KR101294284B1 - 무선통신을 이용한 위치 산출 방법 및 장치 - Google Patents

무선통신을 이용한 위치 산출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위치 산출 방법 및 장치에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 이미 알고 있는 제1, 제2 및 제3 기준위치를 이용한 연산부의 위치 산출 방법은, 기설정된 무선 통신에 의한 거리 측정 방식에 의해 상기 제1 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D1, 상기 제2 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D2 및 상기 제3 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D3을 확인하는 단계; 삼각 함수를 이용하여 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치로부터 각기 상기 D1, D2 및 D3거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제1, 제2 및 제3 원의 교점들의 위치를 각기 산출하는 단계; 직선 방정식을 이용하여 상기 교점들의 위치로부터 상기 제1 원과 상기 제2 원의 두 교점을 지나는 제1 직선, 상기 제2 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제2 직선 및 상기 제1 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제3 직선의 교점의 위치를 산출하는 단계; 및 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점의 위치를 이용하여 상기 특정위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선통신을 이용한 위치 산출 방법 및 장치{Method and Apparatus for Measuring Position using Radio Communication}
본 발명은 특정위치 산출 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 세 개의 기준위치를 이용하여 특정위치를 산출할 수 있는 위치 산출 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 무선 통신을 이용하여 움직이는 물체를 추적하는 위치 인식 시스템이 많이 사용되고 있다.
종래의 위치 인식 시스템은 최소 3개의 기준위치와 위치를 계산하려는 1개의 대상이 존재하면, 위치를 인식할 수 있다. 이때, 도 1과 같이, 기준위치 Anchor1, Anchor2 및 Anchor3의 좌표를 (x1, y1), (x2, y2) 및 (x3, y3)라 하고, 이동 개체 M의 현재 위치를 (x, y)라고 가정하면, 이동 개체 M으로부터 각 기준위치 사이의 거리는 피타고라스 정리에 의해 3개의 원의 방정식(도 1의 점선 표시 3개의 원 참조)으로 정의될 수 있다.
이때, 기준위치에서 특정 물체의 거리(d1, d2, d3)의 값은 다양한 방정식을 이용하여 산출될 수 있다. 예를 들어, d1, d2, d3의 값은 수신신호의 세기(RSSI)와의 관계, 도착시간(TOA)이나 도착 시간차(TDOA) 등을 이용하여 산출될 수 있다.
RSSI, TOA 또는 TDOA 등의 방식으로 3개의 기준위치로부터 특정물체와의 거리 d1, d2 및 d3를 산출하면, 세 기준위치의 좌표값도 알 수 있으므로, 이동 개체의 현재 위치인 (x, y)값은 하기의 수학식 1과 같은 원의 방정식에 따른 세 원의 교점 좌표 (x,y)로부터 산출될 수 있다.
Figure 112012010326335-pat00001
그런데, 종래의 RSSI, TOA 또는 TDOA에 의한 거리 산출 방법은 무선 통신을 이용하므로, 신호의 송수신 과정에서 회절, 반사나, 굴절 등이 발생하면, 산출된 거리에 오류가 발생하는데, 통상, 산출 거리가 길어지는 오류가 발생한다. 따라서, 종래의 RSSI, TOA 또는 TDOA에 의한 거리 산출 방법은 원의 방정식만으로는 특정 물체의 위치를 산출할 수 없었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 삼각 함수 및 직선 방정식에 의해 무선통신에 위한 방식으로 산출된 거리의 오차를 보상하여 세 개의 기준위치로부터 보다 정확한 특정위치를 산출할 수 있는 위치 산출 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일면에 따른 이미 알고 있는 제1, 제2 및 제3 기준위치를 이용한 연산부의 위치 산출 방법은, 기설정된 무선 통신에 의한 거리 측정 방식에 의해 상기 제1 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D1, 상기 제2 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D2 및 상기 제3 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D3을 확인하는 단계; 삼각 함수를 이용하여 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치로부터 각기 상기 D1, D2 및 D3거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제1, 제2 및 제3 원의 교점들의 위치를 각기 산출하는 단계; 직선 방정식을 이용하여 상기 교점들의 위치로부터 상기 제1 원과 상기 제2 원의 두 교점을 지나는 제1 직선, 상기 제2 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제2 직선 및 상기 제1 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제3 직선의 교점의 위치를 산출하는 단계; 및 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점의 위치를 이용하여 상기 특정위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 위치 산출 장치는, 제1, 제2 및 제3 기준위치를 확인하는 확인부; 및 기설정된 무선 통신에 의한 거리 측정방식에 의해 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치와 특정위치와의 거리 D1, D2 및 D3을 각기 산출하고, 삼각 함수 및 직선 방정식을 이용하여 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치 및 상기 D1, D2 및 D3 거리로부터 상기 특정위치를 산출하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 무선 통신 과정의 회절, 반사, 굴절에 의한 산출 거리의 오차를 고려하여 기준위치로부터 특정위치를 산출할 수 있어, 산출된 특정위치의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 무선 통신에 의해 산출된 기준위치와 특정위치와의 거리 D1, D2, D3가 정확할 때, 특정위치 산출 방법을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위치 산출 장치를 도시한 구성도.
