KR101815938B1 - 센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법 - Google Patents

센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법이 제공된다. 일 측면에 따른 3차원 위치와 방향을 추정하는 방법은 세기 정보들을 수신하면 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치의 세기기반 위치와 원격장치의 세기기반 방향을 추정하고, 관성정보를 수신해서 원격장치의 관성기반 위치와 원격장치의 관성기반 방향을 추정하고, 세기기반 위치와 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 융합된 위치를 추정하고 세기기반 방향과 관성기반 방향을 가중합해서 융합된 방향을 추정한다. 이때, 세기기반 위치와 세기기반 방향은 이전정보를 이용해서 노이즈 제거된 세기 정보를 통해서 추정된다.

Description

센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법{Method and apparatus for estimating 3D position and orientation by means of sensor fusion}
기술분야는 센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 세기 정보를 기반으로 하는 위치/방향 추정 방법과 관성 정보를 기반으로 하는 위치/방향 추정 방법을 융합해서 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이동하는 물체 또는 대상의 3차원 위치와 방향을 추정하는 기술은 종래 영화, Graphics/Animation 산업 등에서 고가/대형 모션 캡쳐 장비를 이용하여 3차원 공간 내 물체 및 인체, 동물 등의 움직임을 센싱 하는데 주로 활용되어 왔다.
하지만, 게임 산업 관련 CE(Consumer Electronics)향 모션 센싱 기술이 주목을 받기 시작하면서 저가/소형 모션 캡쳐를 통한 3차원 위치 및 방향 추정 방법이 많이 개발되었다.
공간에서 3D 위치를 추정하는 방법은 크게 카메라를 이용하는 방법과 적외선을 이용하는 방법, 관성 센서를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
카메라를 이용하는 방법의 경우, 다수의 2D 카메라를 이용하여 카메라 영상 내 맺히는 마커/광원의 위치를 공간 상의 3차원 위치로 변환이 가능하다. 하지만 카메라 해상도 및 마커의 크기 등에 의해 정밀도가 좌우되어 고정밀 센싱이 어렵다.
초음파를 이용하는 방법의 경우, 초음파가 공기 중에서 음속(약 340m/s)으로 진행하는 것을 이용하여 초음파가 발신부로부터 수신부까지 도달한 시간(TOF; Time of Flight)을 측정하면 거리를 계산할 수 있다. 3개 이상의 동일 시점 거리 정보를 취득한 후 삼각 측량 기법 등의 방법을 통해 3차원 위치를 계산한다. 초음파의 경우 카메라와 같은 고가 장비에 비해 저가의 장비로 고정밀 센싱이 가능하다는 장점을 가진다. 하지만, 초음파는 음파간 간섭으로 인해 신호의 동시 발신이 어렵고, 공기 중 초음파 신호 감쇄 시간(3m 거리에서 약 100msec 소요)을 감안하면, 이동체에 대한 실시간 위치 추정이 어렵다는 한계점을 가지고 있다.
관성 센서의 경우, 가속도, 자이로 센서를 이용하여 취득되는 운동 및 중력가속도, 각속도를 이용하여 계산되는 운동 가속도 성분을 적분하여 3차원 위치를 추정할 수는 있다. 하지만, 시간이 지남에 따라 오차가 누적되어 짧은 시구간 이내에서만 위치 추정이 가능하고 장시간 위치 추정에는 적합하지 않다.
일측면에 있어서, 세기 정보들을 수신하면 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치의 세기기반 위치와 상기 원격장치의 세기기반 방향을 추정하는 세기기반 추정부; 관성정보를 수신해서 상기 원격장치의 관성기반 위치와 상기 원격장치의 관성기반 방향을 추정하는 관성기반 추정부; 및 상기 세기기반 위치와 상기 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 융합된 위치를 추정하고 상기 세기기반 방향과 상기 관성기반 방향을 가중합해서 융합된 방향을 추정하는 융합 추정부를 포함하는 위치 및 방향을 추정하는 장치가 제공된다.
이때, 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정하는 로우 데이터 추정부; 추정한 세기 정보들과 상기 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정하는 노이즈 추정부; 및 이후에 수신하는 세기 정보들에서 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 상기 세기기반 추정부에 제공하는 세기 보상부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 세기기반 추정부는, 상기 보상한 세기를 수신하는 경우 상기 보상한 세기를 이용해서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 추정할 수 있다.
이때, 상기 융합 추정부는, 상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 느릴수록 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향에 비해 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 할 수 있다.
이때, 상기 융합 추정부는, 상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 거리가 멀수록 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향에 비해 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 할 수 있다.
이때, 상기 융합 추정부는, 상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 기설정한 속도보다 느리면, 상기 관성기반 위치를 상기 융합된 위치로 추정하고 상기 관성기반 방향을 상기 융합된 방향으로 추정할 수 있다.
