KR101914922B1 - 위치 추정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

단말 사용자의 움직임 및 이동 단말의 자세에 따라 센싱되는 데이터의 특징 및 변화를 고려한 위치 추정 방법 및 장치가 개시된다. 위치 추정 장치는, 센서 데이터 수집부, 사용자 자세 판단부 및 위치 결정부를 포함한다. 상기 센서 데이터 수집부는 6축 센서 및 지자기 센서를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 상기 측위 대상에 대응하는 억세스포인트의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득한다. 상기 사용자 자세 판단부는 상기 자세 데이터와 기설정된 기준 자세를 비교하여 사용자의 자세를 판단한다. 상기 위치 결정부는 상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하면, 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하여 k개의 후보군을 선정하고, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 통해 최종 위치를 추정한다.

Description

위치 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING A POSITION}
본 발명은 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단말 사용자의 움직임 및 이동 단말의 자세에 따라 센싱되는 데이터의 특징 및 변화를 고려한 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
근래 스마트 폰, 태블릿 PC 등과 같이 휴대성이 향상된 다양한 모바일 기기가 증가되고 있으며, 사용자의 위치에 기반하여 서비스를 제공하는 다양한 사업 모델 및 소셜 네트워크와 같은 새로운 서비스 모델이 생겨나고 있는 실정이다.
이러한 상황에서 모바일 기기의 현재 위치를 측정하기 위해서 GPS를 이용한 위치 추정 또는 특정 신호를 이용하여 삼각 측량을 이용하는 위치 추정과 같이 다양한 방식의 위치 추정 기술이 연구되고 있다.
그러나, GPS 신호를 수신하여 위치를 추정하는 기술의 경우에 건물의 내부 또는 고층 건물 사이에 위치하는 경우에 위성 신호를 수신하기 어렵기 때문에 기기의 정확한 위치를 추정하기 어려운 문제점이 있다.
특히, 건물 내부와 같이 실내 상황에서의 위치 추정에 대한 중요성이 높아짐에 따라서, 실내 위치 추정을 위한 기술이 요구되고 있다. 예를 들어, 신호를 송신하는 송신기와 각 지점에서 수신되는 수신 신호의 세기에 대한 정보를 저장된 신호 맵 정보와 비교하여 위치를 추정하는 핑거프린팅 기술이 연구되고 있다.
다만, 이러한 핑거프린팅 기술의 경우에 신호 맵을 구축하는 시점과 실제 단말 기기가 신호를 수신하여 위치를 추정하는 시점 사이에 주변 환경의 변화가 있는 경우에 신호의 경로가 변하게 되어서 정확한 위치 추정이 어려운 문제점이 있다. 또한, 단말 기기의 종류 및 방향성에 따라서 수신되는 신호의 세기가 변화될 가능성이 있으므로 위치 추정의 신뢰성이 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 핑거프린팅 방식의 위치 추정에 있어서, 신호 세기의 변동 요인에 따라서 위치 추정의 정확도가 낮아지는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2013-0063821호 (2013. 06. 17. 공개)(자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말 및 이를 이용한 위치 추정 방법) 한국공개특허 제2013-0083176호 (2013. 07. 22. 공개)(자기장 지도 기반 보폭 추정 장치 및 이를 이용한 방법) 한국등록특허 제10-1576424호 (2015. 12. 10. 공고)(실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법) 한국등록특허 제10-1523147호 (2015. 05. 26. 공고)(실내 측위 장치 및 방법)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에 착안한 것으로, 본 발명의 목적은 단말 사용자의 움직임 및 이동 단말의 자세에 따라 센싱되는 데이터의 특징 및 변화를 고려하여 동일한 위치에서 기준이 되는 자세로 있는 경우 자기장 수치가 일정하게 측정된다는 점을 활용하는 위치 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 위치 추정 방법을 수행하는 위치 추정 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 위치 추정 방법은, (a) 6축 센서 및 지자기 센서를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 상기 측위 대상에 대응하는 억세스포인트(이하, AP)의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하는 경우, 상기 지자기 센서에 의해 측정된 자기장 수치를 근거로 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하는 단계; (c) 상기 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 임계값이 