KR20230018347A - 진폭 변조를 통한 LiDAR의 상호간섭 제거 방법 및 장치 - Google Patents

진폭 변조를 통한 LiDAR의 상호간섭 제거 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

LiDAR의 상호간섭 제거 장치 및 방법이 개시된다. 상기 LiDAR의 상호간섭 제거 장치는, 제어부의 제어에 따라, 서로 다른 듀티비를 갖는 복수의 충전 신호들(charge signal)과 파이어 신호(fire signal)를 생성하는 LD(Laser Diode) 컨트롤러, 상기 복수의 충전 신호들과 상기 파이어 신호를 수신하여, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)가 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 레이저 빔들을 방사하도록 제어하는 LD 드라이버, 상기 레이저 빔들 각각이 물체에 반사된 후 수신되는 반사 빔들 각각의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)를 검출하는 시간차 계산기, 상기 시간차 계산기의 출력을 이용하여 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭을 계산하는 펄스폭 계산기, 및 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭에 기초하여 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 상기 제어부를 포함한다.

Description

진폭 변조를 통한 LiDAR의 상호간섭 제거 방법 및 장치{method and device for mutual interference rejection with amplitude modulation for LiDARs}
본 발명은 LiDAR의 상호간섭 제거 방법에 관한 발명으로, 특히 진폭 변조(amplitude modulation)를 이용하여 인접한 LiDAR로부터 송신된 신호에 의한 상호간섭을 제거할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
주변 환경(surrounding environment)에 대한 보다 많은 정보를 수집하기 위하여, 레이더(radars), 이미지 센서(image sensors), 초음파 센서(ultrasonic sensors), 및 라이다(light detection and rangings, LiDARs) 등과 같은 감지 장치가 지능형 자동차(intelligent vehicles)에 탑재되고 있는 추세이다.
LiDAR는 적외선 레이저(infrared laser)를 출력(방사)하고 반사된 신호(reflected signal)를 광센서(photosensor)로 측정함으로써 주변 사물들과의 거리를 측정하는 센서의 일종이다. 차량을 위한 LiDAR는 범위 측정의 원리(ranging principles)에 따라 Phase-based LiDAR, SPAD-based LiDAR(single-photon avalanche diode-based LiDAR), 및 Pulse-based LiDAR의 3가지 타입으로 분류된다. 그 중 지능형 차량의 LiDAR 센서로는 pulse-based LiDAR가 적합한 것으로 알려져 있다.
도 1은 주변 환경을 스캔하는 LiDARs가 구비된 다양한 지능형 차량들의 시나리오를 도시한다. 기술 개발에 따라 LiDARs의 최대 측정가능 범위(maximum detectable range)는 증가하고 있고, 이에 따라 각 LiDAR가 다른 LiDAR로부터 레이저 펄스들(laser pulses)을 수신하는 가능성은 점차적으로 증가한다. 이로 인하여 상호간섭(mutual interferences)이 유발될 수 있다. 상호간섭 신호(mutual interferences signals)는 고스트 오브젝트(ghost objects)를 유발하거나 SNR(signal-to-noise ratio)을 감소시키는 등의 문제를 야기할 수 있다. LiDARs 사이에서 상호간섭의 발생을 조사하는 몇몇 실험이 수행되었다. 실험은, 상호간섭으로 인하여 감지된 오브젝트가 실제 오브젝트(real objects)일 가능성이 있기 때분에 상호간섭은 무시될 수 없음을 보여준다.
