KR101174126B1

KR101174126B1 - 실내위치 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR101174126B1
Application number: KR1020100066964A
Authority: KR
Inventors: 김기두; 사이퍼 라만 모하마드; 김병연
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2012-08-20
Also published as: KR20120006306A; WO2012008650A1

Abstract

본 발명은 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명을 이용한 실내위치 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하는 발광다이오드 조명(10)과; 발광다이오드 조명(10)과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지센서(20,30)와; 듀얼 이미지센서(20,30)로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기(40)로 구성하여, 외부신호의 간섭으로 인한 측정오류를 방지하여 측정 정밀도를 개선시키는 것을 특징으로 한다.

Description

실내위치 측정장치 및 방법{INDOOR POSITIONING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 실내위치 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명을 이용한 실내위치 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

한국 공개특허 제2010-0021325호에는 GPS 신호가 들어오지 않는 실내 및 터널 등의 음영지역에서도 위성신호를 수신가능하게 하여 위치를 확인할 수 있고, 네비게이션 서비스를 할 수 있는 처리과정 및 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 선행기술에서 GPS는 실내 환경에서 다른 라디오 소스로부터 라디오파 전달, 다중경로 사라짐 및 혼선 등으로 인해 큰 위치 에러를 발생하게 되는 문제점이 있다.

또한, WLAN, RFID, 블루투스 및 초음파(Ultrasound)와 같은 종래의 실내 위치측정장치는 시스템 불안정, 긴 응답시간 및 낮은 정확성 및 정밀도로 인한 문제점 등도 내포하고 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 가시광 통신(VLC:Visible Light Communication)이 적용되는 발광다이오드 조명과 듀얼 이미지센서를 이용한 실내위치 측정장치 및 방법을 제공하는 점에 있다.

본 발명의 다른 목적은 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명에서 발광되어 조사되는 광신호를 이용하여 실내위치를 측정함으로써 외부신호의 간섭으로 인한 측정오류를 방지하여 측정 정밀도를 개선시킬 수 있는 실내위치 측정장치 및 방법을 제공하는 점에 있다.

본 발명의 실내 위치측정장치는 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하는 발광다이오드 조명과; 상기 발광다이오드 조명과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지센서와; 상기 듀얼 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기로 구성되며,
상기 발광다이오드 조명은 발광다이오드가 가로와 세로방향으로 각각 다수개가 배열되어 설치되며, 상기 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호는 발광다이오드 조명에서 각각 모서리에 배치되어 서로 이격된 4개의 발광다이오드의 설치위치를 나타내고, 상기 듀얼 이미지센서는 동일 평면상에서 서로 이격되도록 위치되고 각각 광신호를 조사받아 투과시키는 광학렌즈와, 상기 광학렌즈의 하측에 설치되어 광학렌즈를 투과한 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 이미지소자로 이루어지며, 상기 제어기는 복수의 광학렌즈의 중심을 연결하는 직선의 중간위치를 목표위치의 좌표로 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실내 위치측정방법은 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈의 초점거리와 광학렌즈 사이의 거리를 저장하는 단계와; 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호에 따른 전기신호를 복조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 저장하는 단계와; 상기 듀얼 이미지센서의 초점거리와 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈 사이의 거리를 이용하여 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 산출하여 저장하는 단계와; 상기 다수개의 발광다이오드의 위치정보와 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 단계와; 상기 목표위치의 좌표가 산출되면 산출된 목표위치의 좌표 오류를 보정하는 단계로 구성되며,
상기 목표위치의 좌표를 산출하는 단계에서 상기 목표위치의 좌표는 복수의 광학렌즈의 중심을 연결하는 직선의 중간위치이며, 다음 이차방정식들에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.

,

여기서, (x,y,z)는 목표위치의 좌표이고, (x₁,y₁,z₁), (x₂,y₂,z₂), (x₃,y₃,z₃) 및 (x₄,y₄,z₄)는 각각 다수개의 발광다이오드의 설치위치의 좌표를 나타내며, d₁, d₂, d₃, 및 d₄는 각각 다수개의 발광다이오드의 목표위치의 좌표 사이의 거리를 나타낸다.