잔차보다 작은 조건을 만족하는 기준점을 후보로 선정하는 단계; (d) 상기 무선신호 데이터를 근거로 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하는 단계; (e) 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 2개 이상인 경우, 상기 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과와 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과의 잔차를 기반으로 상기 측위 대상의 위치를 결정하는 단계; (f) 각 측위 방법에 대한 가중치 부여를 통해 계산된 좌표를 최종 위치로 추정하는 단계; (g) 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 1개 이하인 경우, 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치를 비교하는 단계; (h) 상기 자기장 기반 측위 위치와 상기 무선신호 기반 측위 위치 간의 거리가 허용범위 내의 거리로 체크되지 않으면, 단계(a)로 피드백하는 단계; 및 (i) 상기 자기장 기반 측위 위치와 상기 무선신호 기반 측위 위치 간의 거리가 허용범위 내의 거리로 체크되면, 단계(f)로 피드백하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 위치 추정 방법은, (j) 상기 자세 데이터가 기준 자세를 만족하지 않는 경우, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과 PDR 기법이 결합된 측위를 수행하여 최종 위치를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 위치 추정 장치는, 센서 데이터 수집부, 사용자 자세 판단부 및 위치 결정부를 포함한다. 상기 센서 데이터 수집부는 6축 센서 및 지자기 센서를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 상기 측위 대상에 대응하는 억세스포인트의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득한다. 상기 사용자 자세 판단부는 상기 자세 데이터와 기설정된 기준 자세를 비교하여 사용자의 자세를 판단한다. 상기 위치 결정부는 상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하면, 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하여 k개의 후보군을 선정하고, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 통해 최종 위치를 추정한다.
일실시예에서, 상기 위치 결정부는 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 1개 이하인 경우, 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치를 비교하여 상기 자기장 기반 측위 위치와 상기 무선신호 기반 측위 위치 간의 거리가 허용범위 내의 거리로 체크되면 각 측위 방법에 대한 가중치 부여를 통해 계산된 좌표를 최종 위치로 추정할 수 있다.
일실시예에서, 상기 위치 결정부는 k개의 후보군을 선정할 때 기준이 되는 데이터와 측위에 사용되는 센싱 데이터 간의 차이가 기준값 이하인 기준점들을 선정할 수 있다.
일실시예에서, 상기 지자기 센서로부터 측정되는 측정값들은 핑거프린팅을 이용한 측위를 수행하기 위해 사용될 수 있다.
일실시예에서, 지자기 기반 핑거프린팅 측위 결과는 무선신호 기반 핑거프린팅 측위 결과와 함께 가중치를 부여받고 최종 위치 추정에 이용될 수 있다.
일실시예에서, 상기 위치 결정부는, 상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하지 않으면, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과 PDR 기법이 결합된 측위를 수행하여 최종 위치를 추정할 수 있다.
이러한 위치 추정 방법 및 장치에 의하면, 단말 사용자의 움직임 및 이동 단말의 자세에 따라 센싱되는 데이터의 특징 및 변화를 고려한 방법으로 동일한 위치에서 기준이 되는 자세로 있는 경우 자기장 수치가 일정하게 측정된다는 점을 활용하여 위치를 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 장치가 탑재된 이동 단말의 위치 추정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 설명된 측위 대상의 자세 만족 여부 판단을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 2 및 도 3에서 설명된 자기장 기반 핑거프린팅을 이용한 측위를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2 및 도 3에서 설명된 무선신호 기반 핑거프린팅을 이용한 측위를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 장치가 탑재된 이동 단말(100)의 위치 추정을 설명하기 위한 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 위치 추정 장치(미도시)를 탑재한 이동 단말(100)은 실내 및 건물 지하와 같은 GPS 음영지역에 배치된다.