시스템 내에서 다른 LiDARs에 의한 LiDAR에의 영향을 제거함으로써, 자기-상호간섭(self-mutual interferences)을 피하기 위한 기술들이 개발되었다. 그러나, 이러한 종래 기술에 의하면, LiDAR가 다른 차량의 LiDAR에 영향을 미치는 것을 막을 수는 없다. 본 발명에서는 상호간섭 제거(mutual interference rejection, MIR) 방법 및 장치를 제안한다. 노이즈에 강한 LiDAR를 만들기 위하여, 제안하는 시스템에서 레이저 모듈(laser module)은 각기 다른 에너지 레벨을 갖는 복수의 펄스들(패턴 빔, pattern beam)을 방사한다. 그 후 수신 모듈은 유효한 패턴이 감지된 경우에만 거리 정보를 결정한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 진폭 변조를 이용하여 LiDAR 사이의 상호간섭을 제거할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LiDAR의 상호간섭 제거 장치는, 제어부의 제어에 따라, 서로 다른 듀티비를 갖는 복수의 충전 신호들(charge signal)과 파이어 신호(fire signal)를 생성하는 LD(Laser Diode) 컨트롤러, 상기 복수의 충전 신호들과 상기 파이어 신호를 수신하여, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)가 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 레이저 빔들을 방사하도록 제어하는 LD 드라이버, 상기 레이저 빔들 각각이 물체에 반사된 후 수신되는 반사 빔들 각각의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)를 검출하는 시간차 계산기, 상기 시간차 계산기의 출력을 이용하여 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭을 계산하는 펄스폭 계산기, 및 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭에 기초하여 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 상기 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LiDAR의 상호간섭 제거방법은 LiDAR의 상호간섭 제거 장치에 의해 수행되고, 서로 다른 듀티비를 갖는 복수의 충전 신호들(charge signal)과 파이어 신호(fire signal)를 생성하여 출력하는 단계, 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 레이저 빔들이 방사되는 단계, 상기 레이저 빔들 각각이 물체에 반사된 후 수신되는 반사 빔들 각각의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)를 검출하는 단계, 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭을 계산하는 단계, 및 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭에 기초하여 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 LiDAR의 상호간섭 제거 장치 및 방법에 의할 경우, 진폭 변조를 이용하여, 주변 LiDAR에 의해 송신된 레이저 빔에 의한 상호간섭을 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 주변 환경을 스캔하는 LiDARs가 구비된 다양한 지능형 차량들의 시나리오를 도시한다.
도 2는 종래 1-D LiDAR의 기능 블럭도와 타이밍도를 도시한다.
도 3은 레이저 파워(laser power)와 파이어 신호(fire signal)를 제어하기 위한 LD 드라이버 모듈(Laser Diode Driver Module)의 회로도(a)와 타이밍도(b)를 도시한다.
도 4는 펄스-기반 LiDAR(pulse-based LiDAR)에서의 상호간섭을 설명하기 위한 블럭도와 타이밍도를 도시한다.
도 5는 자기-상호간섭을 회피하는 종래의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 인접한 레이저 스팟들 사이의 코릴레이션이 존재하지 않는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 인접한 레이저 스팟들 사이의 코릴레이션이 존재하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIR 방법을 도시한다.
도 9는 각각이 상이한 파워 레벨을 갖는 수신된 레이저 펄스들을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호간접 제거 장치의 기능 블럭도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상호간섭 제거 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
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. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하에서는, 종래 LiDARs에서의 상호간섭에 대해 설명한다.
A. 종래 펄스-기반 LiDAR(pulse-based LiDAR)의 기본 동작
도 2는 종래 1-D LiDAR의 기능 블럭도(a)와 타이밍도(b)를 도시한다.
도 2의 (a)에는 종래 1-D pulse-based LiDAR의 간략한 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 레이저 빔(laser beam)을 방사(emit)하기 위하여, FPGA(Field Programmable Gate Array)는 레이저 다이오드(laser diode, LD)의 입력(inputs)으로써 레이저 파워 제어 신호(laser power control, TXC, 실시예에 따라 충전 신호로 명명될 수도 있음)와 파이어 신호(fire signal, TXF)를 생성하여 출력할 수 있다. TXF가 파이어된 후 방사된 레이저 펄스(laser pulse)가 물체(object)에 수신되면, 레이저 에너지의 일부는 APD(Avalanche photo diode)로 반사되어 되돌아 오고, TIA(Transimpedance amplifier)를 통해 전기적인 신호(electric signal) RXT로 변환된다. RXT가 레퍼런스 전압(reference voltage) Vref과 비교된 후, 비교기(comparator)의 출력 RXC는 FPGA의 수신기 부분(receiver part)으로 입력된다. LiDAR의 변조 주파수(modulation frequency)를 f라 하면, 단일의 측정 시간 tT는 1/f(즉, tT=1/f)이 된다. 또한, LiDAR의 최대 측정 가능 거리(maximum detectable distance)를 Dmax라 하면, LiDAR를 위한 유효한 타임 윈도우(time window) tM은 2Dmax/c가 된다(즉, tM=2Dmax/c). 여기서, c는 광(light)의 속도(또는 속력)을 나타내고 tM<tT이다. TXF가 t=0에서 파이어되고(fired), 수신된 신호 RXC는 tCR에서 상승(rise)하여 tCF에서 하강(fall)한다(즉, tCR 시점에 라이징 엣지(rising edge)가 위치하고, tCF 시점에 폴링 엣지(falling edge)가 위치한다. 그러면, 수신된 신호의 펄스 폭(pulse width) W는 (tCF-tCR)이 된다(즉, W=tCF-tCR). 그리고, 물체까지의 거리 D는 c(tCR+tCF)/4로 계산될 수 있다(즉, D=c(tCF+tCF)/4).
