH 수신(S207) 및 물리 상향 링크 공유 채널(physical uplink shared Channel, PUSCH)/물리 상향 링크 제어 채널(physical uplink control channel, PUCCH) 전송(S208)을 수행할 수 있다. 특히 UE는 PDCCH를 통하여 하향 링크 제어 정보(downlink control information, DCI)를 수신한다. UE는 해당 탐색 공간 설정(configuration)들에 따라 서빙 셀 상의 하나 이상의 제어 요소 세트(control element set, CORESET)들에 설정된 모니터링 기회(occasion)들에서 PDCCH 후보(candidate)들의 세트를 모니터링한다. UE가 모니터할 PDCCH 후보들의 세트는 탐색 공간 세트들의 면에서 정의되며, 탐색 공간 세트는 공통 탐색 공간 세트 또는 UE-특정 탐색 공간 세트일 수 있다. CORESET은 1~3개 OFDM 심볼들의 시간 지속기간을 갖는 (물리) 자원 블록들의 세트로 구성된다. 네트워크는 UE가 복수의 CORESET들을 갖도록 설정할 수 있다. UE는 하나 이상의 탐색 공간 세트들 내 PDCCH 후보들을 모니터링한다. 여기서 모니터링이라 함은 탐색 공간 내 PDCCH 후보(들)에 대한 디코딩 시도하는 것을 의미한다. UE가 탐색 공간 내 PDCCH 후보들 중 하나에 대한 디코딩에 성공하면, 상기 UE는 해당 PDCCH 후보에서 PDCCH를 검출했다고 판단하고, 상기 검출된 PDCCH 내 DCI를 기반으로 PDSCH 수신 혹은 PUSCH 전송을 수행한다. PDCCH는 PDSCH 상의 DL 전송들 및 PUSCH 상의 UL 전송들을 스케줄링하는 데 사용될 수 있다. 여기서 PDCCH 상의 DCI는 하향 링크 공유 채널과 관련된, 변조(modulation) 및 코딩 포맷과 자원 할당(resource allocation) 정보를 적어도 포함하는 하향 링크 배정(assignment)(즉, downlink grant; DL grant), 또는 상향 링크 공유 채널과 관련된, 변조 및 코딩 포맷과 자원 할당 정보를 포함하는 상향 링크 그랜트(uplink grant; UL grant)를 포함한다.

도 2를 참고하여, 5G 통신 시스템에서의 초기 접속(Initial Access, IA) 절차에 대해 추가적으로 살펴본다.

UE는 SSB에 기반하여 셀 탐색(search), 시스템 정보 획득, 초기 접속을 위한 빔 정렬, DL 측정 등을 수행할 수 있다. SSB는 SS/PBCH(Synchronization Signal/Physical Broadcast channel) 블록과 혼용된다.

SSB는 PSS, SSS와 PBCH로 구성된다. SSB는 4개의 연속된 OFDM 심볼들에 구성되며, OFDM 심볼별로 PSS, PBCH, SSS/PBCH 또는 PBCH가 전송된다. PSS와 SSS는 각각 1개의 OFDM 심볼과 127개의 부반송파들로 구성되고, PBCH는 3개의 OFDM 심볼과 576개의 부반송파들로 구성된다.

셀 탐색은 UE가 셀의 시간/주파수 동기를 획득하고, 상기 셀의 셀 ID(Identifier)(예, Physical layer Cell ID, PCI)를 검출하는 과정을 의미한다. PSS는 셀 ID 그룹 내에서 셀 ID를 검출하는데 사용되고, SSS는 셀 ID 그룹을 검출하는데 사용된다. PBCH는 SSB (시간) 인덱스 검출 및 하프-프레임 검출에 사용된다.

336개의 셀 ID 그룹이 존재하고, 셀 ID 그룹 별로 3개의 셀 ID가 존재한다. 총 1008개의 셀 ID가 존재한다. 셀의 셀 ID가 속한 셀 ID 그룹에 관한 정보는 상기 셀의 SSS를 통해 제공/획득되며, 상기 셀 ID 내 336개 셀들 중 상기 셀 ID에 관한 정보는 PSS를 통해 제공/획득된다

SSB는 SSB 주기(periodicity)에 맞춰 주기적으로 전송된다. 초기 셀 탐색 시에 UE가 가정하는 SSB 기본 주기는 20ms로 정의된다. 셀 접속 후, SSB 주기는 네트워크(예, BS)에 의해 {5ms, 10ms, 20ms, 40ms, 80ms, 160ms} 중 하나로 설정될 수 있다.

다음으로, 시스템 정보 (system information; SI) 획득에 대해 살펴본다.

SI는 마스터 정보 블록(master information block, MIB)와 복수의 시스템 정보 블록(system information block, SIB)들로 나눠진다. MIB 외의 SI는 RMSI(Remaining Minimum System Information)으로 지칭될 수 있다. MIB는 SIB1(SystemInformationBlock1)을 나르는 PDSCH를 스케줄링하는 PDCCH의 모니터링을 위한 정보/파라미터를 포함하며 SSB의 PBCH를 통해 BS에 의해 전송된다. SIB1은 나머지 SIB들(이하, SIBx, x는 2 이상의 정수)의 가용성(availability) 및 스케줄링(예, 전송 주기, SI-윈도우 크기)과 관련된 정보를 포함한다. SIBx는 SI 메시지에 포함되며 PDSCH를 통해 전송된다. 각각의 SI 메시지는 주기적으로 발생하는 시간 윈도우(즉, SI-윈도우) 내에서 전송된다.

도 2를 참고하여, 5G 통신 시스템에서의 임의 접속(Random Access, RA) 과정에 대해 추가적으로 살펴본다.

임의 접속 과정은 다양한 용도로 사용된다. 예를 들어, 임의 접속 과정은 네트워크 초기 접속, 핸드오버, UE-트리거드(triggered) UL 데이터 전송에 사용될 수 있다. UE는 임의 접속 과정을 통해 UL 동기와 UL 전송 자원을 획득할 수 있다. 임의 접속 과정은 경쟁 기반(contention-based) 임의 접속 과정과 경쟁 프리(contention free) 임의 접속 과정으로 구분된다. 경쟁 기반의 임의 접속 과정에 대한 구체적인 절차는 아래와 같다.

UE가 UL에서 임의 접속 과정의 Msg1로서 임의 접속 프리앰블을 PRACH를 통해 전송할 수 있다. 서로 다른 두 길이를 가지는 임의 접속 프리앰블 시퀀스들이 지원된다. 긴 시퀀스 길이 839는 1.25 및 5 kHz의 부반송파 간격(subcarrier spacing)에 대해 적용되며, 짧은 시퀀스 길이 139는 15, 30, 60 및 120 kHz의 부반송파 간격에 대해 적용된다.

BS가 UE로부터 임의 접속 프리앰블을 수신하면, BS는 임의 접속 응답(random access response, RAR) 메시지(Msg2)를 상기 UE에게 전송한다. RAR을 나르는 PDSCH를 스케줄링하는 PDCCH는 임의 접속(random access, RA) 무선 네트워크 임시 식별자(radio network temporary identifier, RNTI)(RA-RNTI)로 CRC 마스킹되어 전송된다. RA-RNTI로 마스킹된 PDCCH를 검출한 UE는 상기 PDCCH가 나르는 DCI가 스케줄링하는 PDSCH로부터 RAR을 수신할 수 있다. UE는 자신이 전송한 프리앰블, 즉, Msg1에 대한 임의 접속 응답 정보가 상기 RAR 내에 있는지 확인한다. 자신이 전송한 Msg1에 대한 임의 접속 정보가 존재하는지 여부는 상기 UE가 전송한 프리앰블에 대한 임의 접속 프리앰블 ID가 존재하는지 여부에 의해 판단될 수 있다. Msg1에 대한 응답이 없으면, UE는 전력 램핑(power ramping)을 수행하면서 RACH 프리앰블을 소정의 횟수 이내에서 재전송할 수 있다. UE는 가장 최근의 경로 손실 및 전력 램핑 카운터를 기반으로 프리앰블의 재전송에 대한 PRACH 전송 전력을 계산한다.

상기 UE는 임의 접속 응답 정보를 기반으로 상향 링크 공유 채널 상에서 UL 전송을 임의 접속 과정의 Msg3로서 전송할 수 있다. Msg3은 RRC 연결 요청 및 UE 식별자를 포함할 수 있다. Msg3에 대한 응답으로서, 네트워크는 Msg4를 전송할 수 있으며, 이는 DL 상에서의 경쟁 해결 메시지로 취급될 수 있다. Msg4를 수신함으로써, UE는 RRC 연결된 상태에 진입할 수 있다.

C. 5G 통신 시스템의 빔 관리(Beam Management, BM) 절차

BM 과정은 (1) SSB 또는 CSI-RS를 이용하는 DL BM 과정과, (2) SRS(sounding reference signal)을 이용하는 UL BM 과정으로 구분될 수 있다. 또한, 각 BM 과정은 Tx 빔을 결정하기 위한 Tx 빔 스위핑과 Rx 빔을 결정하기 위한 Rx 빔 스위핑을 포함할 수 있다.

SSB를 이용한 DL BM 과정에 대해 살펴본다.

SSB를 이용한 빔 보고(beam report)에 대한 설정은 RRC_CONNECTED에서 채널 상태 정보(channel state information, CSI)/빔 설정 시에 수행된다.

- UE는 BM을 위해 사용되는 SSB 자원들에 대한 CSI-SSB-ResourceSetList를 포함하는 CSI-ResourceConfig IE를 BS로부터 수신한다. RRC 파라미터 csi-SSB-ResourceSetList는 하나의 자원 세트에서 빔 관리 및 보고을 위해 사용되는 SSB 자원들의 리스트를 나타낸다. 여기서, SSB 자원 세트는 {SSBx1, SSBx2, SSBx3, SSBx4, ?}으로 설정될 수 있다. SSB 인덱스는 0부터 63까지 정의될 수 있다.

- UE는 상기 CSI-SSB-ResourceSetList에 기초하여 SSB 자원들 상의 신호들을 상기 BS로부터 수신한다.

- SSBRI 및 참조 신호 수신 전력(reference signal received power, RSRP)에 대한 보고와 관련된 CSI-RS reportConfig가 설정된 경우, 상기 UE는 최선(best) SSBRI 및 이에 대응하는 RSRP를 BS에게 보고한다. 예를 들어, 상기 CSI-RS reportConfig IE의 reportQuantity가 'ssb-Index-RSRP'로 설정된 경우, UE는 BS으로 최선 SSBRI 및 이에 대응하는 RSRP를 보고한다.

UE는 SSB와 동일한 OFDM 심볼(들)에 CSI-RS 자원이 설정되고, 'QCL-TypeD'가 적용 가능한 경우, 상기 UE는 CSI-RS와 SSB가 'QCL-TypeD' 관점에서 유사 동일 위치된(quasi co-located, QCL) 것으로 가정할 수 있다. 여기서, QCL-TypeD는 공간(spatial) Rx 파라미터 관점에서 안테나 포트들 간에 QCL되어 있음을 의미할 수 있다. UE가 QCL-TypeD 관계에 있는 복수의 DL 안테나 포트들의 신호들을 수신 시에는 동일한 수신 빔을 적용해도 무방하다.

다음으로, CSI-RS를 이용한 DL BM 과정에 대해 살펴본다.

CSI-RS를 이용한 UE의 Rx 빔 결정(또는 정제(refinement)) 과정과 BS의 Tx 빔 스위핑 과정에 대해 차례대로 살펴본다. UE의 Rx 빔 결정 과정은 반복 파라미터가 'ON'으로 설정되며, BS의 Tx 빔 스위핑 과정은 반복 파라미터가 'OFF'로 설정된다.

먼저, UE의 Rx 빔 결정 과정에 대해 살펴본다.

- UE는 'repetition'에 관한 RRC 파라미터를 포함하는 NZP CSI-RS resource set IE를 RRC 시그널링을 통해 BS로부터 수신한다. 여기서, 상기 RRC 파라미터 'repetition'이 'ON'으로 세팅되어 있다.

- UE는 상기 RRC 파라미터 'repetition'이 'ON'으로 설정된 CSI-RS 자원 세트 내의 자원(들) 상에서의 신호들을 BS의 동일 Tx 빔(또는 DL 공간 도메인 전송 필터)을 통해 서로 다른 OFDM 심볼에서 반복 수신한다.

- UE는 자신의 Rx 빔을 결정한다.

- UE는 CSI 보고를 생략한다. 즉, UE는 상가 RRC 파라미터 'repetition'이 'ON'으로 설정된 경우, CSI 보고를 생략할 수 있다.

다음으로, BS의 Tx 빔 결정 과정에 대해 살펴본다.

- UE는 'repetition'에 관한 RRC 파라미터를 포함하는 NZP CSI-RS resource set IE를 RRC 시그널링을 통해 BS로부터 수신한다. 여기서, 상기 RRC 파라미터 'repetition'이 'OFF'로 세팅되어 있으며, BS의 Tx 빔 스위핑 과정과 관련된다.

- UE는 상기 RRC 파라미터 'repetition'이 'OFF'로 설정된 CSI-RS 자원 세트 내의 자원들 상에서의 신호들을 BS의 서로 다른 Tx 빔(DL 공간 도메인 전송 필터)을 통해 수신한다.

- UE는 최상의(best) 빔을 선택(또는 결정)한다.

- UE는 선택된 빔에 대한 ID(예, CRI) 및 관련 품질 정보(예, RSRP)를 BS으로 보고한다. 즉, UE는 CSI-RS가 BM을 위해 전송되는 경우 CRI와 이에 대한 RSRP를 BS으로 보고한다.

다음으로, SRS를 이용한 UL BM 과정에 대해 살펴본다.

- UE는 'beam management'로 설정된 (RRC 파라미터) 용도 파라미터를 포함하는 RRC 시그널링(예, SRS-Config IE)를 BS로부터 수신한다. SRS-Config IE는 SRS 전송 설정을 위해 사용된다. SRS-Config IE는 SRS-Resources의 리스트와 SRS-ResourceSet들의 리스트를 포함한다. 각 SRS 자원 세트는 SRS-resource들의 세트를 의미한다.

- UE는 상기 SRS-Config IE에 포함된 SRS-SpatialRelation Info에 기초하여 전송할 SRS 자원에 대한 Tx 빔포밍을 결정한다. 여기서, SRS-SpatialRelation Info는 SRS 자원별로 설정되고, SRS 자원별로 SSB, CSI-RS 또는 SRS에서 사용되는 빔포밍과 동일한 빔포밍을 적용할지를 나타낸다.

- 만약 SRS 자원에 SRS-SpatialRelationInfo가 설정되면 SSB, CSI-RS 또는 SRS에서 사용되는 빔포밍과 동일한 빔포밍을 적용하여 전송한다. 하지만, SRS 자원에 SRS-SpatialRelationInfo가 설정되지 않으면, 상기 UE는 임의로 Tx 빔포밍을 결정하여 결정된 Tx 빔포밍을 통해 SRS를 전송한다.

다음으로, 빔 실패 복구(beam failure recovery, BFR) 과정에 대해 살펴본다.

빔포밍된 시스템에서, RLF(Radio Link Failure)는 UE의 회전(rotation), 이동(movement) 또는 빔포밍 블로키지(blockage)로 인해 자주 발생할 수 있다. 따라서, 잦은 RLF가 발생하는 것을 방지하기 위해 BFR이 NR에서 지원된다. BFR은 무선 링크 실패 복구 과정과 유사하고, UE가 새로운 후보 빔(들)을 아는 경우에 지원될 수 있다. 빔 실패 검출을 위해, BS는 UE에게 빔 실패 검출 참조 신호들을 설정하고, 상기 UE는 상기 UE의 물리 계층으로부터의 빔 실패 지시(indication)들의 횟수가 BS의 RRC 시그널링에 의해 설정된 기간(period) 내에 RRC 시그널링에 의해 설정된 임계치(threshold)에 이르면(reach), 빔 실패를 선언(declare)한다. 빔 실패가 검출된 후, 상기 UE는 PCell 상의 임의 접속 과정을 개시(initiate)함으로써 빔 실패 복구를 트리거하고; 적절한(suitable) 빔을 선택하여 빔 실패 복구를 수행한다(BS가 어떤(certain) 빔들에 대해 전용 임의 접속 자원들을 제공한 경우, 이들이 상기 UE에 의해 우선화된다). 상기 임의 접속 절차의 완료(completion) 시, 빔 실패 복구가 완료된 것으로 간주된다.

D. URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communication)

NR에서 정의하는 URLLC 전송은 (1) 상대적으로 낮은 트래픽 크기, (2) 상대적으로 낮은 도착 레이트(low arrival rate), (3) 극도의 낮은 레이턴시 요구사항(requirement)(예, 0.5, 1ms), (4) 상대적으로 짧은 전송 지속기간(duration)(예, 2 OFDM symbols), (5) 긴급한 서비스/메시지 등에 대한 전송을 의미할 수 있다. UL의 경우, 보다 엄격(stringent)한 레이턴시 요구 사항(latency requirement)을 만족시키기 위해 특정 타입의 트래픽(예컨대, URLLC)에 대한 전송이 앞서서 스케줄링된 다른 전송(예컨대, eMBB)과 다중화(multiplexing)되어야 할 필요가 있다. 이와 관련하여 한 가지 방안으로, 앞서 스케줄링 받은 UE에게 특정 자원에 대해서 프리엠션(preemption)될 것이라는 정보를 주고, 해당 자원을 URLLC UE가 UL 전송에 사용하도록 한다.

NR의 경우, eMBB와 URLLC 사이의 동적 자원 공유(sharing)이 지원된다. eMBB와 URLLC 서비스들은 비-중첩(non-overlapping) 시간/주파수 자원들 상에서 스케줄될 수 있으며, URLLC 전송은 진행 중인(ongoing) eMBB 트래픽에 대해 스케줄된 자원들에서 발생할 수 있다. eMBB UE는 해당 UE의 PDSCH 전송이 부분적으로 펑처링(puncturing)되었는지 여부를 알 수 없을 수 있고, 손상된 코딩된 비트(corrupted coded bit)들로 인해 UE는 PDSCH를 디코딩하지 못할 수 있다. 이 점을 고려하여, NR에서는 프리엠션 지시(preemption indication)을 제공한다. 상기 프리엠션 지시(preemption indication)는 중단된 전송 지시(interrupted transmission indication)으로 지칭될 수도 있다.

프리엠션 지시와 관련하여, UE는 BS로부터의 RRC 시그널링을 통해 DownlinkPreemption IE를 수신한다. UE가 DownlinkPreemption IE를 제공받으면, DCI 포맷 2_1을 운반(convey)하는 PDCCH의 모니터링을 위해 상기 UE는 DownlinkPreemption IE 내 파라미터 int-RNTI에 의해 제공된 INT-RNTI를 가지고 설정된다. 상기 UE는 추가적으로 servingCellID에 의해 제공되는 서빙 셀 인덱스들의 세트를 포함하는 INT-ConfigurationPerServing Cell에 의해 서빙 셀들의 세트와 positionInDCI에 의해 DCI 포맷 2_1 내 필드들을 위한 위치들의 해당 세트를 가지고 설정되고, dci-PayloadSize에 의해 DCI 포맷 2_1을 위한 정보 페이로드 크기를 가지고 설졍되며, timeFrequencySect에 의한 시간-주파수 자원들의 지시 입도(granularity)를 가지고 설정된다.

상기 UE는 상기 DownlinkPreemption IE에 기초하여 DCI 포맷 2_1을 상기 BS로부터 수신한다.

UE가 서빙 셀들의 설정된 세트 내 서빙 셀에 대한 DCI 포맷 2_1을 검출하면, 상기 UE는 상기 DCI 포맷 2_1이 속한 모니터링 기간의 바로 앞(last) 모니터링 기간의 PRB들의 세트 및 심볼들의 세트 중 상기 DCI 포맷 2_1에 의해 지시되는 PRB들 및 심볼들 내에는 상기 UE로의 아무런 전송도 없다고 가정할 수 있다. 예를 들어, UE는 프리엠션에 의해 지시된 시간-주파수 자원 내 신호는 자신에게 스케줄링된 DL 전송이 아니라고 보고 나머지 자원 영역에서 수신된 신호들을 기반으로 데이터를 디코딩한다.

E. mMTC (massive MTC )

mMTC(massive Machine Type Communication)은 많은 수의 UE와 동시에 통신하는 초연결 서비스를 지원하기 위한 5G의 시나리오 중 하나이다. 이 환경에서, UE는 굉장히 낮은 전송 속도와 이동성을 가지고 간헐적으로 통신하게 된다. 따라서, mMTC는 UE를 얼마나 낮은 비용으로 오랫동안 구동할 수 있는지를 주요 목표로 하고 있다. mMTC 기술과 관련하여 3GPP에서는 MTC와 NB(NarrowBand)-IoT를 다루고 있다.

mMTC 기술은 PDCCH, PUCCH, PDSCH(physical downlink shared channel), PUSCH 등의 반복 전송, 주파수 호핑(hopping), 리튜닝(retuning), 가드 구간(guard period) 등의 특징을 가진다.

즉, 특정 정보를 포함하는 PUSCH(또는 PUCCH(특히, long PUCCH) 또는 PRACH) 및 특정 정보에 대한 응답을 포함하는 PDSCH(또는 PDCCH)가 반복 전송된다. 반복 전송은 주파수 호핑(frequency hopping)을 통해 수행되며, 반복 전송을 위해, 제 1 주파수 자원에서 제 2 주파수 자원으로 가드 구간(guard period)에서 (RF) 리튜닝(retuning)이 수행되고, 특정 정보 및 특정 정보에 대한 응답은 협대역(narrowband)(ex. 6 RB (resource block) or 1 RB)를 통해 송/수신될 수 있다.

F. 5G 통신을 이용한 자율 주행 차량 간 기본 동작

도 3은 5G 통신 시스템에서 자율 주행 차량과 5G 네트워크의 기본 동작의 일 예를 나타낸다.

자율 주행 차량(Autonomous Vehicle)은 특정 정보 전송을 5G 네트워크로 전송한다(S1). 상기 특정 정보는 자율 주행 관련 정보를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 5G 네트워크는 차량의 원격 제어 여부를 결정할 수 있다(S2). 여기서, 상기 5G 네트워크는 자율 주행 관련 원격 제어를 수행하는 서버 또는 모듈을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 5G 네트워크는 원격 제어와 관련된 정보(또는 신호)를 상기 자율 주행 차량으로 전송할 수 있다(S3).

G. 5G 통신 시스템에서 자율 주행 차량과 5G 네트워크 간의 응용 동작

이하, 도 1 및 도 2와 앞서 살핀 무선 통신 기술(BM 절차, URLLC, Mmtc 등)을 참고하여 5G 통신을 이용한 자율 주행 차량의 동작에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저, 후술할 본 명세서에서 제안하는 방법과 5G 통신의 eMBB 기술이 적용되는 응용 동작의 기본 절차에 대해 설명한다.

도 3의 S1 단계 및 S3 단계와 같이, 자율 주행 차량이 5G 네트워크와 신호, 정보 등을 송/수신하기 위해, 자율 주행 차량은 도 3의 S1 단계 이전에 5G 네트워크와 초기 접속(initial access) 절차 및 임의 접속(random access) 절차를 수행한다.

보다 구체적으로, 자율 주행 차량은 DL 동기 및 시스템 정보를 획득하기 위해 SSB에 기초하여 5G 네트워크와 초기 접속 절차를 수행한다. 상기 초기 접속 절차 과정에서 빔 관리(beam management, BM) 과정, 빔 실패 복구(beam failure recovery) 과정이 추가될 수 있으며, 자율 주행 차량이 5G 네트워크로부터 신호를 수신하는 과정에서 QCL(quasi-co location) 관계가 추가될 수 있다.

또한, 자율 주행 차량은 UL 동기 획득 및/또는 UL 전송을 위해 5G 네트워크와 임의 접속 절차를 수행한다. 그리고, 상기 5G 네트워크는 상기 자율 주행 차량으로 특정 정보의 전송을 스케쥴링하기 위한 UL grant를 전송할 수 있다. 따라서, 상기 자율 주행 차량은 상기 UL grant에 기초하여 상기 5G 네트워크로 특정 정보를 전송한다. 그리고, 상기 5G 네트워크는 상기 자율 주행 차량으로 상기 특정 정보에 대한 5G 프로세싱 결과의 전송을 스케쥴링하기 위한 DL grant를 전송한다. 따라서, 상기 5G 네트워크는 상기 DL grant에 기초하여 상기 자율 주행 차량으로 원격 제어와 관련된 정보(또는 신호)를 전송할 수 있다.

다음으로, 후술할 본 명세서에서 제안하는 방법과 5G 통신의 URLLC 기술이 적용되는 응용 동작의 기본 절차에 대해 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이, 자율 주행 차량은 5G 네트워크와 초기 접속 절차 및/또는 임의 접속 절차를 수행한 후, 자율 주행 차량은 5G 네트워크로부터 DownlinkPreemption IE를 수신할 수 있다. 그리고, 자율 주행 차량은 DownlinkPreemption IE에 기초하여 프리엠션 지시(pre-emption indication)을 포함하는 DCI 포맷 2_1을 5G 네트워크로부터 수신한다. 그리고, 자율 주행 차량은 프리엠션 지시(pre-emption indication)에 의해 지시된 자원(PRB 및/또는 OFDM 심볼)에서 eMBB data의 수신을 수행(또는 기대 또는 가정)하지 않는다. 이후, 자율 주행 차량은 특정 정보를 전송할 필요가 있는 경우 5G 네트워크로부터 UL grant를 수신할 수 있다.

다음으로, 후술할 본 명세서에서 제안하는 방법과 5G 통신의 mMTC 기술이 적용되는 응용 동작의 기본 절차에 대해 설명한다.

도 3의 단계들 중 mMTC 기술의 적용으로 달라지는 부분 위주로 설명하기로 한다.

도 3의 S1 단계에서, 자율 주행 차량은 특정 정보를 5G 네트워크로 전송하기 위해 5G 네트워크로부터 UL grant를 수신한다. 여기서, 상기 UL grant는 상기 특정 정보의 전송에 대한 반복 횟수에 대한 정보를 포함하고, 상기 특정 정보는 상기 반복 횟수에 대한 정보에 기초하여 반복하여 전송될 수 있다. 즉, 상기 자율 주행 차량은 상기 UL grant에 기초하여 특정 정보를 5G 네트워크로 전송한다. 그리고, 특정 정보의 반복 전송은 주파수 호핑을 통해 수행되고, 첫 번째 특정 정보의 전송은 제 1 주파수 자원에서, 두 번째 특정 정보의 전송은 제 2 주파수 자원에서 전송될 수 있다. 상기 특정 정보는 6RB(Resource Block) 또는 1RB(Resource Block)의 협대역(narrowband)을 통해 전송될 수 있다.

H. 5G 통신을 이용한 차량 대 차량 간의 자율 주행 동작

도 4는 5G 통신을 이용한 차량 대 차량 간의 기본 동작의 일 예를 예시한다.

제1 차량은 특정 정보를 제2 차량으로 전송한다(S61). 제2 차량은 특정 정보에 대한 응답을 제1 차량으로 전송한다(S62).

한편, 5G 네트워크가 상기 특정 정보, 상기 특정 정보에 대한 응답의 자원 할당에 직접적(사이드 링크 통신 전송 모드 3) 또는 간접적으로(사이드링크 통신 전송 모드 4) 관여하는지에 따라 차량 대 차량 간 응용 동작의 구성이 달라질 수 있다.

다음으로, 5G 통신을 이용한 차량 대 차량 간의 응용 동작에 대해 살펴본다.

먼저, 5G 네트워크가 차량 대 차량 간의 신호 전송/수신의 자원 할당에 직접적으로 관여하는 방법을 설명한다.

5G 네트워크는, 모드 3 전송(PSCCH 및/또는 PSSCH 전송)의 스케줄링을 위해 DCI 포맷 5A를 제1 차량에 전송할 수 있다. 여기서, PSCCH(physical sidelink control channel)는 특정 정보 전송의 스케줄링을 위한 5G 물리 채널이고, PSSCH(physical sidelink shared channel)는 특정 정보를 전송하는 5G 물리 채널이다. 그리고, 제1 차량은 특정 정보 전송의 스케줄링을 위한 SCI 포맷 1을 PSCCH 상에서 제2 차량으로 전송한다. 그리고, 제1 차량이 특정 정보를 PSSCH 상에서 제2 차량으로 전송한다.

다음으로, 5G 네트워크가 신호 전송/수신의 자원 할당에 간접적으로 관여하는 방법에 대해 살펴본다.

제1 차량은 모드 4 전송을 위한 자원을 제1 윈도우에서 센싱한다. 그리고, 제1 차량은, 상기 센싱 결과에 기초하여 제2 윈도우에서 모드 4 전송을 위한 자원을 선택한다. 여기서, 제1 윈도우는 센싱 윈도우(sensing window)를 의미하고, 제2 윈도우는 선택 윈도우(selection window)를 의미한다. 제1 차량은 상기 선택된 자원을 기초로 특정 정보 전송의 스케줄링을 위한 SCI 포맷 1을 PSCCH 상에서 제2 차량으로 전송한다. 그리고, 제1 차량은 특정 정보를 PSSCH 상에서 제2 차량으로 전송한다.

앞서 살핀 5G 통신 기술은 후술할 본 명세서에서 제안하는 방법들과 결합되어 적용될 수 있으며, 또는 본 명세서에서 제안하는 방법들의 기술적 특징을 구체화하거나 명확하게 하는데 보충될 수 있다.

주행

(1) 차량 외관

도 5는 본 명세서의 실시예에 따른 차량을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 명세서의 실시예에 따른 차량(10)은, 도로나 선로 위를 주행하는 수송 수단으로 정의된다. 차량(10)은, 자동차, 기차, 오토바이를 포함하는 개념이다. 차량(10)은, 동력원으로서 엔진을 구비하는 내연 기관 차량, 동력원으로서 엔진과 전기 모터를 구비하는 하이브리드 차량, 동력원으로서 전기 모터를 구비하는 전기 차량 등을 모두 포함하는 개념일 수 있다. 차량(10)은 개인이 소유한 차량일 수 있다. 차량(10)은, 공유형 차량일 수 있다. 차량(10)은 자율 주행 차량일 수 있다.

(2) 차량의 구성 요소

도 6은 본 명세서의 실시예에 따른 차량의 제어 블럭도이다.

도 6을 참조하면, 차량(10)은, 사용자 인터페이스 장치(200), 오브젝트 검출 장치(210), 통신 장치(220), 운전 조작 장치(230), 메인 ECU(240), 구동 제어 장치(250), 자율 주행 장치(260), 센싱부(270) 및 위치 데이터 생성 장치(280)를 포함할 수 있다. 오브젝트 검출 장치(210), 통신 장치(220), 운전 조작 장치(230), 메인 ECU(240), 구동 제어 장치(250), 자율 주행 장치(260), 센싱부(270) 및 위치 데이터 생성 장치(280)는 각각이 전기적 신호를 생성하고, 상호간에 전기적 신호를 교환하는 전자 장치로 구현될 수 있다.