한편, 상기 관성기반 추정부는, 최근에 추정한 융합된 위치 또는 최근에 추정한 세기기반 위치를 기준으로 상기 관성정보들에 따른 변화량을 고려해서 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향을 추정할 수 있다.
이때, 상기 융합 추정부는, 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향이 존재하는 시점에서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향으로 추정하고, 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향이 존재하지 않는 시점에서 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향을 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향으로 추정할 수 있다.
이때, 상기 세기기반 추정부, 상기 관성기반 추정부 및 상기 융합 추정부 중에서 적어도 하나는 칼만 필터(Kalman Filter)로 구성될 수 있다.
이때, 상기 세기 정보들은, 기설정된 파장으로 조사된 광신호의 세기값이거나 전자기장(Electromagnetic Field)의 세기일 수 있다.
이때, 상기 관성정보들은 관성 센서를 통해 측정되는 3축의 운동 가속도, 3축의 중력 가속도 및 3축의 각속도 중에도 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일측면에 있어서, 세기 정보들을 수신하면 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치의 세기기반 위치와 상기 원격장치의 세기기반 방향을 추정하는 세기기반 추정 단계; 관성정보를 수신해서 상기 원격장치의 관성기반 위치와 상기 원격장치의 관성기반 방향을 추정하는 관성기반 추정 단계; 및 상기 세기기반 위치와 상기 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 융합된 위치를 추정하고 상기 세기기반 방향과 상기 관성기반 방향을 가중합해서 융합된 방향을 추정하는 융합 추정 단계를 포함하는 위치 및 방향을 추정하는 방법이 제공된다.
이때, 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정하는 단계; 추정한 세기 정보들과 상기 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정하는 단계; 및 이후에 수신하는 세기 정보들에서 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 출력하는 단계 더 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 세기 측정을 위한 신호를 송신하는 2개 이상의 송신부를 포함하는 송신장치; 상기 신호를 수신하고 상기 신호의 세기를 측정하는 2개 이상의 수신부을 포함하고 세기 정보들을 출력하는 수신장치; 관성정보들을 측정하는 관성 센서부를 포함하고, 상기 송신장치 혹은 상기 수광장치 중 하나를 포함하는 원격 장치; 및 상기 관성 정보들과 상기 세기 정보들을 융합해서 상기 원격 장치의 융합된 위치와 상기 원격 장치의 융합된 방향을 추정하는 추정 장치를 포함하는 위치 및 방향을 추정하는 시스템이 제공된다..
이때, 상기 추정 장치는, 상기 세기 정보들을 수신하면, 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 상기 원격장치의 세기기반 위치와 상기 원격장치의 세기기반 방향을 추정하는 세기기반 추정부; 상기 관성정보를 수신해서 상기 원격장치의 관성기반 위치와 상기 원격장치의 관성기반 방향을 추정하는 관성기반 추정부; 및 상기 세기기반 위치와 상기 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 상기 융합된 위치를 추정하고 상기 세기기반 방향과 상기 관성기반 방향을 가중합해서 상기 융합된 방향을 추정하는 융합 추정부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 추정 장치는, 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정하는 로우 데이터 추정부; 추정한 세기 정보들과 상기 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정하는 노이즈 추정부; 및 이후에 수신하는 세기 정보들에서 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 상기 세기기반 추정부에 제공하는 세기 보상부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 세기기반 추정부는, 상기 보상한 세기를 수신하는 경우 상기 보상한 세기를 이용해서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 추정할 수 있다.
이때, 상기 송신부가 2개이면 상기 수신부는 적어도 3개로 구성되고, 상기 송신부가 3개이면 상기 수신부는 적어도 2개로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 송신부들 각각의 지향 방향이 서로 다르고 상기 지향 방향들 간의 각도가 기설정된다.
여기서, 상기 수신부들 각각의 위치와 지향 방향은 기설정된다.
이때, 상기 송신부는, 상기 신호를 노이즈에 강인한 기설정된 주파수로 송신하고, 상기 수신부는, 상기 기설정된 주파수만을 통과하는 필터를 이용해서 상기 신호를 수신할 수 있다.
세기 정보들과 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치의 세기기반 위치와 원격장치의 세기기반 방향을 추정하고, 관성정보를 이용해서 원격장치의 관성기반 위치와 원격장치의 관성기반 방향을 추정하고, 이를 융합해서 융합된 위치와 융합된 방향을 추정하는 센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 비교적 저렴하고 소형의 센서를 융합하기 때문에 저렴하고 소형화가 가능할 뿐 아니라, 융합을 통해서 추정하는 위치와 방향의 정밀도가 높아진다.