레이저 파워(laser power)와 파이어 신호(fire signal)를 제어하기 위한 LD 드라이버 모듈(Laser Diode Driver Module)의 회로도와 타이밍도는 도 3에 도시되어 있다. TXC를 제어하기 위해 부스트 컨버터(boost converter)가 사용된다. 부스트 컨버터의 에너지 저장 단계(energy storing phase) 동안, TXC는 '하이'로 설정되고, 대응되는 스위치(즉, TXC를 수신하는 스위치)는 '온' 상태가 된다. 이 시점에서, 다이오드는 역바이어스(reverse biased)되어 LD(Laser Diode)를 인덕터(inductor)로부터 고립시킨다. 그러면, 입력 전압은 오직 인덕터에만 공급된다. 정상상태 해석(steady-state analysis)에 따르면, 인덕터의 전류는 일정한 입력 전압에 따라 선형적으로(linearly) 증가한다. 따라서, 입력으로부터의 에너지는 인덕터에 전류의 형태로 저장된다. TXC에 대한 스위치가 '오프' 상태일 때, 부스트 컨버터는 에너지 방출 단계(energy-release phase)가 된다. 인덕터를 통하여 흐르는 전류는 인덕터의 전류 유지 특성(current holding characteristic)으로 인하여 즉시 0으로 바뀌지 않고, 서서히 0으로 바뀔 것이다. 이 단계에서, 다이오드는 순바이어스되어(forward biased) LD(Laser Diode)와 인덕터(inductor)를 연결한다. 그러면, 입력 파워와 인덕터에 저장된 파워가 캐패시터를 충전하기 시작하고, 이는 출력 전압을 입력 전압보다 높게 만든다.
위 두 단계(에너지 저장 단계와 에너지 방출 단계) 동안, TXF는 '로우' 상태로 설정되고 대응하는 스위치(즉, TXF 신호를 수신하는 스위치)는 '오프' 상태이기 때문에, LD에는 전류가 흐르지 않는다. 캐패시터를 충전한 이후, TXF는 '하이' 상태로 설정되고 대응하는 스위치는 '온' 상태가 된다. 마지막으로, 캐패시터에 저장된 에너지는 방출되어 LD를 통해 흘러, 라이트 펄스(light pulse)를 생성한다. 여기서, LD를 경유하는 피크 전류(peak current)는 TXC의 듀티(duty)에 의해 제어가능하다.
도 4의 (a)는 펄스-기반 LiDAR(pulse-based LiDAR)에서의 상호간섭을 설명하기 위한 블럭도이다. LiDAR가 회전하면서 주변 환경을 스캔할 때, LiDAR는 다른 LiDARs로부터의 신호를 수신할 수 있다. 상호간섭(mutual interferences)이라 불리는, 노이즈나 원치 않은 신호들의 수신은 고스트 타겟(ghost targets)이나 감소된 SNR(Signal-to-noise ratio)의 원인이 될 수 있다. W(펄스폭)와 D(거리)를 측정하는 과정에서 불확실성을 야기하는 상호간섭의 타이밍도는 도 4의 (b)에 도시되어 있다.