도 3은 무선 통신에 의해 산출된 거리 D1, D2, D3에 오류가 발생하였을 때, 제1, 제2 및 제3 기준위치와 특정위치의 관계를 도시한 도면.
도 4는 제1 기준위치, 제2 기준위치 및 (x1, y1)를 꼭지점으로 하는 삼각형을 도시한 도면.
도 5 내지 7은 제1 및 제2 기준위치, 제1 및 제2 기준위치의 중심좌표 및 제1 및 제2 원의 두 교점의 관계를 도시한 도면.
도 8 및 9는 제1 및 제2 원의 두 교점, 제2 및 제3 원의 두 교점, 제1 및 제3 원의 두 교점을 지나는 제1 내지 제3 직선과 특정위치의 관계를 도시한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 위치 산출 장치에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위치 산출 장치를 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 위치 산출 장치(20)는 확인부(210), 연산부(220) 및 저장부(230)를 포함한다.
확인부(210)는 제1, 제2 및 제3 기준위치의 장치(기지국, 중계기 등)와 통신하여 제1, 제2 및 제3 기준위치를 확인한다. 이때, 확인부(210)는 제1, 제2 및 제3 기준위치를 별도로 확인하지 않고, 이미 알고 있을 수도 있다.
연산부(220)는 RSSI, TOA 또는 TDOA 등과 같은 기설정된 무선 통신에 의한 거리 측정방식에 의해 제1, 제2 및 제3 기준위치와 특정물체와의 거리 D1, D2 및 D3을 각기 산출한다.
연산부(220)는 삼각 함수 및 직선 방정식을 이용하여 제1, 제2 및 제3 기준위치 및 D1, D2 및 D3 거리로부터 특정위치 (x, y)를 산출한다.
연산부(220)는 특정위치 (x, y)를 산출하는 복수의 연산과정에서 산출된 각 연산결과를 저장부(230)에 저장한 후, 이후의 연산과정에서 저장부(230)로부터 읽어와 사용할 수 있다.
이하, 도 3 내지 7을 참조하여 제1 기준위치(Anchor1)로부터 D1 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제1 원, 제2 기준위치(Anchor2)로부터 D2 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제2 원 및 제3 기준위치(Anchor3)로부터 D3 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제3 원의 교점들 (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3), (x4, y4), (x5, y5) 및 (x6, y6)을 산출하는 과정에 대하여 설명한다.
도 3은 무선 통신에 의해 산출된 거리 D1, D2, D3에 오류가 발생하였을 때, 제1, 제2 및 제3 기준위치와 특정위치의 관계를 도시한 도면이며, 도 4는 제1 및 제2 기준위치와 제1 기준위치로부터 D1 거리만큼 이격되고, 제2 기준위치로부터 D2 거리만큼 이격된 점(x1, y1)를 꼭지점으로 하는 삼각형을 도시한 도면이며, 도 5 내지 7은 제1 및 제2 기준위치 (xa1, ya1), (xa2, ya2), 제1 및 제2 기준위치의 중심좌표(xc, yc) 및 제1 및 제2 원의 두 교점(x1, y1), (x2, y2)의 관계를 도시한 도면이다.
<<제1, 제2 기준위치 및 특정위치를 잇는 삼각형의 밑변 및 높이 산출>>
도 4를 참조하면, 연산부(220)는 삼각 함수를 이용하여 제1 및 제2 기준위치로부터 제1 및 제2 기준위치와 특정위치를 잇는 삼각형의 밑변 A 및 높이 B를 산출할 수 있다.
연산부(220)는 삼각형의 밑변 k를 하기의 수학식 2와 같이 산출하고, 제1 기준위치 (xa1, ya1)와 제2 기준위치(xa2, ya2)의 x축인 A값 및 제1 기준위치와 제2 기준위치의 y축인 B값을 하기의 수학식 3과 같이 산출한다.
