ToF 센서를 사용한 거리 측정 및 제스처 인식의 기본 사항

물리적 물체에 접촉하지 않고 재/부재 또는 거리를 감지해야 하는 응용 분야가 많습니다. 근접 감지에 대한 이러한 필요성으로 인해 광학 ToF(타임 오브 플라이트) 센서를 포함한 여러 경쟁 솔루션이 출시되었습니다. 이들 제품은 정확하지만 비싸고 구현이 복잡했습니다. 하지만 최근에 개발된 솔루션을 통해 해당 기술을 훨씬 간단하게 사용할 수 있게 되었습니다.

근접 감지를 사용하는 제품으로는 카메라 자동 초점 시스템, 로봇, 드론, 다양한 화장실 설비, 자동문 입구 접근 센서 등이 있습니다. 이는 일부 예일 뿐이며 그 목록은 계속 증가하고 있습니다. 근접 감지 기술은 간단한 적외선 및 초음파 센서에서부터 신경망이 적용된 입체 비디오 카메라와 같은 더 복잡한 센서 시스템까지 발전하고 있습니다.

이러한 기술은 모두 제한 사항이 있으며, 자율 자동차용 물체 인식 및 추적과 같은 복잡한 작업을 구현하려면 인공 지능이 필요할 수도 있지만 종이 타월 및 비누 디스펜서에는 그러한 기능까지는 필요하지 않습니다. 예산 및 설계 창이 갈수록 줄어들고 있는 상황에서 설계자는 비용, 공간 및 설계 기간을 최소화해야 합니다.

근접 감지에 대한 대안 중 하나가 ToF 센서입니다. 이러한 센서는 광자가 센서에서 물체로 그리고 그 반대로 이동할 때 걸린 왕복 시간을 계산하여 대상 물체까지의 거리를 측정합니다. 지금까지 ToF 설계를 낮은 가격으로 빠르게 구현하기가 어려웠지만 이제 저렴한 가격의 차세대 고집적 ToF 센서 덕분에 더 낮은 비용의 설계에 매우 정확한 비접촉 감지 기능을 제공할 수 있게 되었습니다.

이 기사에서는 거리 감지와 제스처 인식이 필요한 다양한 응용 분야에서 ToF 센서를 포함한 거리 측정 기술의 발전과 사용에 대해 논의합니다. 그런 다음 ToF 센서 기술의 작동 방식을 설명하고 최신 솔루션 몇 가지와 이러한 솔루션을 시작하는 방법을 소개합니다.

초기 근접 센서

1972년에 출시된 Polaroid SX-70 즉석 필름 카메라에는 편평하게 접히는 3단 미러 광학 설계, 프레넬 렌즈, 즉석 필름 패키지에 내장된 6볼트 배터리 및 10회 촬영용 플래시 막대를 포함한 다양한 혁신적 기술이 통합되어 있었습니다. 하지만 Polaroid가 SX-70 카메라에 적용된 가장 영향력 있는 기술 중 하나는 1978년 발표된 Polaroid SONAR OneStep 카메라에서 처음 선보인 Sonar Autofocus System이었습니다(그림 1). SONAR Autofocus System은 초음파 거리 측정 펄스를 송신하고 반사된 초음파 에너지를 수신하는 혁신적인 초음파 트랜스듀서를 채택했습니다.

그림 1: Polaroid SONAR OneStep SX-70 카메라에는 자동 초점 거리 측정을 위한 초음파 트랜스듀서(카메라 상단의 큰 금색 원)가 통합되었습니다. (이미지 출처: Wikipedia)

SONAR의 초음파 센서는 매우 성공적이어서 Polaroid는 센서만으로 사업을 추진했으며 Polaroid 초음파 센서 자동 초점 센서의 다양한 변형 제품은 오늘날에도 찾아볼 수 있습니다. 예를 들어 저렴한 SparkFun SEN-13959 HRC-SR04 초음파 거리 측정 모듈은 별도의 송신 및 수신 트랜스듀서를 갖춘 거리 센서입니다(그림 2). 센서는 Arduino 개발 기판에서 직접 구동되도록 설계되었습니다. 센서의 범위는 2cm ~ 400cm이며 최소 분해능 3mm로 비접촉 근접 측정이 가능합니다.

