KR101956173B1

KR101956173B1 - 3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101956173B1
Application number: KR1020120030477A
Authority: KR
Inventors: 김상현; 이형욱; 최창규
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2019-03-08
Also published as: US9557190B2; US20130253869A1; KR20130108771A

Abstract

3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정 장치 및 방법이 제공된다. 일 측면에 따른 보정장치는 기설정된 기간 동안 상기 관성정보들과 세기정보들을 수신해서 수신부들과 송신부 간의 거리들을 계산하고, 수신부들과 송신부 간의 거리들을 이용해서 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정한다.

Description

3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정 장치 및 방법{Apparatus and Method for Calibrating 3D Position/Orientation Tracking System}

기술분야는 3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 신호감쇄특성을 이용해서 세기정보를 기반으로 하는 위치/방향 추정 장치 및 방법에서 신호감쇄특성을 보정하는 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.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 대두된 방법으로 적외선의 신호감쇄특성을 이용해서 3차원 위치와 방향을 추정하는 방법이 제안되었다. 하지만, 신호감쇄특성을 이용하는 방법도 신호를 수신하는 수신부의 특성에 따라 신호감쇄특성을 다르게 감지해서 정확도가 떨어지는 문제가 있다.

일 측면에 있어서, 기설정된 기간 동안 수신부들 각각에서 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 원격장치로부터 관성정보를 수신하고, 상기 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하고, 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인하는 정보 선택부와, 상기 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 송신부와 상기 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산하는 각도 계산부 및, 상기 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 위치 계산부를 포함하는 3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치가 제공된다.

이때, 상기 기설정된 기간 동안 상기 수신부들 각각에서 수신되는 신호는, 상기 기설정된 기간 동안 상기 송신부가 고정점을 기준을 수평 또는 수직으로 회전되면서 송신한 신호일 수 있다.

이때, 보정장치는, 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하는 거리 계산부 및 상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정하는 보정부를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 보정부는, 상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보들과 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 수 있다.

이때, 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 이용해서 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신 때의 상기 원격장치의 자세를 계산하는 자세 계산부를 더 포함하고, 상기 보정부는 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 때, 상기 원격장치의 자세를 이용해서 각도에 따라 달라지는 신호감쇄특성을 고려할 수 있다.

이때, 상기 수신부들은, 적어도 3개 이상일 수 있다.

이때, 상기 송신부는, 서로 다른 방향을 지향하는 2개 이상의 송신부로 구성될 수 있다.

이때, 상기 원격장치는, 상기 관성정보들을 측정하는 관성 센서부를 포함하고, 상기 송신부 혹은 상기 수신부들 중 하나를 포함한다.

이때, 상기 세기정보들은, 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.

일 측면에 있어서, 기설정된 기간 동안 수신부들 각각에서 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 원격장치로부터 관성정보를 수신하는 단계와, 상기 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하는 단계와, 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인하는 단계와, 상기 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 송신부와 상기 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산하는 단계 및, 상기 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 단계를 포함하는 3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성을 보정하는 방법이 제공된다.

이때, 상기 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 단계 이후에, 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 보정하는 단계는, 상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 수 있다.

이때, 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 이용해서 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신 때의 상기 원격장치의 자세를 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 보정하는 단계는 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 때, 상기 원격장치의 자세를 이용해서 각도에 따라 달라지는 신호감쇄특성을 고려할 수 있다.

일 측면에 있어서, 세기 측정을 위한 신호를 송신하는 적어도 하나의 송신부를 포함하는 송신장치와, 상기 신호를 수신하고 상기 신호의 세기를 측정하는 적어도 3개의 수신부들을 포함하고 세기 정보들을 출력하는 수신장치와, 관성정보들을 측정하는 관성 센서부를 포함하고, 상기 송신장치 혹은 상기 수신장치 중 하나를 포함하는 원격장치 및 기설정된 기간 동안 상기 관성정보들과 상기 세기정보들을 수신해서 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하고, 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치를 포함하는 3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템이 제공된다.

이때, 상기 보정장치는, 기설정된 기간 동안 상기 수신부들 각각에서 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 상기 원격장치로부터 관성정보를 수신하고, 상기 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하고, 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인하는 정보 선택부와, 상기 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 상기 송신부와 상기 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산하는 각도 계산부와, 상기 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 위치 계산부와, 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하는 거리 계산부 및 상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정하는 보정부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 보정부는, 상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 수 있다.

