KR101827107B1 - 무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법 - Google Patents

무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 안테나 방사 패턴 튜닝, 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)기반의 핑거프린팅(Fingerprinting) 기법으로 RSS 지도 구성, 및 실측된 신호세기를 이용하여 수신 각도 및 거리 예측을 이용하여 무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법에 관한 것이다.
개시된 3차원 관심공간에서 위치를 추정하기 위한 무선측위시스템은 상기 3차원 관심공간 내의 절대위치에 배치되고, 상기 절대위치와 대응되는 식별번호를 구비하고, 상기 식별번호가 포함되는 무선신호를 전송하는 무선위치센서 및 상기 3차원 관심공간 내에서 설정되는 복수의 샘플포인트에서 복수의 상기 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)들을 측정하여 저장한 것인 RSS 지도를 바탕으로 상기 3차원 관심공간 내의 제 1 지점에 위치하고, 상기 제 1 지점에서 측정한 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS와 상기 RSS 지도를 비교하여 상기 제 1 지점의 위치를 추정하는 무선측위장치;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 조밀하게 설치되어 있는 무선위치센서간의 간섭을 최소화하고 무선 혼잡 및 수신 에러에 따른 측정 오류를 최소화하여 좀 더 정밀하게 위치를 추정할 수 있는 효과가 있다. 또한 신호손실에 대한 다중체크를 통해 측정 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

Description

무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법{Indoor Positioning System and Method with minimized positioning errors}
본 발명은 무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 안테나 방사 패턴 튜닝, 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)기반의 핑거프린팅(Fingerprinting) 기법으로 RSS 지도 구성, 및 실측된 신호 세기를 이용하여 무선측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법에 관한 것이다.
건설현장이나 공장 같은 경우에 필요한 자재를 자재 창고에 적재해 두는 경우가 일반적이다. 이때 자재의 입/출하가 빈번하고, 자재 창고 내에서도 자재가 놓이는 위치가 계속적으로 변할 수 있다.
이러한 환경에서 자재의 위치 관리를 쉽게 하기 위하여 무선 측위 기술을 이용한 자재 관리 방안들이 제시되고 있다. 그런데 이러한 자재 관리 방안이 올바로 운용되기 위해서는 자재의 위치를 정확하게 측정할 필요가 있다.
측위방법을 제시한 특허 중의 하나로 한국공개특허 제 10-2016-0026491호는 송출장치가 송출하는 무선 신호의 신호 세기를 측정하여 신호대잡음비를 구하고 이를 기초로 데이터베이스를 구축하고, 단말기가 있는 지점에서 신호대잡음비를 계산하고, 계산된 신호대잡음비와 데이터 베이스에 구축된 신호대잡음비의 차이를 계산하고, 그 차이를 기초로 거리 유사도를 계산한 후, 거리 유사도를 기초로 단말기의 위치를 추정하는 방법을 제시하고 있다. 하지만, 제시된 방법은 3차원적 위치의 구별이 힘들고 송출장치가 조밀하게 있는 경우에 적용하기가 힘든 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0026491호(공개일: 2016년03월09일)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 안테나 방사패턴 튜닝과 핑거프린팅 기법을 포함하는 측위 알고리즘을 개선하여 무선 측위 오차율을 최소화하는 무선측위 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 3차원 관심공간에서 위치를 추정하기 위한 무선측위시스템은 상기 3차원 관심공간 내의 절대위치에 배치되고, 상기 절대위치와 대응되는 식별번호를 구비하고, 상기 식별번호가 포함되는 무선신호를 전송하는 무선위치센서 및 상기 3차원 관심공간 내에서 설정되는 복수의 샘플포인트에서 복수의 상기 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)들을 측정하여 저장한 것인 RSS 지도를 바탕으로 상기 3차원 관심공간 내의 제 1 지점에 위치하고, 상기 제 1 지점에서 측정한 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS와 상기 RSS 지도를 비교하여 상기 제 1 지점의 위치를 추정하는 무선측위장치를 포함할 수 있다.
여기서 상기 무선위치센서는 상기 무선신호를 전송하기 위한 안테나를 구비하고 상기 무선위치센서와 대응되는 영역 내에서의 RSS가 미리 설정된 임계값 이상이 되도록 상기 안테나 방사 패턴을 설정할 수 있고, 상기 샘플포인트들은 상기 3차원 관심공간 내에서 정육면체의 꼭짓점에 위치하도록 배치될 수 있다.
