[논문]스마트폰 IMU와 WPS를 결합한 복합 측위 방법론

김재훈; 강석연

doi:10.7840/kics.2013.38c.8.663

스마트폰 IMU와 WPS를 결합한 복합 측위 방법론
Hybrid Algorithmic Framework Using IMU and WPS for Smart Phone Positioning Systems 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.38C no.8, 2013년, pp.663 - 673

김재훈 (아주대학교 산업공학과) , 강석연 (SK텔레콤 Network 기술원)

초록
AI-Helper

무선인터넷과 이동통신 기술의 발달 및 스마트폰의 급속한 확산으로 인해 사용자의 현재 및 과거의 위치 정보를 사용하여 다양한 부가정보를 제공하는 위치기반 서비스에 대한 관심이 급증하고 있다. 위치기반 서비스의 본격적인 활성화를 위해서는 정확한 측위가 기본이 된다. GPS (Global Positioning System)과 WPS (Wi-Fi Positioing System)가 상용화 되면서 측위 기술에 일대 혁신을 가져왔으나 실내환경에서 많은 제약을 가졌다. 이에 관성센서(IMU: Inertia Motion Unit)를 사용한 네비게이션 (Navigation)기술을 실내환경에서 응용하려는 시도가 정밀 측위의 관점에서 논의되고, 관성센서의 장착이 스마트폰에 일상화 되면서 실내 정밀 측위 확산의 시초를 갖게 되었다. 본 논문에서는 IMU와 WPS를 결합하여 각각의 단점을 극복하고 측위 품질을 혁신적으로 향상 시킬 수 있는 알고리즘 프레임워크를 제안한다. 본 연구를 위해 스마트폰에서 구현되는 측위 테스트 프로그램을 구현하고 이를 적용할 실질적인 실내외 테스트베드를 구성하여 활용하였으며 이로서 대규모로 확장 적용할 수 있는 기반을 구성했다는 면에서 충분한 의미를 지닌다.

Abstract ▼ AI-Helper

The drastic growth of mobile communication and spreading of smart phone make the significant attention on Location Based Service. The one of most important things for vitalization of LBS is the accurate estimating position for mobile object. Focusing on IMU deployed in smart phone, we develop a hybrid positioning estimation framework with a combination of WPS. The developed approaches can strengthen the advantages of independent indoor applicability of IMU. The estimation of IMU is efficiently compensated by radio fingerprint based Wi-Fi Positioning System. We put a focus especially on the hybrid algorithmic framework. Compared on the existing approaches of WPS or IMU, we achieve the comparable higher performance on both of average error of estimation and deviation of errors. Furthermore test-bed based on smart phone platform is practically developed and all data have been harvested from the actual measurement of test indoor area. This can approve the practical usefulness of proposed framework.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

각 경로 별로 총 5회의 위치측정을 10개의 측위점에 대해 실시하였으며, 각 실험마다 실험용 스마트폰 (Galaxy S3, Galaxy Note II, Nexus 7)을 임의로 선택하여 특정 스마트폰 IMU의 특성에 실험이 편향되는 것을 방지하고자 하였다. 실험에서 가중평균을 위한 α_t는 지수함수의 형태를 가진다.
본 논문은 GPS (Global Positioning System)과 WPS (Wi-Fi Positioing System)이 상용화 되면서 측위 기술에 일대 혁신을 가져왔으나 실내환경에서 많은 제약을 가지고 있는 상황에서 스마트폰에 장착된 관성센서 (IMU: Inertia Motion Unit)를 사용한 네비게이션 (Navigation)기술을 실내환경에서 응용하려는 시도로부터 시작되었다. 기존의 보행 환경에서의 IMU 기반 측위는 정밀측위 관점에서 독립된 IMU 센서를 인체의 여러부위 (머리, 발, 허리 등등)에 부착하여 그 성능을 측정하는데 중심을 두었다.
그러나 SiRFusion은 두 측위법의 결합을 기계적으로 수행하여, 매 20초마다 WPS 측정값을 읽어 이를 보정값으로 활용할 뿐이다. 본 연구는 IMU와 WPS의 결합에 있어 WPS인프라가 어느정도로 조밀하게 구성되어 있는지에 따라 가중보정계수를 변경하는 함수를 도입하여 기계적인 보정의 한계를 극복한다. 또한 다양한 환경을 모사하여 실험함으로써 차후 WPS를 실내에 도입할 때 보다 정확한 WPS값을 위해 설치하는 “관리되는” AP의 수와 밀도를 얻어낼 수 있음에 큰 의미가 있다.