이동 단말(100)에는 가속도 센서(미도시), 자이로 센서(미도시), 지자기 센서 미도시), 무선 AP 수신 모듈(미도시) 등이 탑재된다. 이동 단말(100)은 위치 추정 장치가 임베디드된 휴대단말 또는 전용기기로 구성될 수 있다. 휴대단말은 휴대폰, PDA, 와이브로 단말 등 무선통신이 가능한 모든 휴대형 전자기기를 포함할 수 있다. 무선 AP 수신 모듈은 WiFi, 지그비(Zigbee) 등 통상의 무선 통신은 무엇이나 가능하고, 주변 BLE 비콘으로부터 신호세기(RSS)를 측정하는 역할을 담당한다.
이동 단말(100)은 가속도 센서와 자이로 센서로 구성된 6축 센서를 통해 사용자의 자세를 판단한다.
사용자의 자세가 기존에 설정된 기준 자세를 만족하는 경우, 이동 단말(100)은 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위와 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행한다. 이 경우, 지자기 센서로부터 측정된 측정값들은 방향 판단을 위해 사용되지 않고 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하기 위해 사용된다. 자기장 수치 기판 핑거프린팅 측위 결과와 무선신호 기반 핑거프린팅 측위 결과는 가중치를 부여받아 좌표가 계산되어 최종 위치 추정에 직접적인 영향을 미친다.
한편, 사용자의 자세가 기존에 설정된 기준 자세를 만족하지 않는 경우, 이동 단말(100)은 가속도 센서, 자이로 센서 및 지자기 센서로 구성된 9축 센서를 통해 측정되는 측정값을 활용하여 사용자의 이동 방향 및 이동 거리를 판단하여 최종 위치를 추정한다. 여기서, 이동 단말(100)은 사용자의 이동 방향 및 이동 거리를 좌표 값으로 환산하여 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행한 결과에 반영한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 장치(120)를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 장치(120)는, 센서 데이터 수집부(122), 사용자 자세 판단부(124) 및 위치 결정부(126)를 포함한다. 본 실시예에서, 센서 데이터 수집부(122), 사용자 자세 판단부(124) 및 위치 결정부(126)는 위치 추정 장치(120)를 정의하는 것을 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위해 논리적으로 구분하였을 뿐 하드웨어적으로 구분한 것은 아니다.
센서 데이터 수집부(122)는 가속도 센서(112), 자이로 센서(114), 지자기 센서(116) 및 무선 AP 수신 모듈(118)에 연결되어 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 상기 측위 대상에 대응하는 억세스포인트의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득한다. 본 실시예에서, 가속도 센서(112) 및 자이로 센서(114)는 6축 센서로 정의될 수 있고, 가속도 센서(112), 자이로 센서(114) 및 지자기 센서(116)는 9축 센서로 정의될 수 있다.
가속도 센서(112)는 사용자의 이동 단말(100)이 이동할 때 가해지는 가속도나 충격의 세기를 측정하는 것으로, 가속도를 이용하여 물체가 어느 정도의 속도로 어느 정도의 거리를 이동하는지 실시간으로 검출할 수 있다. 또한, 이동 단말(100)이 현재 위치에서 어느 방향으로 어느 속력으로 이동하는지도 알 수 있다.
지자기 센서(116)에 의해 측정되는 지자기장은 위치에 따라 강도가 다르게 나타나며 대체로 20~70μT 정도의 크기로 존재한다. 대한민국에서는 약 50 μT 정도로 나타나며 특히 실내 공간에 들어오게 되면 철골 구조물, 전자장비 등에 의해 지자기장이 왜곡되게 도는데 이러한 특성이 오히려 실내 공간에서는 위치를 구별할 수 있는 좋은 기반이 된다.
