KR20230155185A - 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법 - Google Patents

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김건정
엄정숙
박용완
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예들은 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상물에 기준펄스를 출력하고, 상기 대상물에서 반사된 반사펄스를 수신하여 상기 대상물에 대한 거리를 측정하는 라이다 센싱 장치에 있어서, TDC(time-to-digital converter) 및 처리부를 포함하고, 상기 TDC는, 임계값(threshold)에 대한 상기 기준펄스의 상승 엣지(edge)값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 상기 임계값에 대한 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)을 획득하는 시간 식별(discrimination)부를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)로부터 비행시간(TOF), 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭을 구하고, 상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭에 대해서 칼만 필터(Kalman Filter) 교정값을 계산하고, 상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스에 대한 칼만 필터 교정값으로부터 보정 비행시간을 획득하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치가 제공된다.

Description

반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법{LIDAR SENSING DEVICE AND METHOD USING REFLECTED SIGNAL STRENGTH}
본 발명의 실시예들은 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법에 관한 것이다.
라이다 센서는 레이저를 송출한 후 대상에 맞은 반사파가 수신될 때까지 시간을 측정하여, 대상까지 거리를 파악한다. 레이다나 초음파 센서보다 정확하고 정밀하게 거리를 측정할 수 있어서, 자율주행차량을 3차원 거리 측정이 필요한 다양한 분야에 많이 사용된다. 라이다에서 사용하는 펄스는 중간 지점이 가장 높은 가우시안 형태의 펄스를 사용하며, 송출한 펄스의 중간 지점과 수신한 펄스의 중간 지점의 시간 차이가 거리를 측정하는 기준이 된다. 수신한 반사 펄스는 노이즈, 대상 표면의 특성, 송수신 광학부와 전자부의 특성 등으로 인하여 이상적인 가우시안 형태를 갖추기는 매우 어렵다. 또한 수신 신호의 파형을 분석하여 중간 지점을 찾는 방법은 신호 처리 과정이 매우 복잡하고, 고속 ADC (analog-to-digital conveter)와 신호 처리 장치를 필요로 하여 라이다 센서 장치의 제품 가격만 높아질 뿐이다.
최근의 라이다들은 ADC와 신호처리장치를 이용하여 송수신 펄스의 시간 간격을 측정하지 않고, 송수신 펄스사이의 시간을 측정하는 TDC (time-to-digital converter)를 이용하여 거리를 측정한다. TDC는 두 개 펄스 사이의 시간 간격만 측정하여, ADC에 비하여 매우 단순하고 별도의 신호 처리 과정도 필요하지 않아서, 라이다 센서의 제품 가격을 낮출 수 있다. TDC는 펄스가 정해진 임계치(threshold)를 지나가는 순간들을 기록하고, 이 기록들의 시간 차이를 출력으로 사용한다. 빛 또는 소리 등의 펄스 신호의 종류, 공기와 물 등의 매질에 따라서 시간 차이를 거리로 환산이 가능하다.
라이다 센서에서 송출하는 가우시안 펄스는 아래의 수식으로 표현이 가능하다.
- (i)
I는 송출 파워, Td는 송출하는 시간, τ는 펄스의 폭을 의미한다.
송출된 가우시안 펄스가 대상에 맞고 수신될 때까지 아래의 수식에 의한 감쇄가 발생한다.
- (ii)
ηsys는 시스템 파라메터, ηatm은 날씨에 따른 감쇄 상수, Sr은 수신 광학계의 면적, ρ는 수신 광학 소자의 특성치, ftgt는 대상의 반사 특성치, Am은 증폭 계수, θ는 펄스의 입사각이다.
위의 두 식을 사용하면 수신한 펄스는 아래와 같이 표현이 가능하다.
- (iii)
β는 시간에 따른 신호의 퍼짐 상수, Tt는 송수신 펄스 사이의 시간 차이를 나타낸다.
최종적으로 대상까지 거리는 아래와 같이 계산된다.
- (iv)
c는 빛의 속도, Tt는 송수신 펄스 시간 차이인 비행 시간이다.
