KR100939640B1 - 다중 주파수의 음원을 이용한 위치인식방법 및위치인식시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 위성을 설치하여 이동체의 위치를 인식하기 위한 초음파를 이용한 위치인식방법 및 위치인식시스템을 제공한다. 본 발명은 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 위성을 설치하여 이동체의 위치를 인식하기 위한 초음파를 이용한 위치인식방법으로서, 복수 개의 초음파 위성에 동기신호를 발생하는 단계와, 각 초음파 위성이 동시에 상이한 주파수의 초음파를 발신하는 단계와, 초음파를 수신한 이동체 수신기가 초음파의 주파수 대역별로 이동체 자신과 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 단계와, 계산된 거리에 기초하여 이동체의 현재 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 위치인식방법을 제공한다. 본 발명에 따른 초음파를 이용한 위치인식시스템은 초음파를 발신하는 초음파 위성, 이 초음파 위성에서 발신되는 초음파를 수신하여 현재의 위치를 인식하는 이동체, 초음파 위성과 이동체에 동기신호를 제공하기 위한 기준시각 방송기 및 이동체에 초음파 위성의 좌표를 제공하기 위한 서버를 구비하여 이루어진다.

다중 주파수, 위치인식장치, 음원, 초음파

Description

다중 주파수의 음원을 이용한 위치인식방법 및 위치인식시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR RECOGNITION OF LOCATION BY USING SOUND SOURCES WITH DIFFERENT FREQUENCIES}

본 발명은 초음파를 이용한 위치인식방법 및 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 동시에 초음파를 발생하는 복수 개의 초음파 위성을 사용하여 이동체의 좌표를 계산하는 위치인식방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT 성장동력 기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-018-01, 과제명:혼합현실기반 u-체험형 콘텐츠 운용플랫폼 개발].

현재 널리 사용되는 위치인식시스템에는 실외에서 인공위성을 이용하여 광범위한 지역을 대상으로 제공되는 지피에스 (GPS)가 있다. 그러나 이와 같은 지피에스를 이용한 위치인식시스템은 실내에서 사용이 불가능하고, 건물이 밀집되어 있는 곳에서도 동작이 안되는 경우가 있다. 또한 이와 같은 지피에스를 이용한 위치인식시스템은 광범위한 지역에 대한 상대적인 정도는 좋지만, 좁은 지역에 대한 반복정도는 수십미터로써 매우 낮다.

이에 대해 대한민국 등록특허공보 등록번호 제0351962호 "의사위성을 이용한 항법 시스템"은 이와 같은 종래 위치인식시스템을 보완하여 실내에서도 사용이 가능한 방법을 제안하고 있다. 그러나 이와 같은 방법은 가까운 거리에서 신호 강도의 변화가 크다는 등의 문제로 실용화에는 장애가 있다.

한편 이와 같은 위치인식시스템들보다 용이한 방법으로 초음파를 적용하는 다양한 기술이 제안되고 있다.

도 1은 AT&T Laboratories Cambridge에서 Active Bat System으로 제안한 The Bat Ultrasonic Location System를 보여주는 도면이다. 이와 같은 위치인식시스템은 이동체가 초음파를 발신하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 초음파를 이용한 위치인식은 전파를 이용하는 방법과 달리 초음파의 간섭 특성상 동시에 발신이 곤란하므로 이동체에서 초음파를 발신하고 여러개의 수신기에서 도달 시간을 측정하는 방법이다. 그러나 이와 같은 방법은 1개의 이동체에 대해서만 적용이 가능하다는 문제점이 있다.

또한 Freger에 의한 미국특허 제5,793,704호 "METHOD AND DEVICE FOR ULTRASONIC RANGING"은 최대진폭을 통해 초음파를 이용한 거리측정방법을 제안하고 있으나, 이와 같은 최대진폭 방식은 다소 복잡할 뿐만 아니라 성능이 제한적이다.

이에 대해 대한민국 공개특허공보 공개번호 특2003-0093387 "이동체의 위치 및 방향 추정을 위한 초음파 센서 시스템"은 이동체가 초음파를 수신하는 방법을 제안하였지만, 이와 같은 방법도 동기신호 송신이 이동체에서 이루어지기 때문에 여러 개의 이동체가 독립적으로 운용되는 것이 불가능하다. 특히 이와 같은 방법은 이동체가 여러 개인 경우 서로 간섭이 있기 때문에 또 다른 규칙이 필요하다.