1) 사용자 인터페이스 장치

사용자 인터페이스 장치(200)는, 차량(10)과 사용자와의 소통을 위한 장치이다. 사용자 인터페이스 장치(200)는, 사용자 입력을 수신하고, 사용자에게 차량(10)에서 생성된 정보를 제공할 수 있다. 차량(10)은, 사용자 인터페이스 장치(200)를 통해, UI(User Interface) 또는 UX(User Experience)를 구현할 수 있다. 사용자 인터페이스 장치(200)는, 입력 장치, 출력 장치 및 사용자 모니터링 장치를 포함할 수 있다.

2) 오브젝트 검출 장치

오브젝트 검출 장치(210)는, 차량(10) 외부의 오브젝트에 대한 정보를 생성할 수 있다. 오브젝트에 대한 정보는, 오브젝트의 존재 유무에 대한 정보, 오브젝트의 위치 정보, 차량(10)과 오브젝트와의 거리 정보 및 차량(10)과 오브젝트와의 상대 속도 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 오브젝트 검출 장치(210)는, 차량(10) 외부의 오브젝트를 검출할 수 있다. 오브젝트 검출 장치(210)는, 차량(10) 외부의 오브젝트를 검출할 수 있는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 오브젝트 검출 장치(210)는, 카메라, 레이다, 라이다, 초음파 센서 및 적외선 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 오브젝트 검출 장치(210)는, 센서에서 생성되는 센싱 신호에 기초하여 생성된 오브젝트에 대한 데이터를 차량에 포함된 적어도 하나의 전자 장치에 제공할 수 있다.

2.1) 카메라

카메라는 영상을 이용하여 차량(10) 외부의 오브젝트에 대한 정보를 생성할 수 있다. 카메라는 적어도 하나의 렌즈, 적어도 하나의 이미지 센서 및 이미지 센서와 전기적으로 연결되어 수신되는 신호를 처리하고, 처리되는 신호에 기초하여 오브젝트에 대한 데이터를 생성하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.

카메라는, 모노 카메라, 스테레오 카메라, AVM(Around View Monitoring) 카메라 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 카메라는, 다양한 영상 처리 알고리즘을 이용하여, 오브젝트의 위치 정보, 오브젝트와의 거리 정보 또는 오브젝트와의 상대 속도 정보를 획득할 수 있다. 예를 들면, 카메라는, 획득된 영상에서, 시간에 따른 오브젝트 크기의 변화를 기초로, 오브젝트와의 거리 정보 및 상대 속도 정보를 획득할 수 있다. 예를 들면, 카메라는, 핀홀(pin hole) 모델, 노면 프로파일링 등을 통해, 오브젝트와의 거리 정보 및 상대 속도 정보를 획득할 수 있다. 예를 들면, 카메라는, 스테레오 카메라에서 획득된 스테레오 영상에서 디스패러티(disparity) 정보를 기초로 오브젝트와의 거리 정보 및 상대 속도 정보를 획득할 수 있다.

카메라는, 차량 외부를 촬영하기 위해 차량에서 FOV(field of view) 확보가 가능한 위치에 장착될 수 있다. 카메라는, 차량 전방의 영상을 획득하기 위해, 차량의 실내에서, 프런트 윈드 쉴드에 근접하게 배치될 수 있다. 카메라는, 프런트 범퍼 또는 라디에이터 그릴 주변에 배치될 수 있다. 카메라는, 차량 후방의 영상을 획득하기 위해, 차량의 실내에서, 리어 글라스에 근접하게 배치될 수 있다. 카메라는, 리어 범퍼, 트렁크 또는 테일 게이트 주변에 배치될 수 있다. 카메라는, 차량 측방의 영상을 획득하기 위해, 차량의 실내에서 사이드 윈도우 중 적어도 어느 하나에 근접하게 배치될 수 있다. 또는, 카메라는, 사이드 미러, 휀더 또는 도어 주변에 배치될 수 있다.

2.2) 레이다

레이다는 전파를 이용하여 차량(10) 외부의 오브젝트에 대한 정보를 생성할 수 있다. 레이다는, 전자파 송신부, 전자파 수신부 및 전자파 송신부 및 전자파 수신부와 전기적으로 연결되어, 수신되는 신호를 처리하고, 처리되는 신호에 기초하여 오브젝트에 대한 데이터를 생성하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 레이다는 전파 발사 원리상 펄스 레이다(Pulse Radar) 방식 또는 연속파 레이다(Continuous Wave Radar) 방식으로 구현될 수 있다. 레이다는 연속파 레이다 방식 중에서 신호 파형에 따라 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)방식 또는 FSK(Frequency Shift Keyong) 방식으로 구현될 수 있다. 레이다는 전자파를 매개로, TOF(Time of Flight) 방식 또는 페이즈 쉬프트(phase-shift) 방식에 기초하여, 오브젝트를 검출하고, 검출된 오브젝트의 위치, 검출된 오브젝트와의 거리 및 상대 속도를 검출할 수 있다. 레이다는, 차량의 전방, 후방 또는 측방에 위치하는 오브젝트를 감지하기 위해 차량의 외부의 적절한 위치에 배치될 수 있다.

2.3) 라이다

라이다는, 레이저 광을 이용하여, 차량(10) 외부의 오브젝트에 대한 정보를 생성할 수 있다. 라이다는, 광 송신부, 광 수신부 및 광 송신부 및 광 수신부와 전기적으로 연결되어, 수신되는 신호를 처리하고, 처리된 신호에 기초하여 오브젝트에 대한 데이터를 생성하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 라이다는, TOF(Time of Flight) 방식 또는 페이즈 쉬프트(phase-shift) 방식으로 구현될 수 있다. 라이다는, 구동식 또는 비구동식으로 구현될 수 있다. 구동식으로 구현되는 경우, 라이다는, 모터에 의해 회전되며, 차량(10) 주변의 오브젝트를 검출할 수 있다. 비구동식으로 구현되는 경우, 라이다는, 광 스티어링에 의해, 차량을 기준으로 소정 범위 내에 위치하는 오브젝트를 검출할 수 있다. 차량(10)은 복수의 비구동식 라이다를 포함할 수 있다. 라이다는, 레이저 광 매개로, TOF(Time of Flight) 방식 또는 페이즈 쉬프트(phase-shift) 방식에 기초하여, 오브젝트를 검출하고, 검출된 오브젝트의 위치, 검출된 오브젝트와의 거리 및 상대 속도를 검출할 수 있다. 라이다는, 차량의 전방, 후방 또는 측방에 위치하는 오브젝트를 감지하기 위해 차량의 외부의 적절한 위치에 배치될 수 있다.

3) 통신 장치

통신 장치(220)는, 차량(10) 외부에 위치하는 디바이스와 신호를 교환할 수 있다. 통신 장치(220)는, 인프라(예를 들면, 서버, 방송국), 타 차량, 단말기 중 적어도 어느 하나와 신호를 교환할 수 있다. 통신 장치(220)는, 통신을 수행하기 위해 송신 안테나, 수신 안테나, 각종 통신 프로토콜이 구현 가능한 RF(Radio Frequency) 회로 및 RF 소자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 통신 장치는 C-V2X(Cellular V2X) 기술을 기반으로 외부 디바이스와 신호를 교환할 수 있다. 예를 들어, C-V2X 기술은 LTE 기반의 사이드링크 통신 및/또는 NR 기반의 사이드링크 통신을 포함할 수 있다. C-V2X와 관련된 내용은 후술한다.

예를 들어, 통신 장치는 IEEE 802.11p PHY/MAC 계층 기술과 IEEE 1609 Network/Transport 계층 기술 기반의 DSRC(Dedicated Short Range Communications) 기술 또는 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment) 표준을 기반으로 외부 디바이스와 신호를 교환할 수 있다. DSRC (또는 WAVE 표준) 기술은 차량 탑재 장치 간 혹은 노변 장치와 차량 탑재 장치 간의 단거리 전용 통신을 통해 ITS(Intelligent Transport System) 서비스를 제공하기 위해 마련된 통신 규격이다. DSRC 기술은 5.9GHz 대역의 주파수를 사용할 수 있고, 3Mbps~27Mbps의 데이터 전송 속도를 가지는 통신 방식일 수 있다. IEEE 802.11p 기술은 IEEE 1609 기술과 결합되어 DSRC 기술 (혹은 WAVE 표준)을 지원할 수 있다.

본 명세서의 통신 장치는 C-V2X 기술 또는 DSRC 기술 중 어느 하나만을 이용하여 외부 디바이스와 신호를 교환할 수 있다. 또는, 본 명세서의 통신 장치는 C-V2X 기술 및 DSRC 기술을 하이브리드하여 외부 디바이스와 신호를 교환할 수 있다.

4) 운전 조작 장치

운전 조작 장치(230)는, 운전을 위한 사용자 입력을 수신하는 장치이다. 메뉴얼 모드인 경우, 차량(10)은, 운전 조작 장치(230)에 의해 제공되는 신호에 기초하여 운행될 수 있다. 운전 조작 장치(230)는, 조향 입력 장치(예를 들면, 스티어링 휠), 가속 입력 장치(예를 들면, 가속 페달) 및 브레이크 입력 장치(예를 들면, 브레이크 페달)를 포함할 수 있다.

5) 메인 ECU

메인 ECU(240)는, 차량(10) 내에 구비되는 적어도 하나의 전자 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

6) 구동 제어 장치

구동 제어 장치(250)는, 차량(10)내 각종 차량 구동 장치를 전기적으로 제어하는 장치이다. 구동 제어 장치(250)는, 파워 트레인 구동 제어 장치, 샤시 구동 제어 장치, 도어/윈도우 구동 제어 장치, 안전 장치 구동 제어 장치, 램프 구동 제어 장치 및 공조 구동 제어 장치를 포함할 수 있다. 파워 트레인 구동 제어 장치는, 동력원 구동 제어 장치 및 변속기 구동 제어 장치를 포함할 수 있다. 샤시 구동 제어 장치는, 조향 구동 제어 장치, 브레이크 구동 제어 장치 및 서스펜션 구동 제어 장치를 포함할 수 있다. 한편, 안전 장치 구동 제어 장치는, 안전 벨트 제어를 위한 안전 벨트 구동 제어 장치를 포함할 수 있다.

구동 제어 장치(250)는, 적어도 하나의 전자적 제어 장치(예를 들면, 제어 ECU(Electronic Control Unit))를 포함한다.

구동 제어 장치(250)는, 자율 주행 장치(260)에서 수신되는 신호에 기초하여, 차량 구동 장치를 제어할 수 있다. 예를 들면, 구동 제어 장치(250)는, 자율 주행 장치(260)에서 수신되는 신호에 기초하여, 파워 트레인, 조향 장치 및 브레이크 장치를 제어할 수 있다.

7) 자율 주행 장치

자율 주행 장치(260)는, 획득된 데이터에 기초하여, 자율 주행을 위한 경로(path)를 생성할 수 있다. 자율 주행 장치(260)는, 생성된 경로를 따라 주행하기 위한 드라이빙 플랜을 생성할 수 있다. 자율 주행 장치(260)는, 드라이빙 플랜에 따른 차량의 움직임을 제어하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 자율 주행 장치(260)는, 생성된 신호를 구동 제어 장치(250)에 제공할 수 있다.

자율 주행 장치(260)는, 적어도 하나의 ADAS(Advanced Driver Assistance System) 기능을 구현할 수 있다. ADAS는, 적응형 크루즈 컨트롤 시스템(ACC : Adaptive Cruise Control), 자동 비상 제동 시스템(AEB : Autonomous Emergency Braking), 전방 충돌 알림 시스템(FCW : Foward Collision Warning), 차선 유지 보조 시스템(LKA : Lane Keeping Assist), 차선 변경 보조 시스템(LCA : Lane Change Assist), 타겟 추종 보조 시스템(TFA : Target Following Assist), 사각 지대 감시 시스템(BSD : Blind Spot Detection), 적응형 하이빔 제어 시스템(HBA : High Beam Assist), 자동 주차 시스템(APS : Auto Parking System), 보행자 충돌 알림 시스템(PD collision warning system), 교통 신호 검출 시스템(TSR : Traffic Sign Recognition), 교통 신호 보조 시스템(TSA : Trafffic Sign Assist), 나이트 비전 시스템(NV : Night Vision), 운전자 상태 모니터링 시스템(DSM : Driver Status Monitoring) 및 교통 정체 지원 시스템(TJA : Traffic Jam Assist) 중 적어도 어느 하나를 구현할 수 있다.

자율 주행 장치(260)는, 자율 주행 모드에서 수동 주행 모드로의 전환 동작 또는 수동 주행 모드에서 자율 주행 모드로의 전환 동작을 수행할 수 있다. 예를 들면, 자율 주행 장치(260)는, 사용자 인터페이스 장치(200)로부터 수신되는 신호에 기초하여, 차량(10)의 모드를 자율 주행 모드에서 수동 주행 모드로 전환하거나 수동 주행 모드에서 자율 주행 모드로 전환할 수 있다.

8) 센싱부

센싱부(270)는, 차량의 상태를 센싱할 수 있다. 센싱부(270)는, IMU(inertial measurement unit) 센서, 충돌 센서, 휠 센서(wheel sensor), 속도 센서, 경사 센서, 중량 감지 센서, 헤딩 센서(heading sensor), 포지션 모듈(position module), 차량 전진/후진 센서, 배터리 센서, 연료 센서, 타이어 센서, 스티어링 센서, 온도 센서, 습도 센서, 초음파 센서, 조도 센서, 페달 포지션 센서 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 한편, IMU(inertial measurement unit) 센서는, 가속도 센서, 자이로 센서, 자기 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

센싱부(270)는, 적어도 하나의 센서에서 생성되는 신호에 기초하여, 차량의 상태 데이터를 생성할 수 있다. 차량 상태 데이터는, 차량 내부에 구비된 각종 센서에서 감지된 데이터를 기초로 생성된 정보일 수 있다. 센싱부(270)는, 차량 자세 데이터, 차량 모션 데이터, 차량 요(yaw) 데이터, 차량 롤(roll) 데이터, 차량 피치(pitch) 데이터, 차량 충돌 데이터, 차량 방향 데이터, 차량 각도 데이터, 차량 속도 데이터, 차량 가속도 데이터, 차량 기울기 데이터, 차량 전진/후진 데이터, 차량의 중량 데이터, 배터리 데이터, 연료 데이터, 타이어 공기압 데이터, 차량 내부 온도 데이터, 차량 내부 습도 데이터, 스티어링 휠 회전 각도 데이터, 차량 외부 조도 데이터, 가속 페달에 가해지는 압력 데이터, 브레이크 페달에 가해지는 압력 데이터 등을 생성할 수 있다.

9) 위치 데이터 생성 장치

위치 데이터 생성 장치(280)는, 차량(10)의 위치 데이터를 생성할 수 있다. 위치 데이터 생성 장치(280)는, GPS(Global Positioning System) 및 DGPS(Differential Global Positioning System) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 위치 데이터 생성 장치(280)는, GPS 및 DGPS 중 적어도 어느 하나에서 생성되는 신호에 기초하여 차량(10)의 위치 데이터를 생성할 수 있다. 실시예에 따라, 위치 데이터 생성 장치(280)는, 센싱부(270)의 IMU(Inertial Measurement Unit) 및 오브젝트 검출 장치(210)의 카메라 중 적어도 어느 하나에 기초하여 위치 데이터를 보정할 수 있다. 위치 데이터 생성 장치(280)는, GNSS(Global Navigation Satellite System)로 명명될 수 있다.

차량(10)은, 내부 통신 시스템(50)을 포함할 수 있다. 차량(10)에 포함되는 복수의 전자 장치는 내부 통신 시스템(50)을 매개로 신호를 교환할 수 있다. 신호에는 데이터가 포함될 수 있다. 내부 통신 시스템(50)은, 적어도 하나의 통신 프로토콜(예를 들면, CAN, LIN, FlexRay, MOST, 이더넷)을 이용할 수 있다.

(3) 자율 주행 장치의 구성 요소

도 7은 본 명세서의 실시예에 따른 자율 주행 장치의 제어 블럭도이다.

