KR102124763B1 - Localization Algorithm Mixing Kalman and Particle Filters for Moving Object in Indoor Wi-Fi Environment - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법은 Wi-Fi 환경을 이용한 컴퓨터 시스템에서 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 이동패턴의 특성에 맞게 사용하는 이동물체 위치추적 방법에 있어서, Wi-Fi의 AP로부터 RSSI 신호 값을 수집하는 단계(S100); 상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 각속도를 측정하는 단계(S200); 상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 미리 설정한 임계치와 비교하여 직선 또는 곡선구간을 결정하는 단계(S300) 및 이동물체의 이동방향에 대한 패턴을 분석하여 이에 적합한 필터를 적용하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the Wi-Fi environment according to the present invention, the method for tracking the position of a moving object using a Kalman filter and a particle filter in a computer system using a Wi-Fi environment uses a Kalman filter and a particle filter in accordance with the characteristics of the moving pattern of the moving object. A moving object location tracking method comprising: collecting an RSSI signal value from an AP of a Wi-Fi (S100); Measuring the angular velocity when the moving object is moving along an arbitrary path (S200); When the moving object is moving along an arbitrary movement path, determining a straight line or a curved section by comparing with a preset threshold (S300) and analyzing a pattern for a moving direction of the moving object and applying a filter suitable for this. It is characterized by including (S400).

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Figure 112018071046731-pat00005

Description

Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법 {Localization Algorithm Mixing Kalman and Particle Filters for Moving Object in Indoor Wi-Fi Environment}Localization Algorithm Mixing Kalman and Particle Filters for Moving Object in Indoor Wi-Fi Environment using Kalman Filter and Particle Filter in Wi-Fi Environment

본 발명은 실내 Wi-Fi 환경에서 칼만필터 (kalman Filter)와 입자필터 (particle Filter)를 혼용하여 무선 환경적요소로 인한 오차를 줄이고 이동물체의 이동패턴의 특성을 고려한 이동물체 위치추적 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for tracking a moving object in consideration of characteristics of a moving object and reducing errors due to a wireless environmental element by mixing a Kalman filter and a particle filter in an indoor Wi-Fi environment. will be.

필터(filter)란 여러 가지 의미로 쓰이고 있다. 빛에서는 파장역을 제한하기 위해 색 필터를 사용하고 있고, 좁은 역대로 하기 위해서는 간섭 필터가 사용된다. 전파나 전기신호 등의 주파역대를 제한하기 위해서는 전기 필터가 사용된다. 입자의 통과를 방해하고, 기체나 액체나 어느 크기 이하의 미립자만을 통과하는 것도 필터라 일컬어진다.Filter is used in many ways. In light, a color filter is used to limit the wavelength range, and an interference filter is used to narrow the band. An electric filter is used to limit the frequency band of radio waves or electric signals. Filters are also referred to as interfering with the passage of particles and passing only gases or liquids or particles of any size or less.

본 발명에서의 필터는 어떤 데이터에서 필요한 값들을 걸러 주는 역할을 하는 것을 의미한다. 또한 기존의 데이터에 추가되는 새로운 데이터가 있을 때에 필요한 값을 걸러 주는 필터는 재귀식 필터라고 한다. 재귀식 필터는 앞선 결과 값을 이용한다는 점에서 계산의 효율과 메모리의 효과적인 사용에 좋다.The filter in the present invention means that it serves to filter the necessary values in some data. Also, a filter that filters out the necessary values when new data is added to existing data is called a recursive filter. Recursive filters are good for computational efficiency and efficient use of memory in that they use the previous result values.

칼만 필터(Kalman Filter)는 칼만(Rudolf E. Kalman)이 개발한 필터로, 잡음이 포함되어 있는 역학적 상태를 추적하는 재귀 필터로서 시간에 따라 진행한 측정을 기반으로 한다. 칼만 필터링은 불규칙 외난을 포함하는 동적 시스템(Dynamic System)에 적용되는 최적 상태 추정과정(Optimal state estimation process)으로서, 칼만필터는 이산 실시간격(Discrete Real Time Interval)마다 측정되는 잡음(Noise)이 실린 데이터로부터 동적시스템의 미지의 상태변수를 최적으로 추정하기위한 선형, 불편(unbiased), 최소오차분산(minimum error variance)의 반복적 알고리즘(recursive algorithm)이다. 이것은 산업분야에서는 인공위성의 항법, 미사일의 궤적추정, 레이다 등에 많이 이용되어 왔고 최근의 고속의 고성능 마이크로 프로세서의 발달로 칼만 필터는 매우 복잡한 실시간 처리 시스템에서도 점점 더 이용가치가 높아지고 있다. 칼만 필터링 절차는 선형모델에서 상태변수들을 추정하기 위해 만들어진 것이므로 만일 모델이 비선형이라면 필터링식을 유도하는 과정에서 선형화(Linearization Procedure)가 이루어져야 하는데, 이때는 이전의 추정된 상태변수로부터 실시간 선형 테일러 근사화(real time linear Taylor approximation)를 하게 되고, 여기서 얻어지는 칼만필터를 확장 칼만필터(Extended Kalman Filter)라 하게 된다. 이 방법은 비선형 모델을 아주 잘 다룰 수 있게 하고 매우 간단하며 효과적으로, 많은 실시간 응용에 잘 이용되고 있으며 칼만필터 응용분야는 크게 파라메타의 식별화(Parameter Identification)와 상태변수의 추정(State Variable Estimation)으로 구분된다.The Kalman Filter is a filter developed by Rudolf E. Kalman, which is a recursive filter that tracks the dynamic state of noise and is based on measurements made over time. Kalman filtering is an optimal state estimation process applied to a dynamic system that includes irregular external disturbances, and Kalman filter carries noise measured for each discrete real time interval. It is a recursive algorithm of linear, unbiased, and minimum error variance for optimal estimation of unknown state variables of dynamic systems from data. It has been widely used in satellite navigation, missile trajectory, radar, etc. in the industrial field. With the recent development of high-speed, high-performance microprocessors, Kalman filters are increasingly used in very complex real-time processing systems. Since the Kalman filtering procedure is designed to estimate state variables in a linear model, if the model is nonlinear, a linearization procedure must be performed in the process of deriving the filtering equation. In this case, real-time linear Taylor approximation from the previously estimated state variable time linear Taylor approximation), and the Kalman filter obtained here is called Extended Kalman Filter. This method makes it possible to handle nonlinear models very well, and is very simple and effective, and is widely used in many real-time applications. Kalman filter applications are largely characterized by parameter identification and state variable estimation. Are distinguished.