그리고 상기 무선측위장치는 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들을 수신하여 RSS를 측정하고, 상기 무선신호들에 포함된 식별번호를 추출하는 무선통신부, 상기 RSS 지도를 저장하고 있는 데이터베이스. 및 상기 RSS 지도와 상기 무선통신부에서 받은 측정된 RSS 및 추출한 식별번호를 바탕으로 위치를 추정하는 추정부를 포함할 수 있고, 이에 더하여 상기 샘플포인트에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호를 수신하여 상기 무선통신부가 측정한 RSS 및 추출한 식별번호를 바탕으로 상기 샘플포인트의 좌표, 큰 RSS를 가지는 순서대로 선택된 4개의 제 1 내지 제 4 무선위치센서 정보, 및 상기 선택된 4개의 제 1 내지 제 4 무선위치센서의 RSS를 포함하는 상기 RSS 지도를 생성하고 상기 데이터베이스에 저장하는 지도생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 추정부는 상기 제 1 지점에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS를 측정하고, 상기 제 1 지점에서 측정된 무선신호의 RSS들 중에서 큰 RSS를 가지는 순서대로 4개의 제 5 내지 제 8 무선위치센서를 선택하고, 상기 RSS 지도에서 상기 제 5 내지 제 8 무선위치센서와 상기 제 1 내지 제 4 무선위치센서가 동일한 샘플포인트를 추출하고, 추출된 상기 샘플포인트별로 상기 제 5 내지 제 8 무선위치센서의 RSS와 상기 제 1 내지 제 4 무선위치센서의 RSS 간의 유클리디안 거리를 계산하여 상기 유클리디안 거리가 가장 작은 샘플포인트를 상기 제 1 지점의 위치로 추정하거나 또는 (a) 일정시간 동안 동일한 식별번호에 대하여 미리 정해진 횟수 이상 수신하였는지를 판단하고, (b) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, (c) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호 중 마지막 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 상기 (a), (b), (c)를 모두 만족하는 식별번호 중에서 RSS가 가장 큰 식별번호를 가지는 무선위치센서가 배치된 절대위치를 상기 제 1 지점의 위치로 추정할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 관심공간 내의 절대위치에 배치되는 복수의 무선위치센서와 제 1 지점에 위치하는 무선측위장치를 포함하는 무선측위시스템에서 상기 무선측위장치에서 상기 제 1 지점의 위치를 추정하기 위한 무선위치추정 방법은 상기 3차원 관심공간 내에 복수의 샘플포인트를 설정하고, 상기 복수의 샘플포인트에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들의 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)를 측정한 결과를 바탕으로 상기 복수의 샘플포인트의 각각에 대하여 각 샘플포인트의 좌표, 큰 RSS를 가지는 순서대로 선택된 4개의 제 1 내지 제 4 무선위치센서 정보, 및 상기 선택된 4개의 제 1 내지 제 4 무선위치센서의 RSS를 포함하는 RSS 지도를 구성하는 단계, 상기 제 1 지점에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS를 측정하는 단계, 상기 제 1 지점에서 측정된 무선신호의 RSS들 중에서 큰 RSS를 가지는 순서대로 4개의 제 5 내지 제 8 무선위치센서를 선택하는 단계, 상기 제 5 내지 제 8 무선위치센서와 상기 제 1 내지 제 4 무선위치센서가 동일한 샘플포인트를 추출하는 단계, 추출된 상기 샘플포인트별로 상기 제 5 내지 제 8 무선위치센서의 RSS와 상기 제 1 내지 제 4 무선위치센서의 RSS 간의 유클리디안 거리를 계산하는 단계, 및 상기 유클리디안 거리가 가장 작은 샘플포인트를 상기 제 1 지점의 위치로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 관심공간 내의 절대위치에 배치되는 복수의 무선위치센서와 제 1 지점에 위치하는 무선측위장치를 포함하는 무선측위시스템에서 상기 무선측위장치에서 제 1 지점의 위치를 추정하기 위한 무선위치추정 방법은 (a) 일정시간 동안 동일한 식별번호에 대하여 미리 정해진 횟수 이상 수신하였는 지를 판단하는 단계, (b) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호의 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)가 기 설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계, (c) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호 중 마지막 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계, 및 상기 (a), (b), (c)를 모두 만족하는 식별번호 중에서 RSS가 가장 큰 식별번호를 상기 제 1 지점의 위치로 추정하는 단계를 포함할 수 있고 여기서 상기 임계값은 상기 복수의 샘플포인트에서 측정된 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호를 수신하여 무선통신부가 측정한 RSS를 바탕으로 설정될 수 있다.