대상까지 거리를 정확하게 측정하기 위해서는 송수신 시간 차이를 정확하게 측정하는 것이 매우 중요하다. 위의 식 (ii)와 (iii)에서 나타나듯이 라이다를 구성하는 특성이 동일하여도 대상의 반사 특성이나 날씨 등의 다양한 요소에 따라 수신 신호의 파형이 다르게 되며, 이로 인한 오차가 발생한다.
일반적인 TDC에서 많이 사용하는 리딩엣지 판별법(leading-edge discrimination; LD)는 수신한 반사 펄스가 특정 임계값을 넘는 순간을 펄스의 도착 시간으로 사용하는 방법이다. 도 6은 거리가 동일한 대상의 다양한 수신 특성에 따른 수신 신호의 변화와 그에 따른 도착 시간을 나타낸 그래프이다. 수신 신호가 가장 큰 반사펄스 1의 펄스 폭이 가장 넓어서 임계값에 가장 먼저 도달하고, 수신 신호가 가장 작은 반사펄스 3이 가장 나중에 임계값에 도달한다. 송신 신호가 임계값을 넘을 때의 시간과 수신 신호가 임계값을 넘을 때의 시간 차이가 거리로 환산이 되니, 동일한 거리에 있는 물체도 수신 특성에 따라 펄스의 형태가 변하면 시간 차이가 발생하고 거리 차이도 발생한다. 이 방법은 펄스가 임계값을 넘는 시간만 측정하므로 가장 간단한 방법이지만, 가장 오차가 많이 발생하는 방법이다.
constant fraction discrimination(CFD)는 펄스의 최대 높이에 비례해서 임계값을 결정하는 방법이다. 펄스의 높이가 크면 임계값도 큰 값을 사용하고, 펄스의 높이가 낮으면 임계값도 작은 값을 사용하는 방법이다. 도 7은 CFD를 이용하여 펄스의 도착 시간을 나타낸 그래프이다. 반사펄스 1과 반사펄스 3 은 펄스의 높이가 달라서 서로 다른 임계값을 사용하였고, 반사펄스 2와 반사펄스 3은 펄스의 높이가 동일하여 서로 같은 임계값을 사용하였다. 두 개의 펄스 반사펄스 1과 반사펄스 3은 펄스의 높이는 달라도 펄스의 폭이 동일하여 도착 시간을 나타내는 stop1과 stop3의 위치가 동일하다. 반사펄스 2는 반사펄스 3과 펄스의 높이가 동일하여 같은 임계값을 사용하지만, 펄스의 폭이 달라서 도착 시간 stop 2가 다른 값을 가지게 된다.
위의 그림 도 6 및 도 7에서 나온 펄스들은 펄스 파형의 최대값이나 모양에 상관없이 펄스의 최고점 위치는 항상 동일하므로, 이 위치를 펄스의 도착 위치로 사용하는 방법이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0130381호 (2018.12.07)
본 발명의 실시예들은 펄스 파형의 형상에 상관없이 대상물과의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 비용을 절감하면서도 대상물과의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상물에 기준펄스를 출력하고, 상기 대상물에서 반사된 반사펄스를 수신하여 상기 대상물에 대한 거리를 측정하는 라이다 센싱 장치에 있어서, TDC(time-to-digital converter) 및 처리부를 포함하고, 상기 TDC는, 임계값(threshold)에 대한 상기 기준펄스의 상승 엣지(edge)값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 상기 임계값에 대한 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)을 획득하는 시간 식별(discrimination)부를 포함하고, 상기 처리부는, 상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)로부터 비행시간(TOF), 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭을 구하고, 상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭에 대해서 칼만 필터(Kalman Filter) 교정값을 계산하고, 상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스에 대한 칼만 필터 교정값으로부터 보정 비행시간을 획득하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치가 제공된다.
상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 작거나 상기 소정의 값과 같은 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정될 수 있다.
TOF' = P1' + 1/2P3' - 1/2P2'
(TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P3'은 반사펄스의 칼만 필터 교정값)
상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 큰 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정될 수 있다.
