KR100944687B1 - 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 RFID(radio frequency identification)와 초음파 비행시간(TOF)을 이용한 액티브 비컨 센서 시스템의 위치 추정 기법에서 주변 장애물에 대한 초음파 반사 또는 환경 잡음에 의해 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위한 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 특정 비컨으로 RFID를 송출하고, 상기 특정 비컨으로부터 발신된 초음파가 수신되면 산출한 초음파 비행시간으로 비컨과의 거리를 계산하여 그 결과를 측정치로 설정하는 제1단계와; 상기 특정 비컨에 대한 미리 저장된 이전 거리 데이터로부터 다음 거리를 예측하여 예측치를 산출하는 제2단계와; 상기 측정치와 예측치를 비교하여 초음파 간섭 여부를 판단하는 제3단계와; 상기 판단 결과 초음파 비간섭으로 판단되면 상기 측정치를 유효 처리하고 이력 정보로 저장하는 제4단계와; 상기 판단 결과 초음파 간섭으로 판단되면, 상기 측정치를 재계산하는 제5단계와; 상기 제4단계에서 유효 처리된 측정치 상기 제5단계에서 재계산된 측정치를 선택적으로 사용하여 로봇 위치를 추정하는 제6단계를 수행하게 된다.

액티브 비컨 센서 시스템, 위치 추정, 초음파 간섭 제거, NRW

Description

액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법{Method of estimating location}

본 발명은 RFID(radio frequency identification)와 초음파 비행시간(TOF)을 이용한 액티브 비컨 센서 시스템의 위치 추정 기법에서 주변 장애물에 대한 음파 반사 또는 환경 잡음에 의해 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위한 액티브 비컨 센서 시스템에 관한 기술로서, 본 연구 및 기술은 대한민국 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT 신성장 동력 핵심기술개발사업의 일환으로 수행된 것이다.

일반적으로, 어떠한 환경 내에서 이동 물체가 어디에 위치하는지 모니터링 할 경우나 어떤 로봇에 이동 명령을 내릴 경우 이동 물체나 로봇의 현재 위치를 알아야 한다. 위치 측정은 그 범위에 따라 실내와 실외로 구분되며, 측정 방법에 따라 상대 위치 측정 방법과 절대 위치 측정 방법으로 구분된다.

실내 환경에서 삼각 측량법을 이용하여 절대 위치를 측정하는 방법은, 거리 측정을 이용한 lateration 방법 및 각도 측정에 기초한 angulation 방법으로 구분된다.

도 1은 종래 삼각 측량법으로 위치 추정을 수행하는 액티브 비컨 센서 시스 템(Active Beacon Sensor system)의 구성을 보인 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 환경(보편적으로 천장)에 설치되어 RF 수신 및 초음파 신호를 발신하는 복수의 비컨(11 ~ 14)과, 이동체(로봇)(20)에 장착되어 RF 발신 및 상기 비컨(11 ~ 14)이 발사하는 초음파 신호를 수신하여 처리하는 제어기(21)로 구성되어 있다.

제어기(21)는 도면에는 도시하지 않았지만, 전체 시스템을 제어하고 좌표계산을 하는 제어부와, RF를 송신하는 RF송신부, 상기 RF송신부로부터 발생되는 RF를 공간상에 송출하는 안테나와, 상기 복수의 비컨으로부터 송출되는 초음파 신호를 수신하는 복수의 초음파 수신기 등으로 구성된다.

또한, 비컨은 RF를 수신하는 RF수신기와, 초음파 신호를 생성하여 공간상에 발신하는 초음파 송신기와, 송신 및 수신을 제어하는 제어부 등으로 구성된다.

이와 같이 구성되는 액티브 비컨 센서 시스템은, 제어기(21)에서 특정의 비컨(비컨 1)(11)을 RFID를 이용하여 호출하고, 상기 RFID와 동일한 ID를 갖는 비컨(11)에서 그에 응답으로 초음파를 발신한다.