무선 AP 수신 모듈(118)은 적어도 3개 이상의 무선 AP 모듈로부터 수신된 신호의 세기 정보(RSSI: Received Signal Strength Indication)를 사용하는 측위 기법을 적용하는 것이 바람직하다. 수신된 신호의 세기 정보를 이용하여 수신 단말의 위치를 추정하는 방법으로는, 삼변법(Trilateration) 또는 핑거프린팅(Fingerprinting) 기법이 적용될 수 있다. 여기서, 삼변법은 신호의 전파(Propagation) 감쇠 모델을 사용하여 AP와 수신 단말 사이의 거리를 추정함으로써 위치를 추정하는 방법이고, 핑거프린팅 기법은 사전에 측정된 각 AP로부터 전송된 신호 세기를 데이터베이스에 저장한 후, 수신 단말로부터 수신되는 신호 세기 값이 전달되면, 상기 신호 세기 값에 대응되는 위치 정보를 호출하여 수신 단말로 제공하는 방법이다.
보다 상세하게는, 상기 무선 AP 수신 모듈(118)에서 상기 AP 무선 모듈로부터 각 신호의 강도를 측정하여 수신 강도에 비례하는 원의 반지름을 구하고, 이들의 교집합이 이루어지는 영역을 산출한 후, 산출된 영역을 AP 좌표와 비교하여 공간 좌표를 구하여 상기 사용자 이동 단말(100)의 현 위치를 계산하게 된다.
사용자 자세 판단부(124)는 자기장 수치를 이용한 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하기 이전에 6축 센서로 센싱되는 데이터를 통해 사용자의 움직임 및 자기장 수치를 이용하여 사용자의 이동 단말(100)의 자세를 판단한다. 즉, 사용자 자세 판단부(124)는 6축 센서 및 지자기 센서(116)를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 획득한 자세 데이터와 기설정된 기준자세를 비교하여 사용자의 자세를 판단한다.
위치 결정부(126)는 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하면, 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하여 k개의 후보군을 선정하고, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 통해 최종 위치를 추정한다. 즉, 판단된 사용자의 움직임 및 이동 단말(100)의 자세가 정지 상태이면서 기준 자세인 상황일 경우, 1차로 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하여 K개의 후보군을 선정하고, 2차로 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 통해 최종 위치를 결정한다.
기준 자세라는 조건을 만족한 상태에서, 위치 결정부(126)는 지자기 센서(116)로 센싱되는 데이터는 변화의 폭이 적은 일정한 값을 수신한다. 따라서, 위치 결정부(126)는 위치 추정의 정확도가 높아 자기장 수치를 이용하여 1차로 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하여 k개의 후보군을 선정한다.
k개의 후보군을 선정할 때, 위치 결정부(126)는 기준이 되는 데이터와 측위에 사용되는 센싱 데이터 간의 차이가 기준값 이하인 기준점들을 선정한다.
k개의 후보군이 선정된 이후, 위치 결정부(126)는 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하여 최종 위치를 추정한다.
한편, 위치 결정부(126)는, 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하지 않으면, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과 PDR 기법이 결합된 측위를 수행하여 최종 위치를 추정한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이동 단말을 소지한 사용자의 움직임 및 이동 단말의 자세에 따라 센싱되는 데이터의 특징 및 변화를 고려한 방법으로 동일한 위치에서 기준이 되는 자세로 있는 경우 자기장 수치가 일정하게 측정된다는 점을 활용하여 위치를 추정할 수 있다.
즉, 자기장 수치는 사용자가 동일한 위치에 있다 하더라도 이동 단말의 방향에 따라 그 값이 크게 변한다. 무선신호의 경우, 이동 단말의 방향에 따른 수신 세기의 변화가 크지 않은 반면, 동일한 위치에 있다 하더라도 수신되는 신호의 세기의 강도 변화의 폭이 자기장 수치에 비해 큰 편이다.
따라서, 기준 자세인 상황에서는 동일한 환경에서 입력되는 오차의 폭이 작은 자기장 수치를 이용하여 사용자의 위치를 추정하고, 기준 자세가 아닌 경우 자세에 따른 센싱 데이터의 변화가 적은 무선신호 세기를 사용하여 위치를 추정한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 6축 센서 및 지자기 센서를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 측위 대상에 대응하는 억세스 포인트의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득한다(단계 S110).