이때, 상기 수신부들은, 적어도 3개 이상일 수 있다.

본 발명은 신호감쇄특성을 이용해서 3차원 위치/방향 추정하기에 앞서 수신부 별 성능 편차에 의한 신호감쇄특성이 다른 점을 보정하는 장치 및 방법으로, 수신부 별로 신호감쇄특성을 보정함으로써 위치/방향 성능의 비균일성을 보상한다. 따라서, 대량 생산이나 제품 제작 공정상에서 발생할 수 있는 센서/장치 간 성능 편차를 쉽게 보정할 수 있어, 안정적인 센싱 성능을 확보할 수 있도록 해 준다.

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 3은 3차원 위치/방향 추정 시스템에서 보정 장치의 구성을 도시한 도면,
도 4는 관성정보를 이용하여 송신부에서 각 수신부들로 향하는 벡터 사이의 각도를 측정하는 예를 도시한 도면,
도 5는 보정을 위해 원격장치의 위치를 추정하는 예를 도시한 도면,
도 6은 계산된 송신부의 위치에서 수신부의 지향방향에 위치하는 가상의 송신부 위치의 세기를 계산하는 예를 도시한 도면,
도 7은 거리별 이론적인 신호감쇄특성 모델과 측정된 신호감쇄특성 모델의 예를 도시한 도면 및,
도 8은 수신부 별 성능편차에 의한 신호감쇄특성 차이를 보정하는 방법의 예를 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.

여기서, I는 측정되는 신호의 세기이고, r은 송신부와 수신부 사이의 거리이다.

송신부의 지향 방향에 따라 측정되는 신호의 세기는 아래 <수학식 2>과 같은 특성을 가진다.

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.

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.

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 3은 3차원 위치/방향 추정 시스템에서 보정 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 3차원 위치/방향 추정 시스템은 원격장치(310), 송신장치(320), 수신장치(330) 및 보정장치(350)를 포함할 수 있다. 또한, 3차원 위치/방향 추정 시스템은 수신장치(330)와 원격장치(310)로부터 수신하는 정보들을 이용해서 3차원 위치/방향을 추정하는 추정장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

원격장치(310)는 위치와 방향을 추정하는 목표 장치로서 관성정보들을 측정하는 관성 센서부(340)와 송신장치(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 원격장치(310)는 송신장치(320)를 포함하고 있지만, 송신장치(320) 대신에 수신장치(330)를 포함할 수 도 있다. 즉, 원격장치(310)는 송신장치(320) 혹은 수신장치(330)를 포함할 수 있다.

송신장치(320)는 1개 이상의 송신부(321, 322)를 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.

수신장치(330)는 1개 이상의 수신부(331, 332, 334)를 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 송신장치(320)로부터 신호를 수신하기에 앞서 동기 신호를 수신하면 송신장치(320)와 동기화 한다.

수신부(331, 332, 334)는 송신부(321, 322)가 2개 이상인 경우, 서로 다른 주파수의 신호들을 필터(미도시)를 이용해서 분리해서 기설정된 주파수에 대응하는 송신부(321, 322)들을 구분한다.

보정장치(350)는 기설정된 기간 동안 관성센서부(340)로부터 관성정보들을 수신하고, 수신부(331, 332, 334)들로부터 세기정보(Intensity)들을 수신해서 수신부(331, 332, 334)들과 송신부(321, 322) 간의 거리들을 계산하고, 수신부(331, 332, 334)들과 송신부(321, 322) 간의 거리들을 이용해서 수신부(331, 332, 334)들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정한다.

보정장치(350)는 정보 선택부(351), 각도 계산부(352), 위치 계산부(353), 거리 계산부(354), 자세 계산부(355) 및 보정부(356)를 포함할 수 있다.

정보 선택부(351)는 기설정된 기간 동안 수신부(331, 332, 334)들 각각에서 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 원격장치(350)로부터 관성정보를 수신하고, 수신부(331, 332, 334)들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하고, 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인한다.

기설정된 기간 동안 수신부(331, 332, 334)들 각각에서 수신되는 신호는 기설정된 기간 동안 송신부(321)가 고정점을 기준을 수평 또는 수직으로 회전되면서 송신한 신호이다. 이때, 송신부(321)가 한점에서 회전하기 어렵다고 하면 조금 더 간단한 방법으로 사람의 움직임을 이용해 보정을 할 수도 있다.