다음으로 입자 필터(Particle filter)는 시뮬레이션에 기반을 둔 예측기술의 하나로 계속적인 몬테카를로 방법이라고도 한다. 파티클 필터는 계량경제학에서 중요하게 쓰인다. 파티클 필터는 보통 베이즈 모델을 추정하기 위해 사용된다. 이는 잠재변수가 마르코프 연쇄로 서로 관련되어 있는 경우로 은닉 마르코프 모델(HMM)과 비슷하지만 보통 드러나지 않은 변수의 상태 공간이 연속적이고, 정확하게 추정할 수 있을 만큼 한정적이지 않다. 예를 들어, 선형 동적 시스템에서는, 잠재변수의 상태 공간이 가우스 분포에 한정되는데, 따라서 정확한 추정이 효과적으로 칼만 필터만으로 이루어질 수 있다. HMM, 그리고 관련된 모델의 맥락에서 보면, 필터링은 어떤 특정 시간에 잠재변수의 분포를 결정하되, 관측 값은 그 시간 까지만 주어진다. 파티클 필터라는 이름을 얻게된 까닭은 근사값을 "필터링"하는데 한 무리의 (다른 가중치를 가진 분포의 예) "입자"를 사용하기 때문이다.Next, the particle filter is one of the simulation-based prediction techniques and is also called the continuous Monte Carlo method. Particle filters are important in econometrics. Particle filters are usually used to estimate the Bayesian model. This is a case where the latent variables are related to each other by the Markov chain. It is similar to the Hidden Markov Model (HMM), but the state space of variables that are not normally revealed is continuous and not limited enough to be accurately estimated. For example, in a linear dynamic system, the state space of the latent variable is limited to the Gaussian distribution, so an accurate estimate can be made effectively with a Kalman filter only. In the context of HMM, and related models, filtering determines the distribution of latent variables at a particular time, but observations are given up to that time. The reason for the name particle filter is that it uses a group of "particles" (examples of distributions with different weights) to "filter" the approximation.

또한 파티클 필터는 마르코프 연쇄 몬테 카를로(MCMC) 일괄처리법을 순차적으로 유사하게 만든 것으로 때로 임포턴스 샘플링법과 유사하다. 입자 필터를 잘 만들면 MCMC보다 훨씬 빠르다. 때때로 확장 칼만 필터(EKF) 또는 무향 칼만 필터(UKF) 대신 사용된다. EKF나 UKF에 비해 잇점은, 샘플이 충분하다면, 배이지언 최적 추정치에 접근하므로 EKF나 UKF보다 정확하다. 그러나, 샘플의 수가 충분하지 않다면 문제가 생길 수 있다. 파티클 필터와 칼만 필터를 복합하여 사용할 수도 있는데, 일종의 칼만 필터를 사용하여 파티클 필터를 위한 분포를 제안하게 하는 방식이다.In addition, the particle filter is made similarly to the Markov chain Monte Carlo (MCMC) batch processing method, which is sometimes similar to the import sampling method. Good particle filters are much faster than MCMC. Sometimes an extended Kalman filter (EKF) or an unscented Kalman filter (UKF) is used instead. The advantage over EKF or UKF is that it is more accurate than EKF or UKF, because if the sample is sufficient, the Bayesian optimal estimate is approached. However, problems can arise if the number of samples is not sufficient. A particle filter and a Kalman filter can also be used in combination. This is a method of using a kind of Kalman filter to propose a distribution for the particle filter.

한편 최근 Wi-Fi가 대중화 됨에 따라 다양한 무선 서비스 분야에서 위치추정기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 무선 네트워크 환경이 구축된 실내에서 위치를 추정할 수 있는 기술과 이동하는 물체를 추적하는 기술에 대한 관심이 매우 높아지고 있다.Meanwhile, as Wi-Fi has recently become popular, research on location estimation technology has been actively conducted in various wireless service fields. In particular, the interest in technology for tracking a moving object and a technology for estimating a location in a room where a wireless network environment is established is very high.

실내 위치추정 및 추적에서 가장 많이 사용되는 신호지도 방식(fingerprint scheme)은 신뢰도는 우수하지만 RSSI(received signal strength indicator) 값이 안정적으로 수집된다는 보장이 없으므로 만약 수집된 RSSI 값이 예측범위를 벗어날 경우 전혀 다른 위치추정 예측결과가 나올 가능성이 존재한다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서 여러 가지 필터가 적용되기도 한다.The most commonly used signalprint scheme for indoor positioning and tracking has good reliability, but there is no guarantee that the received signal strength indicator (RSSI) value is reliably collected. If the collected RSSI value is outside the predicted range There is a possibility of different location estimation results. Therefore, various filters may be applied to solve this problem.

칼만필터(kalman filter, KF)는 선형구조를 가질 경우에 가장 좋은 결과 값을 얻는 기술인데, 이를 위치추정기술에 적용하면 어떠한 물체가 움직임 없이 정지한 상태이거나 아니면 일정한 속도로 한 방향으로 움직일 수 있도록 한다. 그러나 실제 이동물체의 이동패턴은 다양하기 때문에 칼만필터를 그대로 적용하기에는 문제가 있다.The Kalman filter (KF) is a technique that obtains the best results when it has a linear structure. When applied to the location estimation technique, any object is stationary without movement or can move in one direction at a constant speed. do. However, there are problems in applying the Kalman filter as it is because the moving patterns of the actual moving objects are various.