도 1은 적외선 신호의 송신 지향 방향에 따라 적외선의 수신 세기가 달라지는 적외선의 송신 지향 특성을 도시한 도면,
도 2는 적외선 신호의 송신 지향 특성 및 수신 지향 특성을 도시한 도면,
도 3는 센서 융합 기반으로 원격 장치의 3차원 위치와 방향을 추정하는 시스템의 구성을 도시한 도면,
도 4는 송신부가 2개인 경우의 원격 장치의 위치 및 방향을 추정하는 개략적인 시스템을 도시한 도면,
도 5는 송신부가 2개인 경우 위치 및 방향을 추정하기 위한 계산시 필요한 파라메타를 표시한 도면, 및
도 6은 센서 융합 기반으로 원격 장치의 3차원 위치와 방향을 추정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
신호는 감쇄 특성을 가지고 있어 송신부와 수신부 사이의 거리와 송신부와 수신부 각각의 지향 방향에 따라 그 측정 세기가 달라진다. 이렇게 감쇄특성을 가지는 신호는 여러가지가 있으나 이하의 설명에서는 적외선 신호를 기준으로 설명하고자 한다.
도 1은 적외선 신호의 송신 지향 방향에 따라 적외선의 수신 세기가 달라지는 적외선의 송신 지향 특성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 적외선은 정해진 거리에서 적외선 신호의 지향 방향인 송신부의 방향각에 따라 적외선의 수신 세기가 달라지는 특성을 가진다. 도 1에서 Z축은 송신 적외선의 세기를 나타내고, X축과 Y축은 수신부에서 송신부를 측정하는 측정 각도를 나타낸다. 이하 설명에서 송신 지향 특성은 적외선 신호를 송신하는 지향 방향에 따라 수신 세기가 달라지는 적외선의 특성이다.
도 2는 적외선 신호의 송신 지향 특성 및 수신 지향 특성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면 A와 B의 수신 세기를 비교하면 알 수 있듯이 적외선 신호의 수신 세기는 송신 지향 방향각(θ)에 따라 달라진다. 또한, 적외선 신호의 수신 세기는 수신부에서 적외선 신호를 수신하는 방향인 수신 지향 방향각(ψ)에 따라서도 영향을 받는다. 이하 설명에서 수신 지향 특성은 적외선을 수신하는 지향 방향에 따라 수신 세기가 달라지는 적외선의 특성이다.
송신부와 수신부 사이의 거리에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 1>과 같은 특성을 가진다.
Figure 112011047407907-pat00001
여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, r은 송신부와 수신부 사이의 거리이다.
송신부의 지향 방향에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 2>과 같은 특성을 가진다.
Figure 112011047407907-pat00002
여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, κ는 송신부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, θ는 송신부가 지향하는 방향각이다.
수신부의 지향 방향에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 3>과 같은 특성을 가진다.
Figure 112011047407907-pat00003
여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, λ는 수신부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, ψ는 수신부가 지향하는 방향각이다.
그러면, 송신부와 수신부 사이의 거리와 송신부의 지향 방향, 수신부의 지향 방향에 따른 특성을 모두 고려하여 측정되는 적외선의 신호 세기는 아래 <수학식 4>와 같이 측정할 수 있다.
Figure 112011047407907-pat00004
여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, r은 송신부와 수신부 사이의 거리이고, α는 송신부와 수신부의 특성을 고려한 스케일 팩터이고, κ는 송신부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, θ는 송신부가 지향하는 방향각이고, λ는 수신부의 감쇄 특성을 나타내는 변수이고, ψ는 수신부가 지향하는 방향각이다.
도 3는 센서 융합 기반으로 원격 장치의 3차원 위치와 방향을 추정하는 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면 센서 융합 기반으로 3차원 위치와 방향을 추정하는 시스템은 원격 장치(310), 송신 장치(320), 수신 장치(330) 및 추정 장치(350)를 포함한다.
원격 장치(310)는 위치와 방향을 추정하는 목표 장치로서 관성정보들을 측정하는 관성 센서부(340)와 송신 장치(320)를 포함한다. 여기서, 관성 센서부(340)는 가속도 센서, 지자가 센서 또는 자이로 센서 중 적어도 하나를 포함해서 구성될 수 있으며, 관성정보는 3축의 운동 가속도, 3축의 중력 가속도 및 3축의 각속도 중에도 적어도 하나를 포함하는 정보이다. 도 3의 예에서 원격 장치(310)는 송신 장치(320)를 포함하고 있지만, 송신 장치(320) 대신에 수신 장치(330)를 포함할 수 도 있다. 즉, 원격 장치(310)는 송신 장치(320) 혹은 수신 장치(330)를 포함할 수 있다.
송신 장치(320)는 1개 이상의 송신부(321, 322)와 제어부(325)를 포함하고, 변조부(323)와 인코더(324)를 더 포함할 수 있다.
