[논문]무선통신기반 위치인식을 이용한 실내 내비게이션 시스템에 관한 연구

김정하; 이성근; 김종수; 김정우; 서동환

doi:10.5916/jkosme.2013.37.1.114

[국내논문] 무선통신기반 위치인식을 이용한 실내 내비게이션 시스템에 관한 연구
A study on indoor navigation system using localization based on wireless communication 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.1, 2013년, pp.114 - 120

김정하 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 이성근 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 김종수 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 김정우 (동양대학교 전자유도기술학과) , 서동환 (한국해양대학교 전기전자공학부)

초록
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최근 무선통신기반 내비게이션 시스템이 건물이나 선박과 같은 구조물의 내부에 적용되고 있다. 이러한 시스템이 안정된 방위각 정보를 얻는다면 이를 통하여 사용자의 진행 방향을 효과적으로 안내 할 수 있고 그에 따른 안내 성능을 향상시킬 수 있다. 기존의 방법은 지자기 및 가속도 센서(이하 방위각센서)를 이용하여 방위각 정보를 획득하므로 이는 자계의 영향에 민감하여 주위환경에 따라 불안정한 오차 범위를 가진다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 논문에서는 무선통신기반 이동노드의 변위와 회전각을 이용하여 새로운 상대방위각 추정 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 회전팔을 이용한 실험을 수행하였으며 그 결과 부가적인 센서를 이용하지 않고 상대방위각을 추정할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, navigation systems based on wireless communication have been applied to the internal structures such as building or ship. If a stable azimuth information is obtained, these systems can effectively guide the direction of the user's progress through the information and then can improve the performance of guidance. Since conventional method which has acquired an azimuth information using geomagnetic and acceleration sensor(azimuth sensor hereafter) is sensitive to the effects of the magnetic field, it has unstable error range according to the surrounding environment. In order to improve these problems, this paper presents a new relative azimuth estimation algorithm using the displacement of a mobile node and its rotation angle based on Wireless communication. For the performance assessment of the proposed algorithm, experiments using rotating arm are performed and the results are confirmed that the proposed system can estimate the relative azimuth without using additional sensors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 자계 또는 전기적 잡음으로 인하여 방위각센서로부터 방위각의 획득이 어려운 상황에서 무선통신기반 이동노드의 변위정보와 이를 통한 회전각 예측을 이용하여 새로운 상대방위각 추정 알고리즘을 제안한다. 본 연구의 알고리즘은 이동노드가 임의의 반경으로 원호를 그리며 변위한다는 가정 하에 적용이 가능하며, 이동노드의 좌표데이터를 기반으로 중심축을 선정 후 원호의 시작점, 끝점, 중심축의 세 점을 통하여 회전각을 얻고 이에 따라 상대방위각을 추정 할 수 있다.
본 논문에서는 무선통신기반 위치인식 시스템을 사용할 경우 사용자가 소지한 이동노드의 변위정보를 통하여 상대방위각을 추정할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 반지름이 50cm인 회전팔을 이용하여 제안한 알고리즘을 실험한 결과 상대방위각 추정의 평균오차는 약 13˚를 나타내고 그 범위가 상대적으로 안정적임을 확인하였다.