또한 일반적으로 실내 Wi-Fi 환경에서의 신호지도 기반 위치추적 알고리즘은 도 1과 같이 2 단계로 구성되어 있으나 주어진 전파환경의 특성에 따라 쓸 수 없는 문제점을 가지고 있다. 이 방식은 장치가 주변의 AP로부터 RSSI 신호를 측정 및 기록하는 첫 단계, 필터를 사용하여 RSSI 데이터를 보정한 뒤 미리 제작해둔 신호지도와 비교하여 가장 가까운 위치를 추정하는 두번째 단계로 구성된다.Also, in general, the signal map-based location tracking algorithm in an indoor Wi-Fi environment is composed of two stages as shown in FIG. 1, but has a problem that cannot be used depending on characteristics of a given radio wave environment. This method consists of the first step in which the device measures and records the RSSI signal from the neighboring AP, and the second step in which the RSSI data is corrected using a filter and then compared with a previously prepared signal map to estimate the nearest location.

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본 발명은 이와 같은 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 위치추적 정확도를 개선하고자 한다. 즉, 실내 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 이동패턴의 특성에 맞는 필터링을 적용함으로써 무선 환경적 요소로 인한 오차를 줄였다.The present invention seeks to improve the position tracking accuracy of a moving object by mixing a Kalman filter and a particle filter to overcome this problem. That is, in the indoor Wi-Fi environment, the Kalman filter and the particle filter are mixed to apply the filtering according to the characteristics of the moving pattern of the moving object, thereby reducing errors due to wireless environmental factors.

본 발명에 따른 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법은 Wi-Fi 환경을 이용한 컴퓨터 시스템에서 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 이동패턴의 특성에 맞게 사용하는 이동물체 위치추적 방법에 있어서, Wi-Fi의 AP로부터 RSSI 신호 값을 수집하는 단계(S100); 상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 각속도를 측정하는 단계(S200); 상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 미리 설정한 임계치와 비교하여 직선 또는 곡선구간을 결정하는 단계(S300) 및 이동물체의 이동방향에 대한 패턴을 분석하여 이에 적합한 필터를 적용하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the Wi-Fi environment according to the present invention, the method for tracking the position of a moving object using a Kalman filter and a particle filter in a computer system using a Wi-Fi environment uses a Kalman filter and a particle filter in accordance with the characteristics of the moving pattern of the moving object. A moving object location tracking method comprising: collecting an RSSI signal value from an AP of a Wi-Fi (S100); Measuring the angular velocity when the moving object is moving along an arbitrary path (S200); When the moving object is moving along an arbitrary movement path, determining a straight line or a curved section by comparing with a preset threshold (S300) and analyzing a pattern for a moving direction of the moving object and applying a filter suitable for this. It is characterized by including (S400).

본 발명은 실내 Wi-Fi 환경에서 칼만필터 및 입자필터를 서로 혼용하여 서로의 단점을 보완하는 이동물체의 위치추적 방법을 개시하였다. 직선 구간 시나리오에서는 개시한 방법의 오차거리 성능은 측정 후반단계에서 종래의 필터에 비해 80%까지 개선되었다. 본 발명은 단순 직선이나 곡선 구간에서의 적용 결과 뿐만 아니라 이동물체의 이동경로가 일정하지 않은 구간에서도 종래의 필터에 비해 더 적응적이고 보정효과가 큰 효과를 갖는다.The present invention discloses a method for tracking the position of a moving object to complement each other's shortcomings by mixing Kalman filters and particle filters with each other in an indoor Wi-Fi environment. In the straight section scenario, the error distance performance of the disclosed method was improved by 80% compared to the conventional filter in the later stage of measurement. The present invention has a more adaptive and large correction effect compared to a conventional filter in a section in which a moving path of a moving object is not constant as well as a result of application in a simple straight or curved section.

도 1은 종래의 기술인 필터를 이용한 위치추적 알고리즘 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 위치추적 알고리즘의 처리단계를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위치추적 알고리즘의 매크로 코드이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 실험공간의 평면도와 핑거프린트맵 구축에 사용된 공간을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 및 정지상태 물체의 시나리오이다.
도 6a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 실험 대상구역의 신호지도 구성이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직선 구간에서의 오차거리를 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 구간에서의 오차거리를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 45번 지점에서의 오차거리 비교를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 91번 지점에서의 오차거리 비교를 나타낸 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of a location tracking algorithm using a conventional filter.
2 is a conceptual diagram showing the processing steps of the location tracking algorithm according to the present invention.
3 is a macro code of a location tracking algorithm according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a plan view of an experimental space and a space used to construct a fingerprint map according to an embodiment of the present invention.
5 is a scenario of a moving and stationary object according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are signal map configurations of an experiment target area according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph comparing error distances in a straight section according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph comparing error distances in a mixing section according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing a comparison of error distances at point 45 according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing a comparison of error distances at point 91 according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the drawings according to an embodiment of the present invention, this is for easier understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "... 부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.When a part of the specification "includes" a certain component, this means that other components may be further included instead of excluding other components, unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "... sub" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software. .

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. .

본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.In the present specification, when one component'transmits' data or a signal to another component, the component may directly transmit the data or signal to another component, and through at least one other component This means that data or signals can be transmitted to other components.

설명에 앞서 본 명세서에는 다수의 양태 및 실시양태가 기술되며, 이들은 단순히 예시적인 것으로서 한정하는 것이 아니다.Prior to the description, a number of aspects and embodiments are described herein, and these are merely illustrative and not limiting.

본 명세서를 읽은 후에, 숙련자는 다른 양태 및 실시예가 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 가능함을 이해할 것이다.After reading this specification, skilled artisans will appreciate that other aspects and embodiments are possible without departing from the scope of the invention.

이하에서 설명되는 실시양태의 상세 사항을 다루기 전에, 몇몇 용어를 정의하거나 또는 명확히 하기로 한다.Before addressing the details of the embodiments described below, some terms will be defined or clarified.