본 발명에 의하면, 조밀하게 설치되어 있는 무선위치센서간의 간섭을 최소화하고 무선 혼잡 및 수신 에러에 따른 측정 오류를 최소화하여 좀 더 정밀하게 위치를 추정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 신호손실에 대한 다중체크를 통해 측정 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.
도 1는 본 발명에서 제시하는 무선 측위 시스템이 적용될 수 있는 일 실시 예로서 자재선반(10)을 구비한 자재 창고에서 자재의 위치를 추정하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 핑거프린팅 기법을 설명하는 개념도이다.
도 3(a)와 3(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 방사 패턴을 튜닝하는 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선측위장치(110, 110d, 110j, 110k)의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RSS 지도를 바탕으로 무선측위장치의 위치를 추정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 체크 및 보팅을 이용한 무선측위장치의 위치를 추정하는 방법을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 더욱 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1는 본 발명에서 제시하는 무선 측위 시스템이 적용될 수 있는 일 실시 예로서 자재선반(10)을 구비한 자재 창고에서 자재의 위치를 추정하는 시스템을 도시한 도면이다.
자재창고는 자재를 적재하기 위하여 도 1에 도시된 것과 같은 위쪽으로 쌓여진 자재선반(10)을 사방 벽에 붙여 다수 개 구비할 수 있다. 그러므로 일반적으로 자재창고는 3차원 관심공간을 의미할 수 있다. 이러한 3차원 관심공간에서 자재의 위치를 추정하기 위해서는 3차원적 좌표 추정이 필요하다.
이를 위하여 본 발명이 제시하는 무선측위시스템은 3차원 관심공간인 자재창고 내의 고정되어 있고 위치 좌표가 알려지는 절대위치에 배치되는 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)를 포함할 수 있다. 일 예로서 자재창고의 자재선반(10)은 복수 개의 영역((10a 내지 10l)으로 구분될 수 있고, 각 영역(10a 내지 10l)을 대표할 수 있는 절대위치(예를 들면 각 영역의 입구 아래쪽 가운데)에 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)를 배치할 수 있다. 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)는 각각이 구별되는 식별번호를 구비하고 이를 포함하는 무선신호를 생성하여 방사할 수 있다. 그러면 상기 식별번호와 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)가 부착된 절대위치는 서로 대응되고, 상기 식별번호로부터 상기 식별번호를 구비한 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)의 절대위치 또는 3차원으로 표시되는 좌표를 획득할 수 있다.
자재창고에 자재(20j, 20k)가 입하되면 자재 선반의 특정 위치에 적재될 수 있다. 그리고 적재된 위치를 추정하기 위하여 자재(20j, 20k)에는 본 발명이 제시하는 무선측위장치가 부착될 수 있다. 자재(20j, 20k)에 부착된 무선측위장치(110j, 110k)는 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)로부터 오는 무선신호를 수신하여 자신의 위치 또는 자신에게 가장 근접하는 무선위치센서를 추정할 수 있다. 이 위치 추정은 무선측위장치(110j, 110k)에서 수행될 수 있지만 무선측위장치(110j, 110k)가 수신한 무선신호 관련 정보를 서버로 전송하여 줌으로써 서버가 위치 추정을 할 수도 있다.
이러한 적용 예에서 무선 측위 오차를 최소화하기 위하여 본 발명에서는 무선신호 전송 안테나 튜닝과 핑거프린팅 기법을 사용한 3차원 관심공간에 대한 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS) 지도를 구성하고 다중체크 기법과 보팅(Voting)기법의 사용을 제시한다.
먼저, 무선신호 전송 안테나 튜닝과 핑거프린팅 기법을 활용한 RSS 지도 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 핑거프린팅 기법을 설명하는 개념도이다.
