Recently, the interests of the precise localization are rapidly increasing, which are linked to IoT(Internet of Things) sensors. The precise localization in indoor environment can be utilized in navigation, security, anti-collision, and various location based services etc. However, conventional posi...
Recently, the interests of the precise localization are rapidly increasing, which are linked to IoT(Internet of Things) sensors. The precise localization in indoor environment can be utilized in navigation, security, anti-collision, and various location based services etc. However, conventional positioning sensors, such as PIR, ultrasonic, microwave etc. are vulnerable to weather or insensitive to direction of subject movement or low precision performance. In this paper we implement a UWB-IR localization system for long distance and high-precision localization, which is not affected by temperature, light and weather. The proposed system was divided and designed by H/W, Antenna, S/W parts, each of which was designed based on an accurate analysis and simulation. As a result, we can implemented and verified UWB IR system with precise localization performance.
Recently, the interests of the precise localization are rapidly increasing, which are linked to IoT(Internet of Things) sensors. The precise localization in indoor environment can be utilized in navigation, security, anti-collision, and various location based services etc. However, conventional positioning sensors, such as PIR, ultrasonic, microwave etc. are vulnerable to weather or insensitive to direction of subject movement or low precision performance. In this paper we implement a UWB-IR localization system for long distance and high-precision localization, which is not affected by temperature, light and weather. The proposed system was divided and designed by H/W, Antenna, S/W parts, each of which was designed based on an accurate analysis and simulation. As a result, we can implemented and verified UWB IR system with precise localization performance.
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문제 정의
본 논문에서는 실내 온도나 빛에 무관하게 동작하며, 고정밀 측위가 가능한 UWB-IR 측위 시스템을 구현하였다. 제안하는 시스템은 H/W, 안테나, S/W 등 파트로 나누어 요구조건 및 분석에 맞추어 설계를 진행하였다.
제안 방법
그림 5 (a)은 UWB 안테나 설계 방식에 부합하여 제작한 패치 안테나로서, 범용의 목적으로 주파수 범위를 하향(3.1～4.8GHz) 및 상향(7.2～10.2GHz) 주파수대역 모두를 고려하여 전방향성 안테나로 설계하였다. 그림 5 (b)의 사진은 안테나 시험을 위해 설계된 안테나 시험 보드(antenna test board)이다.
임펄스 레이더 시스템과 목표물의 배치 환경에 대한 구성 및 시나리오는 그림 11과 같다. 10m 범위 내외에서 피사체를 표면이 균일한 철판으로 제작하고 이동 수레를 이용하여 피사체를 이동하며 피사체 거리 측정을 수행하였다. 또한 0～12m를 이동하면서 실시간성을 확보하며 목표물의 움직임을 관측할 수 있는지 측정하였다.
S/W 설계에서는 윈도우 환경을 기반으로 PC상에서 UWB IR 시스템을 GUI(Graphic User Interface)로 제어 및 측정 결과를 모니터링할 수 있도록 프로그래밍 하였으며, 다양한 신호처리 알고리즘을 탑재하였다. 그림 9에 S/W 구현 파트를 포함한 전체 시스템 블록도를 나타내었다.
따라서 전원 노이즈 및 정확한 펄스 모양 (pulse shape)을 전송하고 SPI(Serial Peripheral Interface)의 임피던스를 고려하여 설계가 되어야 하기 때문에 전원 노이즈 제거를 위해 비드(bead) 및 0Ω 저항을 이용하여 튜닝을 할 수 있게 설계하였고, 임펄스 전송에 있어서 왜곡 없이 설계하기 위해 회로 시뮬레이션을 통해 소자를 사용하지 않고 CPWG 구조로 RF 라인을 설계하였다.
10m 범위 내외에서 피사체를 표면이 균일한 철판으로 제작하고 이동 수레를 이용하여 피사체를 이동하며 피사체 거리 측정을 수행하였다. 또한 0～12m를 이동하면서 실시간성을 확보하며 목표물의 움직임을 관측할 수 있는지 측정하였다.