AP란 Access Point의 약자로 무선 중계 기지국의 의미를 갖는다. 그리고 안테나와 무선 신호처리, 관리 기능 및 유선 네트워크와 무선 네트워크를 연동하는 기능을 갖는다.AP stands for Access Point and has the meaning of a wireless relay base station. And it has the function of interworking with the antenna and wireless signal processing, management function, and wired network and wireless network.

RSSI란 "Received Signal Strength Indication"의 약자로 수신 신호 강도를 의미한다. 잡음이 포함된 무선/RF 수신 신호 세기에 대한 매우 일반적인 명칭이며 간단하게 측정하고 확인할 수 있는 수신 전파 신호의 세기를 뜻한다.RSSI stands for "Received Signal Strength Indication" and means received signal strength. It is a very common name for radio/RF received signal strength including noise, and it means the strength of a received radio signal that can be easily measured and checked.

칼만 필터(Kalman Filter)는 칼만(Rudolf E. Kalman)이 개발한 필터로, 잡음이 포함되어 있는 역학적 상태를 추적하는 재귀 필터로서 시간에 따라 진행한 측정을 기반으로 한다. 칼만 필터링은 불규칙 외난을 포함하는 동적 시스템(Dynamic System)에 적용되는 최적 상태 추정과정(Optimal state estimation process)으로서, 칼만필터는 이산 실시간격(Discrete Real Time Interval)마다 측정되는 잡음(Noise)이 실린 데이터로부터 동적시스템의 미지의 상태변수를 최적으로 추정하기위한 선형, 불편(unbiased), 최소오차분산(minimum error variance)의 반복적 알고리즘(recursive algorithm)이다. The Kalman Filter is a filter developed by Rudolf E. Kalman, which is a recursive filter that tracks the dynamic state of noise and is based on measurements made over time. Kalman filtering is an optimal state estimation process applied to a dynamic system that includes irregular external disturbances, and Kalman filter carries noise measured for each discrete real time interval. It is a recursive algorithm of linear, unbiased, and minimum error variance for optimal estimation of unknown state variables of dynamic systems from data.

입자 필터(Particle filter)는 시뮬레이션에 기반을 둔 예측기술의 하나로 계속적인 몬테카를로 방법이라고도 한다. 파티클 필터는 계량경제학에서 중요하게 쓰인다. 파티클 필터는 보통 베이즈 모델을 추정하기 위해 사용된다. 이는 잠재변수가 마르코프 연쇄로 서로 관련되어 있는 경우로 은닉 마르코프 모델(HMM)과 비슷하지만 보통 드러나지 않은 변수의 상태 공간이 연속적이고, 정확하게 추정할 수 있을 만큼 한정적이지 않다. Particle filter is one of the simulation based prediction techniques, also known as the continuous Monte Carlo method. Particle filters are important in econometrics. Particle filters are usually used to estimate the Bayesian model. This is a case where the latent variables are related to each other by the Markov chain. It is similar to the Hidden Markov Model (HMM), but the state space of variables that are not normally revealed is continuous and not limited enough to be accurately estimated.

파라미터(parameter)는 컴퓨터 프로그래밍에서 매개변수라고도 하며, 변수의 특별한 한 종류로서, 함수 등과 같은 서브루틴의 인풋으로 제공되는 여러 데이터 중 하나를 가르키기 위해 사용된다. 여기서 서브루틴의 인풋으로 제공되는 여러 데이터들을 전달인자라고 부른다. 보통 파라미터의 목록은 서브루틴의 정의 부분에 포함되며, 매번 서브루틴이 호출될 때마다 해당 호출에서 사용된 전달인자들을 각각에 해당하는 매개변수에 대입시켜 준다.A parameter, also called a parameter in computer programming, is a special kind of variable, and is used to point to one of several data provided as input to a subroutine such as a function. Here, various data provided as inputs of a subroutine are called transfer factors. Normally, the list of parameters is included in the definition part of the subroutine, and each time the subroutine is called, the parameters used in the call are assigned to the corresponding parameters.

AP(Access Point)는 무선 단말기로, 무선랜 서비스를 제공하는 것을 의미한다. 흔히 볼 수 있는 인터넷 공유기도 AP의 한 종류이다.An AP (Access Point) is a wireless terminal, which means providing a wireless LAN service. A common internet sharer is a type of AP.

도 1은 종래의 기술인 필터를 이용한 위치추적 알고리즘 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 위치추적 알고리즘의 처리단계를 보여주는 개념도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위치추적 알고리즘의 매크로 코드이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 실험공간의 평면도와 핑거프린트맵 구축에 사용된 공간을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 및 정지상태 물체의 시나리오이고, 도 6a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 실험 대상구역의 신호지도 구성이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 직선 구간에서의 오차거리를 비교한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 구간에서의 오차거리를 비교한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 45번 지점에서의 오차거리 비교를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 91번 지점에서의 오차거리 비교를 나타낸 그래프이다.1 is a conceptual diagram of a location tracking algorithm using a conventional filter, FIG. 2 is a conceptual diagram showing a processing step of a location tracking algorithm according to the present invention, and FIG. 3 is a macro code of a location tracking algorithm according to an embodiment of the present invention , FIG. 4 is a diagram showing a plan view of an experimental space and a space used for constructing a fingerprint map according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a scenario of a moving and stationary object according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6A ,b is a signal map configuration of an experimental target area according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 is a graph comparing error distances in a straight section according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an embodiment of the present invention 9 is a graph comparing the error distances in the mixing section, and FIG. 9 is a graph showing the comparison of the error distances at point 45 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is at point 91 according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the comparison of the error distance.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법은 Wi-Fi 환경을 이용한 컴퓨터 시스템에서 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 이동패턴의 특성에 맞게 사용하는 이동물체 위치추적 방법에 있어서, Wi-Fi의 AP로부터 RSSI 신호 값을 수집하는 단계(S100); 상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 각속도를 측정하는 단계(S200); 상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 미리 설정한 임계치와 비교하여 직선 또는 곡선구간을 결정하는 단계(S300) 및 상기 단계에서 얻은 결과값에 따라 적합한 필터를 적용하는 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 2, a method of tracking a moving object using a Kalman filter and a particle filter in a Wi-Fi environment according to the present invention is a moving pattern of a moving object using a Kalman filter and a particle filter in a computer system using a Wi-Fi environment. In accordance with the characteristics of the mobile object location tracking method, comprising: collecting the RSSI signal value from the AP of the Wi-Fi (S100); Measuring the angular velocity when the moving object is moving along an arbitrary path (S200); When the moving object is moving along an arbitrary path, determining a straight line or a curved section by comparing with a preset threshold (S300) and applying a suitable filter according to the result obtained in the step (S400) It is characterized by including.