도 2를 참조하면 자재선반(10)의 각 적재 위치를 대표할 수 있는 절대위치에 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)들이 배치될 수 있다. 이때 무선측위장치(110d)가 4개의 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)로 이루어지는 4각형 영역 내의 제 1 지점에 위치하게 되면 상기 4개의 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)로부터 무선신호를 수신할 수 있고 각각에 대하여 RSS를 측정할 수 있다. 이때 상기한 4개의 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e) 이외의 무선위치센서에서도 무선신호를 수신할 수 있으나 하기한 동작에 의하여 상기 4개의 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)만이 의미를 가질 수 있다.
도 2와 같은 상황에서 핑거프린팅 기법은 확률론적 모델링에 의하여 위치를 추정하는 방법으로서 우선 특정 샘플포인트들에서 무선위치센서들로부터 오는 무선신호의 RSS 값을 측정하여 데이터베이스화하고, 데이터베이스화된 샘플포인트의 RSS를 이용하여 위치를 추정하는 방법이라고 할 수 있다. 샘플포인트의 좌표는 (X1, Y1, Z1)의 3차원으로 표시될 수 있다. 여기서 Z축은 자재선반이라면 선반의 안쪽으로 들어가는 방향으로 표시될 수 있는다. 그리고 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)의 좌표인 절대위치도 3차원으로 표시될 수 있다. 일 예로 제 1 무선위치센서(100d)는 (100, 0, 0)일 수 있고, 제 1 무선위치센서(100a)는 (100, 100,0), 제 1 무선위치센서(100e)는 (300, 0,0), 제 1 무선위치센서(100b)는 (300, 100,0)일 수 있다. 그리고 샘플포인트는 3차원 관심공간 내에서 서로 면이 인접하게 놓인 정육면체의 각 꼭지점에 놓일 수 있다. 그러면 각 샘플포인트는 x축, y축, z축으로 서로 일정 거리를 가지도록 설정될 수 있다. 일 예로 (0,0,0), (40,0,0), (0, 40, 0), (0, 0, 40), (40, 40, 0), (0, 40, 40), (40, 0, 40), (40, 40, 40)일 수 있다. 이와 같은 샘플포인트에서 주변에 있는 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)로부터 오는 무선신호의 RSS를 측정하여 데이터베이스화 할 수 있다. 이 경우에 각 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e)가 담당하는 영역(10a, 10b, 10d, 10e) 내에 있는 샘플포인트에서는 그 영역과 대응되는 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS가 다른 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS에 비교하였을 때, 가장 크면서도 특정 임계값 이상이 되도록 무선위치센서의 안테나 방사 패턴을 튜닝할 수 있다.
도 3(a)와 3(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 방사 패턴을 튜닝하는 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 3(a)을 참조하면 무선위치센서가 자신과 대응되는 영역으로 무선신호를 방사하기 위하여 z축과 y축으로부터 양쪽으로 일정 각도(예를 들어 15도)에 한정되어 방사되도록 안테나 방사 패턴을 설정할 수 있다. 이렇게 설정하면 도 3(b)와 같은 안테나 방사 패턴을 구성할 수 있다. 또한, 안테나가 무선 신호를 전송하는 신호 세기가 중요할 수 있는데 상기 RSS 측정 동안 무선위치센서가 담당하는 영역(가령 100a의 경우 10a) 내에서 무선신호의 RSS가 미리 설정된 임계값 이상이 되도록 무선위치센서의 전송 신호 세기를 조정할 수 있다. 이처럼 안테나 방사 패턴을 튜닝하여 줌으로서 무선위치센서 간의 간섭을 최소화할 수 있고, 수신 에러에 따른 측정오류를 최소화할 수 있다.
상기한 것처럼 안테나 방사 패턴을 튜닝하면서 자재창고와 같은 관심영역에 대한 RSS 지도를 데이터베이스화할 수 있다. 이러한 RSS 지도는 다음과 같은 표형태로 데이터베이스화될 수도 있다.