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본 발명의 실내 위치측정장치 및 방법은 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명에서 발광되어 조사되는 광신호를 이용하여 실내위치를 측정함으로써 외부신호의 간섭으로 인한 측정오류를 방지하여 측정 정밀도를 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실내위치 측정장치의 구성을 나타낸 도,
도 2는 본 발명의 실내위치 측정방법을 나타낸 도,
도 3a 및 도 3b는 각각 측정영역의 범위를 나타낸 도,
도 4는 본 발명의 실내위치 측정방법의 최소제곱추정법을 이용한 위치 에러를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실내위치 측정방법의 벡터추정법을 이용한 위치 에러를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 실내위치 측정방법의 최소제곱추정법 및 벡터추정법을 이용하여 얻은 위치 에러를 나타낸 그래프,
도 7a는 본 발명의 실내위치 측정방법에서 렌즈 사이의 거리에 따른 최소제곱추정법 및 벡터추정법에 대한 RMS 위치에러를 나타낸 그래프,
도 7b는 본 발명의 실내위치 측정방법에서 최소제곱추정법 및 벡터추정법에 대한 RMS 에러를 2차 지수 함수의 그래프로 비교한 그래프,
도 8은 본 발명의 실내위치 측정방법의 시뮬레이션 변수에 대한 리스트를 나타낸 표,
도 9는 본 발명의 실내위치 측정방법과 종래의 가시광통신 기반의 위치측정방법과 비교한 표이다.

이하, 본 발명의 실내 위치측정장치 및 방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 실내 위치측정장치는 발광다이오드 조명(10), 듀얼 이미지센서(20,30) 및 제어기(40)로 구성된다.

발광다이오드 조명(10)은 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하며, 듀얼 이미지센서(20,30)는 각각 발광다이오드 조명(10)과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력한다. 제어기(40)는 듀얼 이미지센서(20,30)로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 이용하여 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 산출한다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 실내 위치측정장치를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

발광다이오드 조명(10)은 도 1에서와 같이 변조된 4개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 각각을 광신호로 변환시켜 조사하며, 다수개의 발광다이오드 위치신호는 각각 발광다이오드 조명(10)에 설치되는 다수개의 발광다이오드(11)의 설치위치(A,B,C,D)를 나타낸다. 발광다이오드 조명(10)은 실내에 고정설치되며 발광다이오드(11)가 가로와 세로방향으로 각각 다수개가 배열되어 설치된다. 이러한 발광다이오드 조명(10)은 조명원으로도 사용됨과 아울러 가시광통신(VLC: Visible Light Communication)에 사용된다.

다수개의 발광다이오드(11)의 설치위치(A,B,C,D)와 같은 정보가 포함되는 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호는 중앙제어기(도시 않음)에서 변조된다. 중앙제어기는 건물(도시 않음)의 통신을 전반적으로 제어하거나 건물(도시 않음)에 설치되는 다수개의 발광다이오드 조명(10)의 점멸을 제어하며, 다수개의 발광다이오드 위치신호를 변조하여 실내위치를 측정하기 위해 기준이 되는 발광다이오드 조명(10)들로 전송된다.

듀얼 이미지센서(20,30)는 도 1 및 도 2에서와 같이 서로 동일 평면상에서 서로 이격되도록 위치되며, 각각은 광학렌즈(21,31) 및 이미지소자(22,32)로 구성된다. 광학렌즈(21,31)는 각각 발광다이오드 조명(10)으로부터 조사되는 광신호를 조사받아 투과시키며, 이미지소자(22,32)는 각각 광학렌즈(21,31)의 하측에 설치되어 광학렌(21,31)즈를 투과한 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력한다.

광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 이미지소자(22,32)는 각각 이미지 촬상소자나 다수개의 포토다이오드가 사용된다. 이미지소자(22,32)로 다수개의 포토다이오드의 사용시 각각은 하나의 픽셀로 사용된다.

제어기(40)는 복수의 광학렌즈(21,31)의 중심을 연결하는 직선(L)의 중간위치를 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)로 산출한다. 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)로 산출하는 제어기(40)는 미리 알고 있는 거리 정보(f, L) 등을 저장하거나 입력하기 위한 메모리(도시 않음)나 키보드와 같은 입력장치(도시 않음)가 구비된다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 실내위치 측정장치를 이용한 실내위치 측정방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제어기(40)는 도 2에 도시된 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈(21,31)의 초점거리(f)와 광학렌즈 사이의 거리(L)를 저장한다. 광학렌즈(21,31)의 초점거리(f)와 광학렌즈 사이의 거리(L)가 저장되면 제어기(40)는 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호에 따른 전기신호를 복조하여 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)를 저장한다.