제안 방법

구현된 테스트 프레임워크는 IMU와 WPS의 두 측위 기법의 결합방식을 여러 가지 형태로 구현할 수 있게 구성되었다.
두 측위 방식의 결합방법을 유연하게 실험하기 위해 본 연구에서는 가중치를 사용하여 결합하는 방식을 택하였다.
기존의 보행 환경에서의 IMU 기반 측위는 정밀측위 관점에서 독립된 IMU 센서를 인체의 여러부위 (머리, 발, 허리 등등)에 부착하여 그 성능을 측정하는데 중심을 두었다. 또한 IMU 단독 활용의 한계를 극복하고자 실내환경에서 적용이 가능한 상용 WPS를 결합하는데 있어 두 측위기법을 결합할 수 있는 프레임워크를 구성하고 이를 스마트폰에 직접 구현하여 그 가능성을 탐색하였다.
복합측위 프레임워크를 실험하기 위해 테스트 어플리케이션 프로그램을 안드로이드 기반의 단말 (Galaxy S3, Galaxy Note II, Nexus 7)에 구현하였다.
본 실험에서는 180cm, 360cm, 540cm, 720cm에 따라 a 값과 b값을 위 방식으로 결정하여 사용하였다.
여기에 실내 공간의 지리환경정보를 결합하여 보다 현실적인 실내 위치 추정을 시도하였다. 이러한 모든 노력에도 실내공간에서의 측위의 정밀도는 요구되는 수준에 크게 미치지 못한다.
이에 본 논문에서는 스마트폰 IMU와 WPS를 효과적으로 결합한 복합 측위 시스템의 프레임워크를 설계하고 추정 오차의 편차폭을 관리/예측 가능한 수준을 보장하는 방식을 제안한다.
이에, 실내공간에서 위치를 보다 정밀하게 측위하기 위한 여러 기술들, 즉 무선랜 인프라, 의사위성(Pseudolites), 레이저, 음파, RFID(Radio Frequency Identification), 블루투스 등을 이용하여 특정 보정점(Waypoint)를 지정하여 IMU 측위의 누적오차를 보정하는 시도가 이루어졌다.
최초의 전보행실험(Preliminary Walking Test)을 통해 보행환경을 숙지하고, IMU 센서에서 발생하는 신호를 검출하여 그래프로 검증하고, 마지막으로 검출된 신호 중 적절한 센서의 벡터 변화량의 편차를 이용해 Swing(Motion)/Stance(Motionless)의 상태를 검출해 내는 것이다.
테스트 프로그램은 사용자의 움직임에 대한 측정값을 텍스트 파일로 기록하며 단말기 내부에 장착된 가속도계, 각속도계, GPS, 지자기계등으로 이루어진 IMU를 활용하여 사용자의 움직임을 기록하는 기능을 수행한다.

대상 데이터

본 테스트 지역은 8층 건물의 2층 전체로 구성되어 있으며 이동에 따른 측위 데이터 축적을 위해 이동이 가능한 복도를 중심으로 설정되었다.