제안 방법

제안한 알고리즘의 상대방위각 추정성능을 확인하기 위하여 UWB기반으로 구성된 Figure 6과 Figure 7의 환경으로 실내공간에서 회전팔을 이용한 실험을 수행하였다. 3개의 고정노드는 한 변을 2m로 하는 정삼각형의 모서리에 위치시키고, 삼각형의 무게중심과 회전 팔의 중심축이 같도록 설계하였다. 이 중심축에는 실제 회전한 각도를 획득하기 위한 360/500분해능의 엔코더가 설치되고, 반지름이 50cm인 회전팔의 끝부분에 이동노드가 설치되었다.
본 논문에서 제안한 알고리즘은 적응형 메디안 필터[7]를 본 연구에 알맞게 개선하여 Figure 4의 절차를 수행하는 변형된 가중치 평균필터를 통하여 잡음성분을 제거한 후 상대방위각을 추정하게 된다. 이 중 내재적 오차를 지닌 Raw data에서 잡음을 얼마나 효과적으로 제거하는가에 따라 상대방위각의 정확도에 큰 영향을 미치므로 이 전처리 과정은 매우 중요하다.
따라서 본 논문은 자계 또는 전기적 잡음으로 인하여 방위각센서로부터 방위각의 획득이 어려운 상황에서 무선통신기반 이동노드의 변위정보와 이를 통한 회전각 예측을 이용하여 새로운 상대방위각 추정 알고리즘을 제안한다. 본 연구의 알고리즘은 이동노드가 임의의 반경으로 원호를 그리며 변위한다는 가정 하에 적용이 가능하며, 이동노드의 좌표데이터를 기반으로 중심축을 선정 후 원호의 시작점, 끝점, 중심축의 세 점을 통하여 회전각을 얻고 이에 따라 상대방위각을 추정 할 수 있다. 성능을 확인하기 위한 실험은 근거리 무선통신이 가능한 3개의 고정노드 및 1개의 이동노드를 사용하고, 이동노드가 원호를 그리며 회전 할 수 있도록 회전팔을 제작하여 실험을 수행하였다.
본 연구의 알고리즘은 이동노드가 임의의 반경으로 원호를 그리며 변위한다는 가정 하에 적용이 가능하며, 이동노드의 좌표데이터를 기반으로 중심축을 선정 후 원호의 시작점, 끝점, 중심축의 세 점을 통하여 회전각을 얻고 이에 따라 상대방위각을 추정 할 수 있다. 성능을 확인하기 위한 실험은 근거리 무선통신이 가능한 3개의 고정노드 및 1개의 이동노드를 사용하고, 이동노드가 원호를 그리며 회전 할 수 있도록 회전팔을 제작하여 실험을 수행하였다. 회전팔의 실제 회전각과 제안한 알고리즘을 통해 추정된 회전각을 비교 및 분석하여 그 성능을 입증하였다.
변형된 가중치 평균필터의 성능은 Figure 8과 같고, x축은 시간, y축은 오차의 크기, 점선은 필터가 적용되지 않은 Raw data, 실선은 필터가 적용된 데이터를 나타낸다. 이 실험은 이동노드가 한 위치에 정지된 상태에서 256개의 위치인식 데이터를 샘플링하여 제안한 필터의 적용전과 후를 그래프로 표현한 것이다. 이 필터를 통하여 평균적으로 약 6.
로 나타낸다. 입력된 Raw data는 제안한 필터를 취하여 잡음적 특성이 감소된 하나의 측정치로 표현될 수 있고, 이 가공된 데이터를 이용하여 다음 단계의 상대방위각 추정방법을 수행한다.
12m로 나타났으며, 중앙 및 외곽부분의 오차의 크기가 일정함에 따라 고정노드와 이동노드의 거리에 관계없이 안정적인 위치인식이 가능함을 확인하였다. 한편, 제조사의 제조기술에 따라 거리측정 성능이 차이가 있으므로 절대적인 UWB의 성능이라고 말할 수 없을 것이며, 이 실험을 수행하기 위하여 Time domain사의 P410RCM모듈을 이용하였고, 이 모듈은 TOF기반 SDS-TWR을 이용하여 노드 간 거리측정값을 제공한다.
성능을 확인하기 위한 실험은 근거리 무선통신이 가능한 3개의 고정노드 및 1개의 이동노드를 사용하고, 이동노드가 원호를 그리며 회전 할 수 있도록 회전팔을 제작하여 실험을 수행하였다. 회전팔의 실제 회전각과 제안한 알고리즘을 통해 추정된 회전각을 비교 및 분석하여 그 성능을 입증하였다. 또한 모바일 노드의 위치인식 데이터 중 잡음성분을 효과적으로 제거하기 위하여 변형된 가중치 평균필터를 적용하여 효율적 평균을 취함으로써 상대방위각 추정의 정확도를 높일 수 있음을 확인하였다.