B. 자기-상호간섭의 제거를 위한 종래의 방법
최근, 지능형 자동차는 더 많은 채널들, 넓은 FOV(field-of-view), 및 주변 환경과 관련된 방대한 정보를 확보하기 위하여 하나 이상의 LiDAR를 요구한다. 자기-상호간섭을 단일 차량에 탑재된 LiDAR들 사이의 상호간섭으로 정의할 때, LiDAR들은 서로 근접하여 설치되고 서로 서로 영향을 주기 때문에 자기-상호간섭을 피하는 것은 매우 중요하다. 자기-상호간섭을 피하기 위한 방법으로, 각 LiDAR의 상호 표정(relative orientation)을 틸팅(tilting)하는 방법(도 5의 (a)), LiDAR들 사이에 분리 판(isolation plate)을 추가하는 방법(도 5의 (b)), 및 LiDAR들 사이의 회전 위상(rotation phase)을 제어하는 방법(도 5의 (c))의 3가지의 종래 기법이 존재한다. 처음 두 가지의 방법은 각 LiDAR의 FOV를 분리(separating)함으로써 LiDAR가 다른 LiDAR들로부터의 광 신호를 수신하는 것을 방지하고, 세번째 방법은 두 개의 LiDAR가 서로 직접 마주하도록 제어하는 기법이다. 그러나, 종래의 방법은 다른 차량들로부터의 영향받는 상호간섭에 여전히 취약하다.
이하에서는, 본 발명에 의한 상호간섭 제거 방법 및 장치에 관하여 상세히 설명한다.
A. 인접하는 레이저 스팟들 사이의 코릴레이션(Correlation between adjacent laser spots)
LiDAR에서, 레이저 다이오드의 발산 각(diffusion angle)과 인접한 레이저 패턴 사이의 각을 각각
Figure pat00001
와
Figure pat00002
라 하자. 도 6에 도시된 바와 같이, 회전 스피드(rotating speed)가 고정된 상태에서 LiDAR의 샘플링 스피드(sampling speed)가
Figure pat00003
(
Figure pat00004
>
Figure pat00005
)로 느려지면, 두 개의 인접한 레이저 스팟들 사이에서 중첩되는 영역은 존재하지 않는다.
제안하는 LiDAR 시스템의 일 실시예에서,
Figure pat00006
는 3 milliradian(약 0.171°)이고, 회전 스피드(speed of rotation)는 10 Hz이고, 샘플링 스피드는 200 kHz이다. 다시 말하면, 단일 회전 당 20,000 개의 샘플(샘플링)을 획득하는 경우
Figure pat00007
는 0.018°이다(
Figure pat00008
≤
Figure pat00009
). 따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 인접한 레이저 스팟들은 서로 중첩되고, 인접한 스팟과 중첩된 영역은 약 86.6%이다. 만약 인접한 레이저 빔의 발산 파워(emitted poser)가 동일하다면, APD로 수신된 인접한 레이저 빔 사이와의 파워에서의 최대 차이(maximum difference)는 13.4%라고 가정될 수 있다. 이러한 경우에, i번째와 (i+1)번째의 반사된 광의 광도(luminous intensity)
Figure pat00010
,
Figure pat00011
는 각각 수학식 1과 수학식 2로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00012
[수학식 2]
Figure pat00013
수학식에서,
Figure pat00014
는 i번째 스팟의 휘도(luminance)이고,
Figure pat00015
은 스팟의 영역(area, 또는 면적)이고,
Figure pat00016
는 i번째 스팟의 반사율(reflectance)이다. 방사된 레이저 파워가 일정하다면(constant),
Figure pat00017
은 양수이지만 정확한 값을 알 수 없기 때문에, 수신된 펄스가 상호간섭에 의해 영향을 받은 것이지 여부는 결정할 수 없다. 그러나, 제안하는 MIR 기법에서, 방사된 레이저 파워는 인접한 펄스들 사이에서 증가하는 파워 비율(increasing power ratio)
Figure pat00018
를 갖는 연속적인(consecutive) n 개의 펄스들로 구성된 패턴(pattern)을 갖는다. 즉, 본 발명에는 진폭 변조를 통하여 서로 다른 에너지를 갖는 복수의 펄스들을 생성할 수 있다. (i+1)번째로 방사된 광은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00019
그러면,
Figure pat00020
는 두드러지게
Figure pat00021
에 영향받는다. 광도(또는 휘도)를 결정하기 위해,
Figure pat00022
와
Figure pat00023
사이에서 중요한 요소(key component)는
Figure pat00024
이다. 수신된 펄스 내의 단조로운(monotonous) 패턴이 깨지면(broken), 상호간섭이 존재하는 상태로 결정될 수 있다. 이와 같은 방법에 의하여, 본 발명에서는
Figure pat00025
가
Figure pat00026
보다 작더라도(즉, 인접 레이저 스팟들 사이의 중첩이 발생하더라도) 상호간섭을 제거할 수 있다.