또한 상기 필터를 적용하는 단계(S400) 이후 위치좌표를 보정하는 단계(S500)를 더 포함할 수 있다.In addition, after the step of applying the filter (S400), the step of correcting the position coordinates (S500) may be further included.

또한 상기 적합한 필터를 적용하는 단계(S400)는, 상기 각속도를 측정하는 단계(S200)에서 각속도로 계산된 각도와 현재 측정 된 각속도로 계산된 각도의 차를 계산하여, 이동패턴이 직선이면 칼만필터를, 곡선이면 입자필터를 적용한다.In addition, in the step of applying the appropriate filter (S400), the difference between the angle calculated by the angular velocity and the angle calculated by the currently measured angular velocity is calculated in the step S200 of measuring the angular velocity. If it is a curve, a particle filter is applied.

또한 상기 입자필터는 노이즈(noise)와 입자(particle)의 개수를 정의하여 상기 컴퓨터 시스템에 미리 저장하고, 상기 결정하는 단계(S300)는 결과가 곡선이면서 동시에 상기 필터를 적용하는 단계(S400)에서 입자필터를 사용했다면 상기 노이즈 및 상기 입자의 개수를 초기화 과정없이 상기 보정하는 단계(S500)로 넘어가고, 그렇지 않은 경우는 상기 노이즈 및 상기 입자의 개수를 초기화 한 후 이동패턴에 따른 상기 필터를 적용하는 단계(S400)와 상기 보정하는 단계(S500)를 진행한다.In addition, the particle filter is pre-stored in the computer system by defining noise and the number of particles, and the determining step (S300) includes applying the filter while the result is a curve (S400). If a particle filter is used, the process proceeds to step S500 of correcting the noise and the number of particles without an initialization process. Otherwise, the filter according to the movement pattern is applied after initializing the noise and the number of particles. Step (S400) and the step of correcting (S500) proceeds.

또한 상기 칼만필터는 상기 컴퓨터 시스템에서 사용되는 파라미터들(A, H, Q, R)을 설정하여 상기 컴퓨터 시스템에 미리 저장하고, 상기 결정하는 단계(S300)는 결과가 직선이면서 동시에 상기 필터를 적용하는 단계(S400)에서 칼만필터를 사용했다면 상기 파라미터들을 이용한 상기 칼만필터를 초기화 과정없이 상기 보정하는 단계(S500)로 넘어가고, 그렇지 않은 경우는 상기 파라미터들을 이용하여 상기 칼만필터를 초기화 한 후 이동패턴에 따른 상기 필터를 적용하는 단계(S400)와 상기 보정하는 단계(S500)를 진행한다.In addition, the Kalman filter sets parameters (A, H, Q, R) used in the computer system and stores them in advance in the computer system, and the determining step (S300) applies the filter while the result is a straight line. If the Kalman filter is used in the step S400, the Kalman filter using the parameters is passed to the correcting step S500 without an initialization process. Otherwise, the Kalman filter is initialized using the parameters and then moved. The step of applying the filter according to the pattern (S400) and the step of correcting (S500) are performed.

좀 더 상세히 이동물체 위치추적 알고리즘 설계에 대해 설명하자면 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 이동패턴의 특성에 맞게 사용하는 이동물체 위치추적 알고리즘을 개시한다. 제안하는 위치추적 알고리즘의 처리단계는 크게 도 2와 같이 3단계로 구성되며, 이동물체의 이동방향에 대한 패턴을 분석하여 이에 적합한 필터를 선택해서 처리함으로써 보다 정교한 위치추적을 하고자 한다.To describe the design of the moving object location tracking algorithm in more detail, we disclose a moving object location tracking algorithm that uses a Kalman filter and a particle filter in a Wi-Fi environment according to the characteristics of the moving pattern of the moving object. The processing step of the proposed location tracking algorithm is largely composed of three steps, as shown in FIG. 2, and the pattern for the moving direction of the moving object is analyzed and a filter suitable for this is selected to process the location tracking.

첫 단계에서는 RSSI 신호 값을 수집하고, 두 번째 단계에서는 이동물체가 임의 이동경로를 따라 이동중일 때 특정 이동패턴에 대해서 자이로 센서를 이용하여 각속도를 얻은 후 설정한 특정 임계치와 상호 비교하여 직선 또는 곡선구간을 결정한다. 마지막 셋째 단계에서는 특정 이동패턴에 적합한 필터를 적용 후 위치좌표를 보정한다. 도 3은 본 발명에서 제안하는 위치추적 알고리즘을 매크로 코드로 표현한 것이다.In the first step, the RSSI signal value is collected, and in the second step, when the moving object is moving along a random movement path, the angular velocity is obtained by using the gyro sensor for a specific movement pattern, and then compared with a specific threshold set in a straight line or curve Determine the interval. In the final third step, the position coordinates are corrected after applying a filter suitable for a specific movement pattern. 3 is a representation of the location tracking algorithm proposed by the present invention in macro code.