이어, 단계 S110에서 획득한 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하는지의 여부를 체크한다(단계 S120).
단계 S120에서 자세 데이터가 기준 자세를 만족하는 것으로 체크되면, 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행한다(단계 S130). 지자기장은 위치에 따라 강도가 다르게 나타나며 대체로 20~70μT 정도의 크기로 존재한다. 대한민국에서는 약 50 μT 정도로 나타나며, 특히 실내 공간에 들어오게 되면 철골 구조물, 전자장비 등에 의해 지자기장이 왜곡되게 도는데 이러한 특성이 오히려 실내 공간에서는 위치를 구별할 수 있는 좋은 기반이 된다.
이어, 잔차가 임계값 보다 작은 조건을 만족하는 기준점을 후보군으로 선정한다(단계 S132). 통상적으로, 편차(deviation)는 측정치가 평균으로부터의 떨어져 있는 정보, 즉 평균과의 차이를 칭한다. 오차(error)는 예측하기 위하여 추정된 값과 실제값의 차이, 즉 예측값이 정확하지 못한 정도를 칭한다. 한편, 잔차(residual)는 평균이 아니라 회귀식 등으로 추정된 값과의 차이, 즉 추정된 값이 설명할 수 없어서 아직도 남아있는 편차를 칭한다.
이어, 단계 S110에서 획득한 무선신호 데이터를 근거로 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행한다(단계 S134).
단계 S134에서 수행된 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과 후보군이 2개 이상인지의 여부를 체크한다(단계 S140).
단계 S140에서 후보군이 2개 이상으로 체크되면, 두 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과의 잔차를 기반으로 위치를 결정한다(단계 S150). 예를 들어, 후보군에 2개 이상의 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과가 존재하면, 잔차가 가장 작은 후보군을 위치로 결정할 수 있다.
단계 S150에 이어, 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 방법과 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 방법에 대해 가중치를 부여한 좌표를 계산한다(단계 S152). 예를 들어, 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 방법에 가중치를 더 부여할 수도 있고, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 방법에 가중치를 더 부여할 수 있다.
단계 S152의 가중치를 부여한 좌표를 계산한 후, 최종 위치를 추정한다(단계 S154).
한편, 단계 S140에서 후보군이 2개 이상으로 체크되지 않으면, 즉, 1개 이하로 체크되면, 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치를 비교한다(단계 S160).
단계 S160의 비교결과 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치간의 거리가 허용 범위 내의 거리에 존재하는지의 여부를 체크한다(단계 S170).
단계 S170에서 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치간의 거리가 허용 범위 내의 거리에 존재하지 않은 것으로 체크되면, 단계 S110로 피드백한다.
단계 S170에서 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치간의 거리가 허용 범위 내의 거리에 존재하는 것으로 체크되면, 단계 S152로 피드백한다.
한편, 단계 S120에서 자세 데이터가 기준 자세를 만족하지 않은 것으로 체크되면, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과 보행자 추측 항법(PDR, Pedestrian Dead Reckoning) 기법이 결합된 위치추정을 수행한 후(단계 S180), 단계 S154로 피드백한다. 일반적으로 사용자가 이동할 때 이동 단말의 화면을 보면서 이동할 수도 있지만 손에 쥔 채로 팔을 흔들면서 걸을 수도 있고 뒷주머니 등에 꽂아 놓고 이동하기도 한다. 따라서 주로 액셀러로미터(Accelerometer), 자이로스코프(Gyoscope), 바로미터(Barometer) 등의 센서들을 사용하는 보행자용 추측 항법을 적용한다. 보행자의 위치 추정 항법으로서, 걸음수 측정(step counting) 기법, 보폭 추정(stride length estimation) 기법, 방향 추정(heading estimation) 기법이 결합되어 사용될 수 있다.