송신부(321, 322)는 신호를 송신한다. 이때, 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 송신부(321, 322)들 각각의 지향 방향이 서로 다르고 지향 방향들 간의 각도가 기설정된다. 그리고, 송신부(321, 322)에서 송신하는 신호는 광신호일 수도 있고, 전자기장(Electromagnetic Field)일 수도 있다. 이때, 광신호의 대표적인 예로 적외선(InfraRed)이 사용될 수 있다. 송신부(321, 322)에서 송신하는 신호가 광신호인 경우 송신부(321, 322)는 광조사부가 될 수 있고, 송신부(321, 322)에서 송신하는 신호가 전자기장인 경우 송신부(321, 322)는 전자기장 송신부가 될 수 있다. 이하의 설명에서는 송신부(321, 322)에서 광신호를 송신할 때를 기준으로 설명한다.
1개 이상의 송신부(321, 322) 중에서 하는 전자 기기를 컨트롤하는 리모컨의 적외선 발신부로 동작할 수도 있다.
인코더(324)는 원격 장치(310)의 위치와 방향을 감지하기 위해 신호를 송신하는 경우와 전자 기기를 컨트롤하는 제어 신호로서의 신호를 송신하는 경우에, 서로 다른 코드로 인코딩한다.
변조부(323)는 신호를 주변광 또는 노이즈에 강인하도록 높은 케리어의 기설정된 주파수로 변조할 수 있다. 또한, 변조부(323)는 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 송신부(321, 322)별로 기설정된 서로 다른 주파수의 신호가 출력되도록 신호를 변조한다.
제어부(325)는 송신부(321, 322), 변조부(323) 및 인코더(324)를 제어한다. 그리고, 제어부(325)는 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 송신부(321, 322)들이 순차적으로 신호를 송신하도록 제어한다. 이때, 제어부(325)는 신호들을 송신하기에 앞서 송신부(321, 322)들 중 적어도 하나를 통해 동기신호를 송신해서 수신 장치(330)와 동기화할 수 있다.
다른 방법으로 제어부(325)는 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 변조부(323)를 이용해서 송신부(321, 322)들 별로 서로 다른 주파수의 신호들을 동시에 송신하도록 제어한다.
수신 장치(330)는 1개 이상의 수신부(331, 332, 334)를 포함하고, 필터(335)와 디코더(336)을 더 포함할 수 있다.
수신부(331, 332, 334)는 송신부(321, 322)에서 송신하는 신호를 수신해서 수신한 신호의 세기를 측정한다. 이때, 수신부(331, 332, 334)가 2개 이상인 경우, 수신부(331, 332, 334)들 각각의 위치와 지향방향은 기설정 될 수 있다. 즉, 수신부(331, 332, 334)의 위치와 지향 방향은 각각 다르게 설정될 수 있다.
수신부(331, 332, 334)에서 수신하는 신호는 광신호일 수도 있고, 전자기장일 수도 있다. 수신부(331, 332, 334)에서 수신하는 신호가 광신호인 경우 수신부(331, 332, 334)는 수광부가 될 수 있고, 수신부(331, 332, 334)에서 송신하는 신호가 전자기장인 경우 수신부(331, 332, 334)는 자력계(magnetometer)가 될 수 있다. 이하의 설명에서는 수신부(331, 332, 334)에서 광신호를 수신할 때를 기준으로 설명한다.
수신부(331, 332, 334)는 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 신호들이 수신되는 기설정된 순서를 통해 송신부(321, 322)를 구분할 수 있다. 이때, 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 수신부(331, 332, 334)는 송신 장치(320)로부터 신호를 수신하기에 앞서 동기 신호를 수신하면 송신 장치(320)와 동기화 한다.
수신부(331, 332, 334)는 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 서로 다른 주파수의 신호들을 필터(335)를 이용해서 분리해서 기설정된 주파수에 대응하는 송신부(321, 322)들을 구분한다.
필터(335)는 송신부(321, 322)의 신호들이 기설정된 서로 다른 기설정된 주파수로 변조되어 동시에 송신되는 경우에, 수신된 신호를 주파수별로 분석할 수 있다.
디코더(336)는 리모컨의 적외선 발신부로 동작 가능한 송신부의 신호를 디코딩하여, 원격 장치(310)의 위치와 방향을 감지하기 위해 신호인지 또는 전자 기기를 컨트롤하는 제어 신호로서의 신호인지를 판단한다. 그리고, 판단결과 원격 장치(310)의 위치와 방향을 감지하기 위해 신호로 판단되면 디코더(336)는 수신한 신호를 추정 장치(350)로 제공한다.
추정 장치(350)는 관성 센서부(340)로부터 수신하는 관성 정보들과 수신부(331, 332, 334)에서 측정한 신호의 세기 정보들을 융합해서 원격 장치(310)의 융합된 위치와 원격 장치(310)의 융합된 방향을 추정한다.