B. MIR 방법(상호간섭 제거 방법)
제안하는 MIR 방법은 도 8에 도시되어 있다. 제안하는 시스템은 진폭 변조를 통하여 상이한(서로 다른) 파워를 갖도록 진폭 변조된 복수의 펄스들(amplitude-modulated multiple pulses)을 단조롭고 반복되는 패턴 빔(monotonic and repeated pattern beam)으로 방사할 수 있다. 수신된 펄스들의 파워 패턴이 송신된 펄스들의 파워 패턴과 매치된다면(즉, 동일하거나 유사한 경향을 갖는다면), 수신된 패턴 빔은 상호간섭의 영향을 받지 않은 것으로 추정될 수 있다. 그렇지 않은 경우(즉, 수신된 펄스들의 파워 패턴이 송신된 펄스들의 파워 패턴과 매치되지 않는다면), 수신된 패턴 빔은 노이즈나 상호간섭으로 손상되었다고 볼 수 있고, 최종 포인트 클라우드(final point cloud)로부터 제거될 필요가 있다. 즉, 해당 데이터는 유효하지 않은 데이터로 결정될 수 있다.
수신된 펄스들의 파워 패턴을 감지하기 위해, 제안하는 MIR 방법은 각 수신된 펄스의 펄스폭(pulse width)을 감지(또는 측정)한다. APD와 TIA를 통과한 후 i번째로 수신된 레이저 펄스
Figure pat00027
가 가우시안 분포라고(Gaussian distributed) 가정하면, 수신된 파워와 무관하게 시간축에서의 평균은
Figure pat00028
이 된다. 이의 파형(waveform)은 수학식 4와 같이 표현된다.
[수학식 4]
Figure pat00029
수학식 4에서,
Figure pat00030
는 표준편차(standard deviation)이다. (i+1)번째 방사된 펄스는 단조 증가(monotonically increased)(또는 단조 감소(monotonically decreased))하기 때문에, 수신된 (i+1)번째 펄스는, i번째 펄스에 비하여
Figure pat00031
(0<
Figure pat00032
<1)만큼 파워가 증가(또는 감소)할 수 있다. (i+1)번째 수신된 파형은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00033
도 9에 도시된 바와 같이, 파형별로
Figure pat00034
를 만족하도록 시프트하여 파형을 중첩함으로써, i번째 수신된 펄스의 펄스폭
Figure pat00035
는 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00036
수학식 4, 5, 및 6에서 Vi(t)=Vref와 Vi+1(t)=Vref로 놓음으로써, Wi와 Wi+1은 수학식 7과 수학식 8과 같이 획득될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00037
[수학식 8]
Figure pat00038
i 번째와 (i+1) 번째로 수신된 펄스의 피크 파워(peak power)가 VRi와 VRi+1에 비례하는 것을 고려할 때, 이는 VRi+1 < VRi 이면 Wi+1 < Wi 임을 의미한다. 따라서, 제안하는 MIR 방법은 수신된 펄스의 각 폭(width)을 획득함으로써, 파워 패턴(power pattern)을 감지할 수 있다.
도 10은 FPGA로 구현된 제안하는 MIR 방법(기능 블럭도)을 도시한다. 도 10에 도시된 상호간섭 제거 장치의 적어도 일부는 FPGA로 구현되었으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 실시예에 따라 상호간섭 제거 장치는 LD 드라이버, LD, APD, TIA, 비교기, 및 렌즈 중 적어도 일부를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 또한, 상호간섭 제거 장치는 차량이나 전자 장치에 장착(또는 구비)될 수 있다.