Figure 112012010326335-pat00002
Figure 112012010326335-pat00003
<<삼각형의 일 각도 산출>>
도 5를 참조하면, 연산부(220)는 제1 기준위치와 제2 기준위치를 잇는 직선과 제1 기준위치와 제1 교점 (x1, y1)을 잇는 직선의 각도 α를 하기의 수학식 4과 같이 산출한다.
Figure 112012010326335-pat00004
<<두 교점의 중심좌표 산출>>
도 6을 참조하면, 연산부(220)는 삼각형의 내각 α와 제1 기준위치의 가중치 좌표 (R1x, R1y)에 의해 하기의 수학식 5와 같이 중심좌표 (xc, yc)를 산출할 수 있다.
Figure 112012010326335-pat00005
Figure 112012010326335-pat00006
이때, 가중치 좌표 (R1x, R1y)는 (xa1, ya1)를 기준으로 중심좌표의 이격된 정도로서, 만약 (xa1, ya1)이 (0, 0)이면 가중치 좌표 (R1x, R1y)는 (0, 0)이다.
<< 두 교점의 좌표 산출>>
도 7을 참조하면, 연산부(220)는 하기의 수학식 6과 같이 제1 원 및 제2 원의 두 교점의 중심좌표 (xc, yc)와 각도 α로부터 두 교점의 좌표 (x1, y1) 및 (x2, y2)를 산출할 수 있다.
Figure 112012010326335-pat00007
Figure 112012010326335-pat00008
전술한 바와 같이, 연산부(220)는 수학식 2 내지 6을 통해 제1 원과 제2 원의 두 교점의 좌표를 전술할 수 있다.
마찬가지로, 연산부(220)는 제2 기준위치와 제3 기준위치의 관계 및 제1 기준위치와 제3 기준위치의 관계로부터 제2 원과 제3 원의 교점 및 제1 원과 제3 원의 교점들의 위치도 산출할 수 있다.
<<특정위치의 좌표 산출>>
이하, 도 8 및 9를 참조하여 특정물체의 좌표를 산출하는 방법에 대하여 설명한다. 도 8 및 9는 제1 및 제2 원의 두 교점, 제2 및 제3 원의 두 교점, 제1 및 제3 원의 두 교점을 지나는 제1 내지 제3 직선과 특정위치의 관계를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 연산부(220)는 직선 방정식을 이용하여 제1 원과 제2 원의 두 교점들을 지나는 제1 직선(①), 제2 원과 제3 원의 두 교점들을 지나는 제2 직선(②) 및 제1 원과 제3 원의 두 교점들을 지나는 제3 직선(③)의 교점을 산출한다.
연산부(220)는 제1 직선(①)의 기울기 a1와 제2 직선(②)의 기울기 a2를 산출하고, 산출된 기울기 a1과 a2를 이용하여 제1 직선(①) 및 제2 직선(②)의 교점 xf3, yf3을 하기의 수학식 7와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112012010326335-pat00009
Figure 112012010326335-pat00010
마찬가지로, 연산부(220)는 제2 직선(②)의 기울기 a2와 제3 직선(③)의 기울기 a3로부터 제2 직선(②)과 제3 직선(③)의 교점 xf2, yf2을 하기의 수학식 8과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112012010326335-pat00011
Figure 112012010326335-pat00012
또한, 연산부(220)는 제3 직선(③)의 기울기 a3과 제1 직선(①)의 기울기 a1으로부터 제3 직선(③)과 제1 직선(①)의 교점 xf1, yf1을 하기의 수학식 9와 같이 산출한다.
Figure 112012010326335-pat00013
Figure 112012010326335-pat00014
연산부(220)는 수학식 7 내지 9에서 산출된 교점들 (xf3, yf3), (xf2, yf2) 및 (xf1, yf1)이 모두 일치하면, 그 중 하나의 교점을 바로 특정위치로 산출할 수 있다.
그런데, 제1, 제2 및 제3 직선(①, ②, ③)의 교점과 특정위치는 도 9와 같이, 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 연산부(220)는 하기의 수학식 10과 같이, 제1 및 제2 직선의 교점, 제2 및 제3 직선의 교점 및 제1 및 제3 직선의 교점의 평균값에 의해 최종 좌표 즉, 특정위치 (x, y)를 산출한다.