추정 장치(350)는 로우 데이터 추정부(351), 노이즈 추정부(352), 세기 보상부(353), 세기기반 추정부(354), 관성기반 추정부(355) 및 융합 추정부(356)를 포함할 수 있다.
로우 데이터 추정부(351)는 융합 추정부(356)로부터 융합된 위치와 융합된 방향을 수신하고, 융합된 위치와 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정한다.
노이즈 추정부(352)는 로우 데이터 추정부(351)에서 추정한 세기 정보들과 수신 장치(330)로부터 수신한 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정한다. 즉, 노이즈 추정부(352)는 수신한 세기 정보들 각각에서 추정한 세기 정보들을 차감해서 노이즈를 추정한다.
세기 보상부(353)는 수신 장치(330)로부터 수신한 세기 정보들에서 노이즈 추정부(352)에서 이전 세기 정보들을 이용해서 추정한 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 세기기반 추정부(354)에 제공한다.
세기기반 추정부(354)는 세기 보상부(353)로부터 보상한 세기 정보를 수신하지 않는 경우, 수신 장치(330)로부터 세기 정보들을 수신하고, 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격 장치(310)의 세기기반 위치(x, y, z)와 원격 장치(310)의 세기기반 방향(f, q, y)을 추정한다.
세기기반 추정부(354)는 세기 보상부(353)로부터 보상한 세기 정보를 수신하는 경우, 보상한 세기를 이용해서 세기기반 위치와 세기기반 방향을 추정한다.
세기기반 추정부(354)는 송신부(321, 322)와 수신부(331~334)의 개수에 따라 측정할 수 있는 원격 장치(310)의 세기기반 위치(x, y, z)와 세기기반 방향(f, q, y)이 달라진다.
세기기반 위치(x, y, z)와 세기기반 방향(f, q, y)의 일부를 추정하기 위한 송신부(321, 322)와 수신부(331~334)의 최소한의 조합은 다음과 같다. 송신부(321, 322)가 1개이면 수신부(331~334)는 적어도 3개 이상으로 구성되는 조합. 송신부(321, 322)가 2개이면 수신부(331~334)는 적어도 2개 이상으로 구성되는 조합. 송신부(321, 322)가 3개 이상이면 수신부(331~334)는 적어도 1개 이상으로 구성되는 조합이 가능하다.
다음으로, 송신부의 수가 2개이고, 원격 장치(310)가 송신 장치(320)을 포함할 때의 예를 아래에서 도 4을 통해 설명한다.
도 4는 송신부가 2개인 경우의 원격 장치의 위치 및 방향을 추정하는 개략적인 시스템을 도시한 도면이다.
세기기반 추정부(354)는 수신부(331~334)에서 수신된 신호의 거리에 따라 달라지는 세기와 수신 지향 특성 및 송신 지향 특성을 이용해서 원격 장치(310)의 세기기반 위치(x, y, z)와 세기기반 방향(f, q, y)을 추정한다. 세기기반 추정부(354)의 세기기반 위치와 세기기반 방향의 추정 방법을 아래에서 도 5을 참조해서 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 송신부가 2개인 경우 위치 및 방향을 추정하기 위한 계산시 필요한 파라메타를 표시한 도면이다.
도 5를 참조해서, 송신부(321, 322)와 수신부(331)가 지향하고 있는 단위(unit) 방향 벡터를 Global 좌표계에 대해서 각각
Figure 112011047407907-pat00005
,
Figure 112011047407907-pat00006
,
Figure 112011047407907-pat00007
라 정의한다. 그리고, 송신부(321, 322)로부터 수신부(331)까지의 변위를 나타내는 방향 벡터를
Figure 112011047407907-pat00008
라고 정의한다.
또한,
Figure 112011047407907-pat00009
과
Figure 112011047407907-pat00010
,
Figure 112011047407907-pat00011
가 각각 이루는 각도를
Figure 112011047407907-pat00012
,
Figure 112011047407907-pat00013
라고 하고, 편의상 <수학식 4>의 λ=1 로 했을 경우 각 수신부(331~334)에서 수신되는 신호의 세기는 아래 <수학식 5>, <수학식 6>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011047407907-pat00014
여기서, Ina는 n번째 수신부에서 수신하는 제1 송신부(331)의 신호의 세기이다.
Figure 112011047407907-pat00015
여기서, Inb는 n번째 수신부에서 수신하는 제2 송신부(332)의 신호의 세기이다.
즉, 2개의 송신부(321, 322)의 신호가 짧은 시간 안에 순차적으로 들어오거나 서로 다른 주파수로 수신되는 경우, <수학식 5>와 <수학식 6>의 정보는 독립적으로 얻어진다. 따라서 수신부(331~334)는 각각 2개의 식을 구할 수 있다.
수신부(331~334)가 3개일 경우는 원격 장치(310)의 세기기반 위치와 세기기반 방향에 대해서 6개의 식이 얻어지게 된다.