　일반적으로 사람의 움직임은 팔꿈치나 어깨 등을 원점으로 회전운동을 하게 된다. 　사람의 팔꿈치 및 어깨 등의 관절을 중심으로 발광부가 회전중심에서 바깥쪽으로 향하도록 고정시키고 움직일 경우 회전운동을 하게 되고, 사람의 움직임이 팔 혹은 상박이 길이가 일반적으로 편차가 크지 않기 때문에(편차가 크더라도 수신부와 송신부 간 떨어진 길이에 비해 편차가 작기 때문에) 이 길이와 송신부의 자세값을 이용하여 송신부의 위치와 회전중심을 알 수 있어 같은 방식으로 거리별 신호감쇄특성을 보정할 수 있다.

본 발명의 보정장치(350)를 설명함에 있어서 송신부가 하나인 경우를 그 예로 설명하고 있으나, 송신부는 2개 이상일 수 있다.

각도 계산부(352)는 수신부(331, 332, 334)들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 송신부(321)와 수신부(331, 332, 334)들 간의 벡터들 사이의 각도들을 아래 도 4와 같이 계산할 수 있다.

도 4는 관성정보를 이용하여 송신부에서 각 수신부들로 향하는 벡터 사이의 각도를 측정하는 예를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 송신부(321)을 포함하는 원격장치(310)가 E에서 회전 시 수광부S1(331), 수광부S2(332)　에 측정되는 세기정보가 가장 크거나 혹은 세기정보가 좌우 대칭이 되는 지점의 신호 혹은 세기정보가 0이 되는 양 구간의 중앙점 중에서 적어도 하나를 만족하는 경우에 원격장치(310)의 송신부(321)는 각 수광부(331, 332)를 정면으로 향하게 될 때이고, 이 벡터를 ES1, ES2　　라고 한다. 이때 관성센서부(340)에 의해 측정 된 기준 자세에 의해 결정되는 방향 벡터를 수광부(331, 332) 별로 각각 U1, U2　라고 하면, 벡터 U1　과 U2　사이의 각 θ는 θ1　과 같게 되고 이를 구하면 아래 <수학식 5>　에 의해 결정된다.

위치 계산부(353)는 송신부(321)와 수신부(331, 332, 334)들 간의 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 원격장치(350)의 3차원 위치를 같이 계산한다.

도 5는 보정을 위해 원격장치의 위치를 추정하는 예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 위치 계산부(353)는 수신부(331, 332, 334)들 3지점 (S1, S2, S3) 의 위치를 알고 각 수신부(S1, S2, S3) 에서 송신부(321)를 포함하는 원격장치(310)가 있는 공간상의 한 지점(E)을 잇는 벡터를 ES1, ES2, ES3　라고 했을 때 각 벡터 사이의 각도 θ1, θ2, θ3　값을 알면 삼각측량에 의해 원격장치(310)가 있는 지점(E) 의 위치를 계산할 수 있다.

거리 계산부(354)는 위치 계산부(353)에서 계산한 송신부(321)를 포함하는 원격장치(350)의 위치와 미리 알고 있는 수신부(331, 332, 334)들 각각의 위치를 이용해서 수신부(331, 332, 334)들과 송신부(321) 간의 거리들을 계산한다.

자세 계산부(355)는 수신부(331, 332, 334)들 별로 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 이용해서 수신부(331, 332, 334)들 별로 가장 강한 세기정보를 수신 때의 원격장치(350)의 자세를 계산한다.

도 6은 계산된 송신부의 위치에서 수신부의 지향방향에 위치하는 가상의 송신부 위치의 세기를 계산하는 예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, E1에서 발광된 신호를 S1이 측정한 세기정보를 I1　이라 하면, 지향방향의 가상의 선상에 있는 E1’에서 발광된 신호를 측정한 세기정보를 I1’ 다음과 같이 I1' = I1*cos(α1) 와 같이 구할 수 있다. 여기서 α1　은 S1과 E1　의 위치에 의해서 구할 수 있고 S1과 E1’의 거리 d1　도 수신부와 송신부의 위치에 의해 구할 수 있게 된다.

보정부(356)는 수신부(331, 332, 334)들 각각의 가장 강한 세기정보와 수신부(331, 332, 334)들과 송신부(321) 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정하고, 수신부(331, 332, 334)들 각각의 가장 강한 세기정보들과 수신부(331, 332, 334)들과 송신부(321) 간의 거리들을 이용해서 수신부(331, 332, 334)들 각각에서의 신호감쇄특성을 아래 도 7과 같이 보정한다.