여기서 RF의 속도는 초음파의 속도보다 훨씬 빠르다. 따라서 RF를 발신한 후 초음파가 수신될 때까지의 시간을 비컨(11)에서 이동체(20)까지의 초음파 비행시간(TOF: Time of Flight)을 계산할 수 있다. 그리고 초음파 비행 시간을 알면 초음파 비행거리를 계산할 수 있다.

이후 제어기(21)에서 특정이 비컨(비컨2)(12)을 RFID를 이용하여 호출하고, 그에 응답하여 비컨(12)이 송출한 초음파 비행시간으로부터 비컨(12)과 이동체(20) 와의 거리를 계산하게 된다.

초음파의 속도는 아래의 [수학식 1]과 같이 표현되고, 비행거리는 [수학식 2]와 같이 표현된다.

d = c × TOF

여기서 c는 초음파의 속도, d는 초음파의 비행거리를 나타낸다. TOF는 초음파의 비행시간을 의미한다. 비컨1, 비컨2, 비컨3으로부터 측정된 비행거리를 d1, d2, d3라고 할 때, 아래의 [수학식 3]과 같은 연립방정식이 성립한다. 여기서 (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3)은 비컨1, 비컨2 및 비컨3의 위치 좌표이다. 또한, (xr, yr, zr)은 이동체(로봇)의 위치좌표이다. 상기 [수학식 3]을 연립해서 풀면 이동체(로봇)의 위치좌표(xr, yr, zr)를 알아낼 수 있다.

여기서 각 비컨으로부터 거리 데이터를 수집하는 과정에서 도2와 같이 반사 파를 먼저 수신하면 비컨과의 거리가 실제보다 가까운 것으로 오인된다. 이와는 반대로 초음파가 장애물 때문에 여러 경로를 반사해서 수신되면 초음파 비행시간이 긴 것으로 오인되어 실제보다 먼 거리로 인식된다.

그러나 종래의 삼각측량법을 이용한 위치 측정 방법은 상기와 같은 이전 비컨의 반사파와 장애물에 의한 환경 잡음 등을 고려하지 않고 위치 측정을 수행하기 때문에, 환경 잡음 또는 반사파 등으로 인해 현재 위치를 실제보다 가깝거나 멀게 오인하는 경우가 발생하는 제반 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 측정시 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주변 장애물에 대한 음파 반사 또는 환경 잡음에 의해 발생할 수 있는 오차를 줄여 위치 추정에 정확성을 도모하도록 한 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법"의 바람직한 실시 예는,

특정 비컨으로 RFID를 송출하고, 상기 특정 비컨으로부터 발신된 초음파가 수신되면 산출한 초음파 비행시간으로 비컨과의 거리를 계산하여 그 결과를 측정치로 설정하는 제1단계와;

상기 특정 비컨에 대한 미리 저장된 이전 거리 데이터로부터 다음 거리를 예측하여 예측치를 산출하는 제2단계와;

상기 측정치와 예측치를 비교하여 초음파 간섭 여부를 판단하는 제3단계와;

상기 판단 결과 초음파 비간섭으로 판단되면 상기 측정치를 유효 처리하고 이력 정보로 저장하는 제4단계와;

상기 판단 결과 초음파 간섭으로 판단되면, 상기 측정치를 재계산하는 제5단계와;

상기 제4단계에서 유효 처리된 측정치 상기 제5단계에서 재계산된 측정치를 선택적으로 사용하여 로봇 위치를 추정하는 제6단계를 포함한다.

여기서 상기 제2단계의 예측치는,

환경 잡음이나 반사파로 인한 초음파 간섭 여부를 판단하기 위한 허용 오차 범위를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 허용 오차 범위는 이동체(로봇)의 최고 속력을 감안하여 초음파 비행시간을 예측하기 위한 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 초음파 센서의 음파 전달 특성상 발생하는 주변장애물에 의한 반사파나 주변 환경에서 발생한 잡음을 제거할 수 있으므로, 이동체(로봇)와 비컨과의 정확한 거리 계산이 가능하여, 이동체(로봇)의 위치를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명이 적용되는 액티브 비컨 센서 시스템의 구성은 도 1에 도시한 구성과 동일하므로, 구체적인 설명시 이를 참조하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 "액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법"을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.