X 좌표 Y좌표 Z좌표 1st FS 2nd FS 3rd FS 4th FS 1st RSS 2nd RSS 3rd RSS 4th RSS
X1 Y1 Z1 1234 1235 1237 1239 -40 -70 -75 -80
X2 Y2 Z2 1239 1234 1235 1236 -60 -70 -70 -75
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Xn Yn Zn 1233 1234 1236 1237 -78 -81 -88 -90
여기서 처음 3열은 샘플 포인트의 X, Y, Z 좌표를 나타내며 다음 4열은 샘플포인트에서 측정된 RSS가 가장 큰 4개의 무선위치센서를 RSS 크기 순서에 따라 순차적으로 표시한 것이고 마지막 4열은 각 무선위치센서로부터 온 무선신호의 측정된 RSS이다. 그러므로 무선측위장치는, 특정위치에 놓였을 때, 주변의 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS를 측정하여 RSS가 큰 순서로 4개의 무선위치센서를 선택하고, 선택된 4개의 무선위치센서와 상기 [표 1]의 4열 내지 7열에 있는 무선위치센서와 동일한지를 비교하고, 동일하다면 상기 [표 1]의 8열 내지 11열에 있는 RSS와 상기 선택된 4개의 무선위치센서로부터 온 무선신호의 측정된 RSS에 대하여 유클리디안 거리를 계산하여, 가장 짧은 샘플포인트를 결정하고 그것을 이용하여 위치를 추정할 수 있고, 그 결과로부터 자신이 위치한 영역과 대응하는 무선위치센서를 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선측위장치(110, 110d, 110j, 110k)의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면 무선측위장치(110, 110d, 110j, 110k)는 무선통신을 수행하는 무선통신부(113), RSS 지도를 저장하는 데이터베이스(115), 및 위치 추정을 수행하는 추정부(117)를 포함할 수 있다. 이에 더하여 RSS 지도를 생성하는 지도생성부를 더 포함할 수 있다.
무선통신부(113)는 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e, 100j, 100k, 100l)로부터 오는 무선신호를 수신하여 RSS를 측정하고, 무선신호에 포함된 식별번호를 추출할 수 있다. 또한, 만약 무선측위장치110, 110d, 110j, 110k)가 서버(미도시)와 연결될 수 있다면 서버와의 데이터통신을 위한 무선통신을 제공할 수 있다.
데이터베이스(115)는 샘플포인트에서 미리 측정한 RSS 관련 정보인 RSS 지도를 저장하고 있다. 이때 데이터베이스에 저장되는 RSS 지도의 형식은 상기한 [표1]과 같을 수 있고, RSS 지도는 지도생성부(111)에서 직접 생성하거나 무선통신부(113)를 통해 서버(미도시)로부터 다운받아 저장할 수도 있다.
추정부(117)는 상기 데이터베이스에 저장되어 있는 RSS 지도와 무선통신부(113)에서 받은 측정된 RSS와 추출된 식별번호를 바탕으로 무선측위장치(110, 110d, 110j, 110k)가 놓인 위치를 추정할 수 있다. 추정 방법은 하기에서 설명하는 RSS 지도를 바탕으로 하는 추정 방법 또는 다중체크와 보팅(voting)을 이용한 추정 방법을 사용할 수 있다.
지도생성부(111)는 데이터베이스에 저장되는 RSS 지도를 생성할 수 있다. 지도생성부(111)는 설정된 샘플포인트에서 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e, 100j, 100k, 100l)로부터 오는 무선신호를 수신하여 무선통신부(113)가 측정한 RSS 및 추출한 식별번호를 바탕으로 RSS 지도를 생성하고 이를 데이터베이스에 저장할 수 있다. 일 예로서 지도생성부(111)는 무선통신부(113)가 측정한 RSS를 바탕으로 가장 큰 RSS로 무선신호를 전송하는 무선위치센서부터 크기 순서로 4개의 무선위치센서를 선택하고, 상기 [표 1]처럼 샘플포인트 좌표, 선택된 무선위치센서 및 선택된 무선위치센서에서 전송한 무선신호의 RSS를 포함하는 RSS 지도를 생성할 수 있다.
이렇게 생성되고 데이터베이스에 저장된 RSS 지도는 다른 무선측위장치에서 사용할 수 있도록 하기 위하여 무선통신부(113)를 통해 서버(미도시)로 전달될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 RSS 지도를 바탕으로 무선측위장치의 위치를 추정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 무선측위장치(110d)의 위치를 추정하기 위하여 먼저 RSS 지도를 구성(S510)한다. RSS 지도는 상기 [표1]에 보이는 바와 같이 샘플포인트의 좌표 및 샘플포인트에서 가장 큰 RSS를 가지는 4개의 무선위치센서 정보와 그 무선위치센서에 의한 RSS 정보를 포함할 수 있다. 무선위치센서 정보는 무선위치센서가 전송하는 무선신호에 포함된 식별번호일 수 있다.