다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)는 도 1에서와 같이 발광다이오드 조명(10)에서 각각 모서리에 배치됨으로써 서로 충분히 이격된 4개의 발광다이오드(11)의 위치정보이고 이는 미리 측정하여 발광다이오드 조명(10)의 점멸을 제어하는 중앙제어기(도시 않음)나 발광다이오드 조명(10)에 별도의 점열제어기(도시 않음)에 저장된다.

다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)가 저장되면 제어기(40)는 듀얼 이미지센서(20,30)의 초점거리(f)와 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈 사이(21,31)의 거리(L)를 이용하여 다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이의 거리정보를 산출하여 저장한다.

다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이의 거리정보가 저장되면 제어기(40)는 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)와 다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이의 거리정보(d₁,d₂,d₃,d₄)를 이용하여 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 산출한다. 여기서, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)는 복수의 광학렌즈(21,31)의 중심을 연결하는 직선(L)의 중간위치가 되며, 이러한 중간위치를 측정함으로써 본 발명의 실내위치 측정장치의 중앙을 측정위치로 선정하여 측정할 수 있게 된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 실내위치 측정방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실내위치 측정방법에 사용되는 다수개의 발광다이오드(11)의 선택시 발광다이오드 조명(10)에서 동일선상이 배열되어 설치되는 것이 아니라 도 1에서와 같은 위치정보(A, B, C 및 D)를 갖는 것을 선택한다. 즉, 발광다이오드 조명(10)의 모서리 부분에 설치되는 발광다이오드(11)를 선택하여 사용되며, 각각은 미리 측정되어 공지된 3차원좌표 정보들 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3) 및 D(x4,y4,z4)를 갖는다.

3차원좌표 정보를 갖는 위치정보들 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3) 및 D(x4,y4,z4)가 광신호로 변환되면 듀얼 이미지센서(20,30)에서 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하면 이를 제어기(40)에 수신받아 발광다이오드(11)의 3차원 축 정보 즉, 위치정보(A, B, C 및 D)로 복조하여 저장하게 된다. 듀얼 이미지센서(20,30)는 2개의 분리된 광학렌즈(21,31)를 이용하여 공간적으로 이격된 4개의 발광다이오드(11)로부터 빛의 세기로 변조된 광신호를 수신받아 전기신호로 변환하여 출력한다. 이러한 듀얼 이미지센서(20,30)는 동일 라인 pp'에서 주축으로 공지된 측방 거리로 동일면상에 설치된다. 동일한 특성 및 초점거리를 갖는 광학렌즈(21,31)는 각 이미지센서(20,30)의 중앙 위에 설치된다.

위치정보(A, B, C 및 D)를 이용하여 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 측정하는 방법은 도 1로부터 충분히 산출할 수 있을 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 "U"는 2개의 광학렌즈(21,31)의 중앙을 연결한 직선(L)의 중간위치를 나타낸다. 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)인 U(x,y,z)의 미지의 3차원 좌표는 이러한 체계로부터 측정하게 된다. 위치정보(A, B, C 및 D)를 각각 갖는 4개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이를 각각 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)로 나타내며, 각각의 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)는 2개의 이미지센서(20,30)상에 각각 수용된 발광다이오드 이미지의 차이에 의한 기하학적 관계로부터 산출된다.

본 발명의 실내위치 측정방법에서 제안된 위치 구조의 기하학적 관계는 도2에 상세히 나타나 있다. 도 2는 발광소자(11)로부터 목표위치(U)까지의 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)는 하기의 수학식1 내지 8을 통해 산출하게 된다.

상기 수학식1 내지 8에서 d_i는 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,yz) 사이의 거리이고, d_i의 i는 1 내지 4이며, i₁과 i₂는 각각 듀얼 이미지센서(20,30)의 이미지소자(22,32)의 중심에서 광신호 이미지의 중심까지의 거리이며, Pi₁ 및 Pi₂는 각각 이미지소자(22,32)의 주축에 상기 i₁ 및 i₂가 투영된 거리이며, f는 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈(21,31)의 초점거리이며, L은 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈(21,31) 사이의 거리를 나타낸다.