도 7을 참조하면, 자율 주행 장치(260)는, 메모리(140), 프로세서(170), 인터페이스부(180) 및 전원 공급부(190)를 포함할 수 있다.

메모리(140)는, 프로세서(170)와 전기적으로 연결된다. 메모리(140)는 유닛에 대한 기본 데이터, 유닛의 동작 제어를 위한 제어 데이터, 입출력되는 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(140)는, 프로세서(170)에서 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(140)는, 하드웨어적으로, ROM, RAM, EPROM, 플래시 드라이브, 하드 드라이브 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. 메모리(140)는 프로세서(170)의 처리 또는 제어를 위한 프로그램 등, 자율 주행 장치(260) 전반의 동작을 위한 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(140)는, 프로세서(170)와 일체형으로 구현될 수 있다. 실시예에 따라, 메모리(140)는, 프로세서(170)의 하위 구성으로 분류될 수 있다.

인터페이스부(180)는, 차량(10) 내에 구비되는 적어도 하나의 전자 장치와 유선 또는 무선으로 신호를 교환할 수 있다. 인터페이스부(180)는, 오브젝트 검출 장치(210), 통신 장치(220), 운전 조작 장치(230), 메인 ECU(240), 구동 제어 장치(250), 센싱부(270) 및 위치 데이터 생성 장치(280) 중 적어도 어느 하나와 유선 또는 무선으로 신호를 교환할 수 있다. 인터페이스부(280)는, 통신 모듈, 단자, 핀, 케이블, 포트, 회로, 소자 및 장치 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.

전원 공급부(190)는, 자율 주행 장치(260)에 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(190)는, 차량(10)에 포함된 파워 소스(예를 들면, 배터리)로부터 전원을 공급받아, 자율 주행 장치(260)의 각 유닛에 전원을 공급할 수 있다. 전원 공급부(190)는, 메인 ECU(240)로부터 제공되는 제어 신호에 따라 동작될 수 있다. 전원 공급부(190)는, SMPS(switched-mode power supply)를 포함할 수 있다.

프로세서(170)는, 메모리(140), 인터페이스부(280), 전원 공급부(190)와 전기적으로 연결되어 신호를 교환할 수 있다. 프로세서(170)는, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

프로세서(170)는, 전원 공급부(190)로부터 제공되는 전원에 의해 구동될 수 있다. 프로세서(170)는, 전원 공급부(190)에 의해 전원이 공급되는 상태에서 데이터를 수신하고, 데이터를 처리하고, 신호를 생성하고, 신호를 제공할 수 있다.

프로세서(170)는, 인터페이스부(180)를 통해, 차량(10) 내 다른 전자 장치로부터 정보를 수신할 수 있다. 프로세서(170)는, 인터페이스부(180)를 통해, 차량(10) 내 다른 전자 장치로 제어 신호를 제공할 수 있다.

자율 주행 장치(260)는, 적어도 하나의 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)을 포함할 수 있다. 메모리(140), 인터페이스부(180), 전원 공급부(190) 및 프로세서(170)는, 인쇄 회로 기판에 전기적으로 연결될 수 있다.

(4) 자율 주행 장치의 동작

도 8은 본 명세서의 실시예에 따른 자율 주행 차량의 신호 흐름도이다.

1) 수신 동작

도 8을 참조하면, 프로세서(170)는, 수신 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(170)는, 인터페이스부(180)를 통해, 오브젝트 검출 장치(210), 통신 장치(220), 센싱부(270) 및 위치 데이터 생성 장치(280) 중 적어도 어느 하나로부터, 데이터를 수신할 수 있다. 프로세서(170)는, 오브젝트 검출 장치(210)로부터, 오브젝트 데이터를 수신할 수 있다. 프로세서(170)는, 통신 장치(220)로부터, HD 맵 데이터를 수신할 수 있다. 프로세서(170)는, 센싱부(270)로부터, 차량 상태 데이터를 수신할 수 있다. 프로세서(170)는, 위치 데이터 생성 장치(280)로부터 위치 데이터를 수신할 수 있다.

2) 처리/판단 동작

프로세서(170)는, 처리/판단 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(170)는, 주행 상황 정보에 기초하여, 처리/판단 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(170)는, 오브젝트 데이터, HD 맵 데이터, 차량 상태 데이터 및 위치 데이터 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 처리/판단 동작을 수행할 수 있다.

2.1) 드라이빙 플랜 데이터 생성 동작

프로세서(170)는, 드라이빙 플랜 데이터(driving plan data)를 생성할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(1700는, 일렉트로닉 호라이즌 데이터(Electronic Horizon Data)를 생성할 수 있다. 일렉트로닉 호라이즌 데이터는, 차량(10)이 위치한 지점에서부터 호라이즌(horizon)까지 범위 내에서의 드라이빙 플랜 데이터로 이해될 수 있다. 호라이즌은, 기 설정된 주행 경로를 기준으로, 차량(10)이 위치한 지점에서 기설정된 거리 앞의 지점으로 이해될 수 있다. 호라이즌은, 기 설정된 주행 경로를 따라 차량(10)이 위치한 지점에서부터 차량(10)이 소정 시간 이후에 도달할 수 있는 지점을 의미할 수 있다.

일렉트로닉 호라이즌 데이터는, 호라이즌 맵 데이터 및 호라이즌 패스 데이터를 포함할 수 있다.

2.1.1) 호라이즌 맵 데이터

호라이즌 맵 데이터는, 토폴로지 데이터(topology data), 도로 데이터, HD 맵 데이터 및 다이나믹 데이터(dynamic data) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 호라이즌 맵 데이터는, 복수의 레이어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 호라이즌 맵 데이터는, 토폴로지 데이터에 매칭되는 1 레이어, 도로 데이터에 매칭되는 제2 레이어, HD 맵 데이터에 매칭되는 제3 레이어 및 다이나믹 데이터에 매칭되는 제4 레이어를 포함할 수 있다. 호라이즌 맵 데이터는, 스태이틱 오브젝트(static object) 데이터를 더 포함할 수 있다.

토폴로지 데이터는, 도로 중심을 연결해 만든 지도로 설명될 수 있다. 토폴로지 데이터는, 차량의 위치를 대략적으로 표시하기에 알맞으며, 주로 운전자를 위한 내비게이션에서 사용하는 데이터의 형태일 수 있다. 토폴로지 데이터는, 차로에 대한 정보가 제외된 도로 정보에 대한 데이터로 이해될 수 있다. 토폴로지 데이터는, 통신 장치(220)를 통해, 외부 서버에서 수신된 데이터에 기초하여 생성될 수 있다. 토폴로지 데이터는, 차량(10)에 구비된 적어도 하나의 메모리에 저장된 데이터에 기초할 수 있다.

도로 데이터는, 도로의 경사 데이터, 도로의 곡률 데이터, 도로의 제한 속도 데이터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도로 데이터는, 추월 금지 구간 데이터를 더 포함할 수 있다. 도로 데이터는, 통신 장치(220)를 통해, 외부 서버에서 수신된 데이터에 기초할 수 있다. 도로 데이터는, 오브젝트 검출 장치(210)에서 생성된 데이터에 기초할 수 있다.

HD 맵 데이터는, 도로의 상세한 차선 단위의 토폴로지 정보, 각 차선의 연결 정보, 차량의 로컬라이제이션(localization)을 위한 특징 정보(예를 들면, 교통 표지판, Lane Marking/속성, Road furniture 등)를 포함할 수 있다. HD 맵 데이터는, 통신 장치(220)를 통해, 외부 서버에서 수신된 데이터에 기초할 수 있다.

다이나믹 데이터는, 도로상에서 발생될 수 있는 다양한 동적 정보를 포함할 수 있다. 예를 들면, 다이나믹 데이터는, 공사 정보, 가변 속도 차로 정보, 노면 상태 정보, 트래픽 정보, 무빙 오브젝트 정보 등을 포함할 수 있다. 다이나믹 데이터는, 통신 장치(220)를 통해, 외부 서버에서 수신된 데이터에 기초할 수 있다. 다이나믹 데이터는, 오브젝트 검출 장치(210)에서 생성된 데이터에 기초할 수 있다.

프로세서(170)는, 차량(10)이 위치한 지점에서부터 호라이즌까지 범위 내에서의 맵 데이터를 제공할 수 있다.

2.1.2) 호라이즌 패스 데이터

호라이즌 패스 데이터는, 차량(10)이 위치한 지점에서부터 호라이즌까지의 범위 내에서 차량(10)이 취할 수 있는 궤도로 설명될 수 있다. 호라이즌 패스 데이터는, 디시전 포인트(decision point)(예를 들면, 갈림길, 분기점, 교차로 등)에서 어느 하나의 도로를 선택할 상대 확률을 나타내는 데이터를 포함할 수 있다. 상대 확률은, 최종 목적지까지 도착하는데 걸리는 시간에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들면, 디시전 포인트에서, 제1 도로를 선택하는 경우 제2 도로를 선택하는 경우보다 최종 목적지에 도착하는데 걸리는 시간이 더 작은 경우, 제1 도로를 선택할 확률은 제2 도로를 선택할 확률보다 더 높게 계산될 수 있다.

호라이즌 패스 데이터는, 메인 패스와 서브 패스를 포함할 수 있다. 메인 패스는, 선택될 상대적 확률이 높은 도로들을 연결한 궤도로 이해될 수 있다. 서브 패스는, 메인 패스 상의 적어도 하나의 디시전 포인트에서 분기될 수 있다. 서브 패스는, 메인 패스 상의 적어도 하나의 디시전 포인트에서 선택될 상대적 확률이 낮은 적어도 어느 하나의 도로를 연결한 궤도로 이해될 수 있다.

3) 제어 신호 생성 동작

프로세서(170)는, 제어 신호 생성 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(170)는, 일렉트로닉 호라이즌 데이터에 기초하여, 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(170)는, 일렉트로닉 호라이즌 데이터에 기초하여, 파워트레인 제어 신호, 브라이크 장치 제어 신호 및 스티어링 장치 제어 신호 중 적어도 어느 하나를 생성할 수 있다.

프로세서(170)는, 인터페이스부(180)를 통해, 생성된 제어 신호를 구동 제어 장치(250)에 전송할 수 있다. 구동 제어 장치(250)는, 파워 트레인(251), 브레이크 장치(252) 및 스티어링 장치(253) 중 적어도 어느 하나에 제어 신호를 전송할 수 있다.

도 9는 V2X 어플리케이션의 타입을 예시한 것이다.

4가지 타입의 V2X 어플리케이션은 최종 사용자를 위해 보다 지능적인 서비스를 제공하는 "협력적 인식(co-operative awareness)"을 사용할 수 있다. 이는 차량, 길가 기반 시설, 애플리케이션 서버 및 보행자와 같은 엔티티들이 협동 충돌 경고 또는 자율 주행과 같은 보다 지능적인 정보를 제공하기 위해 해당 지식을 처리하고 공유하도록 해당 지역 환경에 대한 지식(예, 근접한 다른 차량 또는 센서 장비로부터 받은 정보)을 수집할 수 있음을 의미한다.

이러한 지능형 운송 서비스 및 관련 메시지 세트는 3GPP 밖의 자동차 SDO(Standards Developing Organizations)에 정의되어 있다.

ITS 서비스 제공을 위한 세 가지 기본 클래스: 도로 안전, 교통 효율성 및 기타 어플리케이션은 예를 들어 ETSI TR 102 638 V1.1.1: " Vehicular Communications; Basic Set of Applications; Definitions"에 기술된다.

V2X 통신을 위한 사용자 평면(user plane)에 대한 무선 프로토콜 구조(radio protocol architecture)와 V2X 통신을 위한 제어 평면(control plane)에 대한 무선 프로토콜 구조는 기본적으로 사이드링크를 위한 프로토콜 스택 구조와 동일할 수 있다. 사용자 평면에 대한 무선 프로토콜 구조는 PDCP(Packet Data Convergence Protocol), RLC(Radio Link Control), MAC(Medium Access Control) 및 물리 계층(PHY)를 포함하고, 제어 평면에 대한 무선 프로토콜 구조는, RRC(radio resource control), RLC, MAC, 물리 계층을 포함할 수 있다. V2X 통신을 위한 프로토콜 스택에 관한 좀 더 자세한 설명은 3GPP TS 23.303, 3GPP TS 23.285, 3GPP TS 24.386 등을 참조할 수 있다.

도 10은 V2X가 사용되는 사이드링크에서의 자원 할당 방법을 예시한다.

사이드링크에서는 도 10의 (a)와 같이 서로 다른 사이드링크 제어 채널(physical sidelink control channel, PSCCH)들이 주파수 도메인에서 이격되어 할당되고 서로 다른 사이드링크 공유 채널(physical sidelink shared channel, PSSCH)들이 이격되어 할당될 수 있다. 또는, 도 10의 (b)와 같이 서로 다른 PSCCH들이 주파수 도메인에서 연속하여 할당되고, PSSCH들도 주파수 도메인에서 연속하여 할당될 수도 있다.

TDMA(time division multiple access) 및 FDMA(frequency division multiples access) 시스템에서, 정확한 시간 및 주파수 동기화는 필수적이다. 시간 및 주파수 동기화가 정확하게 되지 않으면, 심볼 간 간섭(intersymbol interference, ISI) 및 반송파 간 간섭(intercarrier interference, ICI)을 야기하게 되어 시스템 성능이 저하된다. 이는, V2X에도 마찬가지이다. V2X에서는 시간/주파수 동기화를 위해, 물리 계층에서는 사이드링크 동기 신호(sidelink synchronization signal, SLSS)를 사용하고, RLC(radio link control) 계층에서는 MIB-SL-V2X(master information block-sidelink-V2X)를 사용할 수 있다.

V2X에서 동기화의 소스(source) 또는 동기화의 기준에 대해 설명한다. UE(user equipment)는 GNSS(global navigation satellite systems), BS(base station) 또는 이웃한 다른 UE들 중 적어도 하나로부터 시간/주파수 동기화에 대한 정보를 획득할 수 있다.

구체적으로, UE는 GNSS에 직접 동기화되거나, GNSS에 시간/주파수 동기화된 다른 UE에게 동기화될 수 있다. GNSS가 동기 소스로 설정된 경우, UE는 UTC(Coordinated Universal Time) 및 (미리) 설정된 DFN(direct frame number) 오프셋을 사용하여 DFN 및 서브프레임 번호를 계산할 수 있다.

또는, UE는 BS에 직접 동기화되거나, BS에 시간/주파수 동기화된 다른 UE에게 동기화될 수 있다. 예를 들어, UE가 네트워크 커버리지 내에 있는 경우, 상기 UE는 BS가 제공하는 동기화 정보를 수신하고, 상기 BS에 직접 동기화될 수 있다. 그 후, 동기화 정보를 이웃한 다른 UE에게 제공할 수 있다. BS 타이밍이 동기화의 기준으로 설정된 경우, 동기화 및 하향 링크 측정을 위해 UE는 해당 주파수에 연관된 셀(상기 주파수에서 셀 커버리지 내에 있는 경우), 프라이머리 셀 또는 서빙 셀(상기 주파수에서 셀 커버리지 바깥에 있는 경우)을 따를 수 있다.

BS(서빙 셀)은 V2X 사이드링크 통신에 사용되는 반송파에 대한 동기화 설정을 제공할 수 있다. 이 경우, UE는 상기 BS로부터 수신한 동기화 설정을 따를 수 있다. 만약, 상기 V2X 사이드링크 통신에 사용되는 반송파에서 아무 셀도 검출하지 못하였고, 서빙 셀로부터 동기화 설정도 수신하지 못하였다면, UE는 미리 설정된 동기화 설정을 따를 수 있다.