그림 2: SparkFun의 SEN-13959 초음파 거리 측정 모듈은 반사된 40kHz 펄스를 사용하여 거리를 감지합니다. (이미지 출처: SparkFun)

이 모듈로 거리를 측정하기 위해 Arduino 기판(또는 다른 컨트롤러)은 10s의 펄스를 기판의 Trig 핀에 전송하며, 그러면 초음파 송신기가 방출하는 8개의 짧은 초음파 펄스가 트리거됩니다. 대상에 닿아서 반사되는 음향 펄스는 20˚C의 일반적 환경에서 초당 343미터 속도로 이동합니다. 대상까지의 거리는 초음파 펄스를 송신한 시간과 수신한 시간 사이의 시간을 초당 343미터로 곱한 다음 2로 나눈 값(왕복이므로)입니다.

초음파 펄스는 단단한 표면에서 잘 반사되고 커튼, 카펫, 의류 및 애완동물과 같은 부드러운 표면에서는 잘 반사되지 않습니다. 측정 정확도는 펄스 타이밍에 사용되는 방식에 따라 달라집니다. SparkFun SEN-13959 모듈에는 이러한 타이밍 제어 기능이 없습니다. 정밀한 타이밍은 호스트 CPU가 처리합니다. 또한 초음파 센서의 거리 측정 정확성과 안정성은 공기 온도(공기에서 음향의 속도에 영향을 미침)와 공기 이동(반사된 초음파 에너지를 더 멀리 운반하고 반송파를 감쇠)에 따라 달라집니다.

적외선(IR) LED도 근접 감지 및 거리 측정에 사용되어 왔습니다. 예를 들어 Sharp Microelectronics의 GP2Y0A41SK0F 거리 측정 센서 장치는 IR LED에서 보내어 반사된 적외선의 세기에 기반하여 4cm ~ 30cm 거리의 물체를 감지할 수 있습니다(그림 3). 센서는 3V(3cm 근접도에 해당)부터 약 0.3V(40cm 근접도에 해당) 범위의 아날로그 전압을 출력하여 물체까지의 거리를 나타냅니다. 호스트 컨트롤러는 이 아날로그 전압을 디지털 표현으로 변환합니다.

그림 3: Sharp GP2Y0A41SK0F 적외선 거리 측정 센서 장치는 3cm ~ 40cm 범위의 물체를 감지할 수 있습니다. (이미지 출처: Sharp Microelectronics)

하지만 물체의 거리가 반사된 IR 에너지의 양에 기반하기 때문에 이러한 IR 센서 유형의 정확도는 물체의 반사도와 주변광 세기 등의 변수로 인한 오류의 소지가 있습니다.

적외선을 사용하여 물체의 거리를 측정하는 다른 방법은 센서의 적외선 방출기에서 물체로 방출된 광자가 물체에 반사되어 센서로 돌아올 때까지의 시간을 측정하는 방법입니다. 이러한 종류의 근접 측정 센서는 초음파 센서의 ToF 특성과 공기 이동, 주변광 또는 반사도에 영향을 받지 않는 광자 속도의 상대적 안정성을 결합합니다.

빛은 초당 299,792,458미터의 속도 또는 경험적으로 나노초당 1피트의 속도로 이동하기 때문에 최근까지는 광자가 짧은 거리를 이동하는 데 걸린 시간을 측정하기가 어려웠습니다. 그 결과 ToF 센서는 몇 밀리미터, 몇 센티미터 또는 몇 인치의 거리를 측정하는 데에도 매우 정확한 나노초 미만의 시간 측정이 필요하게 되었습니다.

하지만 비디오 게임 산업 덕분에 ToF 센서 기술의 비용이 크게 낮아졌습니다. 현재까지 가장 잘 알려진 ToF 센서의 용도는 Microsoft®의 Kinect 게임 컨트롤러일 것입니다(그림 4). 1세대 Microsoft Kinect는 2010년 후반 Microsoft Xbox 360용 주변 장치로 출시되었습니다. 이 컨트롤러는 ToF 거리 감지를 사용하여 로봇 주변 환경의 3차원 지도를 생성할 수 있었기 때문에 로봇 개발자에게 인기를 끌었습니다.

그림 4: Xbox 360 비디오 게임 콘솔용 Microsoft Kinect 컨트롤러는 ToF 감지를 사용하여 주변 환경의 3차원 지도를 만듭니다. (이미지 출처: Wikipedia)

Kinect 컨트롤러의 감지 기술이 더욱 소형화 및 단순화되어 여러 내장형 응용 분야에 적합한 실용적인 거리 측정 센서가 만들어졌습니다.