이에 도시된 바와 같이, 특정 비컨으로 RFID를 송출하고, 상기 특정 비컨으로부터 발신된 초음파가 수신되면 산출한 초음파 비행시간(TOF)으로 비컨과의 거리를 계산하여 그 결과를 측정치(dij)로 설정하는 제1단계(S101 ~ S103)와; 상기 특정 비컨에 대한 미리 저장된 이전 거리 데이터로부터 다음 거리를 예측하여 예측치(di(j-1)+kσ)를 산출하는 제2단계(S107)와; 상기 측정치와 예측치를 비교하여 초음파 간섭 여부를 판단하는 제3단계(S109 ~ S111)와; 상기 판단 결과 초음파 비간섭으로 판단되면 상기 측정치를 유효 처리하고 이력 정보로 저장하는 제4단계(S115)와; 상기 판단 결과 초음파 간섭으로 판단되면, 상기 측정치를 재계산하는 제5단계(S113)와; 상기 제4단계에서 유효 처리된 측정치 상기 제5단계에서 재계산된 측정치를 선택적으로 사용하여 로봇 위치를 추정하는 제6단계(S117)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추 정 방법은, 먼저 단계 S101에서와 같이 이동체(로봇)에서 특정 비컨으로 해당 비컨의 ID를 포함하는 RFID를 발신하고, 초음파 비행시간 측정을 위한 시간 카운트를 시작한다.

RFID를 수신한 특정 비컨은 초음파를 발신하게 되고, 단계 S103에서 상기 특정 비컨으로부터 발신된 초음파가 수신되면 상기 시간 카운트를 종료하고, 단계 S105에서 상기 카운트한 초음파 비행시간을 이용하여 비컨과의 거리를 계산하여 측정치(dij)로 결정한다. 여기서 dij는 i번째 비컨에 대한 측정된 j번째 거리 값을 의미한다.

다음으로, 단계 S107에서 상기 특정 비컨에 대해서 미리 저장된 이력 정보를 이용하여 상기 특정 비컨에 대한 다음 위치의 거리 데이터인 예측치(di(j-1)+kσ)를 산출한다. 여기서 σ는 이전 거리 데이터에서 추출한 통계치(예를 들어, 표준편차)를 의미하고, k는 실험에 의해 설정되는 상수를 의미한다.

상기에서 예측치는 환경 잡음이나 반사파로 인한 초음파 간섭 여부를 판단하기 위한 허용 오차 범위(Kσ)를 포함하는 데, 이러한 허용 오차 범위는 이동체(로봇)의 최고 속력을 감안하여 초음파 비행시간을 예측하기 위한 값으로 설정한다.

또한, 이전 거리 데이터는 도 4에 도시한 바와 같다. 즉, 초음파 비행시간 관련 데이터를 각 비컨 별로 도4와 같이 저장하고, 그 저장 데이터의 통계치를 이용하여 이동체(로봇)의 다음 위치 좌표를 예측하게 된다.

이후 단계 S109 및 단계 S111에서 잡음 제거 윈도(NRW: Noise Rejection Window)를 적용하여 상기 측정치와 예측치를 비교하여, 측정치의 유효 여부를 판단 한다. 여기서 예측치와 측정치가 허용 오차 이내일 경우는 초음파 간섭이 없는 것으로 판단하고, 이와는 달리 예측치와 측정치가 허용 오차를 벗어날 경우는 초음파 간섭이 발생한 것으로 판단하게 된다. 즉, 주변 환경이나 잡음 등에 의해 초음파가 간섭을 받아 비컨 과의 거리가 너무 멀거나 가깝게 되면 측정한 측정치를 이용할 경우 위치 추정에 오류가 발생한다.