무선측위장치(110d)가 3차원 관심공간 내의 제 1 지점에 놓이게 되면 주변의 무선위치센서로부터 오는 무선신호의 RSS를 측정(S520)한다. 그리고 측정된 RSS로부터 큰 RSS를 가지는 순서로 4개의 무선위치센서를 선택(S530)한다. 그리고 선택된 4개의 무선위치센서를 구성된 RSS 지도의 각 샘플포인트와 비교(S540)한다. 이때 무선신호로부터 획득한 무선위치센서의 식별번호와 RSS 지도상의 각 샘플포인트에 구성된 식별번호를 서로 비교하여 4개의 식별번호가 서로 동일한 샘플포인트를 추출하거나 또는 서로 동일하면서 그 크기의 순서도 동일한 샘플포인트를 추출한다. 이 샘플포인트에서의 RSS 4개와 무선측위장치(110d)에서 측정한 가장 큰 4개의 RSS를 이용하여 유클리디안 거리를 계산(S550)한다. 그리고 가장 작은 유클리디안 거리를 가지는 샘플포인트를 선택(S560)하여 자신의 위치 즉 무선측위장치가 놓여진 제 1 지점의 위치를 추정할 수 있다. 그리고 이 샘플포인트가 속한 영역(10d)과 대응되는 무선위치센서(100d)를 이용하여 무선측위장치(110d)가 적재된 영역을 표시할 수도 있다.
상기한 바와 같이 안테나 튜닝과 병합한 핑거프린팅 기법으로 작성된 RSS 지도를 이용하여 무선측위장치의 위치를 추정할 수 있으나 무선환경이 수시로 변하는 것이 일반적이므로 단순히 RSS를 비교하는 방법을 사용하는 경우 어느 정도 오류가 있을 수도 있다. 이러한 오류를 최소화하기 위하여 본 발명에서는 다중 체크 및 보팅(Voting)을 이용한 방법을 추가적으로 제시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 체크 및 보팅을 이용한 무선측위장치의 위치를 추정하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 먼저 무선측위장치(110d, 110j, 110k)는 일정시간 동안 무선위치센서(100a, 100b, 100d, 100e, 100j, 100k, 1000l)로부터 오는 무선신호를 수신한다. 그동안에 동일한 식별번호를 가진 무선신호를 미리 정해진 횟수 이상 수신(S610)하였는지 판단한다. 그리고 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호의 RSS 평균이 기설정된 임계값 이상(S620)인지와 마지막으로 수신한 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값이상(S630)인지를 확인한다. 여기서 기설정된 임계값은 전술한 안테나 튜닝과 핑거프린팅 기법을 사용하여 획득한 RSS 지도를 기반으로 설정할 수 있다.
상기 조건을 모두 만족한 다수의 식별번호에 대하여 RSS를 서로 비교(보팅)하여 RSS가 가장 큰 식별번호를 선택(S640)한다. 그러면 이 식별번호를 가진 무선위치센서와 대응되는 영역에 무선측위장치가 위치함을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 구현 예로서 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)는 주기적으로 400ms마다 1번씩의 무선신호를 전송하도록 설정될 수 있다. 이때의 송신 주기는 얼마나 빨리 무선위치센서를 인식할 필요가 있는 지와 평균 배터리 소모량을 얼마로 할 지에 따라 결정될 수 있다. 그러면 무선측위장치(110j, 110k)는 일정시간 동안 무선위치센서가 보내는 무선신호를 수신하는데, 이때의 일정시간은 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)의 전송주기보다 길면서 무선측위장치(110j, 110k)가 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)에 근접해 있음을 명백히 할 수 있는 정도의 시간이어야 한다. 일 예로서 상기 일정시간은 1.5초로 할 수 있다. 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)가 400ms마다 1번 전송(즉, 1.2초에 3번 전송)하므로 1.5초동안 3번이상 무선신호를 수신한다면 상기 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)가 근접해 있다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 상기 미리 설정된 횟수는 3일 수 있다. 만약 일정시간을 2.2초로 한다면 상기 미리 설정된 횟수는 5일 수 있다. 즉, 미리 설정된 횟수는 상기 일정시간의 설정값과 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)의 무선신호 송신 주기에 따라 변할 수 있다. 그리고 식별번호가 미리 설정된 횟수이상 추출되었다 할지라도 설정한 임계값보다 평균 RSS가 작다면 무선측위장치(110j, 110k)가 무선위치센서(100a, 100j, 100k, 100l)에 근접해 있다고 볼 수 없다. 이때의 임계값은 핑거프린팅 기법에 의해 측정된 RSS를 바탕으로 설정될 수 있는데 일 예로서 핑거프린팅 기법에 의해 측정된 최저 RSS 값으로 정할 수 있다. 일 실시 예로 안테나 튜닝과 핑거프린팅 기법을 사용하여 -70dBm으로 설정할 수 있다.