이 중
Figure 112011047407907-pat00016
,
Figure 112011047407907-pat00017
및
Figure 112011047407907-pat00018
를 구하게 되면 위치와 방향을 모두 구할 수 있으므로, 각 방향 벡터의 성분인 9개의 미지수를 구하는 문제가 된다. 이 때,
Figure 112011047407907-pat00019
와
Figure 112011047407907-pat00020
는 단위 벡터이므로, 크기가 1이고,
Figure 112011047407907-pat00021
와
Figure 112011047407907-pat00022
의 상대적인 위치 관계는 사전에 주어지는 것이므로, 결국은 3개의 추가식이 주어지게 된다.
따라서, 9개의 식으로부터 9개의 미지수를 구하는 문제가 되므로 최적화 기법 등의 수학식을 이용하여 해결 가능하다. 이때 수신부(331~334)의 수가 증가하게 되면 오차를 최소화하는 정규화 문제로 생각할 수 있다.
세기기반 추정부(354)는 송신부(321, 322)가 2개인 경우 수신부(331~334)의 개수에 따라 측정할 수 있는 세기기반 위치(x, y, z)와 세기기반 방향(φ, θ, ψ)의 종류가 아래 <표 2>과 같이 달라진다. 여기서, x, y, z는 3차원 좌표이고, φ는 z축을 기준으로 하는 각도(roll)이고, θ는 x축을 기준으로 하는 각도(pitch)이고, ψ는 y축을 기준으로 하는 각도(yaw)이다.
Figure 112011047407907-pat00023
<표 1>을 참조하면, 세기기반 추정부(354)는 송신부(321, 322)가 2개 이고, 수신부(331~334)가 3개인 경우, 원격 장치(310)의 3차원의 세기기반 위치(x, y, z)와 원격 장치(310)의 3축 방향인 roll(φ), pitch(θ)와 yaw(ψ)를 추정할 수 있다.
한편, 송신부(321, 322)와 수신부(331~334)의 수가 반대인 경우도 이와 동일 하다. 즉, 송신부가 3개 이고, 수신부가 2개인 경우, 세기기반 추정부(354)는 원격 장치(310)의 3차원의 세기기반 위치(x, y, z)와 원격 장치(310)의 3축 방향인 roll(φ), pitch(θ)와 yaw(ψ)를 추정할 수 있다.
<표 1>을 참조하면, 세기기반 추정부(354)는 송신부(321, 322)가 2개이고, 수신부(331~334)가 2개이고, 원격 장치(310)의 3축의 방향 중에서 roll(φ)이 고정된 경우, 원격 장치(310)의 2차원 평면상의 세기기반 위치(x, y)와 원격 장치(310)의 2차원 평면상의 방향인 pitch(θ)와 yaw(ψ)를 추정할 수 있다.
관성기반 추정부(355)는 관성 센서부(340)에서 측정한 관성 정보들을 수신해서 원격장치(310)의 관성기반 위치와 원격장치의 관성기반 방향을 추정한다.
관성기반 추정부(355)에서 추정하는 관성기반 위치는 융합 추정부(356)에서 가장 최근에 추정한 융합된 위치 또는 세기기반 추정부(354)에서 가장 최근에 추정한 세기기반 위치를 기준위치로 해서 수신하는 관성 정보들에 따른 변화량을 이용해서 추정한 정보이다. 관성기반 추정부(355)는 위치를 추정할 때 오차가 누적되기 때문에, 원격장치(310)의 움직임이 적고 기준위치를 측정한 시간에 가까울수록 정확한 위치를 추정할 수 있다.
융합 추정부(356)는 세기기반 위치와 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 융합된 위치를 추정하고 세기기반 방향과 관성기반 방향을 가중합해서 융합된 방향을 추정한다.
융합 추정부(356)는 가중합 할 때 원격장치(310)의 이동속도가 느릴수록 세기기반 위치와 세기기반 방향에 비해 관성기반 위치와 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 한다.
융합 추정부(356)는 가중합 할 때 원격장치(310)의 거리가 멀수록 세기기반 위치와 세기기반 방향에 비해 관성기반 위치와 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 한다.
융합 추정부(356)는 가중합 할 때 원격장치(310)가 거의 움직임이 없는 경우 즉, 이동속도가 기설정한 속도보다 느리면, 관성기반 위치를 융합된 위치로 추정하고 관성기반 방향을 융합된 방향으로 추정한다.
융합 추정부(356)는 세기기반 위치와 세기기반 방향이 존재하는 시점에서 세기기반 위치와 세기기반 방향을 융합된 위치와 융합된 방향으로 추정하고, 세기기반 위치와 세기기반 방향이 존재하지 않는 시점에서 관성기반 위치와 관성기반 방향을 융합된 위치와 융합된 방향으로 추정할 수도 있다.