46dBi으로 우수한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한 지향성은 향후 범용성을 고려하여 무지향성 (omni-direction) 특성을 가지도록 설계하였다.
인식 거리 시험을 실시하여 실제 거리와 소프트웨어적으로 측정한 거리간에 오차 범위를 줄이기 튜닝 작업을 실시하였으며 여러 시료를 시험하여 평균값을 소프트웨어에 적용하여 보다 정밀한 위치분석을 실시하였다. 그림 12는 실험이 진행된 실험실 환경 및 시험 결과이다.
본 논문에서는 실내 온도나 빛에 무관하게 동작하며, 고정밀 측위가 가능한 UWB-IR 측위 시스템을 구현하였다. 제안하는 시스템은 H/W, 안테나, S/W 등 파트로 나누어 요구조건 및 분석에 맞추어 설계를 진행하였다. 그 결과 임펄스 신호를 처리하는 소형의 RF 모듈 및 광대역을 지원하는 소형의 안테나를 개발하였으며, UWB-IR 기반 신호처리 알고리즘을 개발 하여 11m 이상의 거리에서 평균 오차 ±12 mm를 가지는 장거리 고정밀 측위가 가능한 시스템을 구현하였다.
그림에서 보는 바와 같이 3GHz ～ 10GHz 대역에서 이득이 평탄한 결과를 확인할 수 있다. 주파수 범위를 한국규정보다 넓게 고려한 이유는 한국규정과 동일한 설정을 하게 되면 설계하는데 어려움이 있을 뿐더러 사이드 밴드에서 주파수 특성이 좋지 않은 결과가 발생하기 때문에 규정보다 넓은 범위의 설계를 진행하였다. 그림 7에서 나타낸 VSWR은 정체파비, 반사계수를 나타내며 3.
대상 데이터
그림 8은 이상의 설계 결과를 바탕으로 얻어진 프로토타입(prototype)을 나타낸 것이다. 여기서 안테나는 탐지거리 확장을 위해 지향성이 있는 시뉴어스(sinuous) 안테나를 사용하였다.
성능/효과
제안하는 시스템은 H/W, 안테나, S/W 등 파트로 나누어 요구조건 및 분석에 맞추어 설계를 진행하였다. 그 결과 임펄스 신호를 처리하는 소형의 RF 모듈 및 광대역을 지원하는 소형의 안테나를 개발하였으며, UWB-IR 기반 신호처리 알고리즘을 개발 하여 11m 이상의 거리에서 평균 오차 ±12 mm를 가지는 장거리 고정밀 측위가 가능한 시스템을 구현하였다. 향후 본 시스템은 무선 측위 기능을 지원하는 각종 서비스를 위한 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
그림 6 및 표 1은 안테나 챔버(chamber)를 이용하여 제작한 안테나의 방사 출력을 측정한 결과에 대한 측정값이며 주파수 3GHz～6GHz에서 평균 이득 약 -0.9dBi를 유지하면서 첨두 이득(peak gain)이 약 3.46dBi으로 우수한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한 지향성은 향후 범용성을 고려하여 무지향성 (omni-direction) 특성을 가지도록 설계하였다.
본 논문에서의 구현된 시스템은 11m 범위내에서 최대 절대 오차 ±12mm(해상도 24mm)를 가지는 것을 알 수 있다.
후속연구
그 결과 임펄스 신호를 처리하는 소형의 RF 모듈 및 광대역을 지원하는 소형의 안테나를 개발하였으며, UWB-IR 기반 신호처리 알고리즘을 개발 하여 11m 이상의 거리에서 평균 오차 ±12 mm를 가지는 장거리 고정밀 측위가 가능한 시스템을 구현하였다. 향후 본 시스템은 무선 측위 기능을 지원하는 각종 서비스를 위한 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
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