상기 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)가 산출되면 제어기(40)는 산출된 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)와 발광다이오드 조명(10)에서 기준이되는 되는 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D) 즉, 3차원좌표 정보들 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3) 및 D(x4,y4,z4)를 이용하여 다음 수학식9 내지 12와 같이 4개의 2차 방정식을 구성할 수 있으며, 이러한 4개의 2차방정식을 풀어 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 산출하게 된다.

상기 수학식9 내지 12에서, (x,y,z)는 목표위치(U)의 좌표이고, (x₁,y₁,z₁), (x₂,y₂,z₂), (x₃,y₃,z₃) 및 (x₄,y₄,z₄)는 각각 다수개의 발광다이오드(11)의 설치위치의 좌표를 나타내며, d₁, d₂, d₃, 및 d₄는 각각 다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,y,z) 사이의 거리정보를 나타낸다.

이러한 본 발명의 실내위치 측정방법을 이용해 산출된 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)의 오차를 보정하는 방법을 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

목표위치(U)의 좌표(x,y,z)의 오차를 보정하는 방법은 먼저 최소제곱추정법(LSE: Least Square Estimation)을 이용하여 보정한 후 보정이 완료되면 다시 z축 값을 추정하기 위하여 벡터추정법(Vector Estimation)을 이용하여 보정하게 된다.

먼저, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)가 산출되면 이를 보정하기 위해 최소제곱추정법으로 보정을 실시한다.

3차원의 공지되지 않은 위치 즉, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 추정하기 위하여, 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,y,z) 사이의 거리가 정확하게 추정된다면 상기 4개의 2차방정식 중 3개의 식만으로도 충분하다. 그러나, 듀얼 이미지센서(20,30)의 화소에서 양자화 에러의 영향으로 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,y,z) 사이의 정확한 거리를 추정할 수 없다.

이러한 문제에 대한 직관적인 해결책은 하기 3개의 발광다이오드(11)를 보다 더 많이 이용하는 것이다. 수학적으로는 3개의 발광다이오드(11)를 이용하는 방정식을 오버-디터민드 시스템(over-determined system) 방정식으로 전환하면, 이것은 선형 최소제곱의 문제가 된다. 따라서 X에 대한 다음 수학식13 내지 16에 기재된 방정식을 풀어서 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)의 위치를 추정하여 보정하게 된다.

여기서,

및

상기 수학식13 내지 16을 이용하는 선형 최소제곱추정법의 해결책에 대한 조건은 매트릭스(M)이 전체 열(full rank)을 가져야 한다. 그러나 발광다이오드 조명(10)에서 기준이 되는 즉, 위치정보(A,B,C,D)를 각각 갖는 다수개의 발광다이오드(11)는 동일 평면(즉, 모든 것은 동일 z좌표 값을 가짐)에 있으므로 이러한 조건은 만족하지 않는다. 따라서 4번째 기준 즉, 위치정보(D)를 갖는 발광다이오드(11)의 z축 값에 작은 값을 추가해 줘야 한다. 이러한 방법은 매트릭스(M)의 특이한 문제를 푸는 것이나 오류를 갖는 z축 추정 값을 얻게 된다. z축 값을 추정하기 위하여 벡터추정법(Vector Estimation)을 사용하며, 이러한 추정을 위해 3개의 기준 즉, 위치정보(A,B,C)를 갖는 발광다이오드(11)를 이용한다.

z축 보정을 위한 벡터추정법은 먼저, 만일 벡터

,

및

가 각기 A, B 및 C의 좌표축에 상응한 벡터로 나타나면, 2개의 교차지점은 다음 수학식17 내지 26의 방정식을 이용하여 산출하게 된다.

z축 값으로 두개의 교차점으로 나타나는 벡터

,

중 실내 천장 의 기학적인 관계와 연관되는 하나를 선택하여 보정하게 된다.

본 발명의 실내위치 측정방법의 성능을 맷랩(MATLAB)을 이용하여 시물레이션을 실시하여 평가하였다.