추정 장치(350)는 도 3과 같이 관성 센서부(340)로부터 수신한 관성정보들을 이용해서 관성기반 위치/관성기반 방향을 추정하고, 세기기반 위치/세기기반 방향 과의 융합을 통해 위치/방향을 보정할 수 있다. 하지만, 추정 장치는 수신 장치(330)로부터 수신하는 세기정보들과 관성 센서부(340)로부터 수신한 관성정보들을 칼만 필터(Kalman Filter)의 입력으로 제공해서 융합된 위치와 융합된 방향을 직접 언어낼 수도 있다. 여기서, 칼만 필터는 수학적으로 선형 시스템(Linear System)의 상태를 예측해서 발생할 수 있는 오류를 최소화하는 알고리즘이다. 다시 말해, 칼만 필터는 과거와 현재값을 가지고 재귀적(recursive) 연산(data processing)을 통하여 최족(optimal) 값을 추적하는 알고리즘을 나타낸다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 센서 융합 기반으로 원격 장치의 3차원 위치와 방향을 추정하는 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 6은 센서 융합 기반으로 원격 장치의 3차원 위치와 방향을 추정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 추정 장치(350)는 610단계에서 세기 정보들을 수신한다.
그리고, 추정 장치(350)는 612단계에서 세기 정보들에서 이전 세기 정보들을 이용해서 추정한 노이즈를 제거해서 보상한다.
그리고, 추정 장치(350)는 614단계에서 보상한 세기 정보들과 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치(310)의 세기기반 위치와 원격장치(310)의 세기기반 방향을 추정한다.
한편, 추정 장치(350)는 610단계에서 세기 정보들을 수신할 때, 616단계에서 관성 정보들을 수신한다.
그리고, 추정 장치(350)는 618단계에서 관성 정보들을 이용해서 관성기반 위치와 관성기반 방향을 추정한다.
이후, 추정 장치(350)는 620단계에서 세기기반 추정결과와 관성기반 추정결과를 융합해서 원격장치(310)의 융합된 위치와 원격장치(310)의 융합된 방향을 추정한다.
그리고, 추정 장치(350)는 622단계에서 융합된 위치와 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정해서 로우 데이터를 추정한다.
그리고, 추정 장치(350)는 624단계에서 로우 데이터인 추정한 세기 정보들과 수신한 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (24)

  1. 세기 정보들을 수신하면 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치의 세기기반 위치와 상기 원격장치의 세기기반 방향을 추정하는 세기기반 추정부;
    관성정보를 수신해서 상기 원격장치의 관성기반 위치와 상기 원격장치의 관성기반 방향을 추정하는 관성기반 추정부; 및
    상기 세기기반 위치와 상기 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 융합된 위치를 추정하고 상기 세기기반 방향과 상기 관성기반 방향을 가중합해서 융합된 방향을 추정하는 융합 추정부를 포함하고,
    상기 융합 추정부는,
    상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 느릴수록 또는 상기 원격장치의 거리가 멀수록 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향에 비해 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 하는
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정하는 로우 데이터 추정부;
    추정한 세기 정보들과 상기 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정하는 노이즈 추정부; 및
    이후에 수신하는 세기 정보들에서 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 상기 세기기반 추정부에 제공하는 세기 보상부를 더 포함하고,
    상기 세기기반 추정부는,
    상기 보상한 세기를 수신하는 경우 상기 보상한 세기를 이용해서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 추정하는
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 융합 추정부는,
    상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 기설정한 속도보다 느리면, 상기 관성기반 위치를 상기 융합된 위치로 추정하고 상기 관성기반 방향을 상기 융합된 방향으로 추정하는
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관성기반 추정부는,
    최근에 추정한 융합된 위치 또는 최근에 추정한 세기기반 위치를 기준으로 상기 관성정보들에 따른 변화량을 고려해서 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향을 추정하고,
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 융합 추정부는,
    상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향이 존재하는 시점에서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향으로 추정하고,
    상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향이 존재하지 않는 시점에서 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향을 상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향으로 추정하는
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세기기반 추정부, 상기 관성기반 추정부 및 상기 융합 추정부 중에서 적어도 하나는 칼만 필터(Kalman Filter)로 구성된
    위치 및 방향을 추정하는 장치
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세기 정보들은,
    기설정된 파장으로 조사된 광신호의 세기값이거나 전자기장(Electromagnetic Field)의 세기인
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 관성정보들은
    관성 센서를 통해 측정되는 3축의 운동 가속도, 3축의 중력 가속도 및 3축의 각속도 중에도 적어도 하나를 포함하는
    위치 및 방향을 추정하는 장치.