전술한 본 발명을 위치 추정 시스템에 적용한다면 무선위치센서의 안테나 튜닝, 핑거프린팅 기법을 사용한 임계값 설정, 및/또는 다중 검사에 의하여 위치 추정의 신뢰도를 높일 수 있을 것이다.
이상에서 주 예제로서 자재창고에서의 위치 추정을 들었으나 다른 응용에 본 발명에서 제시하는 위치 추정 시스템 또는 방법이 사용될 수 있음은 당연할 것이다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 자재선반
10a 내지 10l: 자재 적재 구역
20j, 20k: 자재
100a, 100b, 100d, 100e, 100j, 100k, 100l: 무선위치센서
110, 110d, 110j, 110k: 무선측위장치

Claims (10)

  1. 무선신호의 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS) 지도에 기초하여 3차원 관심공간에서 위치를 추정하기 위한 무선측위시스템에 있어서,
    상기 무선측위시스템은 복수의 무선위치센서 및 무선측위장치를 포함하고,
    상기 RSS 지도는 상기 3차원 관심공간을 복수 개의 정육면체로 분할하고, 상기 복수 개의 정육면체의 꼭지점들을 샘플 포인트들로 설정하고, 각 샘플 포인트에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들의 수신신호 세기(RSS)를 측정하고, RSS가 큰 순서로 4개의 무선위치센서를 선택하고, 선택한 상기 4개의 무선위치센서 및 상기 4개의 무선위치센서의 RSS 값을 각 샘플 포인트에 대응하여 저장한 것이며,
    상기 복수의 무선위치센서 각각은 상기 3차원 관심공간 내의 서로 다른 절대위치에 배치되고, 상기 절대위치와 대응되는 식별번호를 구비하고, 상기 식별번호가 포함되는 무선신호를 전송하고,
    상기 무선측위장치는,
    자신이 위치하는 제1지점에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들의 수신신호 세기(RSS)를 측정하고,
    측정된 RSS가 큰 순서대로 상기 복수의 무선위치센서 중 4개의 무선위치센서(이하 제1 무선위치센서 그룹)를 선택하고,
    상기 RSS 지도 내의 상기 샘플 포인트들 중 대응하여 저장된 4개의 무선위치센서가 상기 제1 무선위치센서 그룹과 동일한 샘플 포인트들을 추출하고,
    추출된 상기 샘플 포인트들 각각에 대하여, 상기 RSS 지도 내의 대응하여 저장된 4개의 무선위치센서의 RSS와 상기 제1 무선위치센서 그룹의 RSS 간의 유클리디안 거리를 계산하고,
    상기 유클리디안 거리가 가장 작은 샘플 포인트를 상기 제1지점의 위치로 추정하는,
    무선측위시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무선위치센서는,
    상기 무선신호를 전송하기 위한 안테나를 구비하고,
    상기 무선위치센서와 대응되는 영역 내에서의 RSS가 미리 설정된 임계값 이상이 되도록 상기 안테나 방사 패턴을 설정하는,
    무선측위시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무선측위장치는,
    상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들을 수신하여 RSS를 측정하고, 상기 무선신호들에 포함된 식별번호를 추출하는 무선통신부;
    상기 RSS 지도를 저장하고 있는 데이터베이스; 및
    상기 무선통신부에서 측정한 각 무선위치센서로부터 오는 RSS 및 식별번호를 바탕으로 상기 제1 무선위치센서 그룹을 선택하고,
    상기 RSS 지도 내의 상기 샘플 포인트들 중 대응하여 저장된 4개의 무선위치센서가 상기 제1 무선위치센서 그룹과 동일한 샘플 포인트들을 추출하고,
    추출된 상기 샘플 포인트들 각각에 대하여, 상기 RSS 지도 내의 대응하여 저장된 4개의 무선위치센서의 RSS와 상기 제1 무선위치센서 그룹의 RSS 간의 유클리디안 거리를 계산하고,
    상기 유클리디안 거리가 가장 작은 샘플 포인트를 상기 제1지점의 위치로 추정하는 추정부;를 포함하는,
    무선측위시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 무선측위장치는,
    상기 샘플포인트에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호를 수신하여 상기 무선통신부가 측정한 RSS 및 추출한 식별번호를 바탕으로 상기 샘플포인트의 좌표, 큰 RSS를 가지는 순서대로 선택된 4개의 제 1 내지 제 4 무선위치센서 정보, 및 상기 선택된 4개의 제 1 내지 제 4 무선위치센서의 RSS를 포함하는 상기 RSS 지도를 생성하고 상기 데이터베이스에 저장하는 지도생성부;를 더 포함하는,
    무선측위시스템.