맷랩(MATLAB)을 이용한 시뮬레이션에 의한 평가 결과, 본 발명의 실내위치 측정장치의 구조의 한 가지 중요한 점은 발광다이오드 조명(10)의 면적에 의해 측정할 수 있는 위치의 면적이 결정된다는 것이다. 4개의 발광다이오드(11)가 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 보일 수 있다면, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)는 본 발명의 실내위치 측정장치에 의해 추정될 수 있다. 위치 측정 면적은 듀얼 이미지센서(20,30)가 발광다이오드 조명(10)과 평행일 때 최소로 줄어들게 된다.

도 3a 및 도 3b는 각각 위치 측정 면적을 계산하기 위한 기하학적 치수를 도시한 도면으로, 도 3a는 발광다이오드 조명(10)을 측면에서 바라본 도이며, 도 3b는 발광다이오드 조명(10)을 상측에서 바라본 도이다. 도 3a 및 도 3b에 각각 도시된 바와 같이 이미지 센서(20,30)가 발광다이오드 조명(10)에 평행이라고 가정하면 위치 측정 면적은 다음 수학식27 및 28의 방정식에 의해 계산할 수 있다.

여기서, φ는 이미지센서의 FOV(Field Of View)의 반(half)이고, q는 발광다이오드 조명(10)의 측면 길이이며, h는 발광다이오드 조명(10)과 듀얼 이미지센서(20,30) 사이의 수직거리이며, r은 위치 측정 면적의 측면의 길이이다.

맷랩(MATLAB)의 시뮬레이션 모델에서, 발광다이오드 조명(10)의 표면적이 1×1 m² 이라고 가정하고, 듀얼 이미지센서(20,30)의 FOV는 45°이며, 발광다이오드 조명(10)과 듀얼 이미지센서(20,30) 사이의 수직거리를 3.5m 이라 한다. 따라서, 본 발명의 실내 위치 측정장치는 발광다이오드 조명(10)이 3.5m 거리를 가질 때, 1.8x1.8 m²의 면적의 추정위치를 가지게 되며, 본 발명의 맷랩(MATLAB)의 시뮬레이션의 파라메터의 리스트가 도 8에 도시되어 있다.

본 발명의 맷랩(MATLAB)의 시뮬레이션은 듀얼 이미지센서(20,30)의 주축이 위치 측정 면적의 x축에 평행하다고 가정한다. 그리고 듀얼 이미지센서(20,30)는 니콘 카메라 D40, D50, D70, D100 및 팬탁스 K100D 등에서 사용하는 APS-C 타입 6메가 화소 이미지 센서를 적용하게 된다. 그리고 시뮬레이션 변수는 도 8에 도시된 표에 상세히 나타나 있다.

듀얼 이미지센서(20,30)의 화소는 2차원으로 배열되도록 정렬되어 발광다이오드(11)의 이미지 즉, 광신호 이미지는 다수개의 화소로 구성된다. 이러한 이유에서 다른 측정을 하기 전에 각 광신호 이미지의 중심을 결정할 필요가 있다.

N개의 화소가 특정 발광다이오드(11)의 이미지를 구성한다면, 이미지의 중심은 다음 수학식29를 이용하여 산출된다.

상기 수학식29에서 j=1,2,3 …, N이고, (Nr, Nc)는 이미지 매트릭스의 열 및 행에 따른 이미지 중심이고, (Nrj, Ncj)는 발광다이오드 이미지와 일치하는 화소의 열-행 번호이며, j는 화소의 개수이다.

본 발명의 실내 측정방법 중 최소제곱추정법에 따른 맷랩(MATLAB) 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.

본 발명의 실내 측정방법 중 최소제곱추정법의 시물레이션은 고정된 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)에 대하여 먼저 평가하고, 다른 요소들은 일정하게 유지하며, 듀얼 이미지센서(20,30)의 라인당 화소의 수는 20화소의 스텝으로 500에서 3008로 증가시키면서 실시한다.

상기 시뮬레이션 결과는 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서, 수평축은 라인당 화소(pixel)를 나타내고, 수직축은 미터(m)로 위치에러를 나타낸다. 위치에러는 화소수가 증가하므로 감소하게 된다. 에러는 화소의 양자에러에 기인하여 발생한 변동상태를 나타낸다. 그 이유는 이미지 중심은 상기 수학식29를 이용한 이미지 중심 추정으로부터 얻어진 화소의 중심이다. 그러나, 발광다이오드의 이미지의 실제 중심은 항상 화소 중심은 아니다. 그 결과, 양자화 에러를 얻게 된다. 도 4로부터 추정에러는 라인당 화소가 2948일 때 각기 x, y 및 z축을 따라서 0.156, 0.007 및 0.867m이다. 이 경우 전체에러는 0.88m 이다. x축 및 y축을 따른 에러는 z축을 따른 에러보다 훨씬 작다.