또한 출원번호 10-2005-0018538 “초음파를 이용한 위치인식시스템 및 그의 제어방법”에서는 초음파 발신기를 고정시키고 순차적으로 초음파를 발신하여 각각의 발신기와의 거리를 측정하는 방법을 이용한다. 그러나 이의 경우 초음파 발신기 모두가 한번씩 발신하여야 수신기의 위치를 계산할 수 있기 때문에 초음파 발신 간격과 위치를 파악하기 위해 필요한 초음파 위성의 개수에 따라 이동체의 위치를 측정할 수 있는 시간이 지연된다.

따라서 본 발명에서는 전술한 문제를 해결하기 위하여, 초음파 발신 신호를 순차적으로 발신하지 않고 서로 다른 주파수를 갖는 성분을 동시에 발신하고 수신하는 위치인식방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 4개 이상의 고정된 발신기를 이용하는 대신 동일 평면상에 최소 3개의 발신기를 부착하여 3차원 위치를 측정하는 새로운 위치인식방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명은 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 위성을 설치하여 이동체의 위치를 인식하기 위한 초음파를 이용한 위치인식방법에 있어서, 복수 개의 초음파 위성에 동기신호를 발생하는 단계와, 각 초음파 위성이 동시에 상이한 주파수의 초음파를 발신하는 단계와, 상기 초음파를 수신한 이동체 수신기가 초음파의 주파수 대역별로 이동체 자신과 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 단계와, 계산된 거리에 기초하여 이동체의 현재 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 위치인식방법을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 이동체에 부착되어 이동체의 위치를 파악하기 위한 측위용 수신기로서, 초음파 안테나와, 동시에 3개 이상의 상이한 주파수 대역을 갖는 초음파 신호를 처리할 수 있는 수신부와, 각기 상이한 주파수 대역의 초음파 신호를 동시에 발신하는 복수 개의 초음파 위성으로부터의 초음파 신호의 도달 시간을 기초로 초음파 신호의 주파수 대역별로 이동체 자신과 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 연산부와, 각 초음파 위성과의 거리에 기초하여 상기 이동체의 현재 위치를 산출하는 측위부를 포함하는 것을 특징으로 하는 측위용 수신기가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이동체의 위치를 파악하기 위한 위치인식시스템으로서, 각기 상이한 주파수의 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 발신기와, 초음파 발신기에게 동기신호를 공급하는 제어기와, 초음파 발신기로부터의 상이한 주파수의 초음파를 수신하고, 수신한 주파수 대역별로 이동체 자신과 해당 초음파 발신기와의 거리를 계산하며, 이로부터 자신의 3차원 위치를 결정하는 초음파 수신기와, 복수 개의 초음파 발신기의 위치 좌표를 제공하는 서버를 포함하고, 복수 개의 초음파 발신기가 제어기의 제어에 따라 동시에 초음파를 발신하는 것을 특징으로 하는 위치인식시스템이 제공된다.

본 발명에 따른 초음파를 이용한 위치인식방법 및 시스템에 의해, 정밀한 소규모 지피에스를 구현할 수 있고, 저렴한 가격으로 위치인식을 할 수 있다.

또한, 최근에 주목받는 위치기반서비스에의 응용이 가능하다. 예컨대, 복잡한 상가에서 조그마한 출입문이나 유사 업체가 인접한 곳에서 특정 매장을 구분하여 찾아갈 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 위치인식시스템의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 위치인식시스템은 기준시각 방송기, 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 위성(200_a 내지 200_n)을 이용 하여 복수 개의 이동체에 부착된 측위용 수신기(100_a 내지100_n), 각 초음파 위성의 좌표 등을 제공하는 서버(250), 이 서버와 이동체와 초음파 위성을 연결하는 유무선 네트워크로 구성된다.

각 초음파 위성은 각기 고유번호를 가지고 각기 상이한 주파수의 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 발신기를 포함하며, 동기신호에 따라 동시에 초음파를 발신한다.

동기신호를 발생시켜 송출하는 기준시각 방송기는, 가동중인 초음파 위성 중 어느 하나 또는, 시각 정보가 포함된 상업방송, GPS 위성 등과 같은 외부의 별도 장치일 수 있다. 또는 사용자가 소지하는 휴대폰 등의 측위용 수신기로부터 동기신호를 송출할 수도 있다.