VCSEL 및 SPAD

예를 들어 STMicroelectronics는 근접도 측정을 위한 소형 ToF 센서를 여러 세대 출시하고 있습니다. 이러한 센서는 적외선 VCSEL 및 다양한 SPAD를 포함한 현대적 기초 기술을 기반으로 합니다.

이 ToF 센서 라인 중 세 가지 센서는 VL53L0CX, VL53L1CX 및 VL6180X입니다. 이러한 센서는 모두 거리를 측정하지만 각 센서마다 다른 기능을 갖고 있습니다.

1세대 VL6180X ToF 센서는 범위 모드가 1개이며 수 밀리미터에서 100mm의 근접도를 측정합니다(그림 5). 이 센서는 4.8mm x 2.8mm x 1.0mm를 측정하며 시야각은 42도입니다. 또한 주변광 센서가 내장되어 있어 주변광 변화를 보상할 수 있습니다.

그림 5: 최대 범위가 100mm인 STMicroelectronics의 1세대 VL6180X 센서. (이미지 출처: STMicroelectronics)

2세대 VL53L0CX ToF 센서는 흰색 대상에 대한 실내 작동 범위가 50mm ~ 1200mm입니다(그림 6). 4.4mm x 2.4mm x 1.0mm를 측정하며 시야각은 25도입니다. 센서를 실외에서 사용할 경우는 주변광 때문에 최대 범위가 600mm ~ 800mm로 줄어듭니다.

그림 6: 최대 범위가 1200mm인 STMicroelectronics의 2세대 VL53L0CX 센서. (이미지 출처: STMicroelectronics)

3세대 VL53L1CX ToF 센서에는 세 가지 거리 모드가 있습니다(그림 7). 단거리, 중거리, 장거리 모드의 최대 거리는 주변광 없는 흰색 대상의 경우 1360mm, 2900mm, 3600mm입니다. 주변광이 강할 경우 단거리, 중거리, 장거리 모드의 최대 거리는 1350mm, 760mm, 730mm입니다. 일반적인 생각과 달리 주변광이 강할 경우 단거리 모드의 측정 범위가 가장 깁니다.

VL53L1CX는 4.9mm x 2.5mm x 1.56mm를 측정하며 시야각은 27도입니다. 이 센서의 시야각은 프로그래밍 가능하며 아래 설명처럼 더 좁게 만들 수 있습니다.

그림 7: 최대 범위가 거의 4m인 STMicroelectronics의 3세대 VL53L1CX 센서 (이미지 출처: STMicroelectronics)

이 세 ToF 센서 모두 센서의 제어 포트 역할도 하는 디지털 I²C 인터페이스를 통해 호스트 프로세서로 1mm 분해능의 근접도 측정치를 보고합니다. 이러한 센서에는 모두 I²C 인터페이스가 사용되므로 호스트 프로세서에 연결하기가 매우 간단합니다(그림 8).

그림 8: 제품군의 이전 센서와 마찬가지로 STMicroelectronics의 3세대 VL53L1CX 센서는 간단한 I²C 연결을 사용하여 호스트 프로세서에 연결합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

AVDDVCSEL 및 AVDD 전원 공급 라인에 대한 구체적인 바이패싱 요구 사항을 확인하십시오. 전원 공급 장치 잡음이 센서로 유입되어 정확도가 저하되는 것을 방지하기 위해, 100나노패럿 및 4.7마이크로패럿 바이패스 커패시터를 센서에 가능한 가깝게 배치해야 합니다.

이러한 ToF 센서는 모두 기본적으로 1차원입니다. 시야각 내에서 물체의 근접도를 보고합니다. 시야각 내에 여러 물체가 존재하는 경우 이러한 센서는 가장 가까운 물체의 거리를 보고합니다. 하나의 센서가 한 손 제스처의 방향을 감지할 수는 없지만, 다음을 포함하여 네 가지 간단한 제스처를 감지할 수 있습니다.

1. 한 번 탭(손을 아래로 움직여 센서를 "탭")
2. 두 번 탭
3. 한 번 밀기(손을 센서 시야각을 가로질러서 이동)
4. 두 번 밀기

1개, 2개 또는 그 이상의 ToF 센서를 사용하여 여러 방향의 제스처와 동작을 감지함으로써 제스처 및 동작 정보를 파악할 수 있습니다. 페어링된 ToF 센서를 사용하여 왼쪽에서 오른쪽 및 오른쪽에서 왼쪽 방향의 손 움직임도 구분할 수 있습니다.