최소제곱추정법에서, 위에 언급한 것과 같이 계산을 위하여 'D' 기준 발광다이오드(11)의 z축에 작은 길이를 추가하였다. 그 결과, z축 추정에러는 증가하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 3개의 기준 즉 위치정보(A,B,C)를 각각 갖는 발광다이오드(11)로부터 벡터추정법을 이용한 미지의 z축을 추정하게 된다.

벡터추정법에 따른 맷랩(MATLAB) 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.

3차원 미지위치의 벡터추정법에 대하여 3개의 기준 발광다이오드(11)를 필요로 하고, 기준 발광다이오드(11)에 상응한 데이터를 사용하게 된다. 라인당 화소는 추정 에러 상 화소 크기의 영향을 이해하도록 500으로부터 3008로 증가시키게 된다. 모든 다른 변수는 전술한 LSE와 마찬가지로 변하지 않게 유지하게 된다. 벡터추정법의 결과는 도 5에 도시된 바와 같고, 수평 및 수직축은 라인당 화소의 수와 추정 에러를 각기 나타낸다.

추정 에러는 라인당 화소가 2948일 때 각기 x, y 및 z축을 따라서 0.212, 0.078 및 0.013m이다. 전체 에러는 0.226m 이다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 벡터추정법은 최소제곱추정법보다 z축을 따른 더 작은 에러를 준다. 이와 반대로, x 및 y축을 따른 에러는 최소제곱추정법 보다 더 크게 된다. 또한 x축을 따른 에러가 y축을 따른 에러보다 더 크게 나오는데, 시뮬레이션에서, 듀얼 이미지센서(20,30)의 주축은 x축에 평행이고, 그 이유로 x축을 따른 에러는 y축을 따른 에러 보다 크기 때문이다.

상기 2개의 결과를 요약하면, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 전체적으로 양호한 추정을 얻기 위하여 x축 및 y축에 대하여는 최소제곱추정법이 사용되고, z축에 대하여는 벡터추정법이 사용되어야 한다. 다른 축에 따른 최소제곱추정법 및 벡터추정법의 조합으로부터 추정 에러와 전체 추정에러는 도 6에 도시되어 있다. 특정위치에 따른 전체 추정에러는 라인당 화소의 수가 2948일 때 0.156m 이다.

한편, 본 발명에서 광학렌즈(21,31)의 거리(L)와 위치에러 사이의 관계는 다음과 같다.

본 발명에서는 광학렌즈(21,31)의 거리(L)와 위치에러 사이의 관계를 찾기 위하여 2cm 스텝으로 4cm부터 20cm로 렌즈의 중심사이의 거리를 가변하고, 다음 수학식30을 이용하여 32761 실험위치의 에러위치(Erms)의 RMS(root mean square)을 계산한다.

여기서, n은 추정될 위치의 수이고, Err_n은 n번째 위치의 추정 에러이다. 그의 결과는 도 7a에 도시되고, RMS 위치에러는 2개의 광학렌즈(21,31) 사이의 거리(L)가 증가함에 따라 벡터추정법과 최소제곱추정법-벡터추정법에서 모두 감소하게 된다. 위치 성능의 개선은 10cm 거리까지 중요하다. 10cm에서, 벡터 및 최소제곱추정법-벡터추정법은 각기 0.1239 및 0.09333이다. 렌즈 거리가 7.2cm보다 증가한다면, 최소제곱추정법-벡터 추정법의 RMS 에러가 벡터추정법의 에러보다 작게 된다. 위치추정면적과 듀얼 이미지센서(20,30)의 거리 사이에 트레이드오프가 있으므로 센서(20,30) 간 거리를 가능한 적게 유지하면서 잘 정해야 한다. RMS 에러와 광학렌즈(21,31) 거리사이의 관계를 설정하기 위하여 도 7b에 나타난 바와 같이, 최소제곱추정법-벡터추정법에 대한 RMS 에러를 2차 지수 함수의 그래프로 비교하였다. 이와 같은 관계는 다음의 수학식31과 같다.