또한 각 초음파 위성이 초음파를 방출하는 시점은 동기신호를 수신한 직후가 되거나 또는 동기신호 수신시점으로부터 미리 설정한 시간이 경과한 후 모두 가능하다. 즉, 각 초음파 위성이 동시에 초음파를 방출하는 것이 핵심이나, 측위 대상이 이동체이므로 시간에 따른 위치 변화가 있을 수 있으므로, 단순하고 정확한 위치 측정을 위해서는 동기신호 수신시점 직후 또는 매우 근접한 시간에 초음파를 방출하는 것이 바람직하다.

한편, 각 초음파 위성에 타이머가 내장된 경우 최초의 동기신호를 수신한 이후에는, 각 초음파 위성이 독자적으로 일정 간격으로 동시에 초음파를 방출하도록 할 수 있다.

이상과 같이 각 초음파 위성이 동시에 초음파를 방출하되 상호 다른 주파수 의 초음파를 발신함으로써, 본 발명에 따른 위치인식시스템 및 방법은 주파수 간섭 문제를 해결하고 이에 따라 일정 공간 내에 위치한 복수 개의 이동체에 대한 위치를 동시에 인식할 수 있다.

이하, 도 3을 참조하며 전술한 위치인식시스템에서 본 발명에 따른 위치인식을 수행하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 복수 개의 초음파 위성(200_a 내지 200_n) 각각에 고유 번호를 부여하고, 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)의 고유 번호 또는 초음파 주파수 및 위치 좌표를 측위용 수신기(100_a 내지 100_n)에 전달한다. 고유 번호 및 위치 좌표의 전달은 서버(250)가 수행할 수도 있고, 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)이 수행할 수도 있으며, 해당 공간에 진입하기 전에 측위용 수신기(100_a 내지 100_n)에 다양한 방법으로(예컨대, 유무선 데이터 링크를 통하여) 측위용 수신기(100_a 내지 100_n)에 전달할 수 있음은 물론이다.

이러한 사전 절차가 수행된 후, 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)은 동기신호가 수신되는지 여부를 대기하고(S300), 동기신호가 수신되면 동기부를 작동하며(S310), 각 위성별로 미리 설정된 상이한 주파수의 초음파를 발신한다(S320).

이때, 측위를 위한 초음파 위성의 수는 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)이 상이한 평면에 배치되었을 때는 최소 4개, 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)이 천장 또는 바닥과 같이 동일 평면에 배치된 경우에는 최소 3개가 필요하다.

이동체의 측위용 수신기(100_a 내지 100_n; 이하, 이동체 수신기, 초음파 수신기, 또는 수신기라고도 함)가 초음파를 수신하면(S330), 위성별 주파수 성분을 분류하고(S340), 각 주파수 성분별로 전달시간을 파악한다(S350).

수신기(100_a 내지 100_n)는 동기신호를 방출하거나, 또는 수신기(100_a 내지 100_n)도 동기신호를 각 초음파 위성과 함께 수신하며, 동기신호는 전파로서 빛의 속도에 해당하므로, 수신기(100_a 내지 100_n)의 동기신호 송출시점 또는 수신시점과 각 주파수의 초음파 신호의 수신시점의 차를 계산하여 각 주파수 성분별 전달시간을 파악할 수 있다.

각 전달시간은 동기신호가 보내진 시점으로부터 초음파가 이동체에 전달된 시점 사이의 시간 간격을 의미하는 것으로서, 전달시간이 구해지면 수신기(100_a 내지 100_n)는 [거리 = 음속 * 전달시간]으로부터 해당 주파수를 송출한 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)과의 거리를 계산할 수 있다(S360).

한편, 사전절차에서 수신기(100_a 내지 100_n)는 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)의 위치 정보를 획득한 상태이므로, 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)과의 거리를 알면 후술하는 수학식에 기초하여 자신의 현재 위치를 계산할 수 있다(S370).

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파를 이용한 위치인식시스템은, 여러개의 초음파신호가 동시에 발신되고 그것이 수신이 되면 초음파 신호가 중첩이 되어 서로 간섭을 일으킬 수 있으므로, 각 초음파 위성별로 상이한 주파수의 초음파가 동시에 발신되도록 하고, 이동체에서는 주파수 별로 각각의 성분을 분류하여 각 주파수별 포락선을 구하여, 각 고유번호 및 주파수에 따른 위성의 초음파 성분에 따른 거리 값을 구한다.