다음으로 필터 초기화 및 RSSI 데이터 수집단계(단계 1)에 대해 설명하자면, 칼만필터는 선형적 특성을 갖는 구간에서 많이 사용되는 필터로서 측정되는 환경의 특성을 고려하여 잡음을 먼저 계산하며 시스템 모델에서 사용되는 파라미터들(A, H, Q, R)을 설정하여 시스템 내부에 저장한다. 또한 도 3에서 보는바와 같이 입자필터는 내부에 noise와 particle의 개수를 정의하여 시스템에 미리 저장한다.Next, to describe the filter initialization and RSSI data collection step (step 1), the Kalman filter is a filter that is frequently used in a section having a linear characteristic, and noise is first calculated in consideration of characteristics of the measured environment and used in the system model. Set the parameters (A, H, Q, R) to be stored in the system. In addition, as shown in Figure 3, the particle filter defines the number of noises and particles inside and stores them in the system in advance.

칼만필터 및 입자필터의 초기화 과정은 단 한 번으로 끝나는 것이 아니라 단계 2의 결과에 따라 재사용 해야 하기 때문에 고정적인 파라미터들은 변하지 않도록 설정해야 한다. 시스템이 RSSI 데이터를 수집하는 시간 간격은 안정적인 데이터를 얻기 위해 10초로 설정하였으며, 이는 위치추정 알고리즘이 수행되는 모바일 장치의 최소 측정간격이다.Since the initialization process of the Kalman filter and the particle filter does not end only once, but must be reused according to the result of step 2, the fixed parameters should be set so as not to change. The time interval at which the system collects RSSI data is set to 10 seconds to obtain stable data, which is the minimum measurement interval of the mobile device on which the location estimation algorithm is performed.

다음으로 각속도 계산 및 필터 결정 단계(단계 2)에 대해 설명하자면, 단계 2에서는 이동물체가 특정 이동경로를 따라 이동 중일 때 특정 이동패턴에 어느 필터를 적용 할 것인지를 결정하기 위한 방법으로 3축 자이로스코프 센서의 각속도를 이용한다. 식 1은 각속도를 이용하여 회전 각도를 계산하는 식을 나타내며, 도 3의 Algorithm Check_Angle 모듈에 해당된다. 식 1에서 w는 각속도를 의미하며 DPS는 단위 시간당 각도 변화량을 의미한다. 칼만필터 또는 입자필터의 선정은 이전 측정 시 각속도로 계산된 각도와 현재 측정 된 각속도로 계산된 각도의 차를 계산하여 결정한다. 즉, 이동패턴이 직선이면 칼만필터를, 곡선이면 입자필터를 각각 적용한다.Next, the angular velocity calculation and filter determination step (step 2) will be described. In step 2, a 3-axis gyro is a method for determining which filter to apply to a specific movement pattern when the moving object is moving along a specific movement path. Use the angular velocity of the scope sensor. Equation 1 represents an expression for calculating the rotation angle using the angular velocity, and corresponds to the Algorithm Check_Angle module of FIG. 3. In Equation 1, w denotes the angular velocity and DPS denotes the amount of angular change per unit time. The selection of the Kalman filter or particle filter is determined by calculating the difference between the angle calculated at the angular velocity in the previous measurement and the angle calculated at the current measured angular velocity. That is, if the movement pattern is a straight line, a Kalman filter is applied, and if it is a curve, a particle filter is applied.

Figure 112018071046731-pat00001
Figure 112018071046731-pat00001

<식1. 각속도를 이용하여 회전 각도를 계산하는 식><Equation 1. Formula to calculate the rotation angle using angular velocity>

다음으로 이동패턴 기반 필터적용 및 위치좌표 보정단계(단계 3)에 대해 설명하자면, 단계 1과 단계 2의 처리가 완료되면 해당 이동패턴에 적합한 필터를 적용하여 단계 3에서 위치를 보정한다. 첫째, 만약 단계 2의 결과가 곡선인 경우 단계 1에서 입자필터를 사용했다면 초기화 과정없이 단계 3의 보정단계를 진행하고 그렇지 않은 경우는 단계 1에서 정의한 particle의 개수와 noise를 다시 초기화 한 후 이동패턴에 따른 필터 결정단계와 위치 좌표 보정단계를 진행한다.Next, to describe the step of applying the filter based on the movement pattern and correcting the position coordinate (step 3), when the processes of steps 1 and 2 are completed, apply the appropriate filter to the corresponding movement pattern to correct the position in step 3. First, if the result of step 2 is a curve, if the particle filter was used in step 1, then the correction step of step 3 is performed without an initialization process. Otherwise, the number of particles and noise defined in step 1 are reinitialized and the movement pattern is reset. The filter determination step and the position coordinate correction step are performed.

입차필터에서 추정 및 보정단계는 크게 예측, 갱신 그리고 리샘플링 단계로 나누어지며, 식 2와 같이 나타낸다. 입자필터는 도 3에서 보는 바와 같이 Check_Angle 모듈의 결과 값이 1이 나올 경우에 수행되며, 이는 식 2에서 k번째 z에 대입되는 값이다.The estimation and correction steps in the particle filter are largely divided into prediction, update, and resampling steps, and are expressed as Equation 2. As shown in FIG. 3, the particle filter is performed when the result value of the Check_Angle module is 1, which is a value assigned to the k-th z in Equation 2.

Figure 112018071046731-pat00002
Figure 112018071046731-pat00002

<식 2><Equation 2>

둘째, 만약 단계 2의 결과가 직선인 경우, 단계 1에서 칼만필터를 사용했다면 첫째 경우와 마찬가지로 초기화 과정없이 단계 3의 보정단계를 진행하고 그렇지 않은 경우는 단계 1에서 정의한 시스템 모델에서 사용되는 파라미터들(A, H, Q, R)을 이용하여 칼만필터를 초기화 한 후 이동패턴에 따른 필터 결정단계와 위치좌표 보정단계를 진행한다.Second, if the result of step 2 is a straight line, if the Kalman filter was used in step 1, then the correction step of step 3 is performed without the initialization process as in the first case, otherwise the parameters used in the system model defined in step 1 After initializing the Kalman filter using (A, H, Q, R), the filter determination step according to the moving pattern and the position coordinate correction step are performed.