도 7은 거리별 이론적인 신호감쇄특성 모델과 측정된 신호감쇄특성 모델의 예를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 이론적으로 거리별 감쇄 특성 모델은 I=a(1/R²)+b 와 같이 나타낼 수 있고 이를 풀어보면 세기정보(Intensity) I는 1/R2에 비례하고, 스케일 펙터(Scale Factor) a에 비례하고 오프셋(Offset) b가 더해진다. 여기서 1/R2은 빛의 물리적 특성으로 실제 측정시에도 선형적으로 나타나므로 보정을 해 줄 필요가 없다. 하지만 나머지 파라미터인 스칼라 펙터와 오프셋은 수신부 간의 성능 편차, 장시간 사용에 따른 송신부의 효율 저하, 주변 환경의 영향 등의 요인 들로 인하여 각 수광부 별로 다르게 나타나므로 파라미터 들을 수정함으로써 거리별 감쇄 특성의 측정 모델을 이론적 모델로 보정해주어야 한다.

따라서, 보정부(356)는 거리별 감쇄 특성 모델이 1차식으로 나타낼 수 있는 함수 이기 때문에, 수신부가 지향하는 선상의 2군데 이상에서 송신부가 떨어진 거리값과 그에 해당하는 세기정보를 측정해서 스칼라 펙터와 오프셋를 수정해서 보정한다.

한편, 보정부(356)는 수신부(331, 332, 334)들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 때, 원격장치(350)의 자세를 이용해서 각도에 따라 달라지는 신호감쇄특성을 고려해서 보정할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성 차이를 보정하는 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.

도 8은 수신부 별 성능편차에 의한 신호감쇄특성 차이를 보정하는 방법의 예를 도시한 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 보정장치는 810단계에서 기설정된 기간 동안 수신부들 각각에서 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 원격장치로부터 관성정보를 수신한다.

그리고, 보정장치는 812단계에서 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택한다.

그리고, 보정장치는 814단계에서 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인한다.

그리고, 보정장치는 816단계에서 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 송신부와 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산한다.

그리고, 보정장치는 818단계에서 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 원격장치의 3차원 위치를 계산한다.

그리고, 보정장치는 820단계에서 수신부들과 송신부 간의 거리들을 계산한다.

그리고, 보정장치는 822단계에서 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 수신부들과 송신부 간의 거리들의 계산이 기설정된 횟수만큼 수행되었는지 확인한다.

822단계의 확인결과 세기정보와 거리 계산이 기설정된 횟수만큼 수행되지 않았으면, 보정장치는 810단계로 돌아가서 810단계에서 820단계를 기설정된 반복한다. 이때, 원격장치의 위치는 이전과 다른 위치에서 수행되는 것이 바람직하다.

822단계의 확인결과 세기정보와 거리 계산이 기설정된 횟수만큼 수행되었으면, 보정장치는 824단계에서 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 수신부들과 송신부 간의 거리들을 기설정한 횟수 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정한다.