성능/효과

대표적인 두 모델에 장착된 IMU는 모두 ±8g 이상의 가속도 측정폭, ±2000dps이상의 각속도 측정폭, 그리고 800Hz이상의 측정 빈도를 가져 IMU를 이용한 스마트폰 보행 모델의 구성에 충분한 사양을 지니고 있음을 확인할 수 있다.
실험 결과는 AP의 설치 간격이 조밀하다고 항상 낮은 결과값을 가져오지 않는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

가중치함수를 환경, 시간의 함수로서 구성하여 환경에 따른 파라미터 훈련 (Parameter Training)을 통해 실증적 효과를 가질 수 있게 된다. 또한 제작된 측위테스트 어플리케이션은 다양한 실내환경 적용, 이동경로의 설정, 특정위치 (보정위치)의 설정, WPS이외의 외부 인프라 측위 적용 등에 있어 유연하게 제작되어 향후 복합측위 프레임워크 개선에 유용하게 활용될 것으로 기대한다.
본 프레임워크를 효과적으로 적용하고 파리미터 트레이닝을 위한 다양한 데이터를 축적해야하는데, 이는 보다 넓고 활발한 유동인구가 존재하고, 실내측위가 적용될수 있는 효과적인 장소가 필요하다. 본 연구는 이를 위해 공항과 같은 광역 테스트베드를 구성하고 있으며 이로부터 현실적이고 종합적 테스트가 가능할 것으로 본다.
다만 현재 본 프레임워크를 실험한 환경이 제한적임을 밝히지 않을 수 없다. 본 프레임워크를 효과적으로 적용하고 파리미터 트레이닝을 위한 다양한 데이터를 축적해야하는데, 이는 보다 넓고 활발한 유동인구가 존재하고, 실내측위가 적용될수 있는 효과적인 장소가 필요하다. 본 연구는 이를 위해 공항과 같은 광역 테스트베드를 구성하고 있으며 이로부터 현실적이고 종합적 테스트가 가능할 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위치기반서비스는 무엇인가?	위치기반서비스(LBS: Location Based Service)란 사용자가 현재 위치한 지리적 위치를 고려하여 사용자에게 유용한 정보를 결합하여 제공하는 서비스를 일컫는다. 무선인터넷과 이동통신 기술의 발달 및 스마트폰의 급속한 확산으로 인해 사용자의 현재 및 과거의 위치 정보를 사용하여 다양한 부가정보를 제공하는 위치기반 서비스에 대한 관심이 급증하고 있다.
	위치기반 서비스에 대한 사회/경제적 요구가 증가하는 배경은 무엇이 있는가?	무선인터넷과 이동통신 기술의 발달 및 스마트폰의 급속한 확산으로 인해 사용자의 현재 및 과거의 위치 정보를 사용하여 다양한 부가정보를 제공하는 위치기반 서비스에 대한 관심이 급증하고 있다. 위치기반 서비스에 대한 사회/경제적 요구가 증가하는 배경에는 첫째, 공공 및 개인의 안전과 관련된 긴급 상황에 대한 신속한 대처, 둘째, 경제적 자원관리, 셋째 다양한 정보통신 서비스 지원을 위한 기반기술 확충에 그 의의가 있다. 다양한 형태의 사회/경제적 요구를 만족하기 위한 위치기반 서비스를 제공하기 위해서는 다양한 기술적 요소가 결합된 다층 구조의 시스템이 필요하다.
	위치기반서비스를 위한 시스템 중, 측위의 품질을 결정하는 핵심 시스템은 무엇인가?	LBS를 위한 다양한 시스템 중에서 측위의 품질을 결정하는 핵심시스템은 측위 시스템(Positioning System)이며 주로 유무선 통신 기술 등을 이용하여 대상 물체 (Target Object) 의 측위값을 측정하고 그 값을 위경도값의 형태로 제공하게 된다. 즉, 측위시스템의 목표는 측위 시스템에 의해 측정된(measured) 측위 값과 대상 물체의 실제 위치값의 오차를 최대한 줄여 위치기반 서비스를 이용하는 사용자의 사용자 경험 (User Experience)을 극대화하는데 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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