따라서, 본 발명은 발광다이오드 조명(10) 및 듀얼 이미지센서(20,30)를 이용한 실내위치 측정방법은 위치에러를 몇 센티미터의 범위내에서 최소화할 수 있어 도 9에서와 같이 종래의 실내위치 측정장치와 비교하여 보다 정밀하게 위치측정을 수행할 수 있으며, 경박단소화시킬 수 있는 이점이 있다.

10: 발광다이오드 조명 11: 발광다이오드
20,30: 듀얼 이미지센서 21,31: 광학렌즈
22,23: 이미지소자 40: 제어기

Claims

변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하는 발광다이오드 조명과;
상기 발광다이오드 조명과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지센서와;
상기 듀얼 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기로 구성되며,
상기 발광다이오드 조명은 발광다이오드가 가로와 세로방향으로 각각 다수개가 배열되어 설치되며, 상기 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호는 발광다이오드 조명에서 각각 모서리에 배치되어 서로 이격된 4개의 발광다이오드의 설치위치를 나타내고,
상기 듀얼 이미지센서는 동일 평면상에서 서로 이격되도록 위치되고 각각 광신호를 조사받아 투과시키는 광학렌즈와, 상기 광학렌즈의 하측에 설치되어 광학렌즈를 투과한 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 이미지소자로 이루어지며,
상기 제어기는 복수의 광학렌즈의 중심을 연결하는 직선의 중간위치를 목표위치의 좌표로 산출하는 것을 특징으로 하는 실내 위치측정장치.
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제1항에 있어서, 상기 이미지소자는 이미지 촬상소자나 다수개의 포토다이오드가 사용되는 것을 특징으로 하는 실내 위치측정장치.
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듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈의 초점거리와 광학렌즈 사이의 거리를 저장하는 단계와;
변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호에 따른 전기신호를 복조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 저장하는 단계와;
상기 듀얼 이미지센서의 초점거리와 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈 사이의 거리를 이용하여 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 산출하여 저장하는 단계와;
상기 다수개의 발광다이오드의 위치정보와 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 단계와;
상기 목표위치의 좌표가 산출되면 산출된 목표위치의 좌표 오류를 보정하는 단계로 구성되며,
상기 목표위치의 좌표를 산출하는 단계에서 상기 목표위치의 좌표는 복수의 광학렌즈의 중심을 연결하는 직선의 중간위치이며, 다음 이차방정식들에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.

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여기서, (x,y,z)는 목표위치의 좌표이고, (x₁,y₁,z₁), (x₂,y₂,z₂), (x₃,y₃,z₃) 및 (x₄,y₄,z₄)는 각각 다수개의 발광다이오드의 설치위치의 좌표를 나타내며, d₁, d₂, d₃, 및 d₄는 각각 다수개의 발광다이오드의 목표위치의 좌표 사이의 거리를 나타낸다.
제8항에 있어서, 상기 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 산출하는 단계는 다음 수학식을 다수개의 발광다이오드의 개수에 따라 반복하여 산출되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.

여기서,
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이며,
d_i는 발광다이오드와 목표위치의 좌표 사이의 거리이고, d_i의 i는 1 내지 4이며, i₁과 i₂는 각각 듀얼 이미지센서의 이미지센서의 중심에서 광신호 이미지의 중심까지의 거리이며, Pi₁ 및 Pi₂는 각각 이미지센서의 주축에 상기 i₁ 및 i₂가 투영된 거리이며, f는 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈의 초점거리이며, L은 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈 사이의 거리를 나타낸다.
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제8항에 있어서, 상기 목표위치의 좌표 오류를 보정하는 단계는 목표위치의 좌표가 산출되면 목표위치의 좌표의 오차를 최소제곱추정법으로 보정하는 단계와;
상기 최소제곱추정법으로 보정된 목표위치의 좌표 중 z축 오차를 벡터추정법으로 보정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.
제12항에 있어서, 상기 최소제곱추정법으로 보정하는 단계는 다음 방정식을 이용하는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.

여기서,
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및
이 된다.
제12항에 있어서, 상기 벡터추정법은 다음 수학식을 이용하하는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.

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여기서,
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이다.