TOF' = P1' + 1/2P4' - 1/2P2'
(TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P4'은 소정의 값)
상기 소정의 값은 상기 라이다 센싱 장치의 반복 실행으로 결정될 수 있다.
상기 TDC는, 상기 기준펄스를 검출하여 전기신호로 변환하는 기준펄스 검출부; 상기 기준펄스에 대하여 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하는 제 1 비교기; 상기 반사펄스를 검출하여 전기신호로 변환하는 반사펄스 검출부; 및 상기 반사펄스에 대하여 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하는 제 2 비교기;를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 기준펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2)이 획득되고, 상기 제 2 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)이 획득될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 대상물에 기준펄스를 출력하고, 상기 대상물에서 반사된 반사펄스를 수신하여 상기 대상물에 대한 거리를 측정하는 라이다 센싱 방법에 있어서, 임계값(threshold)에 대한 상기 기준펄스의 상승 엣지(edge)값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 상기 임계값에 대한 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)을 획득하는 단계; 상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)로부터 비행시간(TOF), 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭을 구하는 단계; 상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭에 대해서 칼만 필터(Kalman Filter) 교정값을 계산하는 단계; 및 상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스에 대한 칼만 필터 교정값으로부터 보정 비행시간을 획득하는 단계;를 포함하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법이 제공된다.
상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 작거나 상기 소정의 값과 같은 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정될 수 있다.
TOF' = P1' + 1/2P3' - 1/2P2'
(TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P3'은 반사펄스의 칼만 필터 교정값)
상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 큰 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정될 수 있다.
TOF' = P1' + 1/2P4' - 1/2P2'
(TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P4'은 소정의 값)
상기 소정의 값은 상기 라이다 센싱 장치의 반복 실행으로 결정될 수 있다.
임계값(threshold)에 대한 상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)을 획득하는 단계에서, 상기 기준펄스를 제 1 비교기를 통해 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하고; 상기 반사펄스를 제 2 비교기를 통해 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
상기 제 1 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 기준펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2)이 획득되고, 상기 제 2 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)이 획득될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 펄스 파형의 형상에 상관없이 대상물과의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 비용을 절감하면서도 대상물과의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센싱 장치의 구성를 나타내는 블록도
도 2는 기준 펄스(P1)에 대한 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 반사 펄스(P2)에 대한 상승 엣지값(SD03) 및 하강 엣지값(SDO4)를 나타내는 그래프
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDC의 구성 및 처리부를 나타내는 도면
도 4는 처리부에서 보정된 TOF를 획득하는 과정을 나타내는 순서도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더 센싱 장치의 정확도를 테스트하기 위하여 사용된 레이저 출력에 따른 다양한 파형을 나타내는 그래프
도 6은 거리가 동일한 대상의 다양한 수신 특성에 따른 수신 신호의 변화와 그에 따른 도착 시간을 나타낸 그래프
도 7은 CFD를 이용하여 펄스의 도착 시간을 나타낸 그래프
이하, 도면을 참조하여 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 개시되는 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 개시되는 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 개시되는 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센싱 장치의 구성를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 반사신호 강도를 이용한 라이다(LIDAR) 센싱 장치(100)는 대상물(T)과의 거리 측정을 위한 레이저 펄스를 생성하는 펄스 생성부(110), 레이저 광(L1)을 대상물(T)을 향해 출력하는 레이저 출력부(120), 대상물(T)을 맞고 반사되는 반사 레이저 신호(L2)를 수신하는 레이저 수신부(130), 레이저 수신부(130)를 통해 수신된 레이저 신호의 펄스를 검출하는 펄스 검출부(140)를 포함하고, 펄스 생성부(110)에서의 기준 펄스 및 펄스 검출부(140)에서 검출된 반사 펄스로부터 디지털 신호를 생성하는 TDC(time-to-digital converter; 150)도 포함할 수 있다. 처리부(170)는 TDC(150)에서 생성된 디지털 신호 값들로부터 비행시간(TOF)를 도출하여 대상물(T)과의 거리를 계산할 수 있다.