대체로 한 걸음은 1m 이하이기 때문에 비교적 높은 위치 정확도를 달성할 수 있는 기법이지만 이동 시간이 늘어날수록 오차는 누적해서 커진다는 점과 위치를 상대적으로 계산하기 때문에 최초의 위치(first fix)를 찾을 수 없다는 점 때문에 단독 기술로 사용되지 못한다. 하지만, 보행자 추측 항법 기법은 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과의 결합을 통해 보행자의 위치를 추정할 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 설명된 측위 대상의 자세 만족 여부 판단을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 사용자는 측위 대상인 이동 단말을 다양한 자세로 소지할 수 있다.
이동 단말을 세워서 소지하는 경우, 이동 단말은 피치 값과 롤 값을 획득할 수 있다. 3차원에서 위치를 표시하기 위해선 3개의 요소인 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw)가 필요하다. 피치는 이동 방향에 대해 수직의 수평면에 있는 축 주위의 회전으로서, 예를 들어, 비행기 옆 날개를　기준으로 하는 회전이다. 롤은 이동방향에 대한 평행한 수평면에 있는 축 주위의 회전으로서, 예를 들어, 비행기 앞 머리를 기준으로 하는 회전이다. 요는 이동방향에 대해 수직의 수직면에 있는 축주위의 회전으로서, 예를 들어, 비행기 천장을 기준으로 하는 회전이다.
본 실시예에서, 실제로 측정된 피치는 -7.9이고, 실제로 측정된 롤은 -4.2이다.
피치 값과 롤 값이 측정됨에 따라, 이동 단말의 자세가 기준 자세에 만족하는지 확인될 수 있다. 즉, 피치 값들과 롤 값들이 기준자세들로서 매핑된 테이블에서 상기 측정된 피치 값과 상기 측정된 롤 값이 존재하는지를 확인하여 기준 자세의 만족 여부를 확인할 수 있다. 본 실시예에서, 측정된 피치 값은 -7.9이고 롤 값은 -4.2이므로 자세 1에 근사한 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 이동 단말과 같은 측위 대상의 자세 판단은 학습을 통해 기저장된 자세에 따른 피치값과 롤값과 측위 대상의 이동 단말에서 측정되는 피치값과 롤값간의 비교를 통해 판단한다.
도 4를 참조하여 자기장 기반 핑거프린팅 기법을 통해 후보군을 선정하는 과정을 설명한다.
도 5는 도 2 및 도 3에서 설명된 자기장 기반 핑거프린팅을 이용한 측위를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 지자기 센서를 통해 자기장 정보로서 벡터로 정의되는 x값, y값, z값을 측정한다. 본 실시예에서, 측정된 x값은 19이고, 측정된 y값은 -4이고, 측정된 z값은 -49인 것을 예로 설명한다.
이어, 기저장된 자기장 기반 핑거프린트 맵에 저장된 값과 측정된 지자기 센서의 측정값을 이용하여 잔차를 구한다. 본 실시예에서, 기저장된 자기장 기반 핑거프린트 맵에는 8가지의 좌표들이 매핑되고, 좌표들 각각에 대응하여 기설정된 지자기 센서의 좌표값들이 매핑된다.
예를 들어, (100, 100)에 대응하는 1번 위치에는 (19, 12, -49)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑되고, (300, 100)에 대응하는 2번 위치에는 (29, -5, -46)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑되고, (500, 100)에 대응하는 3번 위치에는 (26, -14, -45)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑된다.
또한, (100, 350)에 대응하는 4번 위치에는 (-15, -34, -37)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑되고, (500, 350)에 대응하는 5번 위치에는 (-25, -40, -35)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑되고, (100, 600)에 대응하는 6번 위치에는 (29, -43, -23)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑된다.
또한, (300, 600)에 대응하는 7번 위치에는 (28, -47, 0)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑되고, (500, 600)에 대응하는 8번 위치에는 (19, 6, -49)의 지자기 센서의 좌표값이 매핑된다.
