기존의 전파에 의존한 실내 위치측위 시스템의 한계점 발생으로 실내환경에서 정확도 향상을 위한 새로운 방법의 도입이 필요한 시점이다. 최근 생태계 모방 기술이 미래의 핵심기술이 되었고, 이에 따라 귀소본능을 가진 동물들이 지구자기장을 탐색하여 생체자석으로 위치친지에 사용하는 점을 적용한 정확한 위치 측위 방법을 연구하였다. 실내 위치측위를 위한 새로운 자원인 지구자기장의 적용 가능성을 확인하기 위해 건물구조, 구성재료를 구분하고 실제 자기장센서를 탑재할 수 있는 구조물과 데이터수집 모듈을 설계한 뒤, Fingerprint 기법의 위치측위 시스템을 구성하여 위치측위 자원으로서의 지구자기장의 적용 가능성을 연구하였다. 위치측위 시스템 성능 평가에서 기존의 무선랜이 설치된 건물에서는 지구자기장 세기 기반의 위치측위 시스템이 무선랜 기반 위치측위 시스템과 유사하거나 약 20% 성능이 높이 나타났다. 이와같이 실내 위치측위를 위한 인프라 설치가 되어 있지 않는 환경에서는 지구자기장이라는 고유의 지구자원으로 실내 위치측위가 가능하다.
기존의 전파에 의존한 실내 위치측위 시스템의 한계점 발생으로 실내환경에서 정확도 향상을 위한 새로운 방법의 도입이 필요한 시점이다. 최근 생태계 모방 기술이 미래의 핵심기술이 되었고, 이에 따라 귀소본능을 가진 동물들이 지구자기장을 탐색하여 생체자석으로 위치친지에 사용하는 점을 적용한 정확한 위치 측위 방법을 연구하였다. 실내 위치측위를 위한 새로운 자원인 지구자기장의 적용 가능성을 확인하기 위해 건물구조, 구성재료를 구분하고 실제 자기장센서를 탑재할 수 있는 구조물과 데이터수집 모듈을 설계한 뒤, Fingerprint 기법의 위치측위 시스템을 구성하여 위치측위 자원으로서의 지구자기장의 적용 가능성을 연구하였다. 위치측위 시스템 성능 평가에서 기존의 무선랜이 설치된 건물에서는 지구자기장 세기 기반의 위치측위 시스템이 무선랜 기반 위치측위 시스템과 유사하거나 약 20% 성능이 높이 나타났다. 이와같이 실내 위치측위를 위한 인프라 설치가 되어 있지 않는 환경에서는 지구자기장이라는 고유의 지구자원으로 실내 위치측위가 가능하다.
Due to the limitations of the existing indoor positioning system depending on the radio wave, at present, it is required to introduce a new method in order to improve the accuracy in indoor environment. Recently, bio-inspired technology has become the future core technology. Thus, this study examine...
Due to the limitations of the existing indoor positioning system depending on the radio wave, at present, it is required to introduce a new method in order to improve the accuracy in indoor environment. Recently, bio-inspired technology has become the future core technology. Thus, this study examined the accurate positioning method applying the abilities that animals with homing instinct measure their position by searching geomagnetic field with the use of their biomagnets. In order to confirm the applicability of geomagnetic field, a new source for indoor positioning, this study separated the constituent materials and building structure and designed the structures that can carry the actual magnetic field sensor and the data collection module. Subsequently, this study investigated the applicability of geomagnetic field as a positioning source by establishing the positioning system of Fingerprint method. In performance evaluation of the positioning system, the geomagnetic strength-based positioning system was similar to or approximately 20 percent higher than the wireless LAN-based positioning system in the buildings with the existing wireless LAN. Thus, in the environment without infrastructure for indoor positioning, the geomagnetic, an independent earth resource, can make it possible to realize the indoor positioning.
Due to the limitations of the existing indoor positioning system depending on the radio wave, at present, it is required to introduce a new method in order to improve the accuracy in indoor environment. Recently, bio-inspired technology has become the future core technology. Thus, this study examined the accurate positioning method applying the abilities that animals with homing instinct measure their position by searching geomagnetic field with the use of their biomagnets. In order to confirm the applicability of geomagnetic field, a new source for indoor positioning, this study separated the constituent materials and building structure and designed the structures that can carry the actual magnetic field sensor and the data collection module. Subsequently, this study investigated the applicability of geomagnetic field as a positioning source by establishing the positioning system of Fingerprint method. In performance evaluation of the positioning system, the geomagnetic strength-based positioning system was similar to or approximately 20 percent higher than the wireless LAN-based positioning system in the buildings with the existing wireless LAN. Thus, in the environment without infrastructure for indoor positioning, the geomagnetic, an independent earth resource, can make it possible to realize the indoor positioning.