펄스 생성부(110)는 대상물(T)과의 거리 측정을 위한 레이저 펄스를 생성할 수 있다. 펄스 생성부(110)에서 생성된 레이저 펄스에 의해서 레이저 출력부(120)에서 이에 대응하는 레이저 광(L1)을 출력할 수 있다. 또한, 펄스 생성부(110)는 생성된 레이저 펄스에 관한 정보(시간에 따른 레이저 펄스의 파형 등)을 TDC(150)에 전달할 수 있다. 레이저 출력부(120)는 일종의 레이저 다이오드(Laser Diode)일 수 있다.
레이저 수신부(130)는 일종의 포토 다이오드(Photo Diode)일 수 있다. 레이저 수신부(130)에는 대상물(T)을 맞고 반사되는 반사 레이저 광(L2)이 수신될 수 있다. 반사 레이저 광(L2)은 아날로그 신호일 수 있다.
펄스 검출부(140)는 반사 레이저 광(L2)을 펄스 형태로 변환할 수 있다. 반사 레이저 광(L2)으로부터 변환된 반사 펄스는 TDC(150)에 전달될 수 있다.
TDC(150)는 리딩 엣지 판별(leading-edge discrimination)을 이용하여 임계값(threshold)에 대한 상승 엣지값(상승하면서 임계값에 도달하는 엣지값) 및 하강 엣지값(하강하면서 임계값에 도달하는 엣지값)을 획득할 수 있다. 상승 엣지값 및 하강 엣지값은 기준 펄스 및 반사 펄스 양자에 대해서 각각 구할 수 있다. 기준 펄스의 상승 엣지값과 하강 엣지값은 각각 SDO1과 SDO2로 나타낼 수 있다. 또한, 반사 펄스의 상승 엣지값과 하강 엣지값은 각각 SDO3와 SDO4로 나타낼 수 있다. 도 2는 기준 펄스(P1)에 대한 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 반사 펄스(P2)에 대한 상승 엣지값(SD03) 및 하강 엣지값(SDO4)를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TDC(150)의 구성 및 처리부(170)를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, TDC(150)는 펄스 생성부(110)에서 입력되는 기준 펄스(P1)를 검출하여 전기 신호로 변환하는 기준 펄스 검출부(151), 전기신호로 된 기준 펄스에 대하여 임계값과 비교한 값을 통해 디지털 신호로 변환하는 제 1 비교기(152), 펄스 검출부(140)에서 입력되는 반사 펄스(P2)를 검출하여 전기 신호로 변환하는 반사 펄스 검출부(153) 및 전기신호로 된 반사 펄스에 대하여 임계값과 비교한 값을 통해 디지털 신호로 변환하는 제 2 비교기(154)를 포함할 수 있다.
시간 식별부(155)에 제 1 비교기(152)에서 생성된 디지털 신호가 전달되면, 기준 펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2)이 획득될 수 있다. 또한, 시간 식별부(155)에 제 2 비교기(154)에서 생성된 디지털 신호가 전달되면, 반사 펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)이 획득될 수 있다.
시간 식별부(155)에서 획득된 기준 펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 반사 펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)은 처리부(170)로 전달되고 처리부(170)에서는 이들로부터 TOF를 획득하여 대상물(T)과의 거리를 계산할 수 있다.