또는, UE는 BS가나 GNSS로부터 직접 또는 간접적으로 동기화 정보를 획득하지 못한 다른 UE에게 동기화될 수도 있다. 동기화의 소스 및 선호도는 UE에게 미리 설정될 수 있거나 또는 BS에 의하여 제공되는 제어 메시지를 통해 설정될 수 있다.

SLSS는 사이드링크 특정적인 시퀀스(sequence)로, PSSS(primary sidelink synchronization signal)와 SSSS(secondary sidelink synchronization signal)를 포함할 수 있다.

각 SLSS는 물리 계층 사이드링크 동기화 ID(identity)를 가질 수 있으며, 그 값은 예를 들어 0부터 335 중 어느 하나일 수 있다. 상기 값들 중에서 어느 값을 사용하는지에 따라 동기화 소스를 식별할 수도 있다. 예를 들어, 0, 168, 169는 GNSS(Global Navigation Satellite System), 1에서 167은 BS, 170에서 335은 커버리지 바깥임을 의미할 수 있다. 또는, 물리 계층 사이드링크 동기화 ID(identity)의 값들 중에서 0에서 167은 네트워크에 의하여 사용되는 값들이고, 168에서 335는 네트워크 커버리지 바깥에서 사용되는 값들일 수도 있다.

동기화 정보를 다른 UE에게 제공하는 UE는 동기화의 기준(synchronization reference)으로 동작한다고 볼 수 있다. 상기 UE는 SLSS와 함께 추가적으로 동기화에 대한 정보를 SL-BCH(sidelink broadcast channel)를 통해 제공할 수 있다.

사이드링크에는 전송 모드 1, 2, 3 및 4가 있다.

전송 모드 1/3에서는, BS가 UE 1에게 PDCCH(보다 구체적으로 DCI)를 통해 자원 스케줄링을 수행하고, UE 1은 해당 자원 스케줄링에 따라 UE 2와 D2D/V2X 통신을 수행한다. UE 1은 UE 2에게 PSCCH(physical sidelink control channel)을 통해 SCI(sidelink control information)을 전송한 후, 상기 SCI에 기반한 데이터를 PSSCH(physical sidelink shared channel)을 통해 전송할 수 있다. 전송 모드 1은 D2D에, 전송 모드 3은 V2X에 적용될 수 있다.

전송 모드 2/4는, UE가 스스로 스케줄링을 하는 모드라 할 수 있다. 보다 구체적으로, 전송 모드 2는 D2D에 적용되며, 설정된 자원 풀 내에서 UE가 자원을 스스로 선택하여 D2D 동작을 수행할 수 있다. 전송 모드 4는 V2X에 적용되며, 센싱 과정을 거쳐 선택 윈도우 내에서 UE가 스스로 자원을 선택한 후 V2X 동작을 수행할 수 있다. UE 1은 UE 2에게 PSCCH을 통해 SCI을 전송한 후, 상기 SCI에 기반한 데이터를 PSSCH을 통해 전송할 수 있다. 이하, 전송 모드를 모드로 약칭할 수 있다.

BS가 PDCCH를 통해 UE에게 전송하는 제어 정보를 DCI(downlink control information)이라 칭하는데 반해, UE가 PSCCH를 통해 다른 UE에게 전송하는 제어 정보를 SCI라 칭할 수 있다. SCI는 사이드링크 스케줄링 정보를 전달할 수 있다. SCI에는 여러 가지 포맷이 있을 수 있는데, 예컨대, SCI 포맷 0과 SCI 포맷 1이 있을 수 있다.

SCI 포맷 0은 PSSCH의 스케줄링을 위해 사용될 수 있다. SCI 포맷 0에는, 주파수 홉핑 플래그(1 비트), 자원 블록 할당 및 홉핑 자원 할당 필드(사이드링크의 자원 블록 개수에 따라 비트 수가 달라질 수 있음), 시간 자원 패턴(time resource pattern), MCS (modulation and coding scheme), 시간 어드밴스 지시(time advance indication), 그룹 목적지 ID(group destination ID) 등을 포함할 수 있다.

SCI 포맷 1은 PSSCH의 스케줄링을 위해 사용될 수 있다. SCI 포맷 1에는, 우선권(priority), 자원 예약(resource reservation), 초기 전송 및 재전송의 주파수 자원 위치(사이드링크의 서브 채널 개수에 따라 비트 수가 달라질 수 있음), 초기 전송과 재전송 간의 시간 갭(time gap between initial transmission and retransmission), MCS, 재전송 인덱스 등을 포함한다.

SCI 포맷 0은 전송 모드 1, 2에 사용될 수 있고, SCI 포맷 1은 전송 모드 3, 4에 사용될 수 있다.

이하, V2X에 적용되는 모드 3 및 모드 4에서의 자원 할당(resource allocation)을 보다 구체적으로 설명한다. 우선 모드 3에 대해 설명한다.

모드 3은 스케줄된 자원 할당이라고 할 수 있다. UE는 데이터를 전송하기 위해 RRC_CONNECTED 상태일 수 있다.

도 10은 UE가 모드 3 동작을 수행하는 경우를 예시한다.

UE는 BS에게 전송/수신 자원을 요청하고, BS는 사이드링크 제어 정보 및/또는 데이터의 전송/수신에 관한 자원(들)을 UE에게 스케줄링 할 수 있다. 이때, 스케줄된 자원 할당을 위해 사이드링크 SPS가 지원될 수도 있다. UE는 할당 받은 자원을 이용하여 다른 UE와 사이드링크 제어 정보 및/또는 데이터를 전송/수신할 수 있다.

모드 4는 UE 자율적 자원 선택(UE autonomous resource selection)이라 할 수 있다. UE는 사이드링크 자원의 (재)선택을 위한 센싱(sensing)을 수행할 수 있다. 센싱 결과에 기반하여 특정 자원을 제외한 나머지 자원들 중에서 UE는 사이드링크 자원을 임의로 선택/예약할 수 있다. UE는 최대 두 개의 병렬적인 독립된 자원 예약 프로세스를 수행할 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이, UE는 모드 4 전송 자원을 선택하기 위해 센싱을 수행할 수 있다.

예를 들어, UE는 센싱 윈도우 내에서의 센싱을 통해 다른 UE가 예약한 전송 자원들 또는 다른 UE가 사용하고 있는 자원들을 파악하고, 선택 윈도우 내에서 이를 배제한 후 남아 있는 자원들 중 간섭이 적은 자원에서 임의로 자원을 선택할 수 있다.

예를 들어, UE는 센싱 윈도우 내에서, 예약된 자원들의 주기에 대한 정보를 포함하는 PSCCH를 디코딩하고, 상기 PSCCH에 기반하여 주기적으로 결정된 자원들에서 PSSCH RSRP를 측정할 수 있다. 상기 PSSCH RSRP 값이 임계치(threshold)를 초과하는 자원들을 선택 윈도우 내에서 제외할 수 있다. 그 후, 선택 윈도우 내의 남은 자원들에서 사이드링크 자원을 임의하게 선택할 수 있다.

센싱 윈도우 내에서 주기적인 자원들의 RSSI(Received signal strength indication)를 측정하여 예컨대, 하위 20%에 해당하는 간섭이 적은 자원들을 파악한다. 그리고 상기 주기적인 자원들 중 선택 윈도우에 포함된 자원들 중에서 사이드링크 자원을 임으로 선택할 수도 있다. 예를 들어, PSCCH의 디코딩을 실패한 경우, 이러한 방법을 사용할 수 있다.

이하, 본 명세서의 실시예에 따른 TOF 방식에서 거리 측정 방법 및 및 이를 이용한 자율 주행 시스템 에 대해 상세히 설명하기로 한다.

TOF(Time of Flight) 방식은 빛이 오브젝트에 반사되어 돌아오는 시간을 분석하여 깊이 지도를 구성하는데, 빛은 1초에 약 300,000Km를 이동하므로 빛이 돌아오는 아주 짧은 시간을 센서로 측정함으로써 거리를 계산한다.

TOF 시스템에서는 사람의 눈에 보이지 않는 적외선을 사용하고, 적외선 광원이 적외선 펄스를 발사하고 오브젝트에 반사되어 오는 빛의 도달 시간을 적외선 센서가 측정한다. 1초에 수십 번 빛을 발사하고 수신하는 것을 반복함으로써 동영상 형태로 거리 정보를 촬영할 수 있다. 하나의 이미지로 구성이 되는 깊이 지도는 각 픽셀의 밝기 또는 색상으로 거리 정보를 표현하여 거리 정보를 한눈에 쉽게 알 수 있게 한다.

TOF 기반 카메라는 고주파의 빛의 펄스를 생성하기 힘들고 빛의 고속 특성 때문에 반사파의 위상 차이를 센서에서 파악하는 방식으로 깊이를 구하는 방식이 많이 사용된다.

도 11은 TOF 카메라로 오브젝트의 거리 이미지를 출력하는 예를 도시한 도면으로, TOF 카메라는 매우 짧은 폭의 적외선 펄스를 방사하는 LED나 LD와 같은 광원과 오브젝트에서 반사되는 반사광을 검출하기 위한 복수 개의 포토 셀을 포함하는 센서로 구성된다.

광원이 측정하고자 하는 피사체를 향해 적외선을 고주파로 점멸시키면서, 즉 모듈레이션 시켜 반복하여 적외선 펄스를 방사하고, 복수 개의 셀을 갖는 센서가 피사체의 3차원 표면에서 반사되는 반사광을 광원이 방사하는 적외선을 모듈레이션 시키는 모듈레이션 간격과 동기하거나 위상차를 두고 검출한다.

도 12는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 원리를 도시한 도면이다.

광원이 소정 폭(T0)의 펄스 형태로 광을 출사하면 소정 시간(Td)이 경과한 후 오브젝트에서 반사되는 반사광이 포토 센서에 도달한다. 포토 센서는 광원이 출사한 펄스와 동기하여(Phase 1) 반사광을 검출할 뿐만 아니라 광원이 출사한 펄스와 180도 위상차를 갖고(Phase 2) 반사광도 검출한다. 출사광과 동기하여 검출한 광량(Q1)과 출사광과 180도 위상차를 갖고 검출한 광량(Q2)을 근거로 오브젝트와의 거리를 계산할 수 있다.

센서를 구성하는 셀은 두 개의 스위치(S1, S2)와 2개의 커패시터(C1, C2), 및 반사광에 반응하여 전하를 발생시키는 다이오드로 구성될 수 있다. 스위치 S1과 S2는 각각 Phase 1과 Phase 2에 따라 동작하여 반사광에 반응하여 전하를 발생시키는 다이오드를 커패시터 1과 2에 교번적으로 연결하고, 다이오드에서 발생한 전하가 커패시터 1과 2에 전하량 Q1과 Q2로 저장된다. 이에 따라 커패시터 C1과 C2의 전압 V1과 V2은 커패시터에 쌓이는 전하량 Q1과 Q2에 비례하는 값이 된다. 이때, 오브젝트와의 거리 d는 d=(1/2)*c*T0*V2/(V1+V2)로 계산할 수 있다.

하지만, 레이저 빔의 파형의 상승과 하강에서의 왜곡에 의해 측정하고자 하는 최소 거리와 최대 거리 사이 선형성(Linearity)이 떨어져 일부 구간을 제외하고 나머지 구간에서 정확한 거리 측정이 어렵다.

도 13a와 도 13b는 레이저 빔의 펄스 폭에 따라 거리 측정의 선형성이 유지되는 범위가 달라지는 것을 도시한 도면이다.

예를 들어 4.5m를 측정하고자 할 때, d=(1/2)*c*T0*V2/(V1+V2) 식에서 V1=V2로 할 때 이론적으로는 레이저 빔의 펄스 폭 T0은 30ns가 필요하다. 하지만, 30ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 사용하여 거리를 측정하면, 도 13a와 같이, 약 2.5m를 중심으로 좌우로 각각 1m 정도까지만 선형성을 유지하고 가까운 거리인 1.5m 이하와 3.5m 이상에서 거리 측정의 선형성이 떨어진다.

반면, 50ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 사용하여 거리를 측정하면, 도 13b와 같이, 약 4m를 중심으로 좌우로 각각 2.2m 정도까지 선형성을 유지하고, 마찬가지로 가까운 거리와 먼 거리에서 거리 측정의 선형성이 떨어진다. 하지만, 30ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 사용할 때보다 선형성을 유지하는 거리 구간이 더 길다.

이와 같이, 레이저 빔의 강도를 표현하는 파형이 완벽한 구형파가 되지 않고 상승 시간과 하강 시간에 약간의 기울기가 발생하고 이로 인해 두 커패시터에 쌓이는 전하량의 비율이 달라지기 때문에, 거리 측정의 선형성을 유지하는 레이저 빔의 펄스 폭이 이론적인 펄스 폭과 다른 범위에 형성된다.

따라서, 본 명세서에서는, TOF 방식에서 측정하고자 하는 거리에 대응하는 펄스 폭보다 큰 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 사용하여 거리를 측정할 수 있다.

도 14는 TOF 카메라에서 레이저 빔을 지연시켜 출력할 때의 출력 신호를 도시한 도면이다.

도 14에서 ①은, 도 12의 제1 스위치(S1)가 턴-온 되는 시점에 동기하고 제2 스위치(S2)가 턴-온 되는 시점보다 180도 앞선 위상차를 갖고 동기하여 레이저 빔이 포토 센서의 셀에 입사하는 경우, 제1/제2 커패시터(C1, C2)에 저장된 전하에 대응하는 출력 전압(Vout1, Vout2)을 출력하는 것으로 가리킨다.

도 14에서 ②는, 제1 스위치(S1)가 턴-온 되는 시점보다 90도 늦은 위상차를 갖고 제2 스위치(S2)가 턴-온 되는 시점보다 90도 앞선 위상차를 갖도록 레이저 빔이 지연되어 포토 센서의 셀에 입사하는 경우, 제1/제2 커패시터(C1, C2)에 저장된 전하에 대응하는 출력 전압(Vout1, Vout2)을 출력하는 것으로 가리킨다.

도 14에서 ③은, 도 12의 제1 스위치(S1)가 턴-온 되는 시점보다 180도 뒤진 위상차를 갖고 동기하고 제2 스위치(S2)가 턴-온 되는 시점에 동기하여 레이저 빔이 포토 센서의 셀에 입사하는 경우, 제1/제2 커패시터(C1, C2)에 저장된 전하에 대응하는 출력 전압(Vout1, Vout2)을 출력하는 것으로 가리킨다.

즉, 도 14에서, ①은 포토 센서의 셀에 입사하는 레이저 빔에 지연이 없는 경우에 해당하고, ②는 ①보다 레이저 빔이 90도 지연된 경우이고, ③은 ②보다 레이저 빔이 90도 지연되어 결론적으로 ③은 ①보다 레이저 빔이 180도 지연된 경우이다.

도 14에서 아래 그래프는 레이저 빔의 지연 정도(X축)에 따라 제1 및 제2 출력 전압(Vout1, Vout2)의 크기(Y축)를 도시한 것이다.

제1 출력 전압(Vout1)의 크기는 셀에 입사하는 레이저 빔에 지연이 없는 ①의 경우에 가장 크고 지연이 ①보다 앞뒤로 발생하면서 점점 작아진다. 레이저 빔의 파워를 가리키는 파형이 이상적으로 구형파일 때, 제1 출력 전압(Vout1)은 점선에 표시한 것과 같이 삼각형 형태가 된다. 하지만, 레이저 빔의 파형에서 상승과 하강에 기울기가 발생하므로, 제1 출력 전압(Vout1)은 삼각형 형태가 되지 않고 완만한 가우시언 형태가 된다.

제2 출력 전압(Vout2)의 크기는 ①의 경우에 비해 셀에 입사하는 레이저 빔이 180도 지연된 ③의 경우에 가장 크고 지연이 ③보다 앞뒤로 발생하면서 점점 작아진다. 마찬가지로, 레이저 빔의 파형이 구형파가 아니어서 제2 출력 전압(Vout2)이 삼각형 형태가 아니고 가우시언 형태가 된다.