잔차를 구하는 공식은 아래 수식 1과 같다.
[수식 1]
Figure 112017034735767-pat00001
여기서, xi는 기저장된 핑거프린트 맵의 x값이고, xuser는 측정된 x값이고, yi는 기저장된 핑거프린트 맵의 y값이고, yuser는 측정된 y값이고, zi는 기저장된 핑거프린트 맵의 z값이고, zuser는 측정된 z값이다.
상기한 수식 1을 활용하여 자기장 기반 핑거프린트 맵에 저장된 좌표들에 대한 잔차를 계산한다. 본 실시예에서, 1번 위치의 잔차는 16, 2번 위치의 잔차는 10.488, 3번 위치의 잔차는 12.845, 4번 위치의 잔차는 46.904, 5번 위치의 잔차는 58.549, 6번 위치의 잔차는 47.927, 7번 위치의 잔차는 65.81, 8번 위치의 잔차는 10이다.
예를 들어, 20미만의 잔차에 대응하는 위치를 후보군으로 선정한다. 본 실시예에서, 20미만의 잔차에 대응하는 위치후보는 1번 위치, 2번 위치, 3번 위치 및 8번 위치이다.
도 6은 도 2 및 도 3에서 설명된 무선신호 기반 핑거프린팅을 이용한 측위를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 이동 단말을 통해 검출되는 AP1의 신호세기는 -51 dBm, AP2의 신호세기는 -50 dBm, AP3의 신호세기는 -59 dBm, 그리고 AP4의 신호세기는 -62 dBm 인 것을 가정하여 설명한다.
수신 신호 세기 정보(Received Signal Strength Indication, RSSI) 기반 핑거프린트 맵에는 억세스포인트(AP)들 각각에 대한 신호세기들이 매핑되어 있다.
예를 들어, (100, 100)에 대응하는 1번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -55 dBm, -64 dBm, -48 dBm 및 -53 dBm이 매핑되고, (300, 100)에 대응하는 2번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -60 dBm, -64 dBm, -57 dBm 및 -58 dBm이 매핑되고, (500, 100)에 대응하는 3번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -63 dBm, -65 dBm, -57 dBm 및 -60 dBm이 매핑된다.
또한, (100, 350)에 대응하는 4번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -46 dBm, -60 dBm, -59 dBm 및 -59 dBm이 매핑되고, (500, 350)에 대응하는 5번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -61 dBm, -62 dBm, -59 dBm 및 -59 dBm이 매핑되고, (100, 600)에 대응하는 6번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -61 dBm, -58 dBm, -62 dBm 및 -58 dBm이 매핑된다.
또한, (300, 600)에 대응하는 7번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -64 dBm, -50 dBm, -59 dBm 및 -57 dBm이 매핑되고, (500, 600)에 대응하는 8번 위치에는 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기는 -50 dBm, -59 dBm, -58 dBm 및 -56 dBm이 매핑된다.
실제로 측정된 AP1, AP2, AP3 및 AP4 각각의 신호세기가 -51 dBm, -50 dBm, -59 dBm 및 -62 dBm이므로 RSSI 기반 핑거프린트 맵에 저장된 좌표들에 대한 잔차를 계산할 수 있다. 잔차를 계산하여 잔차가 작은 기준점의 좌표는 4번, 6번 및 8번 위치이다. 그 중 가장 작은 잔차는 8번 위치이다.
따라서, 최종 추정 위치는 (500, 600)의 좌표를 갖는 8번 위치이다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 지자기 센서, 6축 센서(가속도, 자이로) 및 무선신호 모듈(Wi-Fi, BLE)을 내장한 이동 단말을 이용하여 실내에서 이동 단말 사용자의 위치를 추정할 수 있다. 이를 위해, 6축 센서로부터 센싱한 데이터를 통해 사용자의 이동 상태 및 자세를 판별하고, 지자기 센서로부터 센싱한 데이터를 핑거프린팅 기법을 통해 이동 단말을 소지한 사용자가 위치할 수 있는 후보군을 선정하고, 지자기 센서를 이용해 선정한 후보군에서 수신한 무선신호 세기 정보와 사용자의 이동 단말이 수신한 무선신호 세기 정보에 핑거프린팅 기법을 통해 최종 사용자의 위치를 파악한다.