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문제 정의
지구자기장은 위치측위 요소기술인 정확성, 항시성, 안정성을 모두 갖춘 실내외 위치측위 핵심 자원이다. 귀소본능을 가진 동물들에 의해 위치추정에 대한 자원으로서의 검증은 되었으나, 실내환경에서의 위치측위 시 적합한 자원인것인가에 대한 검증이 필요함으로 본 논문에서는 실제 지구자기장세기 측정 센서와 측정 구조물 그리고 데이터수집장치를 이용하여 적합성과 효용성을 분석하였다.
본 논문에서는 실내 환경에서의 지구자기장 기반 측위 시스템과 무선랜 기반 측위시스템을 실제 환경에서 테스트 하여 위치측위 성능에 대한 비교 분석을 한다. 먼저 실내위치측위를 위해 무선랜 수신 신호세기와 지구자기장 세기를 수집 후 데이터베이스를 구축하는 과정을 시행하였다.
본 논문에서는 이러한 기존 실내위치측위 시스템들과는 다른 관점인 지구의 고유한 자원인 지구자기장을 기반으로 실내위치측위시스템의 적용 및 그 성능을 평가하고자 한다. 본 논문의 구성은 강자성체에 의한 지구자기장의 교란분석, Fingerprint 측위 기법에 적용하기 위한 지구자기장세기 획득 및 분석, 그리고 건물내에서의 무선랜측위시스템과 지구자기장세기 기반 측위시스템의 성능을 비교 분석 결과에 관하여 고찰 한 후 마지막으로 결론을 맺는다.
위 표에서 지구환경정보 중 지구자기장세기는 위치측위 적용에 필요한 정확성, 항시성, 보편성을 모두 만족하면서 10m이내의 오차범위를 가지는 우수한 위치측위 자원으로 분류할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 특성을 실제 환경테스트를 통하여 검증하고 기존 Fingerprint 기법을 사용하는 위치측위시스템 중 무선랜기반 실내위치측위와의 성능을 비교한다.
본 논문에서는 측정을 위한 대표 건물 3곳을 결정하여 실제 제작된 지구자기장세기 획득 구조물에 센서를 장착하여 지구자기장세기 값의 분포를 확인하였다. 건물 구성 재료를 철근과 H빔을 사용한 건물로 분류하였다.
본 논문에서는 확률적 모델링에 근거한 Fingerprint 위치측위 기법을 이용하여 지구자기장센서로부터 획득된 지구자기장세기 값을 데이터베이스화 하여 실제 실내 환경에서 위치측위를 위한 시스템을 구축하여 그 성능을 확인하고자 한다.
제안 방법
본 논문에서는 측정을 위한 대표 건물 3곳을 결정하여 실제 제작된 지구자기장세기 획득 구조물에 센서를 장착하여 지구자기장세기 값의 분포를 확인하였다. 건물 구성 재료를 철근과 H빔을 사용한 건물로 분류하였다. 철근은 일반 건축물에서 가장 많이 사용되는 재료이며 강자성체 성질을 가지고 있기 때문에 벽 혹은 기둥에 설치된 철근이 실내 지자기세기를 왜곡시키는지에 대한 실험을 진행하였다.
먼저 실내위치측위를 위해 무선랜 수신 신호세기와 지구자기장 세기를 수집 후 데이터베이스를 구축하는 과정을 시행하였다. 건물은 앞 절에서 언급한 소재관, 지역혁신센터, LED-IT융합센터이며, LED 센터는 무선랜이 설치되지 않은 환경이어서 지구자기장세기 기반 위치측위만 테스트하였다. 이처럼 무선랜 AP가 장착되지 않은 공간에서는 실내 위치측위를 시행할 수 없으므로 다른 위치측위 인프라를 설치해야 하는 단점이 있으나, 지구자기장과 같이 지구 고유의 자원일 경우에는 인프라 설치 없이도 위치측위가 가능한 특징이 있다.
본 논문에서는 실내 환경에서의 지구자기장 기반 측위 시스템과 무선랜 기반 측위시스템을 실제 환경에서 테스트 하여 위치측위 성능에 대한 비교 분석을 한다. 먼저 실내위치측위를 위해 무선랜 수신 신호세기와 지구자기장 세기를 수집 후 데이터베이스를 구축하는 과정을 시행하였다. 건물은 앞 절에서 언급한 소재관, 지역혁신센터, LED-IT융합센터이며, LED 센터는 무선랜이 설치되지 않은 환경이어서 지구자기장세기 기반 위치측위만 테스트하였다.