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

기설정된 기간 동안 수신부들 각각에서 방향에 따라 수신 세기가 달라지는 방향성을 가진 신호를 수신하여 측정한 결과인 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 원격장치로부터 관성정보를 수신하고, 상기 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하고, 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인하는 정보 선택부;
상기 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 상기 방향성을 가진 신호를 송신한 송신부와 상기 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산하는 각도 계산부; 및
상기 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 위치 계산부를 포함하는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 기설정된 기간 동안 상기 수신부들 각각에서 수신되는 신호는,
상기 기설정된 기간 동안 상기 송신부가 고정점을 기준을 수평 또는 수직으로 회전되면서 송신한 신호인
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하는 거리 계산부; 및
상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정하는 보정부를 더 포함하는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제3항에 있어서,
상기 보정부는,
상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보들과 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정하는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제3항에 있어서,
상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 이용해서 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신 때의 상기 원격장치의 자세를 계산하는 자세 계산부를 더 포함하고,
상기 보정부는,
상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 때, 상기 원격장치의 자세를 이용해서 각도에 따라 달라지는 신호감쇄특성을 고려하는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 수신부들은,
적어도 3개 이상인
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 송신부는,
서로 다른 방향을 지향하는 2개 이상의 송신부로 구성되는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 원격장치는,
상기 관성정보들을 측정하는 관성 센서부를 포함하고,
상기 송신부 혹은 상기 수신부들 중 하나를 포함하는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 세기 정보들은,
기설정된 파장으로 조사된 광신호의 세기값인
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
제1항에 있어서,
상기 관성정보들은,
관성 센서를 통해 측정되는 3축의 운동 가속도, 3축의 중력 가속도 및 3축의 각속도 중에도 적어도 하나를 포함하는
3차원 위치/방향 추정 시스템에서 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치.
기설정된 기간 동안 수신부들 각각에서 방향에 따라 수신 세기가 달라지는 방향성을 가진 신호를 수신하여 측정한 결과인 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 원격장치로부터 관성정보를 수신하는 단계;
상기 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하는 단계;
상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인하는 단계;
상기 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 상기 방향성을 가진 신호를 송신한 송신부와 상기 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산하는 단계; 및
상기 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 단계를 포함하는
3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성을 보정하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 기설정된 기간 동안 상기 수신부들 각각에서 수신되는 신호는,
상기 기설정된 기간 동안 상기 송신부가 고정점을 기준을 수평 또는 수직으로 회전되면서 송신한 신호인
3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성을 보정하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 단계 이후에,
상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하는 단계; 및
상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정하는 단계를 더 포함하는
3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성을 보정하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 보정하는 단계는,
상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정하는
3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성을 보정하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 이용해서 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신 때의 상기 원격장치의 자세를 계산하는 단계를 더 포함하고,
상기 보정하는 단계는,
상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 때, 상기 원격장치의 자세를 이용해서 각도에 따라 달라지는 신호감쇄특성을 고려하는
3차원 위치/방향 추정 시스템의 보정장치에서 신호감쇄특성을 보정하는 방법.
세기 측정을 위한 방향성을 가진 신호를 송신하는 적어도 하나의 송신부를 포함하는 송신장치;
방향에 따라 수신 세기가 달라지는 방향성을 가진 상기 신호를 수신하고 상기 신호의 세기를 측정하는 적어도 3개의 수신부들을 포함하고 세기 정보들을 출력하는 수신장치;
관성정보들을 측정하는 관성 센서부를 포함하고, 상기 송신장치 혹은 상기 수신장치 중 하나를 포함하는 원격장치; 및
기설정된 기간 동안 상기 관성정보들과 상기 세기정보들을 수신해서 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하고, 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각에서의 신호감쇄특성을 보정하는 보정장치를 포함하고,
상기 보정장치는,
상기 기설정된 기간 동안 상기 수신부들 각각에서 측정한 신호의 세기정보들을 수신하고, 같은 기간 동안 상기 원격장치로부터 관성정보를 수신하고, 상기 수신부들 별로 가장 강한 세기정보를 선택하고, 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 확인하는 정보 선택부;
상기 수신부들 별로 확인한 관성정보를 이용해서 상기 송신부와 상기 수신부들 간의 벡터들 사이의 각도들을 계산하는 각도 계산부;
상기 벡터들 사이의 각도들을 이용해서 삼각측량 기법으로 상기 원격장치의 3차원 위치를 계산하는 위치 계산부;
상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 계산하는 거리 계산부; 및
상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정하는 보정부를 포함하는
3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템.
삭제
제16항에 있어서,
상기 기설정된 기간 동안 상기 수신부들 각각에서 수신되는 신호는,
상기 기설정된 기간 동안 상기 송신부가 고정점을 기준을 수평 또는 수직으로 회전되면서 송신한 신호인
3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 보정부는,
상기 수신부들 각각의 가장 강한 세기정보와 상기 수신부들과 상기 송신부 간의 거리들을 2회 이상 서로 다른 위치에서 측정한 정보를 이용해서 상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정하는
3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신했을 때의 관성정보를 이용해서 상기 수신부들 별로 상기 가장 강한 세기정보를 수신 때의 상기 원격장치의 자세를 계산하는 자세 계산부를 더 포함하고
상기 보정부는,
상기 수신부들 각각의 신호감쇄특성을 보정할 때, 상기 원격장치의 자세를 이용해서 각도에 따라 달라지는 신호감쇄특성을 고려하는
3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 수신부들은,
적어도 3개 이상인
3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템.
제16항에 있어서,
상기 송신부는,
서로 다른 방향을 지향하는 2개 이상의 송신부로 구성되는
3차원 위치 및 방향을 추정하는 시스템.