셀에 입사하는 레이저 빔이 ①보다 90도만큼 지연된 ②의 경우, 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)은 피크 값을 이루지 않고 서로 같은 값을 갖게 된다.

셀에 입사되는 레이저 빔에 지연이 없는 ①과 180도만큼 지연된 ③ 사이에서 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)의 비율에 따라 거리를 선형적으로 측정할 수 있다. 즉, 이론적으로 레이저 빔의 지연 ①과 ③ 사이가 선형 구간(Linear section)에 해당한다.

하지만, 레이저 빔의 파형이 구형파가 아니어서, 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)이 삼각형 형태가 아니라 가우시언 형태가 되고, 이에 따라 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)의 비율이 선형을 이루는 선형 구간(Linear section)은 ①과 ③ 사이 지연 시간보다 짧아진다.

또한, 레이저 빔의 파워를 가리키는 파형에서 상승 때의 기울기와 하강 때의 기울기가 다르면, 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)이 최고 값이 되는 위치가 바뀌고 또한 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)이 좌우 대칭을 이루지 않게 된다. 이러한 경우, 거리 측정의 선형 구간이 더 짧아지고 또한 선형 구간의 중심 위치도 바뀌게 된다.

한편, 레이저 다이오드(LD)가 출력하는 레이저 빔을 일부러 지연시켜 출력하면, 도 14의 아래 그래프에서, 지연되는 시간에 따라 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)의 값이 해당 그래프 곡선을 따라 각각 오른쪽으로 이동하는 효과가 발생한다.

예를 들어, 도 14에서, 레이저 다이오드가 출력한 레이저 빔이 오브젝트에 반사되어 ta만큼 지연되어 반사광이 셀에 입사하면, 레이저 다이오드가 출력하는 레이저 빔에 동기하여 검출하는 제1 출력 전압은 Vout1_a로 검출되고, 레이저 다이오드가 출력하는 레이저 빔과 180도 지연된 위상차를 갖고 동기하여 검출하는 제2 출력 전압은 Vout2_a로 검출된다. 하지만, TOF 거리 센서에서 오브젝트까지 거리가 짧아 ta는 짧은 시간이 되고, 거리 측정의 선형 구간 밖에 있어서, 거리의 정확성이 떨어진다.

대신, 레이저 다이오드의 레이저 빔을 tb만큼 지연시켜 출력하면, 제1 출력 전압과 제2 출력 전압은 도 14의 아래 그래프에서 제1 출력 전압과 제2 출력 전압의 곡선(Vout1, Vout2)을 따라 tb만큼 이동하여 각각 Vout1_b와 Vout2_b로 검출된다. 즉, 레이저 빔을 tb만큼 지연시켜 출력하면, 오브젝트에서 반사된 레이저 빔의 반사광이 셀에 입사할 때 제1 및 제2 출력 전압이 선형 구간에 속하게 된다. 따라서, 검출되는 제1/제2 출력 전압의 비율로 정확하게 거리를 계산할 수 있는데, 물론 레이저 빔을 지연 출력한 시간에 대응하는 거리만큼 제1/제2 출력 전압의 비율로 계산한 거리에서 감산해야 한다.

예를 들어, 0m에서 1.5m까지가 비선형 구간에 해당하고 1.5m 이상에서 선형 구간일 때, 1.5m에 해당하는 10ns만큼 레이저 빔을 지연시켜 출력하고, 1.5m 안에 있는 오브젝트에 의해 생성되는 제1/제2 출력 전압을 근거로 거리를 구하면, 1.5m 이상의 선형 구간에서 거리 측정이 가능하게 되고, 거리 공식으로 구한 거리에서 지연 시간에 해당하는 옵셋 거리, 즉 1.5m를 감산하여 1.5m 이내의 오브젝트에 대해서도 정확한 거리 측정이 가능하게 된다.

즉, 레이저 빔을 지연시켜 출력하면, ①과 ③ 사이 ②를 중심으로 형성되는 선형 구간의 바깥쪽, 특히 선형 구간의 왼쪽에 형성된 비선형 구간이 선형 구간으로 이동하는 효과가 발생한다.

따라서, 본 명세서에서는, 레이저 빔을 지연시켜 출력함으로써, 비선형 구간에 해당하는 가까운 거리에 있는 오브젝트의 거리를 정확하게 측정할 수 있게 된다.

도 15는 TOF 카메라의 구성 블록을 도시한 도면이다.

본 명세서의 일 실시예에 따른 TOF 카메라(300)는, TOF 방식으로 오브젝트의 거리를 측정하기 위하여 소정 펄스 폭의 적외선(또는 레이저 빔)을 방사하기 위한 발광부(310), 가로와 세로로 복수 개의 셀들로 구성되어 각 셀이 수신되는 반사광 광량에 비례하는 전기 신호를 출력하기 위한 수광부(320) 및 수광부(320)의 출력 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 오브젝트까지의 거리를 계산하고, 필요에 따라 이를 근거로 2차원의 깊이 지도를 생성하여 연속으로 출력하기 위한 TOF 프로세서(330)를 포함하여 구성될 수 있다.

TOF 프로세서(330)는, 수광부(320)가 신호를 검출하는 시점과 관련하여 발광부(310)를 제어하여 발광부(310)가 레이저 빔을 방사하는 시점을 조정할 수 있고, 또한 발광부(310)를 제어하여 레이저 빔의 강도를 조절할 수 있다.

발광부(310)는 적외선을 방사하는 LD나 LED와 같은 발광 모듈과 발광 모듈이 소정의 폭을 갖는 펄스 형태로 광을 출력하도록 구동하기 위한 구동부로 구성되는 광원(311) 및 광원(311) 전면에 방사할 광의 각도나 광의 강도 등을 조절하기 위한 광학계, 예를 들어 콜리메이터 렌즈(312)를 포함하여 구성될 수 있다.

광원(311)은 하나의 발광 모듈만으로 구성되거나 복수 개의 발광 모듈을 포함할 수도 있는데, 복수 개의 발광 모듈을 포함하는 경우 각 발광 모듈이 수광부(320) 주위에 대칭 형태로 배치될 수 있다.

수광부(320)는 입사되는 빔을 일정 크기와 모양으로 변형하기 위한 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)와 같은 수광 렌즈(321), 광원(311)이 출사한 광의 파장대만을 선택적으로 통과시키기 위한 필터(322) 및 반사광을 검출하기 위해 가로와 세로로 복수 개의 셀들로 구성되는 수광 센서(또는 포토 센서)(323)를 포함하여 구성될 수 있다.

수광 센서(323)의 셀은, TOF 방식으로 거리를 측정할 수 있도록 도 11과 같은 회로 구성을 포함하여, 광원(311)이 방사하는 적외선 펄스와 동기하여(Phase 1) 반사광을 수신하고 또한 광원(311)이 방사하는 적외선 펄스와 180도의 위상차를 갖고(Phase 2) 반사광을 수신하여, Phase 1에 대한 전기 신호와 Phase 2에 대한 전기 신호를 각각 제1 출력 신호와 제2 출력 신호로 출력할 수 있다.

TOF 프로세서(330)는, 수광 센서(323)의 하나 이상의 셀로부터 출력되는 제1 및 제2 출력 신호를 기초로 TOF 방식에 따라 출사광이 반사광으로 수광 센서(323)에 맺힐 때까지의 시간을 계산하여 오브젝트까지의 거리를 계산할 수 있다.

TOF 프로세서(330)는, 수광 센서(323)로 출력되는 제1 및 제2 출력 신호를 기초로 계산한 오브젝트까지 거리를 계산하되 계산된 거리가 선형 구간이 아닌 비선형 구간에 해당하면, 광원(311)의 구동부를 제어하여 레이저 빔을 소정 시간 지연시켜 출력시키고, 지연 출력된 레이저 빔에 의해 수광 센서(323)에서 검출되는 제1 및 제2 출력 신호를 근거로 선형 구간에서 새로운 거리를 계산하고, 계산된 새로운 거리에서 지연된 시간에 해당하는 옵셋만큼 감산하여 해당 오브젝트까지의 거리를 출력할 수 있다.

발광부(310)는, 해당 TOF 카메라(300)가 담당하는 거리 범위에 대응하는 펄스 폭보다 넓은 펄스 폭으로 레이저 빔을 생성할 수 있다.

도 16은 본 명세서의 일 실시예에 따라 선형 구간을 확장하여 TOF 카메라를 캘리브레이션 하는 동작 흐름도를 도시한 도면이다.

TOF 카메라마다 발광부(310)나 수광부(320)의 특성이 달라 같은 거리의 오브젝트에 대해서도 거리가 서로 다르게 측정될 수 있고, 하나의 TOF 카메라에 대해서도 오브젝트마다 그 거리에 비례하는 결과가 나오지 않을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는, TOF 카메라를 출시하기 전에 캘리브레이션이 필요하다.

먼저, TOF 카메라로부터 서로 다른 거리에 있는 복수 개의 오브젝트에 대한 실제 거리를 측정한다(S110).

해당 TOF 카메라가 담당할 거리 범위를 근거로 발광부(310)에서 출력할 레이저 빔의 펄스 폭을 선정하는데(S120), 해당 TOF 카메라가 담당할 거리 범위에 대응하는 펄스 폭, 즉 도 12를 참조하여 설명한 거리 공식에 의해 결정되는 레이저 빔의 펄스 폭보다 넓은 펄스 폭으로 결정할 수 있다.

TOF 카메라는, 복수의 오브젝트에 각각에 대해, 발광부(310)를 제어하여 S120에서 선정된 펄스 폭으로 레이저 빔을 출력하고, 수광부(320)를 통해 제1/제2 출력 신호를 검출하고, 이를 근거로 도 12를 참조하여 설명한 공식에 따라 해당 오브젝트까지의 거리를 계산한다(S130).

TOF 카메라는, S130 단계에서 계산한 거리가 해당 펄스 폭에 의해 결정되는 선형 구간에 속하는지 판단한다(S140).

계산한 거리가 선형 구간에 속하지 않으면(S140에서 아니오), TOF 카메라는, 발광부(310)를 제어하여 레이저 빔을 소정 시간 지연시켜 출력하고, 수광부(320)를 통해 제1/제2 출력 신호를 검출하고, 이를 근거로 도 12를 참조하여 설명한 공식에 따라 거리를 계산하고, 계산된 거리에서 레이저 빔의 지연 출력에 대응하는 옵셋만큼 감산하여 해당 오브젝트까지의 거리를 계산한다(S150).

계산한 거리가 선형 구간에 속하면(S140에서 예), S150 단계를 생략한다.

TOF 카메라는, S130 내지 S150 단계를 반복하여 복수 개의 오브젝트 모두에 대해 거리를 측정한다(S160).

TOF 카메라는, 서로 다른 위치에 있는 복수의 오브젝트에 대해 측정한 거리와 실제 거리 사이의 관계를 표현하는 파라미터를 추출하여 캘리브레이션 동작을 수행한다(S170). 복수 개의 위치에서 측정한 값을 실제 거리에 최소의 오차로 매핑 시키는 1차 방정식(y=ax+b)의 계수 a와 b를 구할 수 있다.

도 17a 내지 도 17c는 TOF 카메라를 캘리브레이션 하는 과정을 그래프로 도시한 도면으로, 1m 이하의 비선형 구간에 있는 오브젝트에 대해 측정한 거리를 캘리브레이션 하는 과정을 도시하고 있다. 1m 부근의 거리에 하나의 오브젝트가 있고, 50cm 이하의 거리에 5개의 오브젝트가 있는 상황이다.

도 17a 내지 도 17c에서 가로 축(x축)은 실제 거리이고 세로 축(y축)은 TOF 카메라가 계산하여 출력한 거리로, 각 점의 x 좌표는 해당 오브젝트의 실제 거리이고 y 좌표는 해당 오브젝트에 대해 측정한 거리이다. TOF 카메라가 출력하는 거리가 실제 거리와 일치하면, 점들이 방정식 y=x로 표현되는 직선 위에 놓이게 된다.

도 17a는 레이저 빔의 출력 지연 없이 신호를 측정하고 TOF 방식의 거리 공식에 따라 계산한 거리를 점으로 표시하고 있는데, 1m 부근의 오브젝트에 대해서는 측정한 거리가 실제 거리와 유사하지만, 50cm 이하의 5개의 점의 측정 거리는 실제 거리와 상당히 다르다. 도 17a에서 직선은 6개의 점을 최소 오차가 되도록 근사화한 1차 방정식으로, 점들이 근사화한 직선에서 벗어나 있다.

도 17b는, 레이저 빔을 소정 시간만큼 지연시켜 출력하여 신호를 측정하고, 수광 센서의 출력 신호를 근거로 TOF 방식의 거리 공식에 따라 거리를 계산하고, 이로부터 레이저 빔의 지연에 해당하는 거리(옵션)를 감산하여 측정한 거리를 표시하고 있다. 그래서, 가장 가까운 오브젝트의 거리는 마이너스 값으로 계산되기도 한다. 6개의 점들이 이를 근사화한 1차 방정식의 직선에 매우 가깝게 위치한다. 하지만, 근사화한 1차 방정식이 실제 거리와 계산한 거리를 매칭 시킨 원점을 지나는 y=x 직선과 차이가 발생한다.

도 17c는 도 17b에서 얻은 거리 6개의 점을 근사화한 1차 방정식을 1차 함수 변환에 따라 y=x 방정식과 최소 오차가 되도록 변환한 것으로, 1차 함수 변환에 해당하는 2개의 파라미터, 예를 들어 f(x)=A*x+B에서 A와 B를 구하는 캘리브레이션 동작에 해당한다.

이와 같이, 캘리브레이션 과정은, 서로 다른 위치에 있는 복수 개의 오브젝트에 대해 거리를 측정하고 필요에 따라 비선형 구간에 있는 오브젝트에 대해서는 레이저 빔을 지연시킨 후 옵셋을 보정하여 거리를 측정하고, 이들을 근사화하는 직선을 구한 다음, 이를 y=x 방정식과 근사하게 변환하는 1차 함수를 구하는 과정에 해당한다.

TOF 카메라는, 제품 출시 전에 이러한 캘리브레이션 과정에서 얻은 1차 함수의 파라미터를 저장하고, 실제 거리를 측정할 때는 도 16의 S130 내지 S150 과정을 거쳐 거리를 측정하고, 도 16과 같은 캘리브레이션을 통해 얻은 1차 함수의 파라미터에 따라 측정한 거리를 변환하여 거리를 출력할 수 있다.

한편, TOF 방식으로 거리를 측정하면서 셀의 포토 센서가 커패시터의 전하를 전압으로 변환할 때, 입사하는 광의 세기에 따른 다이나믹 레인지(Dynamic Range) 특징에 따라 같은 거리에 있는 다른 오브젝트가 다른 거리 측정 결과를 낳기도 한다. 즉, 표면 반사율이 다른 둘 이상의 오브젝트의 경우 같은 거리라도 TOF 카메라에 입사하는 반사광의 에너지가 다르고 그로 인해 커패시터에 전하가 저장되는 속도가 다르고, 포토 센서가 출력하는 출력 전압의 특성이 달라질 수 있다.

다이나믹 레인지 특징이 TOF 카메라마다 다르다는 것은, 같은 양의 빛이 입사하더라도 출력되는 전압의 크기가 포토 센서마다 다르고, 출력 전압이 포화되는 입사 빛의 양도 포토 센서마다 다르고, 입사하는 빛의 양이 증가하는 정도와 출력하는 전압이 바뀌는 정도의 비가 포토 센서마다 다를 수 있는 것을 의미한다.

