최근 무인 자동차와 자율 주행 자동차의 감지를 위한 실시간 Time of Flight(ToF) 센서의 역할이 커지고 있다. 본 연구의 목표는 Field Programmable Gate Array(FPGA)와 Very high speed integrated circuit Hardware Description Language(VHDL)를 이용한 하드웨어 설계를 통해 실시간으로 ToF를 계산하여 거리 정보를 얻고 펌웨어와 ...
최근 무인 자동차와 자율 주행 자동차의 감지를 위한 실시간 Time of Flight(ToF) 센서의 역할이 커지고 있다. 본 연구의 목표는 Field Programmable Gate Array(FPGA)와 Very high speed integrated circuit Hardware Description Language(VHDL)를 이용한 하드웨어 설계를 통해 실시간으로 ToF를 계산하여 거리 정보를 얻고 펌웨어와 유저인터페이스 소프트웨어를 통하여 사용자에게 정보를 제공하는 시스템을 갖추는 것이다. 레이저에서 출발한 펄스 형태의 빛이 물체에 반사되어 광 감지기로 돌아오는 시간을 측정하면 물체까지의 거리를 알 수 있다. 이것이 다이렉트 ToF 센서의 기본 원리가 된다. 실시간으로 거리 정보를 얻기 위해서는 나노 초 단위의 계산이 필요하나, 소프트웨어만으로는 이 속도를 따라 갈 수 없기 때문에 하드웨어가 필요하다. 일반적으로 하드웨어 시스템을 설계하기 위해서는 FPGA와 VHDL을 이용한다. FPGA는 표준화되어 있고 다시 쓰기가 가능하여 연구 개발에 적합하고 VHDL을 이용하면 고급언어로 하드웨어를 설계 할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 단일 애벌런치 광 다이오드(APD; Avalanche Photo Diode)를 이용하여 ToF 센서 시스템의 FPGA 하드웨어 설계, 펌웨어 설계, 유저 인터페이스 소프트웨어를 설계하였다. FPGA로 레이저를 구동하고 그 레이저에서 출발한 빛이 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산하였다. 펌웨어는 FPGA와 유저 인터페이스 소프트웨어 간의 통신을 담당하였으며, 소프트웨어에서 설정한 값을 FPGA로 전달하여 ToF 센서가 작동하게 하고, 계산된 ToF 값을 유저 인터페이스 소프트웨어로 전달하게 하였다. 이렇게 구성된 ToF 센서는 15Hz마다 ToF 결과를 출력할 수 있고 거리 정확도는 클락 속도의 한계에 의해 결정된다. 200MHz의 클락을 사용하기 때문에 20cm의 거리 정확도를 확보할 수 있었다. 본 연구에서는 특히 여기에 위상이 반전된 클락과 아날로그 회로를 통한 레이저 구동 신호의 지연을 이용함으로써 3배이상 향상된 6cm의 거리 정확도를 구현할 수 있었다. 본 연구에서 적용한 정확도 향상 설계는 클락 속도가 더 빠른 시스템에도 적용할 수 있으리라 기대된다. 그리고 이 ToF 센서 시스템은 다수의 2차원 배열을 가진 광 감지기를 이용한 라이다(LiDAR; Light Detection And Ranging)에 적용할 수 있는 기반이 될 것이고 영상 처리 기술도 접목할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 무인 자동차와 자율 주행 자동차의 감지를 위한 실시간 Time of Flight(ToF) 센서의 역할이 커지고 있다. 본 연구의 목표는 Field Programmable Gate Array(FPGA)와 Very high speed integrated circuit Hardware Description Language(VHDL)를 이용한 하드웨어 설계를 통해 실시간으로 ToF를 계산하여 거리 정보를 얻고 펌웨어와 유저인터페이스 소프트웨어를 통하여 사용자에게 정보를 제공하는 시스템을 갖추는 것이다. 레이저에서 출발한 펄스 형태의 빛이 물체에 반사되어 광 감지기로 돌아오는 시간을 측정하면 물체까지의 거리를 알 수 있다. 이것이 다이렉트 ToF 센서의 기본 원리가 된다. 실시간으로 거리 정보를 얻기 위해서는 나노 초 단위의 계산이 필요하나, 소프트웨어만으로는 이 속도를 따라 갈 수 없기 때문에 하드웨어가 필요하다. 일반적으로 하드웨어 시스템을 설계하기 위해서는 FPGA와 VHDL을 이용한다. FPGA는 표준화되어 있고 다시 쓰기가 가능하여 연구 개발에 적합하고 VHDL을 이용하면 고급언어로 하드웨어를 설계 할 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 단일 애벌런치 광 다이오드(APD; Avalanche Photo Diode)를 이용하여 ToF 센서 시스템의 FPGA 하드웨어 설계, 펌웨어 설계, 유저 인터페이스 소프트웨어를 설계하였다. FPGA로 레이저를 구동하고 그 레이저에서 출발한 빛이 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산하였다. 펌웨어는 FPGA와 유저 인터페이스 소프트웨어 간의 통신을 담당하였으며, 소프트웨어에서 설정한 값을 FPGA로 전달하여 ToF 센서가 작동하게 하고, 계산된 ToF 값을 유저 인터페이스 소프트웨어로 전달하게 하였다. 이렇게 구성된 ToF 센서는 15Hz마다 ToF 결과를 출력할 수 있고 거리 정확도는 클락 속도의 한계에 의해 결정된다. 200MHz의 클락을 사용하기 때문에 20cm의 거리 정확도를 확보할 수 있었다. 본 연구에서는 특히 여기에 위상이 반전된 클락과 아날로그 회로를 통한 레이저 구동 신호의 지연을 이용함으로써 3배이상 향상된 6cm의 거리 정확도를 구현할 수 있었다. 본 연구에서 적용한 정확도 향상 설계는 클락 속도가 더 빠른 시스템에도 적용할 수 있으리라 기대된다. 그리고 이 ToF 센서 시스템은 다수의 2차원 배열을 가진 광 감지기를 이용한 라이다(LiDAR; Light Detection And Ranging)에 적용할 수 있는 기반이 될 것이고 영상 처리 기술도 접목할 수 있을 것으로 기대된다.