따라서 본 발명은 잡음 제거 윈도를 이용하여 이러한 주변 환경이나 잡음 등에 의해 초음파가 간섭을 받을 경우, 직접파를 제외한 반사파 등을 제거하여 위치 추정 오류를 방지하게 된다.

상기 단계 S109 및 S111의 판단 결과 초음파 간섭이 없는 것으로 판단되면, 단계 S115로 이동하여 상기 측정한 거리 데이터를 유효 정보로 처리하고, 이를 해당 비컨의 이력 정보로 저장하여 추후 예측치를 산출하는 데 이용한다.

이와는 달리 상기 단계 S109 및 S111의 판단 결과 초음파 간섭이 발생한 것으로 판단이 되면, 단계 S113으로 이동하여 오류가 발생한 측정치를 버리고, odomtry와 같은 방식으로 비컨 과의 거리를 다시 계산하게 된다.

이후 단계 S117에서 삼각측량법을 적용할 수 있는 세 개 이상의 비컨의 거리 값을 획득하면, 공지의 삼각측량법을 이용하여 이동체(로봇)의 위치를 추정하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상 상술한 본 발명은 실내에서 이동체의 위치 추정시 비컨으로부터 발신된 초음파에 내포된 잡음을 제거하고, 정확하게 이동체(로봇)의 위치를 추정할 수 있는 기술로서, 공공 서비스 로봇은 물론 이동체의 위치 추정에 관한 산업 전 분야에 적용할 수 있다.

도 1은 종래 액티브 비컨 센서 시스템의 개략 구성도.

도 2는 종래 액티브 비컨 센서 시스템의 위치 추정 오류를 설명하기 위한 설명도.

도 3은 본 발명에 따른 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법을 보인 흐름도.

도 4는 본 발명에 적용되는 각 비컨별 초음파 비행시간 관련 이력 데이터 예시도.

Claims (4)

1. 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치를 추정하는 방법에 있어서,

   특정 비컨으로 RFID(radio frequency identification)를 송출하고, 상기 특정 비컨으로부터 발신된 초음파가 수신되면 산출한 초음파 비행시간으로 비컨과의 거리를 계산하여 그 결과를 측정치로 설정하는 제1단계와;

   상기 특정 비컨에 대해 미리 저장된 이전 거리 데이터로부터 다음 거리를 아래의 수식으로 예측하여 예측치를 산출하는 제2단계와;

   상기 측정치와 예측치를 비교하여 상기 예측치가 미리 설정된 허용 오차 범위 내에 존재할 경우에만 초음파 비간섭으로 판단하는 제3단계와;

   상기 판단 결과 초음파 비간섭으로 판단되면 상기 측정치를 유효 처리하고 이력 정보로 저장하는 제4단계와;

   상기 판단 결과 초음파 간섭으로 판단되면, 상기 측정치를 재계산하는 제5단계와;

   상기 제4단계에서 유효 처리된 측정치 또는 상기 제5단계에서 재계산된 측정치를 선택적으로 사용하여 로봇 위치를 추정하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법.

   <수식>

   예측치 = di(j-1)+kσ

   여기서 di(j-1)는 i번째 비컨에 대한 측정된 j-1번째 거리 값을 의미하고,

   kσ는 허용 오차로서, σ는 이전 거리 데이터에서 추출한 통계치(예를 들어, 표준편차)를 의미하고, k는 실험에 의해 설정되는 상수를 의미한다.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 허용 오차 범위는 이동체(로봇)의 최고 속력을 감안하여 초음파 비행시간을 예측하기 위한 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제6단계는 상기 제4단계에서 유효 처리된 측정치를 우선적으로 선택하여 사용하며, 특정 비컨에 대해서 상기 측정치가 유효 처리되지 않은 경우에 한하여 상기 제5단계에서 재계산된 측정치를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 액티브 비컨 센서 시스템에서 위치 추정 방법.

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