성능/효과

UWB의 실직적인 2차원 위치 인식 성능을 확인하기 위하여 실외의 자유공간에서 고정노드 4개와 이동노드 1개를 사용하여 실험을 수행한 결과는 Figure 3과 같다. 고정노드의 간격은 10.5m로 하고 이동노드의 실제위치를 1.5m마다 변경하며 실험한 결과 평균 오차는 약 0.12m로 나타났으며, 중앙 및 외곽부분의 오차의 크기가 일정함에 따라 고정노드와 이동노드의 거리에 관계없이 안정적인 위치인식이 가능함을 확인하였다. 한편, 제조사의 제조기술에 따라 거리측정 성능이 차이가 있으므로 절대적인 UWB의 성능이라고 말할 수 없을 것이며, 이 실험을 수행하기 위하여 Time domain사의 P410RCM모듈을 이용하였고, 이 모듈은 TOF기반 SDS-TWR을 이용하여 노드 간 거리측정값을 제공한다.
회전팔의 실제 회전각과 제안한 알고리즘을 통해 추정된 회전각을 비교 및 분석하여 그 성능을 입증하였다. 또한 모바일 노드의 위치인식 데이터 중 잡음성분을 효과적으로 제거하기 위하여 변형된 가중치 평균필터를 적용하여 효율적 평균을 취함으로써 상대방위각 추정의 정확도를 높일 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 무선통신기반 위치인식 시스템을 사용할 경우 사용자가 소지한 이동노드의 변위정보를 통하여 상대방위각을 추정할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 반지름이 50cm인 회전팔을 이용하여 제안한 알고리즘을 실험한 결과 상대방위각 추정의 평균오차는 약 13˚를 나타내고 그 범위가 상대적으로 안정적임을 확인하였다. 이는 제안한 알고리즘을 통해 방위각센서를 이용하지 않고 위치인식으로부터 상대방위각을 추정하여 사용자가 진행해야 할 방향을 원활하게 안내할 수 있음을 의미한다.
따라서 회전팔의 실제 회전각이 작을 때는 회전팔의 반지름이 상대적으로 커야 오차의 범위를 줄일 수 있다. 본 실험에서 사용된 회전팔은 Figure 5의 Ⓐ와 같이 사용자가 이동노드를 손에 쥐고 제자리 회전을 하는 것을 감안하여 반지름을 비교적 짧게 하였으며, Figure 5의 Ⓑ와 같이 사용자가 장애물을 우회하거나 코너를 돌아 나아갈 때는 중심축이 사용자의 외부에 존재하므로 반경이 커지게 되어 추정되는 회전각의 오차는 감소한다. 따라서 제안한 알고리즘이 실내 내비게이션 시스템에 적용되었을 때 상대방위각 추정성능은 크게 향상될 것으로 기대한다.
이 실험은 이동노드가 한 위치에 정지된 상태에서 256개의 위치인식 데이터를 샘플링하여 제안한 필터의 적용전과 후를 그래프로 표현한 것이다. 이 필터를 통하여 평균적으로 약 6.38%의 오차가 개선되었고, 특히 임펄스 잡음을 효과적으로 감소시키는 특성을 확인할 수 있다. 따라서 이동노드 및 고정 노드가 잡음 등의 영향을 받아 불안정한 상황에서 임펄스 특성의 위치가 인식 되었을 때 탁월한 성능을 발휘할 수 있을 것이다.
반지름이 50cm인 회전팔을 이용하여 제안한 알고리즘을 실험한 결과 상대방위각 추정의 평균오차는 약 13˚를 나타내고 그 범위가 상대적으로 안정적임을 확인하였다. 이는 제안한 알고리즘을 통해 방위각센서를 이용하지 않고 위치인식으로부터 상대방위각을 추정하여 사용자가 진행해야 할 방향을 원활하게 안내할 수 있음을 의미한다. 따라서 철골구조 및 복잡한 통로들로 구성되어 전자기적 잡음이 존재하는 선박이나 건물 등의 실내 환경에서 운용되는 내비게이션 시스템은 제안한 알고리즘을 통하여 안정적이며 효과적인 경로안내 성능을 발휘할 수 있을 것이다.