송신기 모듈(transmitter module, TX)을 위해, MIR은 상이한 에너지 레벨을 갖는 TXC를 충전하는 LD 컨트롤러(LD controller)에 공급되는 단순한 패턴(monotonic pattern)을 생성한다. 그러면, TXF에 따라 패턴 빔이 파이어된다. 즉, 도 10의 MIR은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(또는 제어기)로 명명될 수 있고, LD 컨트롤러는 제어부의 제어에 따라 상이한 에너지 레벨(또는 상이한 듀티비)을 갖는 TXC와 파이어 신호 TXF를 생성하여 출력할 수 있다. 여기서, TXC 신호의 개수와 TXF 신호의 개수는 동일할 수 있다. 다시 말해, LD 컨트롤러는 서로 다른 듀티비, 예컨대 미리 정해진 비율만큰 증가(또는 감소)하는 듀티비를 갖는 연속된 n 개의 TXC를 생성하여 출력할 수 있다.
수신 모듈(receive module, RX)을 위해, TDC 모듈(Time Difference Calculator, 시간차 계산기로 명명될 수 있음)은 tCR을 결정하기 위해 TXF의 라이징 엣지(rising edge)와 RXC의 라이징 엣지 사이의 시간 차이(time difference)을 계산할 수 있다. 또한, TDC 모듈은 tCF를 위해 TXF의 라이징 엣지와 RXC의 폴링 엣지(falling edge) 사이의 시간 차이를 계산할 수 있다. tCR과 tCF에 기초하여, 펄스폭 감지기(pulse width detector)는 각 수신된 신호의 펄스폭을 획득(또는 계산)할 수 있다. RXC신호의 감지된 패턴이 전송된 패턴과 매칭(또는 일치)되면, 거리 정보는 유효한 출력으로 설정된다(또는 고려될 수 있다). 그렇지 않은 경우, 노이즈나 간섭에 의해 영향을 받아 유효하지 않은 출력으로 고려될 수 있다. 즉, 전송된 패턴(듀티비가 증가(또는 감소)하는 연속적인 n개의 TXC 또는 에너지가 증가(또는 감소)하는 연속적인 n개의 송신 레이저 펄스)과 동일한 패턴(증가(또는 감소)하는 연속적인 n개의 펄스폭)이 수신된 경우, 유효한 출력(또는 감지 결과)으로 판단될 수 있다. 판단 결과는 거리 계산기(Distance calculator)로 전달되고, 감지 결과에 따라 거리 계산기는 거리를 계산하거나 계산하지 않을 수 있다. 즉, 유효한 출력(또는 감지 결과)로 판단되는 경우에만, 거리가 계산될 수 있다. 이때, 거리 계산기는 계산된 tCF와 tCR을 이용하여 물체와의 거리를 계산할 수 있고, tCF와 tCR은 TDC로부터 수신될 수 있다.
도 11은 제안된 MIR 방법의 플로우 차트를 도시한다. MIR 블록에서 패턴의 개수는 n(n은 임의의 자연수 일 수 있고, 예시적인 값은 5가 될 수 있음)이다. 방사된 패턴 빔이 단조 증가 순(monotonically ascending order)(실시예에 따라, 단조 감소 순의 패턴 핌이 방사될 수도 있다)이고 n 회를 기준으로 반복된다면, j는 상대적인 펄스 파워를 나타내고 i 번째 반복에서는 j=n-(i%n)으로 정의된다. TXCi[j], RXCi[j], Wi[j], 및 Di[j]는 j번째 상대 파워를 갖는 i번째 반복에서 각각 레이저 파워 컨트롤(laser power control), 비교기 결과(comparator output), 펄스폭(pulse width), 및 거리(distance)로 정의된다. i번째 반복에서, MIR 모듈은 TX(송신기 모듈)에서 LD 컨트롤러가 충전 신호(charge signal) TXCi[j]와 파이어 신호(fire signal) TXFi를 생성하게 하기 위한 패턴을 생성한다. RX(수신 모듈)를 위해, RXCi[j]에 기초하여 Wi[j]와 Di[j]가 생성된다. 실 실시예에 따르면, LD 컨트롤러는 제어부(MIR)의 제어에 따라 충전 신호 TXCi[j]와 파이어 신호 TXFi를 생성하는 것으로 이해될 수 있다.