그림 1, 2는 확률적 모델링에 의한 위치 추정 단계를 도식화한 그림이다. 먼저 위치 측위 대상이 되는 공간을 일정한 범위로 나누고 각 측위 지점(P:Point)의 위치 값을 데이터베이스(DB:Database)에 저장한 후 위치 값과 함께 액세스포인트(AP:Access Point)로부터 단말기 (MU:Moble Unit)에 도달한 신호 세기를 측정하여 추출한 전파 특성값을 저장한다. 이 과정은 측위 대상이 되는 공간의 모든 측위 지점을 측정할 때까지 반복적으로 수행된다.
본 논문에서는 자기저항 효과를 이용한 비등방성 자기저항센서인 MicroMag3를 사용하여 지구 자기장 변화를 측정한다. 자기저항 효과는 일명 Thomson 효과로 말하며, 자성체의 전기적 저항이 자화방향과 전류의 방향에 따라서 변화하는 현상으로 자기저항효과를 이용한 센서는 센서의 소형화가 가능하고 IC화 할 수 있는 장점을 가지고 있어서 다양한 응용분야에 활용되고 있다.
본 논문에서는 이러한 기존 실내위치측위 시스템들과는 다른 관점인 지구의 고유한 자원인 지구자기장을 기반으로 실내위치측위시스템의 적용 및 그 성능을 평가하고자 한다. 본 논문의 구성은 강자성체에 의한 지구자기장의 교란분석, Fingerprint 측위 기법에 적용하기 위한 지구자기장세기 획득 및 분석, 그리고 건물내에서의 무선랜측위시스템과 지구자기장세기 기반 측위시스템의 성능을 비교 분석 결과에 관하여 고찰 한 후 마지막으로 결론을 맺는다.
본 실험에서는 무선랜의 수신신호세기 획득 지점을 1m 간격으로 측정하였으며 지자기세기 획득 지점은 가변적으로 측정하였다. 이와 같이 한 이유는 무선랜의 경우 AP가 설치되어있는 지점간의 간격과 개수가 중요한 결정 요인이지만, 지자기세기는 아직 Fingerprint 기법에 적용 시 신호 획득에 관한 결정 요소가 정의되어 있지 않았기 때문에 가변적인 측정간격으로 선행 테스트가 필요하다고 판단되었다.
실험을 위한 공간의 도면을 확보하고 신호세기(지구자기장세기) 획득 지점을 결정한 뒤, 그 지점에서 신호를 획득하고, 획득된 신호를 분석하여, 측위 용 실내 Map을 구축하게 된다.
이와 같은 데이터베이스 수집을 위해 무선랜의 경우 무선랜이 장착된 휴대기기 및 노트북으로 측위 공간에서 신호를 수집할 수 있지만 지구자기장의 경우 지자기센서 이외의 자성체에 대한 교란을 차단해야 함으로 측정 장치를 자체 제작하여 신호를 수집하였다. 측정 장치는 모두 알루미늄과 아크릴판으로 제작하여 자성체에 대한 지구자기장의 교란을 최소화 했으며, 측정 거리 및 데이터수집의 신뢰성을 높이기 위해 거리별 센서 거치대를 부착하여 오차를 줄이도록 하였다.
그림14는 지구자기장세기 기반의 위치측위 시스템으로 지역혁신센터(RIC)에서의 위치측위성능을 테스트한 결과이다. 지자기세기 획득 지점을 20cm부터 100cm로 확장시켜가면서 실험을 진행하였다. Fingerprint 기법에서 데이터베이스 구축 시 신호세기 획득 지점 간 거리가 조밀하면 할수록 위치성능이 높아지지만, 간격을 조밀하게 하려면 데이터베이스 구축에 시간과 비용이 많이 필요함으로 측위 공간의 특성과 위치오류의 한계범위를 결정하여야 한다.
건물 구성 재료를 철근과 H빔을 사용한 건물로 분류하였다. 철근은 일반 건축물에서 가장 많이 사용되는 재료이며 강자성체 성질을 가지고 있기 때문에 벽 혹은 기둥에 설치된 철근이 실내 지자기세기를 왜곡시키는지에 대한 실험을 진행하였다. 그림5는 실험을 위한 지구자기장 세기를 측정할 건물의 분류를 보여준다.