한편, 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)은 상호 간의 거리를 측정해서 현재 매질(즉, 공기) 상태(온도, 습도 등)에 따른 보정된 음속에 대한 참고 정보를 상기 이동체에 제공하여 측위용 수신기(100_a 내지 100_n)가 보다 정밀하게 자신과 각 초음파 위성(200_a 내지 200_n)과의 거리를 계산할 수 있도록 함이 바람직하다.

본 발명에 따른, 이동체에 부착된 측위용 수신기(100_a 내지 100_n)는 동시에 또는 근접하여 상이한 주파수를 수신하게 되므로, 수신기(100_a 내지 100_n)의 수신단이 하나일 경우, 수신된 초음파 신호의 주파수 성분을 분리하여, 각 초음파 위성에서 발신한 주파수를 식별하는 것이 필요하다. 주파수 성분을 분리하는 방법은 일반적으로 주파수 성분을 분류하는 데 사용되는 대역통과 필터, 또는 푸리에 변환 및 역푸리에 변환에 의한 방법 등이 사용될 수 있다.

다른 실시예로서, 측위용 수신기(100_a 내지 100_n)는 주파수 성분을 분리하지 않고, 특정 주파수만 수용할 수 있는 수신단을 다수 개 포함하여, 각 초음파 위성으로부터 동시에 방출되는 상이한 주파수의 신호를 수신하는 구성을 취할 수 있다.

이하, 이동체의 위치를 계산하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

3차원 직교 좌표에서 한 점의 위치 (x, y, z)를 구하기 위하여, 기존의 방법에서는 4개의 고정된 위치 (xi, yi, zi) (i= 1,2,3,4)로부터의 거리 di(i= 1,2,3,4) 가 각각 필요하다. 이 4개의 정해진 위치로부터 어느 한 점까지의 각각의 거리를 알고 있다고 할 때, 다음의 수학식 1에 의하여 그 점의 위치를 구할 수 있다.

수학식 1에서 x, y, z의 2차항을 소거하면 다음의 수학식 2가 유도된다.

이를 행렬 연산으로 바꾸면 다음과 같이 나타낼 수가 있다.

여기서 각 항은 다음과 같다.

이때 위 행렬 식의 행렬 A가 역행렬을 갖기 위해서는 Det(A) 값이 0이 되지 않아야 한다.

그러나 실내에서 초음파 위성을 설치하는 경우에는 대부분 천장에 위성을 설치하고 있으며 천장과 바닥을 수직으로 연결한 축을 z 축이라고 가정할 경우 z1= z2= z3= z4 이 되기 때문에 행렬식이 0의 값을 갖게 되어 역행렬이 구해지지 않게 된다. 즉 천장이나 바닥의 어느 한 평면상에 초음파 위성을 설치하는 경우에는 초음파 위성의 개수가 아무리 많아도 행렬 A는 역행렬을 갖지 못한다.

따라서 본 발명은 복수 개의 발신기가 천장과 같이 하나의 평면상에 존재할 때에 이동체의 위치를 구할 수 있는 방법을 새롭게 제시한다.

즉, 수학식 1에서 천장과 바닥을 수직으로 연결한 축을 z 축이라고 가정하면 z1 = z2 = z3 = z4 이 되기 때문에 수학식 2의 세 번째 항을 생략하면, 수학식 4의 각 성분은 다음과 같이 정리될 수 있다.

따라서 이동체의 (x,y) 좌표값은 이 식을 통해 구할 수 있다.

한편 이동체는 일반적으로 천장보다 낮게 위치해 있으며 z가 높이를 의미하는 것이라면 이동체의 z 값은 다음과 같이 구할 수 있다.

위와 같이, 천장과 같은 동일 평면에 초음파 위성이 배치되어 있을 경우에는 3개의 초음파 위성만으로도 이동체의 3차원 좌표를 구할 수 있다.

이상, 바람직한 실시예를 들어 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자라면 다양한 변형과 변경을 가할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.

도 1은 종래의 초음파를 이용한 위치인식시스템의 일례를 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 위치인식시스템의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 위치인식방법의 절차를 도시한 흐름도.