  11. 세기 정보들을 수신하면 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 원격장치의 세기기반 위치와 상기 원격장치의 세기기반 방향을 추정하는 세기기반 추정 단계;
    관성정보를 수신해서 상기 원격장치의 관성기반 위치와 상기 원격장치의 관성기반 방향을 추정하는 관성기반 추정 단계; 및
    상기 세기기반 위치와 상기 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 융합된 위치를 추정하고 상기 세기기반 방향과 상기 관성기반 방향을 가중합해서 융합된 방향을 추정하는 융합 추정 단계를 포함하고,
    상기 융합 추정 단계는,
    상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 느릴수록 또는 상기 원격장치의 거리가 멀수록 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향에 비해 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 하는
    위치 및 방향을 추정하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정하는 단계;
    추정한 세기 정보들과 상기 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정하는 단계; 및
    이후에 수신하는 세기 정보들에서 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 출력하는 단계 더 포함하고,
    상기 세기기반 추정 단계는,
    상기 보상한 세기를 이용해서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 추정하는
    위치 및 방향을 추정하는 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 융합 추정 단계는,
    상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 기설정한 속도보다 느리면, 상기 관성기반 위치를 상기 융합된 위치로 추정하고 상기 관성기반 방향을 상기 융합된 방향으로 추정하는
    위치 및 방향을 추정하는 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 세기 정보들은,
    기설정된 파장으로 조사된 광신호의 세기값이거나 전자기장(Electromagnetic Field)의 세기인
    위치 및 방향을 추정하는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 관성정보들은
    관성 센서를 통해 측정되는 3축의 운동 가속도, 3축의 중력 가속도 및 3축의 각속도 중에도 적어도 하나를 포함하는
    위치 및 방향을 추정하는 방법.
  18. 세기 측정을 위한 신호를 송신하는 2개 이상의 송신부를 포함하는 송신장치;
    상기 신호를 수신하고 상기 신호의 세기를 측정하는 2개 이상의 수신부을 포함하고 세기 정보들을 출력하는 수신장치;
    관성정보들을 측정하는 관성 센서부를 포함하고, 상기 송신장치 혹은 상기 수신장치 중 하나를 포함하는 원격 장치; 및
    상기 관성 정보들과 상기 세기 정보들을 융합해서 상기 원격 장치의 융합된 위치와 상기 원격 장치의 융합된 방향을 추정하는 추정 장치를 포함하고,
    상기 추정 장치는,
    상기 세기 정보들을 수신하면, 거리와 방향에 따라 달라지는 세기의 감쇄 특성을 이용해서 상기 원격장치의 세기기반 위치와 상기 원격장치의 세기기반 방향을 추정하는 세기기반 추정부;
    상기 관성정보를 수신해서 상기 원격장치의 관성기반 위치와 상기 원격장치의 관성기반 방향을 추정하는 관성기반 추정부; 및
    상기 세기기반 위치와 상기 관성기반 위치를 가중합(weighted sum)해서 상기 융합된 위치를 추정하고 상기 세기기반 방향과 상기 관성기반 방향을 가중합해서 상기 융합된 방향을 추정하는 융합 추정부를 포함하고,
    상기 융합 추정부는,
    상기 가중합 할 때 상기 원격장치의 이동속도가 느릴수록 또는 상기 원격장치의 거리가 멀수록 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향에 비해 상기 관성기반 위치와 상기 관성기반 방향에 상대적으로 높은 가중치가 부여되도록 하는
    위치 및 방향을 추정하는 시스템.
  19. 삭제
  20. 제18항에 있어서,
    상기 추정 장치는,
    상기 융합된 위치와 상기 융합된 방향을 이용해서 세기 정보들을 역으로 추정하는 로우 데이터 추정부;
    추정한 세기 정보들과 상기 세기 정보들을 비교해서 노이즈를 추정하는 노이즈 추정부; 및
    이후에 수신하는 세기 정보들에서 노이즈를 제거해서 보상하고, 보상한 세기 정보들을 상기 세기기반 추정부에 제공하는 세기 보상부를 더 포함하고,
    상기 세기기반 추정부는,
    상기 보상한 세기를 수신하는 경우 상기 보상한 세기를 이용해서 상기 세기기반 위치와 상기 세기기반 방향을 추정하는
    위치 및 방향을 추정하는 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 송신부가 2개이면 상기 수신부는 적어도 3개로 구성되고,
    상기 송신부가 3개이면 상기 수신부는 적어도 2개로 구성되는
    위치 및 방향을 추정하는 시스템.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 송신부들 각각의 지향 방향이 서로 다르고 상기 지향 방향들 간의 각도가 기설정된
    위치 및 방향을 추정하는 시스템.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 수신부들 각각의 위치와 지향 방향은 기설정된
    위치 및 방향을 추정하는 시스템.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 신호를 노이즈에 강인한 기설정된 주파수로 송신하고,
    상기 수신부는,
    상기 기설정된 주파수만을 통과하는 필터를 이용해서 상기 신호를 수신하는
    위치 및 방향을 추정하는 시스템.
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