Figure 112012010326335-pat00015
한편, 연산부(220)는 연산 과정을 줄이기 위하여 제1, 제2 및 제3 직선의 교점 중에 하나를 특정위치로 산출할 수 있음은 물론이다.
위치 산출 시험 결과, 본 발명의 위치 산출 방법은 20m x 20m 하나의 셀 영역에서, 2.1m이내의 오차만이 발생하여 종래의 위치 산출 방법에 비해 정확도를 높일 수 있음이 확인되었으며, 위치정보 손실률도 0.9% 정도로 낮음이 확인되었다.
이와 같이, 본 발명은 무선 통신 과정의 회절, 반사, 굴절에 의한 산출 거리의 오차를 고려하여 기준위치로부터 특정위치를 산출할 수 있어, 산출된 특정위치의 정확도를 높일 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 이미 알고 있는 제1, 제2 및 제3 기준위치를 이용한 연산부의 위치 산출 방법으로서,
    기설정된 무선 통신에 의한 거리 측정 방식에 의해 상기 제1 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D1, 상기 제2 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D2 및 상기 제3 기준위치로부터 특정위치와의 거리 D3을 확인하는 단계;
    삼각 함수를 이용하여 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치로부터 각기 상기 D1, D2 및 D3거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제1, 제2 및 제3 원의 교점들의 위치를 각기 산출하는 단계;
    직선 방정식을 이용하여 상기 교점들의 위치로부터 상기 제1 원과 상기 제2 원의 두 교점을 지나는 제1 직선, 상기 제2 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제2 직선 및 상기 제1 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제3 직선의 교점의 위치를 산출하는 단계; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점의 위치를 이용하여 상기 특정위치를 산출하는 단계
    를 포함하는 위치 산출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 특정위치를 산출하는 단계는,
    상기 제1 직선과 제2 직선의 교점, 상기 제2 직선과 상기 제3 직선의 교점 및 상기 제1 직선과 상기 제3 직선의 교점이 일치하는지를 확인하는 단계; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 직선의 각 교점이 일치하면, 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점을 상기 특정위치로 산출하는 단계
    를 포함하는 것인 위치 산출 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 특정위치를 산출하는 단계는,
    상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점이 하나라도 일치하지 않으면, 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점의 평균을 상기 특정위치로 산출하는 단계
    를 포함하는 것인 위치 산출 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각기 산출하는 단계는,
    상기 제1, 제2 및 제3 기준위치로부터 상기 D1 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 상기 제1 원과 상기 제2 기준위치로부터 상기 D2 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 상기 제2 원의 두 교점의 위치를 산출하는 단계;
    상기 삼각 함수에 의해 상기 제2 원과 상기 제3 기준위치로부터 상기 D3 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 상기 제3 원의 두 교점의 위치를 산출하는 단계; 및
    상기 삼각 함수에 의해 상기 제1원과 상기 제3 원의 두 교점의 위치를 확인하는 단계
    를 포함하는 것인 위치 산출 방법.
  5. 제1, 제2 및 제3 기준위치를 확인하는 확인부; 및
    기설정된 무선 통신에 의한 거리 측정방식에 의해 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치와 특정위치와의 거리 D1, D2 및 D3을 각기 산출하고, 삼각 함수를 이용하여 상기 제1, 제2 및 제3 기준위치로부터 각기 상기 D1, D2 및 D3 거리만큼 이격된 점들로 이루어진 제1, 제2 및 제3 원의 교점들의 위치를 각기 산출하고, 직선 방정식을 이용하여 상기 교점들의 위치로부터 상기 제1 원과 상기 제2 원의 두 교점을 지나는 제1 직선, 상기 제2 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제2 직선 및 상기 제1 원과 상기 제3 원의 두 교점을 지나는 제3 직선의 교점의 위치를 산출하며, 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점의 위치를 이용하여 상기 특정위치를 산출하는 연산부
    를 포함하는 위치 산출 장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 제1 직선과 상기 제2 직선의 교점, 상기 제2 직선과 상기 제3 직선의 교점 및 상기 제1 직선과 상기 제3 직선의 교점이 일치하는지를 확인하고, 일치하면 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점을 상기 특정위치로 산출하는 것인 위치 산출 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연산부는,
    상기 제1, 제2 및 제3 직선의 각 교점이 하나라도 일치하지 않으면, 상기 제1, 제2 및 제3 직선의 교점의 평균 위치를 상기 특정위치로 산출하는 것인 위치 산출 장치.
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