도 4는 처리부(170)에서 보정된 TOF를 획득하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 기준 펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 반사 펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)을 검출하고(S10), 이들 엣지값 (SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)로부터 비행시간(TOF), 기준펄스 및 반사펄스의 폭을 구할 수 있다(S20). 비행시간(TOF)는 보정하기 전의 값으로서 기준 펄스의 상승 엣지값(SDO1)과 반사 펄스의 상승 엣지값(SDO3)의 차로 구할 수 있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
[식 1]
P1 = SDO3 - SDO1
(P1은 보정하기 전의 비행시간, SDO1은 기준 펄스의 상승 엣지값, SDO3는 반사 펄스의 상승 엣지값)
기준 펄스의 폭(P2)은 기준 펄스의 상승 엣지값(SDO1)과 하강 엣지값(SDO2)의 차로 구할 수 있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
[식 2]
P2 = SDO2 - SDO1
(P2는 보정하기 전의 기준 펄스의 폭, SDO1은 기준 펄스의 상승 엣지값, SDO2는 기준 펄스의 하강 엣지값)
반사 펄스의 폭(P3)은 반사 펄스의 상승 엣지값(SDO3)과 하강 엣지값(SDO4)의 차로 구할 수 있다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
[식 3]
P3 = SDO4 - SDO3
(P3는 보정하기 전의 반사 펄스의 폭, SDO3은 기준 펄스의 상승 엣지값, SDO4는 기준 펄스의 하강 엣지값)
상기 식 1, 식 2, 식 3를 통해 구한 비행시간(P1), 기준 펄스의 폭(P2), 반사 펄스의 폭(P3)에 대해서 칼만 필터(Kalman Filter)를 이용하여 교정값(P1', P2', P3')을 계산할 수 있다(S30). 칼만 필터는 예측 단계와 보정 단계를 거쳐서 재귀적으로 현재의 값을 추정한다. 칼만 필터의 알고리즘은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
[식 4]
- (1)
- (2)
- (3)
- (4)
상기에서 (1)은 예측 단계, (2) 내지 (4)는 보정 단계를 나타낸다. 는 추정값, 는 사전 추정값, R은 TDC에서 출력된 값의 분산, Q는 측정값의 분산, 는 칼만 필터의 이득값이다. 이러한 칼만 필터 수식을 적용하여 비행시간, 기준 펄스의 폭, 반사 펄스의 폭에 대한 칼만 필터 교정값(P1', P2', P3')을 구할 수 있다.
비행시간, 기준 펄스의 폭, 반사 펄스의 폭에 대한 칼만 필터 교정값(P1', P2', P3')을 구하면 이들 칼만 필터 교정값(P1', P2', P3')으로부터 보정 비행시간(TOF')을 구할 수 있다. 이를 위하여, 우선 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값(P3')과 소정의 값(P4')을 비교할 수 있다(S40). 만약, 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값(P3')이 소정의 값(P4')보다 작거나 소정의 값(P4')과 같은 경우에는 보정 비행시간(TOF')는 다음의 식에 의해 결정될 수 있다(S50).
[식 5]
TOF' = P1' + 1/2P3' - 1/2P2'
(TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P3'은 반사펄스의 칼만 필터 교정값)
만약, 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값(P3')이 소정의 값(P4')보다 큰 경우에는 보정 비행시간(TOF')는 다음의 식에 의해 결정될 수 있다(S60).
[식 6]
TOF' = P1' + 1/2P4' - 1/2P2'
(TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P4'은 소정의 값)
여기에서 소정의 값(P4')은 반복 실행에 의해 경험적으로 결정되는 값으로서, 라이다 센싱 장치의 반복 실행을 통해 얻을 수 있다.
레이저의 출력에 의해 펄스의 폭 및 세기가 달라지더라도, 앞선 단계를 통해 획득한 보정 비행시간(TOF')는 달라지지 않아서 대상물(T)에 대한 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이더 센싱 장치의 정확도를 테스트하기 위하여 사용된 레이저 출력에 따른 다양한 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이 다양한 출력의 레이저 광이 대상물로 출력되었을 때 종래 방식(LD 또는 CFD)에 의한 경우와 본 발명의 일 실시예에 의한 경우에 의해 획득한 대상물(T)과의 거리 값을 다음의 표로 나타낸다.