칼만필터에서 데이터를 예측하기 위한 내부 변수인 칼민이득(Kt)를 계산한 후, 해당 구간의 추정 값(xt)을 식 3과 같이 계산한다. 칼만필터의 계산과정은 도 3의 매크로 코드에서 Check_Angle 모듈의 결과가 0이 나올 경우에 수행되며, 이 때 식 3은 시간 t구간에서 추정된 결과 값 (xt)을 재귀적으로 계산하는 것을 의미한다. 그리고 측정된 값(zt)와 이전의 예측된 값(

Figure 112018071046731-pat00003
)는 시간 t의 위치에 따라 계속 변화하며 추정 값(xt)의 신뢰도에 영향을 준다.After calculating the internal variable Kalmin gain (K t ) for predicting data in the Kalman filter, the estimated value (x t ) of the corresponding section is calculated as in Equation 3. The calculation process of the Kalman filter is performed when the result of the Check_Angle module is 0 in the macro code of FIG. 3, wherein Equation 3 means recursively calculating the estimated value (x t ) in the time t section. do. And the measured value (z t ) and the previous predicted value (
Figure 112018071046731-pat00003
) Continuously changes with the position of time t and affects the reliability of the estimated value (x t ).

Figure 112018071046731-pat00004
Figure 112018071046731-pat00004

<식 3><Equation 3>

이러한 과정은 이동물체가 이동경로를 따라 이동할 때 재귀적으로 반복된다.This process is recursively repeated when the moving object moves along the moving path.

다음은 본 발명에서 권장하는 실시 예에 대해 설명하도록 한다. 이동물체의 이동패턴은 자이로스코프 센서(gyroscope sensor)의 결과 값을 기반으로 수집하였으며, 이를 바탕으로 MATLAB을 이용해 시뮬레이션을 수행하고 설정한 각 시나리오에 따른 오차거리 (errordistance) 및 위치추정 정확도(localization accuracy)를 분석하였다.The following will be described with respect to the embodiment recommended in the present invention. The moving pattern of the moving object was collected based on the results of the gyroscope sensor. Based on this, simulation was performed using MATLAB and error distance and localization accuracy for each scenario were set. ) Was analyzed.

임의로 설정된 구역은 도 4에서와 같고 실시 예로 적용된 공간의 크기는 도 4의 오른쪽 그림에서 붉은색으로 표시된 부분으로 46m X 34m이다. AP는 외부 통신사 AP 3대와 사설 AP 2대로 하여 총 5대로 구성하였으며, RSSI 수집 장비는 노트북 1대로 하였다.The arbitrarily set area is the same as in FIG. 4, and the size of the space applied as an example is 46m X 34m in the part shown in red in the right figure of FIG. The AP consisted of three external APs and two private APs, and the RSSI collection equipment was one laptop.

실시 예에 사용된 시나리오는 도 5에서 보는 바와 같이 이동물체 및 정지상태 물체를 대상으로 각각 4개(1~4번)와 3개 (5~7번)로 검토하였다. 이중에서 이동물체 및 정지상태 물체의 시나리오를 각 2종류씩 모두 4종류를 선종하였고, 선정된 시나리오에서 수집된 데이터의 신뢰도 향상을 위해 RSSI값을 최소 30회 이상 수집하였다.As shown in FIG. 5, the scenarios used in the examples were reviewed as 4 (1-4) and 3 (5-7) targets of moving objects and stationary objects, respectively. Among them, 4 types of scenarios of moving objects and stationary objects were selected in each of 2 types, and RSSI values were collected at least 30 times to improve the reliability of the data collected in the selected scenarios.

신호지도 구성을 위하여 먼저 2m X 2m 영역을 한개의 참조구역(reference point)으로 정의하였다. 참고로 각 구역 사이의 간격이 좁을수록 위치추적이 더욱 정밀해진다. 이러한 신호지도 제작 방식으로 실험 대상구역을 참조구간 141개로 나눈 모습은 도 6과 같다.In order to construct the signal map, the 2m X 2m area was first defined as one reference point. For reference, the narrower the distance between each zone, the more precise the location tracking. The signal map production method is divided into 141 reference zones in the test area, as shown in Figure 6.

도 7, 8은 이동물체에 대해 각 필터의 적용결과를 시간(측정단위: 10sec)에 따른 누적분포함수를, 도 9, 10은 이동물체가 정지한 상태에서 특정 지점에 대해 각 필터의 적용결과를 시간 (측정단위: 10sec)에 따른 오차거리로 각각 비교한 것이다. 제안한 알고리즘은 도 7 내지 10에서 "Hybrid"로 표시되었다.7 and 8 show the results of applying each filter to a moving object, and the cumulative distribution function over time (measurement unit: 10 sec.). FIGS. 9 and 10 show the results of applying each filter to a specific point while the moving object is stopped. Is compared with the error distance over time (measurement unit: 10sec). The proposed algorithm is indicated as “Hybrid” in FIGS. 7 to 10.

도 7은 이동물체의 직선 경로 시나리오에 대한 오차거리를 나타낸 것이다. 측정 초기단계에서는 확률변수 x의 값이 2 이하일 때 제안한 알고리즘의 F(x)(오차거리에 대한 누적분포)는 동일 구간에서 다른 필터에 비해 약 50% 정도 낮지만 측정 후반단계에서는 필터 미적용 경우와 입자필터의 경우에 비해 오히려 약 80% 높음을 알 수 있다. 그 이유는 직선 이동경로에서 방향 전환이 없었기 때문에 칼만필터와 동일한 결과를 갖게 되는 것이다.7 shows an error distance for a straight path scenario of a moving object. In the initial stage of measurement, when the value of the random variable x is less than or equal to 2, the proposed algorithm's F(x) (cumulative distribution for error distance) is about 50% lower than other filters in the same section, but in the latter stage of measurement, It can be seen that it is about 80% higher than the particle filter. The reason is that there is no change of direction in the linear movement path, so it has the same result as the Kalman filter.