특히, 하나의 포토 센서에서도, 포토 센서의 커패시터에 저장된 전하의 양에 따라 입사하는 광의 증가하는 속도와 출력 전압이 바뀌는 속도의 비율이 달라질 수도 있다. 예를 들어, 커패시터에 저장되어 있는 전하가 거의 없는 상태에서는 입사 광량이 조금만 증가해도 출력 전압이 빠르게 바뀌고, 커패시터에 많은 양의 전하가 저장되어 있는 상태에서는 입사 광량의 증가에 비해 출력 전압의 변화가 느리고, 커패시터에 적당한 양의 전하가 저장된 상태에서는 입사 광량의 증가와 출력 전압의 변화가 어느 정도 비례 관계를 이룰 수 있다.

즉, 포토 센서의 출력 전압과 입사 광량 사이에 선형성을 이루는 선형 구간이 존재하고, 선형 구간 밖 구간에서는 광량과 전압 사이에 비례 관계가 깨지고 비선형 관계가 형성될 수 있다.

따라서, 본 명세서에서는, 오브젝트의 거리를 측정할 때, 포토 센서의 출력 전압이 선형 구간 내 일정한 값이 되도록 광원에서 레이저 빔의 출력을 조절하여, 포토 센서의 다이나믹 레인지에 따른 거리 오차를 개선할 수 있다.

도 18은 TOF 방식으로 거리를 측정할 때 광원의 발광 형태와 포토 센서에서 검출되는 신호를 도시한 도면이다.

예를 들어, 1초에 30번, 즉 30 프레임의 거리를 측정할 때, 한 프레임은 약 33ms 동안 포토 센서에서 출력되는 신호를 이용하여 거리를 계산한다. 한 프레임의 제1 기간(t1) 동안은 광원을 켠 상태로 오브젝트에서 반사되는 반사광이 입사하여 포토 센서에서 생성되는 전기 신호를 출력하고, 한 프레임의 제2 기간(t2) 동안은 광원을 켜지 않은 상태로 주변광만 입사하여 포토 센서에서 생성되는 전기 신호를 출력한다.

제1 기간(t1) 동안은 주변광에 의한 직류 성분과 광원의 발광에 따른 반사광에 의한 교류 성분이 합산되어 전기 신호로 출력되고, 제2 기간(t2) 동안은 주변광에 의한 직류 성분의 전기 신호만 출력된다. 그러므로, 제1 기간(t1) 동안 출력되는 신호에서 제2 기간(t2) 동안 출력되는 신호를 감산함으로써, 주변광에 의한 성분을 제거하고, 포토 센서의 출력 신호에서 광원이 방사한 레이저 빔이 오브젝트에서 반사되는 반사광에 의한 성분만을 얻을 수 있다.

도 18에서, 제1 기간(t1)에 광원에서 출력되는 레이저 빔에 동기하여 검출되는 제1 출력 신호(Vout1)가 레이저 빔에 180도 위상차로 동기하여 검출되는 제2 출력 신호(Vout2)에 비해 더 급한 기울기로 아래 방향으로 커지고 있다.

또한, 도 18에서, 제2 기간(t2)에는, 광원에서 레이저 빔이 방사되지 않고 주변광만 포토 센서에 들어오기 때문에, 제1 출력 신호(Vout1)와 제2 출력 신호(Vout2) 모두 같은 기울기로 아래 방향으로 커지고 있다.

도 12를 참조로 설명한 것과 같이, 포토 센서를 구성하는 셀이 출력하는 제1 출력 신호(Vout1)와 제2 출력 신호(Vout2)는, 도 18에서 시간이 경과함에 따라(반사광이 복수 회 입사함에 따라) 그 값이 아래 방향으로 커지는 것으로 도시되어 있다. 하지만, 이는 그림 표현을 용이하게 위함으로, 하드웨어 구성에 따라 커패시터에 전하가 누적됨에 따라 제1/제2 출력 신호(Vout1, Vout2)의 값이 커질 수도 있고 작아질 수도 있다. 이하에서는 반사광이 복수 회 입사함에 따라 제1/제2 출력 신호가 커지는 것으로 설명한다.

P1 신호는, 셀을 리셋, 즉 셀의 커패시터에 저장된 전하를 방출하기 위한 것으로, 한 프레임 내에서 2개의 펄스를 발생시켜 한 프레임에 2번 셀을 리셋 시키고, P2 신호는 광원이 펄스를 수회 출력하는 구간과 출력하지 않는 구간을 반복하도록 제어하는 데 사용된다.

예를 들어 P1 신호의 제1 펄스는 제1 기간(t1)의 시작을 가리키는데, P1 신호의 제1 펄스 이후 소정 시간이 경과한 후에 P2 신호의 펄스가 수회 반복될 수 있다. 제1 기간(t1) 동안 P2 신호의 펄스가 로우 레벨(또는 하이 레벨)일 때, 광원이 수십 ns의 짧은 펄스의 광을 출사하여 포토 센서가 주변광과 반사광이 합해지는 신호를 출력할 수 있도록 한다.

또한, P1 신호의 제2 펄스는 제2 기간(t2)의 시작을 가리키고, P1 신호의 제2 펄스 이후 소정 시간 경과 후에 P2 신호의 펄스가 수회 반복되지만, 광원은 발광하지 않아 센서가 주변광에 의한 신호만을 출력할 수 있도록 한다.

광원은, 제1 기간(t1)에 P2 신호가 제1 레벨(예를 들어 로우 레벨)인 동안, 소정 시간 간격으로 수십 개의 짧은 펄스의 광(Nlight 또는 펄스 광 다발)을 발생시키고, 포토 센서는 P2 신호의 상승 에지에 동기하여 데이터(출력 전압)를 생성한다. 따라서, 제1 기간(t1)에 P2 신호의 펄스 개수에 해당하는 개수만큼 데이터(Data1, Data2, Data3,?)가 생성된다.

즉, 제1 기간(t1) 동안, 포토 센서는 P2 펄스의 개수에 해당하는 개수만큼 제1 출력 신호(Vout1)와 제2 출력 신호(Vout2)를 각각 출력하는데, 제1 출력 신호(Vout1)와 제2 출력 신호(Vout2)는 펄스 광 다발이 출력될 때마다 그 값이 누적되어 커지므로, 이로부터 제1 출력 신호(Vout1)와 제2 출력 신호(Vout2)의 기울기를 얻을 수 있다.

도 18에서, 제1 기간(t1)에, 제1 출력 신호(Vout1)는 데이터가 4번 누적된 이후 포화되고, 제2 출력 신호(Vout2)는 데이터가 5번 누적된 이후 포화된다. 포토 센서 하드웨어의 한계로 인한 포화 레벨(Vsat)이 존재하고, 또한 포화 레벨(Vsat)보다 소정의 마진만큼 높은 레벨(Va)이 설정되어 해당 레벨 이상의 신호에 대해서만 실제로 거리 계산에 활용할 수 있다. 도 18에서, 제1 출력 신호(Vout1)는 펄스 광 다발이 3번 발광될 때까지만 거리 계산에 활용될 수 있고, 제2 출력 신호(Vout2)는 펄스 광 다발이 4번 발광될 때까지만 거리 계산에 활용될 수 있다.

일반적으로 가까운 거리에 있는 오브젝트는 적은 회수의 펄스 광 다발의 발광만으로도 출력 신호가 포화되고, 멀리 있는 오브젝트는 많은 회수의 펄스 광 다발의 발광으로도 출력 신호가 포화되지 않을 수 있다.

비슷하게, 표면 반사율이 높은 오브젝트는 적은 회수의 발광만으로도 출력 신호가 포화될 수 있고, 반사율이 낮은 오브젝트는 많은 회수의 발광으로도 출력 신호가 포화되지 않을 수 있다.

도 19는 포토 센서의 동작 구간을 도시한 도면이다.

도 19에서, 세로 축을 기준으로 1.1V가 포화 전압(Vsat)에 해당하지만, 하드웨어에서 실제로 포화가 발생하는 전압은 약 1.5V 부근이다. 또한, 아날로그 전압을 디지털로 변환하기 위한 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 입력 최대 전압이 3.3V이다.

하지만, 하한인 하드웨어 실제 포화 전압과 상한인 ADC 최대 전압에 각각 시료마다의 편차를 구려하여 마진을 더하면, 입사하는 광을 전압으로 변환하는 포토 센서의 동작 구간의 상한은 약 3.1V이고 하한인 문턱 전압은 약 1.8V로 하여, 동작 구간의 폭이 약 1.3V에 불과하게 된다.

포토 센서의 동작 구간에서 입사 광량과 출력 전압 사이에 선형 관계가 유지되어 선형 구간에 해당하므로, 포토 센서의 출력 전압이 선형 구간의 임의의 레벨이 될 때 값을 이용하여 거리를 계산할 수 있다. 포토 센서에 입사하는 광량이 증가할수록 출력 전압이 하강하므로, 도 18의 제1 기간(t1)에 출력 전압이 동작 구간의 하한 부근의 타겟 레벨이 될 때까지 레이저 빔을 복수 회에 걸쳐 발광시킬 수 있다.

표면 반사율이 낮거나 거리가 먼 오브젝트에 대해서는 제1 기간(t1)에 더 많은 회수 광원의 레이저 빔을 발광시키거나 광원의 레이저 빔의 강도를 높여 제1 기간(t1) 안에 출력 전압이 타겟 레벨이 되도록 할 수 있다. 반면, 표면 반사율이 높거나 가까운 오브젝트에 대해서는 적은 회수의 발광으로도 제1 기간(t1)에 곧 출력 전압이 타겟 레벨에 이르게 된다.

도 20은 본 명세서의 일 실시예에 따라 포토 센서의 선형 구간에서 TOF 카메라를 동작시키면서 캘리브레이션 하는 동작 흐름도를 도시한 도면이다.

먼저 실험을 통해서 TOF 카메라의 포토 센서가 입사 광량에 비례하여 선형적으로 전기 신호, 즉 출력 전압을 출력하는 선형 구간을 측정한다(S210). 도 19에서 세로 축으로 문턱 전압인 약 1.8V에서 상한으로 약 3.1V까지가 선형 구간에 해당한다.

포토 센서가 전기 신호를 입사 광량에 비례하게 출력하는 선형 구간에서 문턱 전압보다 약간 높은 특정 전압을 타겟 전압으로 선택한다(S220).

발광부(310)를 제어하여 펄스 광 다발을 1회 방사하고(S230), 해당 펄스 광 다발이 오브젝트에서 반사된 반사광에 의해 포토 센서가 출력하는 출력 전압(Vout)이 타겟 전압에 도달하는지 확인한다(S240).

포토 센서의 출력 전압(Vout)이 타겟 전압이 이르지 못하면(S240에서 아니오), 발광부(310)를 제어하여 펄스 광 다발을 다시 1회 방사한다(S230).

포토 센서의 출력 전압(Vout)이 타겟 전압에 이르면(S240에서 예), 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)의 비율로 오브젝트까지의 거리를 계산하고, 오브젝트까지의 실제 거리와 비교하고 이들의 관계를 표현하는 파라미터를 추출하여 캘리브레이션 동작을 수행한다(S250).

제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)의 비율로 오브젝트까지의 거리를 계산하기에 앞서, 도 18을 참조로 설명한 것과 같이, 하나의 프레임에서 제2 기간(t2) 동안 레이저 빔의 발광 없이 주변광에 의한 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)을 검출한다. 그리고, S230과 S240 과정을 통해 검출한 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)에서 주변광에 의한 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)을 제거하여 순순히 레이저 빔에 의한 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)을 얻는다. 이를 오브젝트까지의 거리 계산에 사용한다.

도 20의 동작 흐름도에서 S230과 S240 단계는, 도 16의 동작 흐름도에서 오브젝트와의 거리를 측정하는 S130 단계와 S150 단계에 적용될 수 있다.

도 21은 본 명세서의 일 실시예에 따라 거리를 측정하는 TOF 카메라의 포토 센서가 신호를 일정한 레벨로 출력하도록 하는 동작 흐름도를 도시한 도면이다.

TOF 카메라는 발광부(310)를 제어하여 펄스 광 다발을 1회 방사하고 펄스 광 다발을 방사한 회수를 카운트 하는데(S310), 도 18에서 P2 신호의 펄스에 동기하여 다수의 펄스 형태의 레이저 빔(펄스 광 다발)을 소정 시간 동안(P2 신호에서 펄스 사이 로우 레벨 구간 동안) 방사한다.

해당 펄스 광 다발이 오브젝트에서 반사된 반사광에 의해 포토 센서가 출력하는 출력 전압(Vout), 주로 포토 센서가 펄스 광의 방사에 동기하여 출력하는 제1 출력 전압(Vout1)이 포토 센서의 선형 구간에서 문턱 전압보다 약간 높은 특정 전압으로 설정된 타겟 전압에 도달하는지 확인한다(S320).

포토 센서의 출력 전압(Vout)이 타겟 전압이 이르지 못하면(S330에서 아니오), 도 18에 도시한 1 프레임의 절반, 즉 제1 기간(t1)이 경과했는지 확인한다(S330).

제1 기간(t1)이 경과하지 않았다면(S330에서 아니오), 발광부(310)를 제어하여 P2 신호의 펄스에 동기하여 펄스 광 다발을 다시 1회 방사하고 펄스 광 다발을 방사한 회수를 1회 증가시킨다(S310).

포토 센서의 출력 전압(Vout)이 타겟 전압에 이르면(S320에서 예) 또는 도 18에 도시한 1 프레임의 절반, 즉 제1 기간(t1)이 경과하면(S330에서 예), 도 18을 참조하여 설명한 것과 같은 제2 기간(t2)의 동작을 수행하는데, S310 내지 S330 과정을 거쳐 펄스 광 다발을 방사한 회수에 대응하는 기간 동안 레이저 빔을 방사하지 않은 상태로 포토 센서의 출력 전압(Vout)을 검출한다(S340).

1 프레임의 제1 기간(t1) 동안 검출한 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)에서 제2 기간(t2) 동안 검출한 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)을 각각 삭제하여, 주변광을 제거하여 레이저 빔에만 의한 제1/제2 출력 전압(Vout1, Vout2)을 얻고, 도 20의 S250 단계 또는 도 16의 S170 단계의 캘리브레이션 동작을 통해 얻은 파라미터를 이용하여, 제1 출력 전압(Vout1)과 제2 출력 전압(Vout2)의 비율을 이용하여 오브젝트까지의 거리를 계산한다(S340).

S310 내지 S330 단계를 통해 반사율이 낮은 오브젝트는 레이저 빔을 여러 차례 방사하고 반사율이 높은 오브젝트는 레이저 빔을 적은 회수 방사하여, 포토 센서의 출력 전압이 선형 구간에 속하는 타겟 전압에 수렴하도록 할 수 있다.

도 22는 본 명세서의 일 실시예에 따라 같은 거리에 있는 반사율이 다른 오브젝트까지의 거리를 측정한 결과를 종래의 것과 비교하여 도시한 도면이다.

도 22에서 TOF 카메라가 거리를 측정하는 하나의 화면 안에 표면 반사율이 높은 흰색(White)의 오브젝트와 표면 반사율이 상대적으로 낮은 회색(Gray)의 오브젝트가 같이 있다.

각 오브젝트의 한쪽 끝에서부터 반대쪽 끝까지 각도를 달리하여 거리를 측정할 때, 종래 방법에 따르면 각 오브젝트에 대해서도 각도마다 거리가 일정하지 않고, 흰색 오브젝트까지의 거리와 회색 오브젝트까지의 거리도 서로 일치하지 않는다.

하지만, 본 명세서에 따라 포토 센서의 출력이 타겟 레벨이 되도록 레이저 빔의 출력 회수룰 제어한 경우, 각 오브젝트에 대해서도 각도와 상관 없이 거리가 일정하고, 두 오브젝트의 거리도 거의 같게 측정된다.