또한 선택적으로 시야각을 좁혀서 3세대 VL53L1CX 근접 센서에서 추가 정보를 가져올 수 있습니다. 이 작업은 I²C 인터페이스를 통해 센서로 전송되는 명령을 사용하여 센서 어레이에서 개별 SPAD를 끄는 방식으로 가능합니다. VL53L1CX 근접 센서의 SPAD 어레이는 16 x 16 어레이에 256개의 광 다이오드로 구성됩니다. 활성화해야 하는 어레이의 SPAD 주변 상자의 두 모서리를 지정하는 소프트웨어 명령을 통해 어레이의 모든 정사각형 또는 직사각형 부분을 활성화할 수 있습니다. 활성 소자의 수를 줄이면 센서의 시야각이 좁아지고 센서의 감지 영역이 좁아집니다. 유일한 요구 사항은 최소 16개 SPAD, 즉 4 x 4 광 다이오드 어레이가 활성화되어야 한다는 것이며 더 큰 어레이도 허용됩니다.

ToF 센서를 사용한 설계

설계에 도움이 되도록 VL53L1CX 근접 센서에는 평가 키트 P-NUCLEO-53L1A1이 함께 제공됩니다. 여기에는 STMicroelectronics STM32 마이크로 컨트롤러를 기반으로 하는 STM32F401RE Nucleo 평가 기판과, 마이크로 컨트롤러 기판에 실장되어 두 개의 VL53L1X 브레이크아웃 기판(키트에 포함)을 수용하는 X-NUCLEO-53L1A1 확장 기판이 포함됩니다(그림 9).

그림 9: STMicroelectronics P-NUCLEO-53L1A1 평가 키트에 포함된 센서 브레이크아웃 기판에는 하나의 V53L1X ToF 근접 센서가 기판에 직접 실장되어 있습니다. 기판에는 플러그형 브레이크아웃 기판을 통해 두 개의 추가 V53L1X 센서를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

P-NUCLEO-53L1A1 평가 키트에는 빠른 개발 시작을 위한 시스템 소프트웨어 및 소스 코드 예제도 포함되어 있습니다. 또한 STMicroelectronics는 STM32Cube 소프트웨어 개발 패키지를 위한 TOF 거리 측정 및 제스처 감지 확장 모듈도 제공합니다. 이러한 확장 모듈은 개별 센서 전용이며 STMicroelectronics에서 무료로 다운로드할 수 있습니다.

이러한 STMicroelectronics ToF 센서는 크기가 꽤 작기 때문에 설계자가 원하는 거의 모든 곳에 잘 맞습니다. 몇 가지 응용 분야 사례는 다음과 같습니다.

• 로봇을 위한 일반 근접 센서
• 비접촉 종이 타월 및 비누 디스펜서
• 비접촉 화장실 및 소변기 플러셔
• 비접촉 수도 꼭지
• 로봇 진공 청소기를 위한 벽면 추종 및 물체 회피 센서
• 랩톱 컴퓨터 및 모니터를 위한 저가형 작업자 재/부재 감지기
• 소매 키오스크를 위한 재/부재 및 제스처 탐지
• 자동 판매기를 위한 물리적 재고 관리
• 자동 판매기를 위한 동전 집계
• 무인 매장 자동 재고 관리를 위한 스마트 선반
• 드론를 위한 지면 근접 감지
• 실내용 드론을 위한 천장 근접 감지

2차원 ToF 센서 또는 스테레오 카메라 및 신경망 기반 근접 감지기와 달리 이러한 통합 STMicroelectronics ToF 근접 센서는 비용이 비교적 낮기 때문에 다양한 가격 범위에서 판매되도록 설계된 다양한 최종 제품에 통합할 수 있습니다.

결론

광학 및 초음파를 포함하여 근접 감지에 사용 가능한 기술은 다양하며 이러한 기술에 기반한 우수한 솔루션이 여러 가지 있습니다. 하지만 이러한 최신 근접 감지 기술 중 하나는 ToF(타임 오브 플라이트)입니다. 이러한 기술은 광자가 센서에서 출발하여 대상까지 이동한 다음 다시 센서로 반사되어 올 때까지 필요한 왕복 시간을 사용하여 대상까지의 거리를 측정합니다.

적외선 방출기와 수신기가 통합된 통합 센서 그리고 나노초 미만의 광자 이동 시간을 측정하는 데 필요한 회로망의 발전 덕분에 이러한 기술의 비용 효율성이 높아졌습니다. 또한 관련 개발 키트로 실험을 하고 더 빠르게 시제품을 제작할 수 있게 되었습니다.