인접한 포인트(adjacent point)의 레이저 스팟(laser sopt)은 서로 중첩되기 때문에, 두 개의 인접한 스팟의 계산된 펄스폭에서의 차이는 강한 상관관계(strong correlation)를 갖는다. n번째의 반복에서 인접한 스팟의 수신된 펄스폭 내의 차이에 기초하여, 평균
Figure pat00039
와 분산
Figure pat00040
은 수학식 9와 수학식 10으로 계산된다.
[수학식 9]
Figure pat00041
[수학식 10]
Figure pat00042
분산이 주어진 값(예컨대, 미리 정해진 값)
Figure pat00043
보다 크다면, 상호간섭으로 고려될 수 있다. 그러면, 제안하는 MIR 방법은 n 개의 연속된 데이터(n consecutive data)를 포인트 클라우드로부터 제거할 수 있다. 즉, n 개의 연속된 데이터는 유효한 데이터로 고려하지 않을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어기(MIR)는 연속된 n 개의 수신 펄스의 분산이 주어진 값 보다 크다면, 상호간섭이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성 요소, 소프트웨어 구성 요소, 및/또는 하드웨어 구성 요소 및 소프트웨어 구성 요소의 집합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성 요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPA(Field Programmable array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(Operation System, OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor)와 같은, 다른 처리 구성(Processing Configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(Computer Program), 코드(Code), 명령(Instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(Collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성 요소(Component), 물리적 장치, 가상 장치(Virtual Equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(Signal Wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(Embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-optical Media), 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제어부의 제어에 따라, 서로 다른 듀티비를 갖는 복수의 충전 신호들(charge signal)과 파이어 신호(fire signal)를 생성하는 LD(Laser Diode) 컨트롤러;
    상기 복수의 충전 신호들과 상기 파이어 신호를 수신하여, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)가 서로 다른 에너지 레벨을 갖는 레이저 빔들을 방사하도록 제어하는 LD 드라이버;
    상기 레이저 빔들 각각이 물체에 반사된 후 수신되는 반사 빔들 각각의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)를 검출하는 시간차 계산기;
    상기 시간차 계산기의 출력을 이용하여 상기 반사 빔들 각각의 펄스폭을 계산하는 펄스폭 계산기; 및
    상기 반사 빔들 각각의 펄스폭에 기초하여 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 상기 제어부를 포함하는, LiDAR의 상호간섭 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LD 컨트롤러는 증가되는 패턴의 듀티비를 갖는 n(n은 임의의 자연수) 개의 충전 신호들을 생성하는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 빔들의 에너지 레벨 패턴과 상기 반사 빔들의 펄스폭 패턴에 기초하여 상기 상호간섭의 발생 여부를 판단하는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 반사 빔들의 펄스폭의 분산을 미리 정해진 값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 상호간섭의 발생 여부를 판단하는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상호간섭 제거 장치는 차량에 탑재되는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 장치.
  6. LiDAR의 상호간섭 제거 장치에 의해 수행되는 상호간섭 제거 방법에 있어서,
    서로 다른 듀티비를 갖는 복수의 충전 신호들(charge signal)과 파이어 신호(fire signal)를 생성하여 출력하는 단계;
    서로 다른 에너지 레벨을 갖는 레이저 빔들이 방사되는 단계;
    상기 레이저 빔들 각각이 물체에 반사된 후 수신되는 반사 빔들 각각의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)를 검출하는 단계;
    상기 반사 빔들 각각의 펄스폭을 계산하는 단계; 및
    상기 반사 빔들 각각의 펄스폭에 기초하여 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 단계를 포함하는, LiDAR의 상호간섭 제거 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충전 신호들은 증가되는 패턴의 듀티비를 갖는 n(n은 임의의 자연수) 개의 충전 신호들인,
    LiDAR의 상호간섭 제거 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 단계는,
    상기 레이저 빔들의 에너지 레벨 패턴과 상기 반사 빔들의 펄스폭 패턴에 기초하여 상기 상호간섭의 발생 여부를 판단하는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 상호간섭의 발생 여부를 판단하는 단계는,
    상기 반사 빔들의 펄스폭의 분산을 미리 정해진 값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 상호간섭의 발생 여부를 판단하는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 상호간섭 제거 장치는 차량에 탑재되는,
    LiDAR의 상호간섭 제거 방법.
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