Nowadays significance of real-time time-of-flight (ToF) measurement techniques is growing very fast because of recent development of autonomous vehicles. The goal of this research is to design a system for getting distance data, from real-time ToF calculation based on a hardware with field programma...
Nowadays significance of real-time time-of-flight (ToF) measurement techniques is growing very fast because of recent development of autonomous vehicles. The goal of this research is to design a system for getting distance data, from real-time ToF calculation based on a hardware with field programmable gate array (FPGA) and very high speed integrated circuit hardware description language (VHDL), and creating user data by utilizing firmware and user-interface-software. A distance from the transmitter to an object can be measured by detecting the time interval between emitted pulse from the laser and reflected pulse from the object back to light sensor. This is the fundamental principle of direct ToF measurement system. Since software operation cannot catch up the speed of calculation in nanosecond for collecting real-time distance data, hardware should be designed and fabricated. FPGA is standardized and rewritable, which makes it easy to use for the research and development. VHDL allows us to use high-level language for hardware processing. In this study, FPGA hardware, firmware, and user-interface-software for a ToF system are designed by utilizing FPGA and VHDL. An avalanche photodiode is employed as a ToF sensor, FPGA operates the laser and calculates the distance by measuring the ToF. Firmware takes charge of communication between FPGA and software. Firmware transmits data adjusted from software to FPGA, resulting in operations of ToF, and transmits the calculated ToF value back to software. The ToF sensor can deliver the outputs by 15Hz. The distance accuracy is limited by the clock speed. A distance accuracy of 20cm is obtained since a clock speed of 200 MHz is used, By introducing the phase-inverted clock and the signal delay through the analog circuit, however, it is shown that a distance accuracy can be improved, as good as 6 cm, by more than a factor of three. It is expected that the technique to enhance the distance accuracy, proposed by this study, can be applied to ToF system with faster clock speed, Light Detection And Ranging (LiDAR) system with two-dimensional array of detectors, and image processing for ToF.
Nowadays significance of real-time time-of-flight (ToF) measurement techniques is growing very fast because of recent development of autonomous vehicles. The goal of this research is to design a system for getting distance data, from real-time ToF calculation based on a hardware with field programmable gate array (FPGA) and very high speed integrated circuit hardware description language (VHDL), and creating user data by utilizing firmware and user-interface-software. A distance from the transmitter to an object can be measured by detecting the time interval between emitted pulse from the laser and reflected pulse from the object back to light sensor. This is the fundamental principle of direct ToF measurement system. Since software operation cannot catch up the speed of calculation in nanosecond for collecting real-time distance data, hardware should be designed and fabricated. FPGA is standardized and rewritable, which makes it easy to use for the research and development. VHDL allows us to use high-level language for hardware processing. In this study, FPGA hardware, firmware, and user-interface-software for a ToF system are designed by utilizing FPGA and VHDL. An avalanche photodiode is employed as a ToF sensor, FPGA operates the laser and calculates the distance by measuring the ToF. Firmware takes charge of communication between FPGA and software. Firmware transmits data adjusted from software to FPGA, resulting in operations of ToF, and transmits the calculated ToF value back to software. The ToF sensor can deliver the outputs by 15Hz. The distance accuracy is limited by the clock speed. A distance accuracy of 20cm is obtained since a clock speed of 200 MHz is used, By introducing the phase-inverted clock and the signal delay through the analog circuit, however, it is shown that a distance accuracy can be improved, as good as 6 cm, by more than a factor of three. It is expected that the technique to enhance the distance accuracy, proposed by this study, can be applied to ToF system with faster clock speed, Light Detection And Ranging (LiDAR) system with two-dimensional array of detectors, and image processing for ToF.
주제어
#거리 정확도 신호 지연 라이다 ToF (Time-of-Flight) FPGA VHDL distance accuracy signal delay LiDAR
학위논문 정보
저자
정우영
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
광과학·공학과
지도교수
박승한
발행연도
2017
총페이지
v, 57장
키워드
거리 정확도 신호 지연 라이다 ToF (Time-of-Flight) FPGA VHDL distance accuracy signal delay LiDAR
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