후속연구

본 실험에서 사용된 회전팔은 Figure 5의 Ⓐ와 같이 사용자가 이동노드를 손에 쥐고 제자리 회전을 하는 것을 감안하여 반지름을 비교적 짧게 하였으며, Figure 5의 Ⓑ와 같이 사용자가 장애물을 우회하거나 코너를 돌아 나아갈 때는 중심축이 사용자의 외부에 존재하므로 반경이 커지게 되어 추정되는 회전각의 오차는 감소한다. 따라서 제안한 알고리즘이 실내 내비게이션 시스템에 적용되었을 때 상대방위각 추정성능은 크게 향상될 것으로 기대한다.
이는 제안한 알고리즘을 통해 방위각센서를 이용하지 않고 위치인식으로부터 상대방위각을 추정하여 사용자가 진행해야 할 방향을 원활하게 안내할 수 있음을 의미한다. 따라서 철골구조 및 복잡한 통로들로 구성되어 전자기적 잡음이 존재하는 선박이나 건물 등의 실내 환경에서 운용되는 내비게이션 시스템은 제안한 알고리즘을 통하여 안정적이며 효과적인 경로안내 성능을 발휘할 수 있을 것이다. 또한 UWB뿐만 아니라 CSS(Chirp Spread Spectrum), Zigbee, RFID(Radio Frequency Identification) 등의 다양한 위치인식 시스템에 적용될 수 있어 호환성이 높은 이점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 무선통신기반 내비게이션 시스템의 단점은?	이러한 시스템이 안정된 방위각 정보를 얻는다면 이를 통하여 사용자의 진행 방향을 효과적으로 안내 할 수 있고 그에 따른 안내 성능을 향상시킬 수 있다. 기존의 방법은 지자기 및 가속도 센서(이하 방위각센서)를 이용하여 방위각 정보를 획득하므로 이는 자계의 영향에 민감하여 주위환경에 따라 불안정한 오차 범위를 가진다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 논문에서는 무선통신기반 이동노드의 변위와 회전각을 이용하여 새로운 상대방위각 추정 알고리즘을 제안한다.
	이동노드가 측정데이터를 전송하는 방법은?	이동노드는 고정노드로부터 거리측정을 수행 후 RS-232 인터페이스를 통하여 PC로 측정데이터를 전송한다. PC는 Visual studio C#에서 개발된 모니터링 어플리케이션을 통하여 수신된 거리측정 데이터를 통해 삼변측량법 및 제안한 알고리즘을 연산하여 상대방위 각을 추정한다.
	위치인식 기술의 대표적인 예는?	유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Networks, USN) 기술은 인간의 삶을 윤택하게 함에 따라 더욱 다양한 분야에 접목되기 위하여 지속적으로 연구되고 있다. 그중 위치인식 기술의 대표적인 예로써 GPS(Global Positioning System)를 활용한 내비게이션 시스템은 선박, 항공, 자동차 및 일반 보행자를 위해 경로 안내를 목적으로 매우 이롭게 사용되고 있다[1]. 실외뿐만 아니라 건물 구조물의 실내에서 내비게이션 시스템을 적용시키기 위하여 무선통신, 영상매칭, 센서 등을 활용한 실내 위치인식 방법들이 끊임없이 연구되고 있다.

참고문헌 (7)

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H.-J. Cho, K.-I. Hwang, D.-S. Noh, and D.-H. Seo, "Real time indoor positioning system using IEEE 802.15.4a and sensors," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 6, pp. 850-856, 2012.

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A. Mulloni, D. Wagner, I. Barakonyi, and D. Schmalstieg, "Indoor positioning and navigation with camera phones," IEEE Pervasive Computing, vol. 8, no. 2, pp. 22-31, 2009.

상세보기
C.-M. Lee, P.-M. Lee, S.-M. Kim, S.-W. Hong, J.-W. Seo, and W.-J. Seong, "Rotating arm test for assessment of an underwater hybrid navigation system for a semi-autonomous underwater vehicle," Journal of the Korean Society of Ocean Engineers, vol. 17, no. 4, pp. 73-80, 2003 (in Korean).
S.-H. Shin, H.-W. Kim, C.-G. Park, and S.-O. Choi, "Map-matching algorithm for MEMS-based pedestrian dead reckoning system in the mobile device," Journal of Institute of Control Robotics and System, vol. 14, no. 11, pp. 1189-1195, 2008.

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J.-H. Jung, J.-S. Yun, K.-Y. Choi, C.-K. Lyu, H.-S. Hwang, and S.-B. Kwon, "Image based navigation using geometry information of road," Proceedings of the Spring Conference of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, pp. 539-544, 2011 (in Korean).
W.-Y. Cho and D.-I. Choi, "Adaptive median filter by local variance and local central variance," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea, vol. 41sp, no. 6, pp. 285-294, 2004 (in Korean).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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