Claims (11)

1. 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 위성을 설치하여 이동체의 위치를 인식하기 위한 초음파를 이용한 위치인식방법에 있어서,

   상기 복수 개의 초음파 위성에 동기신호를 발생하는 단계와,

   상기 각 초음파 위성이 동시에 상이한 주파수의 초음파를 발신하는 단계와,

   상기 초음파를 수신한 이동체 수신기가 상기 초음파의 주파수 대역별로 상기 이동체 자신과 상기 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 단계와,

   상기 계산된 거리에 기초하여 상기 이동체의 현재 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 위치인식방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수 개의 초음파 위성 각각에 고유 번호를 부여하는 단계와,

   상기 각 초음파 위성의 고유번호, 위치 정보 및 사용 주파수를 사전에 상기 이동체 수신기에 전달하는 단계와,

   상기 이동체 수신기가 상기 초음파 위성별 고유번호, 위치정보 및 사용주파수를 저장 및 관리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치인식방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이동체의 이동 가능 공간의 천정 또는 바닥의 하나의 평면에 3개의 초음파 위성을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치인식방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 거리를 계산하는 단계는,

   상기 동기신호를 기준으로 즉시 또는 소정 시간 후 상기 초음파 위성이 동시에 발신한 각기 상이한 주파수의 초음파를 수신하는 단계와,

   상기 동기신호 수신 시점 또는 소정 시간 경과 후 시점과 초음파 신호의 수신시점 사이의 시간 간격을 구하는 단계와,

   상기 시간 간격에 음속을 곱하여 상기 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치인식방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 거리를 계산하는 단계는,

   상기 각 초음파 위성이 초음파를 발신하는 시각 정보를 수신하는 단계와,

   상기 초음파를 발신하는 시각 정보와 상기 이동체 수신기에 수신된 상기 초음파의 수신 시각 사이의 시간 간격을 구하는 단계와,

   상기 시간 간격에 음속을 곱하여 상기 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치인식방법.
6. 이동체에 부착되어 상기 이동체의 위치를 파악하기 위한 측위용 수신기로서,

   초음파 안테나와,

   동시에 3개 이상의 상이한 주파수 대역을 갖는 초음파 신호를 처리할 수 있는 수신부와,

   각기 상이한 주파수 대역의 초음파 신호를 동시에 발신하는 복수 개의 초음파 위성으로부터의 상기 초음파 신호의 도달 시간을 기초로 상기 초음파 신호의 주파수 대역별로 상기 이동체 자신과 각 초음파 위성과의 거리를 계산하는 연산부와,

   상기 각 초음파 위성과의 거리에 기초하여 상기 이동체의 현재 위치를 산출하는 측위부를 포함하는 것을 특징으로 하는 측위용 수신기.
7. 제6항에 있어서, 상기 수신부는, 상기 3개 이상의 상이한 주파수 대역의 초음파 신호를 수신하는 하나의 수신단을 포함하는 것을 특징으로 하는 측위용 수신기.
8. 제6항에 있어서, 상기 수신부는, 상기 3개 이상의 상이한 주파수 대역의 초음파 신호를 특정 주파수 대역별로 수신하는 복수 개의 수신단을 포함하는 것을 특징으로 하는 측위용 수신기.
9. 제6항에 있어서, 상기 복수 개의 초음파 위성이 동기신호를 수신한 이후 일정간격으로 동시에 초음파를 방출하도록 상기 각 초음파 위성은 타이머를 포함하는 것을 특징으로 하는 측위용 수신기.
10. 이동체의 위치를 파악하기 위한 위치인식시스템으로서,

    각기 상이한 주파수의 초음파를 발신하는 복수 개의 초음파 발신기와,

    상기 초음파 발신기에 동기신호를 공급하는 제어기와,

    상기 복수 개의 초음파 발신기로부터 상기 상이한 주파수의 초음파를 수신하고, 수신한 주파수 대역별로 상기 이동체 자신과 해당 초음파 발신기와의 거리를 계산하며, 이로부터 자신의 3차원 위치를 결정하는 초음파 수신기와,

    상기 복수 개의 초음파 발신기의 위치 좌표를 상기 초음파 수신기에 제공하는 서버를 포함하고,

    상기 복수 개의 초음파 발신기는 상기 제어기의 제어에 따라 동시에 초음파를 발신하는 것을 특징으로 하는 위치인식시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 초음파 발신기는,

    상기 이동체의 이동 가능 공간내의 동일평면에 배치될 경우에는 3개 이상이 배치되고,

    상이한 평면에 배치될 경우에는 4개 이상이 배치되는 것을 특징으로 하는 위치인식시스템.

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