이와 같이, 포토 센서가 출력하는 전기 신호가 포토 센서가 입력 광량에 비례하여 선형적으로 출력 신호를 출력하는 선형 구간의 임의의 전압 레벨이 되도록, 광원의 출력 회수를 조절함으로써, 오브젝트의 반사율에 영향을 받지 않고 오브젝트까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있게 된다.

본 명세서에 따라 가까운 거리의 오브젝트까지의 거리를 정확하게 검출하고 오브젝트의 반사율에 무관하게 거리를 측정할 수 있는 TOF 카메라를 자율 주행 차량에 적용함으로써, 자율 주행 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

본 명세서의 티오에프 방식에서 거리 측정 방법 및 및 이를 이용한 자율 주행 시스템에 대한 다양한 실시예들을 간단하고 명료하게 설명하면 다음과 같다.

TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법은, 광원을 통해 제1 펄스 폭을 갖는 제1 레이저 빔을 방사하고, 포토 센서를 통해 제1 레이저 빔의 제1 방사 시점에 동기하여 제1 전압을 검출하고 제1 방사 시점과 180도 위상차를 갖고 동기하여 제2 전압을 검출하는 단계; 제1 및 제2 전압을 근거로 제1 거리를 계산하는 단계; 광원을 통해 제1 펄스 폭을 갖는 제2 레이저 빔을 제1 레이저 빔보다 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 포토 센서를 통해 제1 방사 시점에 동기하여 제3 전압을 검출하고 제1 방사 시점과 180도 위상차를 갖고 동기하여 제4 전압을 검출하는 단계; 및 제3 및 제4 전압을 근거로 제2 거리를 계산하고, 제2 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제3 거리를 계산하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법은 제3 거리를 캘리브레이션으로 얻은 파라미터를 이용하여 변환하여 제4 거리를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계와 제3 거리를 계산하는 단계는, 제1 거리가 제1 펄스 폭에 의해 결정되는 선형 구간의 최소 거리보다 작을 때 수행할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 펄스 폭은 측정하고자 하는 거리 범위에 대응하는 펄스 폭보다 넓은 펄스 폭으로 결정될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전압과 제2 전압을 검출하는 단계는, 1 프레임의 제1 기간 동안 제1 레이저 빔을 방사하고 제1 및 제2 전압을 검출하고, 1 프레임에서 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 제1 레이저 빔을 방사하지 않고 제1 및 제2 전압을 검출하고, 제1 거리를 계산하는 단계는 제1 기간 동안 검출한 제1 및 제2 전압에서 제2 기간 동안 검출한 제1 및 제2 전압을 각각 감산하여 얻은 제1 및 제2 전압을 근거로 제1 거리를 얻고, 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계는, 1 프레임의 제1 기간 동안 제2 레이저 빔을 지연 방사하고 제3 및 제4 전압을 검출하고, 1 프레임에서 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 제2 레이저 빔을 방사하지 않고 제3 및 제4 전압을 검출하고, 제2 거리를 계산하는 단계는 제1 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압에서 제2 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압을 각각 감산하여 얻은 제3 및 제4 전압을 근거로 제2 거리를 얻을 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전압과 제2 전압을 검출하는 단계는 제1 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 단계를 더 포함하고, 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계는 제3 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전압과 제2 전압을 검출하는 단계는 제1 전압이 타겟 전압에 도달하지 않을 때 제1 레이저 빔을 방사하고 제1 및 제2 전압을 검출하고 제1 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 동작을 반복하고, 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계는, 제3 전압이 타겟 전압에 도달하지 않을 때 제2 레이저 빔을 지연 방사하고 제3 및 제4 전압을 검출하고 제3 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 동작을 반복할 수 있다.

TOF 카메라는, 제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부; 복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 제1 신호의 제1 검출 시점을 제1 펄스 폭을 기준으로 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고, 발광부는 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 수광부는 지연된 레이저 빔에 대응하여 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 프로세서는 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 제1 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 프로세서는 캘리브레이션으로 얻은 파라미터를 이용하여 제2 거리를 제3 거리로 변환할 수 있다.

일 실시예에서, 프로세서는 제1 펄스 폭을 TOF 카메라가 측정하고자 하는 거리 범위에 대응하는 펄스 폭보다 넓게 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 발광부가 제1 검출 시점과 동기하여 레이저 빔을 방사하여 수광부가 제1 및 제2 신호를 검출하고 프로세서가 제1 및 제2 신호를 근거로 계산한 제4 거리가 제1 펄스 폭에 의해 결정되는 선형 구간의 최소 거리보다 작을 때, 발광부가 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 수광부가 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고 프로세서가 제1 거리와 제2 거리를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 1 프레임의 제1 기간 동안 발광부가 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 수광부가 제3 및 제4 신호를 검출하고, 1 프레임에서 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 발광부가 레이저 빔을 방사하지 않고 수광부가 제3 및 제4 전압을 검출하고, 프로세서는 제1 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압에서 제2 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압을 각각 감산하여 얻은 제3 및 제4 전압을 근거로 제1 거리와 제2 거리를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 프로세서는, 제3 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하되, 제3 전압이 타겟 전압에 도달하지 않을 때 발광부와 수광부를 제어하여 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 제3 및 제4 신호를 검출하고, 제3 전압이 타겟 전압에 도달할 때 검출된 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리와 제2 거리를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 타겟 전압은, 수광부의 셀에 입사하는 광량과 셀이 출력하는 신호 사이에 선형성을 이루는 선형 구간 안에서 선택되고, 셀이 입사하는 빛에 대응하여 출력하는 신호가 포화되는 레벨에서 소정의 마진을 고려한 값으로 결정될 수 있다.

자율 주행 시스템은, TOF 카메라를 포함하여 센서 데이터를 출력하는 센싱 시스템; 차량 구동 장치를 전기적으로 제어하는 구동 제어 장치; 및 센싱 시스템으로부터 센서 데이터를 수신하고 이를 근거로 자율 주행 상황을 판단하고 이를 근거로 차량 구동 장치를 제어할 제어 신호를 생성하여 구동 제어 장치에 전송하는 제어부를 포함하여 구성되고, TOF 카메라는, 제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부; 복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 제1 신호의 제1 검출 시점을 제1 펄스 폭을 기준으로 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고, 발광부는 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 수광부는 지연된 레이저 빔에 대응하여 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 프로세서는 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 제1 거리에서 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산할 수 있다.

전술한 본 명세서는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 명세서의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 명세서의 범위에 포함된다.

300: TOF 카메라 310: 발광부
320: 수광부 330: TOF 프로세서

Claims

광원을 통해 제1 펄스 폭을 갖는 제1 레이저 빔을 방사하고, 포토 센서를 통해 상기 제1 레이저 빔의 제1 방사 시점에 동기하여 제1 전압을 검출하고 상기 제1 방사 시점과 180도 위상차를 갖고 동기하여 제2 전압을 검출하는 단계;
상기 제1 및 제2 전압을 근거로 제1 거리를 계산하는 단계;
상기 광원을 통해 상기 제1 펄스 폭을 갖는 제2 레이저 빔을 상기 제1 레이저 빔보다 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 상기 포토 센서를 통해 상기 제1 방사 시점에 동기하여 제3 전압을 검출하고 상기 제1 방사 시점과 180도 위상차를 갖고 동기하여 제4 전압을 검출하는 단계; 및
상기 제3 및 제4 전압을 근거로 제2 거리를 계산하고, 상기 제2 거리에서 상기 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제3 거리를 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제3 거리를 캘리브레이션으로 얻은 파라미터를 이용하여 변환하여 제4 거리를 출력하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계와 상기 제3 거리를 계산하는 단계는, 상기 제1 거리가 상기 제1 펄스 폭에 의해 결정되는 선형 구간의 최소 거리보다 작을 때 수행하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 펄스 폭은 측정하고자 하는 거리 범위에 대응하는 펄스 폭보다 넓은 펄스 폭으로 결정되는 것을 특징으로 하는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전압과 제2 전압을 검출하는 단계는, 1 프레임의 제1 기간 동안 상기 제1 레이저 빔을 방사하고 상기 제1 및 제2 전압을 검출하고, 상기 1 프레임에서 상기 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 상기 제1 레이저 빔을 방사하지 않고 상기 제1 및 제2 전압을 검출하고,
상기 제1 거리를 계산하는 단계는 상기 제1 기간 동안 검출한 제1 및 제2 전압에서 상기 제2 기간 동안 검출한 제1 및 제2 전압을 각각 감산하여 얻은 제1 및 제2 전압을 근거로 상기 제1 거리를 얻고,
상기 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계는, 상기 1 프레임의 상기 제1 기간 동안 상기 제2 레이저 빔을 지연 방사하고 상기 제3 및 제4 전압을 검출하고, 상기 1 프레임에서 상기 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 상기 제2 레이저 빔을 방사하지 않고 상기 제3 및 제4 전압을 검출하고,
상기 제2 거리를 계산하는 단계는 상기 제1 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압에서 상기 제2 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압을 각각 감산하여 얻은 제3 및 제4 전압을 근거로 상기 제2 거리를 얻는 것을 특징으로 하는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제5 항에 있어서,
상기 제1 전압과 제2 전압을 검출하는 단계는 상기 제1 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 단계를 더 포함하고,
상기 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계는 상기 제3 전압이 상기 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제6 항에 있어서,
상기 제1 전압과 제2 전압을 검출하는 단계는 상기 제1 전압이 상기 타겟 전압에 도달하지 않을 때 상기 제1 레이저 빔을 방사하고 상기 제1 및 제2 전압을 검출하고 상기 제1 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 동작을 반복하고,
상기 제3 전압과 제4 전압을 검출하는 단계는, 상기 제3 전압이 상기 타겟 전압에 도달하지 않을 때 상기 제2 레이저 빔을 지연 방사하고 상기 제3 및 제4 전압을 검출하고 상기 제3 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하는 동작을 반복하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 방법.
제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부;
복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 상기 제1 신호의 제1 검출 시점을 상기 제1 펄스 폭을 기준으로 상기 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및
상기 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고,
상기 발광부는 상기 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 상기 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 상기 수광부는 상기 지연된 레이저 빔에 대응하여 상기 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 상기 프로세서는 상기 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 상기 제1 거리에서 상기 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
제8 항에 있어서,
상기 프로세서는 캘리브레이션으로 얻은 파라미터를 이용하여 상기 제2 거리를 제3 거리로 변환하는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
제8 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 제1 펄스 폭을 상기 TOF 카메라가 측정하고자 하는 거리 범위에 대응하는 펄스 폭보다 넓게 결정하는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
제8 항에 있어서,
상기 발광부가 상기 제1 검출 시점과 동기하여 상기 레이저 빔을 방사하여 상기 수광부가 상기 제1 및 제2 신호를 검출하고 상기 프로세서가 상기 제1 및 제2 신호를 근거로 계산한 제4 거리가 상기 제1 펄스 폭에 의해 결정되는 선형 구간의 최소 거리보다 작을 때, 상기 발광부가 상기 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 상기 수광부가 상기 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고 상기 프로세서가 상기 제1 거리와 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
제8 항에 있어서,
1 프레임의 제1 기간 동안 상기 발광부가 상기 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 상기 수광부가 상기 제3 및 제4 신호를 검출하고, 상기 1 프레임에서 상기 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 상기 발광부가 상기 레이저 빔을 방사하지 않고 상기 수광부가 상기 제3 및 제4 전압을 검출하고, 상기 프로세서는 상기 제1 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압에서 상기 제2 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압을 각각 감산하여 얻은 제3 및 제4 전압을 근거로 상기 제1 거리와 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
제12 항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제3 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하되, 상기 제3 전압이 상기 타겟 전압에 도달하지 않을 때 상기 발광부와 수광부를 제어하여 상기 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 상기 제3 및 제4 신호를 검출하고, 상기 제3 전압이 상기 타겟 전압에 도달할 때 상기 검출된 제3 및 제4 신호를 근거로 상기 제1 거리와 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
제13 항에 있어서,
상기 타겟 전압은, 상기 수광부의 셀에 입사하는 광량과 상기 셀이 출력하는 신호 사이에 선형성을 이루는 선형 구간 안에서 선택되고, 상기 셀이 입사하는 빛에 대응하여 출력하는 신호가 포화되는 레벨에서 소정의 마진을 고려한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 TOF 카메라.
TOF 카메라를 포함하여 센서 데이터를 출력하는 센싱 시스템;
차량 구동 장치를 전기적으로 제어하는 구동 제어 장치; 및
상기 센싱 시스템으로부터 상기 센서 데이터를 수신하고 이를 근거로 자율 주행 상황을 판단하고 이를 근거로 상기 차량 구동 장치를 제어할 제어 신호를 생성하여 상기 구동 제어 장치에 전송하는 제어부를 포함하여 구성되고,
상기 TOF 카메라는,
제1 펄스 폭을 갖는 레이저 빔을 방사하는 발광부;
복수 개의 셀들로 구성되고, 각 셀은 입사하는 광량에 비례하는 제1 신호와 제2의 신호를 출력하되 상기 제1 신호의 제1 검출 시점을 상기 제1 펄스 폭을 기준으로 상기 제2 신호의 제2 검출 시점과 180도 어긋나게 하는, 수광부; 및
상기 수광부가 출력하는 제1 및 제2 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 계산하는 프로세서를 포함하여 구성되고,
상기 발광부는 상기 제1 및 제2 검출 시점과 일치하지 않도록 상기 레이저 빔을 제1 지연 시간만큼 지연시켜 방사하고, 상기 수광부는 상기 지연된 레이저 빔에 대응하여 상기 제1 검출 시점과 제2 검출 시점에 각각 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고, 상기 프로세서는 상기 제3 및 제4 신호를 근거로 제1 거리를 계산하고 상기 제1 거리에서 상기 제1 지연 시간에 대응하는 거리를 감산하여 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 제1 펄스 폭을 상기 TOF 카메라가 측정하고자 하는 거리 범위에 대응하는 펄스 폭보다 넓게 결정하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 발광부가 상기 제1 검출 시점과 동기하여 상기 레이저 빔을 방사하여 상기 수광부가 상기 제1 및 제2 신호를 검출하고 상기 프로세서가 상기 제1 및 제2 신호를 근거로 계산한 제4 거리가 상기 제1 펄스 폭에 의해 결정되는 선형 구간의 최소 거리보다 작을 때, 상기 발광부가 상기 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 상기 수광부가 상기 제3 신호와 제4 신호를 검출하여 출력하고 상기 프로세서가 상기 제1 거리와 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 시스템.
제15 항에 있어서,
1 프레임의 제1 기간 동안 상기 발광부가 상기 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 상기 수광부가 상기 제3 및 제4 신호를 검출하고, 상기 1 프레임에서 상기 제1 기간 이후의 제2 기간 동안 상기 발광부가 상기 레이저 빔을 방사하지 않고 상기 수광부가 상기 제3 및 제4 전압을 검출하고, 상기 프로세서는 상기 제1 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압에서 상기 제2 기간 동안 검출한 제3 및 제4 전압을 각각 감산하여 얻은 제3 및 제4 전압을 근거로 상기 제1 거리와 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 시스템.
제18 항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제3 전압이 타겟 전압에 도달하는지 확인하되, 상기 제3 전압이 상기 타겟 전압에 도달하지 않을 때 상기 발광부와 수광부를 제어하여 상기 레이저 빔을 지연시켜 방사하고 상기 제3 및 제4 신호를 검출하고, 상기 제3 전압이 상기 타겟 전압에 도달할 때 상기 검출된 제3 및 제4 신호를 근거로 상기 제1 거리와 제2 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 자율 주행 시스템.
제19 항에 있어서,
상기 타겟 전압은, 상기 수광부의 셀에 입사하는 광량과 상기 셀이 출력하는 신호 사이에 선형성을 이루는 선형 구간 안에서 선택되고, 상기 셀이 입사하는 빛에 대응하여 출력하는 신호가 포화되는 레벨에서 소정의 마진을 고려한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 자율 주행 시스템.