이와 같은 데이터베이스 수집을 위해 무선랜의 경우 무선랜이 장착된 휴대기기 및 노트북으로 측위 공간에서 신호를 수집할 수 있지만 지구자기장의 경우 지자기센서 이외의 자성체에 대한 교란을 차단해야 함으로 측정 장치를 자체 제작하여 신호를 수집하였다. 측정 장치는 모두 알루미늄과 아크릴판으로 제작하여 자성체에 대한 지구자기장의 교란을 최소화 했으며, 측정 거리 및 데이터수집의 신뢰성을 높이기 위해 거리별 센서 거치대를 부착하여 오차를 줄이도록 하였다.
데이터처리
그리고 사용자의 위치 정확도를 표현하기 위하여 실제 위치 값과 Nearest-Neighbor 방식을 사용하여 결정된 위치 값의 차이를 평균값과 표준편차를 사용하여 표현하였다.
이론/모형
무선랜 측위 시스템은 안드로이드 기반 스마트폰의 응용프로그램을 자체 개발하여 수신신호세기를 획득하였으며 위치결정방법은 Nearest-Neighbor 방식을 사용하였다. Nearest-Neighbor 방식은 단말기가 i번째 AP로부터 수신한 신호의 특징을 Z = [z1,z2,z3, … ,zi]라고 하고 데이터베이스에 구성된 기준 특징을 qi = [qi,1, qi,2,qi,3,.
성능/효과
지구자기장세기 획득 실험 결과, 가장 보편적인 건물 재료인 철근건물(지역혁신센터, 소재관)의 경우 지구자기장세기의 최대/최소의 값이 큰 차이가 없이 나타났으며, LED-IT연구센터의 경우 변화량이 큰 것으로 나타났다. 이는 아래 그림12에서 확인 할 수 있다.
후속연구
기존의 전파에 의존한 실내 위치측위 한계점 발생으로 실내/외 환경에서 모두 위치측위가 가능한 새로운 자원이 필요하며, 지구자기장의 경우 자기장인식율이 높은 센서의 개발로 인해 확률적 모델링 기반의 위치측위 알고리즘 적용이 가능함을 연구함으로써 향후 지구자기장의 실내위치측위 기법에 대한 새로운 방안을 제시할 수 있다.
전파의 경우 Fingerprint 방법으로 위치측위 시 오랜 연구의 결과로 상용화된 측위 시스템도 있으며, 위치 정확도 향상을 위한 다수의 알고리즘들이있으나, 지구자기장의 경우 Fingerprint 기법을 사용하기 위해서는 공간 내에서의 지자기세기 분포에 대한 연구가 먼저 수행이 되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지구자기장세기를 기반의 Fingerprint 측위 기법은 어떻게 데이터베이스를 구축하는가?
데이터베이스 구축은 측위 대상이 되는 공간을 일정한 범위로 나눈 후, 신호 세기를 측정해야 하는 측위 지점을 설정한다. 사용자 설정에 의하여 고정된 측위 지점에서 단말기는 무선랜의 경우 각각의 AP로부터 수신되는 신호세기, 지구자기장의 경우 지구자기장세기를 측정하고 측위 지점의 위치 좌표와 함께 수신된 신호의 세기를 데이터베이스로 저장한다.
핑거프린팅은 어떤 시스템에 가장 많이 사용되는 방식인가?
핑거프린팅(Fingerprint) 방식이라고도 불리는 확률적 모델링에 근거한 방식은 노이즈 및 주위 환경 정보를 위치추적을 위한 정보로 활용하는 방식으로 현재 무선랜 기반의 측위 시스템에서 가장 많이 사용되는 위치측위 방식이다. 그림 1, 2는 확률적 모델링에 의한 위치 추정 단계를 도식화한 그림이다.
자기저항 효과란?
본 논문에서는 자기저항 효과를 이용한 비등방성 자기저항센서인 MicroMag3를 사용하여 지구 자기장 변화를 측정한다. 자기저항 효과는 일명 Thomson 효과로 말하며, 자성체의 전기적 저항이 자화방향과 전류의 방향에 따라서 변화하는 현상으로 자기저항효과를 이용한 센서는 센서의 소형화가 가능하고 IC화 할 수 있는 장점을 가지고 있어서 다양한 응용분야에 활용되고 있다. MicroMag3센서는 3축 자기 센서를 내장하고 RS-232통신을 이용하여 컴퓨터로 직접 gauss단위의 데이터를 전송한다.
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