레이저 출력(mW) LD CFD 본 발명
평균 거리 분산 평균 거리 분산 평균 거리 분산
200 70.9 56.5 70.9 51.4 70.7 34.5
250 68.3 4.5 68.5 4.1 70.7 2.9
300 67.5 2.8 67.5 2.5 70.7 2.3
350 67.2 2.2 67.3 2.2 70.7 2.1
400 66.8 1.7 66.9 1.9 70.7 2.1
450 66.5 1.3 66.5 1.5 70.7 1.9
500 66.3 1.1 66.3 1.2 70.7 1.9
550 66.1 1.0 66.1 1.0 70.7 1.5
표 1에서 나타나는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 경우 레이저 출력의 세기에 따라 변경되는 펄스 파형에 상관 없이 동일한 값의 평균 거리를 구할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 라이다 센싱 장치
110 : 펄스 생성부
120 : 레이저 출력부
130 : 레이저 수신부
140 : 펄스 검출부
150 : TDC
170 : 처리부

Claims (12)

  1. 대상물에 기준펄스를 출력하고, 상기 대상물에서 반사된 반사펄스를 수신하여 상기 대상물에 대한 거리를 측정하는 라이다 센싱 장치에 있어서,
    TDC(time-to-digital converter) 및 처리부를 포함하고,
    상기 TDC는,
    임계값(threshold)에 대한 상기 기준펄스의 상승 엣지(edge)값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 상기 임계값에 대한 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)을 획득하는 시간 식별(discrimination)부를 포함하고,
    상기 처리부는,
    상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)로부터 비행시간(TOF), 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭을 구하고,
    상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭에 대해서 칼만 필터(Kalman Filter) 교정값을 계산하고,
    상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스에 대한 칼만 필터 교정값으로부터 보정 비행시간을 획득하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 작거나 상기 소정의 값과 같은 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치.

    TOF' = P1' + 1/2P3' - 1/2P2'
    (TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P3'은 반사펄스의 칼만 필터 교정값)
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 큰 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치.

    TOF' = P1' + 1/2P4' - 1/2P2'
    (TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P4'은 소정의 값)
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 소정의 값은 상기 라이다 센싱 장치의 반복 실행으로 결정되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 TDC는,
    상기 기준펄스를 검출하여 전기신호로 변환하는 기준펄스 검출부;
    상기 기준펄스에 대하여 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하는 제 1 비교기;
    상기 반사펄스를 검출하여 전기신호로 변환하는 반사펄스 검출부; 및
    상기 반사펄스에 대하여 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하는 제 2 비교기;를 더 포함하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 1 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 기준펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2)이 획득되고,
    상기 제 2 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)이 획득되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 장치.
  7. 대상물에 기준펄스를 출력하고, 상기 대상물에서 반사된 반사펄스를 수신하여 상기 대상물에 대한 거리를 측정하는 라이다 센싱 방법에 있어서,
    임계값(threshold)에 대한 상기 기준펄스의 상승 엣지(edge)값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2), 상기 임계값에 대한 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)을 획득하는 단계;
    상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)로부터 비행시간(TOF), 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭을 구하는 단계;
    상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스의 폭에 대해서 칼만 필터(Kalman Filter) 교정값을 계산하는 단계; 및
    상기 비행시간, 상기 기준펄스 및 상기 반사펄스에 대한 칼만 필터 교정값으로부터 보정 비행시간을 획득하는 단계;를 포함하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 작거나 상기 소정의 값과 같은 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법.
    TOF' = P1' + 1/2P3' - 1/2P2'
    (TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P3'은 반사펄스의 칼만 필터 교정값)
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 반사필터의 폭에 대한 칼만 필터 교정값이 소정의 값보다 큰 경우에 상기 보정 비행시간은 다음과 같이 결정되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법.

    TOF' = P1' + 1/2P4' - 1/2P2'
    (TOF'는 보정 비행시간, P1'은 비행시간의 칼만 필터 교정값, P2'는 기준펄스의 칼만 필터 교정값, P4'은 소정의 값)
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 소정의 값은 상기 라이다 센싱 장치의 반복 실행으로 결정되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    임계값(threshold)에 대한 상기 엣지값들(SDO1, SDO2, SDO3, SDO4)을 획득하는 단계에서,
    상기 기준펄스를 제 1 비교기를 통해 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하고;
    상기 반사펄스를 제 2 비교기를 통해 상기 임계값과 비교하여 디지털 신호로 변환하는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 1 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 기준펄스의 상승 엣지값(SDO1) 및 하강 엣지값(SDO2)이 획득되고,
    상기 제 2 비교기에서의 상기 디지털 신호로부터 상기 반사펄스의 상승 엣지값(SDO3) 및 하강 엣지값(SDO4)이 획득되는, 반사신호 강도를 이용한 라이다 센싱 방법.
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