  6. 삭제
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 추정부는,
    (a) 일정시간 동안 동일한 식별번호를 가진 무선신호를 미리 정해진 횟수 이상 수신하였는지를 판단하고, (b) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, (c) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호 중 마지막 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하고, 상기 (a), (b), (c)를 모두 만족하는 식별번호에 대응하는 복수의 무선위치센서들 중에서 상기 제1 무선위치센서 그룹을 선택하는,
    무선측위시스템.
  8. 3차원 관심공간 내의 절대위치에 배치되는 복수의 무선위치센서와 제1지점에 위치하는 무선측위장치를 포함하는 무선측위시스템에서 상기 무선측위장치에서 상기 제1지점의 위치를 추정하기 위한 무선위치추정 방법에 있어서,
    상기 3차원 관심공간을 복수 개의 정육면체로 분할하고, 상기 복수 개의 정육면체의 꼭지점들을 샘플 포인트들로 설정하고, 각 샘플 포인트에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들의 수신신호 세기(Received Signal Strength; RSS)를 측정하고, RSS가 큰 순서로 4개의 무선위치센서를 선택하고, 선택한 상기 4개의 무선위치센서 및 상기 4개의 무선위치센서의 RSS 값을 각 샘플 포인트에 대응하여 저장한 RSS 지도를 구성하는 단계;
    상기 제1지점에서 상기 복수의 무선위치센서로부터 오는 무선신호들의 RSS를 측정하는 단계;
    상기 제1지점에서 측정된 RSS가 큰 순서대로 상기 복수의 무선위치센서 중 4개의 무선위치센서(이하 제1 무선위치센서 그룹)를 선택하는 단계;
    상기 RSS 지도 내의 샘플 포인트들 중 대응하여 저장된 4개의 무선위치센서가 상기 제1 무선위치센서 그룹과 동일한 샘플포인트들을 추출하는 단계;
    추출된 상기 샘플 포인트들 각각에 대하여, 상기 RSS 지도 내의 대응하여 저장된 4개의 무선위치센서의 RSS와 상기 제1 무선위치센서 그룹의 RSS 간의 유클리디안 거리를 계산하는 단계; 및
    상기 유클리디안 거리가 가장 작은 샘플포인트를 상기 제1지점의 위치로 추정하는 단계;를 포함하는,
    무선 위치추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1지점에서 측정된 RSS가 큰 순서대로 상기 복수의 무선위치센서 중 4개의 무선위치센서를 선택하는 단계는,
    (a) 일정시간 동안 동일한 식별번호를 가진 무선신호를 미리 정해진 횟수 이상 수신하였는지를 판단하는 단계;
    (b) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계;
    (c) 상기 일정시간 동안 수신한 동일한 식별번호를 가진 무선신호 중에서 마지막 무선신호의 RSS가 기설정된 임계값 이상인지를 판단하는 단계; 및
    상기 (a), (b), (c)를 모두 만족하는 식별번호에 대응하는 복수의 무선위치센서 중에서 큰 RSS를 가지는 순서대로 4개의 무선위치센서를 선택하는 단계;를 포함하는,
    무선 위치추정 방법.
  10. 삭제
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