이상에서 설명된 위치 추정 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 위치 추정 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.
처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.
이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.
소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다.
소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기광매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 이동 단말 112 : 가속도 센서
114 : 자이로 센서 116 : 지자기 센서
118 : 무선 AP 수신 모듈 120 : 위치 추정 장치
122 : 센서 데이터 수집부 124 : 사용자 자세 판단부
126 : 위치 결정부

Claims (8)

  1. (a) 6축 센서 및 지자기 센서를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 상기 측위 대상에 대응하는 억세스포인트(이하, AP)의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득하는 단계;
    (b) 상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하는 경우, 상기 지자기 센서에 의해 측정된 자기장 수치를 근거로 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하는 단계;
    (c) 상기 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 임계값이 잔차보다 작은 조건을 만족하는 기준점을 후보로 선정하는 단계;
    (d) 상기 무선신호 데이터를 근거로 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하는 단계;
    (e) 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 2개 이상인 경우, 상기 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과와 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과의 잔차를 기반으로 상기 측위 대상의 위치를 결정하는 단계;
    (f) 각 측위 방법에 대한 가중치 부여를 통해 계산된 좌표를 최종 위치로 추정하는 단계;
    (g) 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 1개 이하인 경우, 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치를 비교하는 단계;
    (h) 상기 자기장 기반 측위 위치와 상기 무선신호 기반 측위 위치 간의 거리가 허용범위 내의 거리로 체크되지 않으면, 단계(a)로 피드백하는 단계; 및
    (i) 상기 자기장 기반 측위 위치와 상기 무선신호 기반 측위 위치 간의 거리가 허용범위 내의 거리로 체크되면, 단계(f)로 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (j) 상기 자세 데이터가 기준 자세를 만족하지 않는 경우, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과 PDR 기법이 결합된 측위를 수행하여 최종 위치를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 방법.
  3. 6축 센서 및 지자기 센서를 통해 측위 대상의 자세를 센싱하여 자세 데이터를 획득하고, 상기 측위 대상에 대응하는 억세스포인트의 무선신호를 센싱하여 무선신호 데이터를 획득하는 센서 데이터 수집부;
    상기 자세 데이터와 기설정된 기준 자세를 비교하여 사용자의 자세를 판단하는 사용자 자세 판단부; 및
    상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하면, (i) 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하고, (ii) 상기 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 임계값이 잔차보다 작은 조건을 만족하는 기준점을 후보로 선정하고, (iii) 상기 무선신호 데이터를 근거로 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위를 수행하고, (iv) 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 2개 이상인 경우, 상기 자기장 수치 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과와 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 결과의 잔차를 기반으로 상기 측위 대상의 위치를 결정하고, (v) 각 측위 방법에 대한 가중치 부여를 통해 계산된 좌표를 최종 위치로 추정하는 위치 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 위치 결정부는 상기 무선신호 기반 핑거프린팅 기법을 이용한 측위 수행 결과에서 후보군이 1개 이하인 경우, 자기장 기반 측위 위치와 무선신호 기반 측위 위치를 비교하여 상기 자기장 기반 측위 위치와 상기 무선신호 기반 측위 위치 간의 거리가 허용범위 내의 거리로 체크되면 각 측위 방법에 대한 가중치 부여를 통해 계산된 좌표를 최종 위치로 추정하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제3항에 있어서, 상기 위치 결정부는, 상기 자세 데이터가 기설정된 기준 자세를 만족하지 않으면, 무선신호 기반 핑거프린팅 기법과 PDR 기법이 결합된 측위를 수행하여 최종 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 위치 추정 장치.
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