직선 구간에서는 입자필터의 성능이 확률변수 x가 8일 때 F(x) 값이 1에 도달하였으므로 이 실시 예에서는 이것이 가장 성능이 좋지 않음을 알 수 있다. 또한 동일 실시 예에서 데이터 수집 시 RSSI의 패턴을 분석한 결과, 20~30회 측정 할 때 마다 +-18% 범위 내의 비정상적인 F(x) 값이 측정된 것을 볼 수 있다. 그러나 이는 발생 빈도가 낮아서 전체 결과에 영향을 미치지 않는 것이고, 제안한 알고리즘의 최대 오차거리는 4m정도로, 이는 입자필터의 최대 오차거리 8.5m에 비해 성능이 2배정도 개선된 것을 알 수있다.In the linear section, the F(x) value reached 1 when the performance of the particle filter was 8, so it can be seen that this performance is the worst. In addition, as a result of analyzing the pattern of RSSI when collecting data in the same embodiment, it can be seen that an abnormal F(x) value within a range of +-18% was measured every 20-30 measurements. However, this does not affect the overall result due to the low frequency of occurrence, and the maximum error distance of the proposed algorithm is about 4m, which shows that the performance is improved by 2 times compared to the maximum error distance of the particle filter of 8.5m.

도 8은 이동물체의 대표적인 이동패턴 중 하나인 직선 구간과 곡선 구간이 함께 존재하는 혼합 구간 경로의 실시 예에 대한 오차거리를 나타낸 것이다. 따라서 본 발명이 제안한 알고리즘의 성능은 칼만필터 및 입자필터에 비해 2m~6m 정도 향상되었음을 알 수 있다. 아울러 혼합 구간 중 직선 구간에서 평균 오차거리는 칼만필터 및 입자필터가 각각 8m, 12m인데 비해 제안한 알고리즘은 6m로 최소 25% 성능이 향상되었다.8 shows an error distance for an embodiment of a mixed section path in which a straight section and a curved section, which are one of the typical moving patterns of a moving object, are present together. Therefore, it can be seen that the performance of the algorithm proposed by the present invention is improved by 2 m to 6 m compared to the Kalman filter and the particle filter. In addition, the average error distance in the straight section of the mixing section is 8m and 12m respectively for the Kalman filter and the particle filter, whereas the proposed algorithm has a performance improvement of at least 25% at 6m.

또한 혼합 구간 중 곡선 구간에서 오차거리는 본 발명의 알고리즘은 3.5m 인데 반해 칼만필터 및 입자필터는 각각 10m, 7.5m로 나타났다. 따라서 본 발명에서 개시한 알고리즘은 곡선 구간에서 각 필터에 비해 최소 2배 이상의 성능을 가짐을 볼 수 있다.In addition, the error distance in the curve section among the mixing sections was 3.5 m while the algorithm of the present invention was 3.5 m while the Kalman filter and the particle filter were 10 m and 7.5 m, respectively. Therefore, it can be seen that the algorithm disclosed in the present invention has a performance of at least 2 times or more than each filter in a curve section.

혼합구간 경로 시나리오 전체 구간에서 제안한 알고리즘의 보정성능은 도 8에서 보는 바와 같이 칼만필터의 3배, 입자필터의 2배임을 알 수 있다. 오차거리는 칼만필터가 3m~12m, 입자필터가 5m~14m임에 비해 본 발명이 제안한 실시 예에 따른 알고리즘을 적용한 방법은 3m~5m로 평균 2m~13m 더 성능이 우수한 것을 볼 수 있다.It can be seen that the correction performance of the proposed algorithm in all sections of the mixed section path scenario is 3 times that of the Kalman filter and 2 times that of the particle filter, as shown in FIG. 8. The error distance is 3m~12m for the Kalman filter and 5m~14m for the particle filter, but the method using the algorithm according to the embodiment proposed by the present invention is 3m~5m, and it can be seen that the average performance is better than 2m~13m.

본 발명이 타 필터에 비해 오차거리가 오히려 큰 부분도 있으나 이는 확률 변수 x의 값이 10이상인 경우로 나타났는데, 그 이유는 RSSI의 측정시간 간격이 작을수록 이러한 결과가 빈번하게 발생하며, 이와 같은 결과를 볼 때, 혼합 구간으로 이루어진 시나리오의 직선과 곡선 비율이 1:1 혹은 1:n 구조를 가질 때 제안한 알고리즘의 오차거리 보정효과가 가장 효과적이며 직선 비율이 상대적으로 많은 구간에서는 다소 보정효과가 낮음을 확인하였다.Although the present invention has a rather large error distance compared to other filters, it was found that the value of the random variable x is greater than or equal to 10. The reason is that the smaller the measurement time interval of RSSI, the more frequently this result occurs. When looking at the results, the error distance correction effect of the proposed algorithm is most effective when the ratio of straight lines and curves in a scenario consisting of mixed sections has a 1:1 or 1:n structure. It was confirmed to be low.

도 9는 본 발명에 따른 실시 예로 정지상태의 물체가 실험공간에서 임의의 지점인 45번에 있을 경우 오차거리를 비교한 것이다. 이 지점은 주변에 장애물이 없고 사방이 LOS (line of sight) 조건이 만족되는 지점이다. 이 지점에서 RSSI 데이터 수집 시 30~60초 마다 특정 시점인 3, 5~9, 15~17 (단위:10sec)에서 한 번씩 측정 신호 값이 요동치는 현상이 발생한 것을 볼 수 있다.9 is an example according to the present invention to compare the error distance when the stationary object is at an arbitrary point in the experiment space, No. 45. This is the point where there are no obstacles around and the LOS (line of sight) condition is satisfied everywhere. At this point, when collecting RSSI data, it can be seen that the measured signal value fluctuates once every 30 to 60 seconds at 3, 5 to 9, and 15 to 17 (unit: 10 sec).

도 9에서 볼 수 있듯이 45 지점에서는 칼만필터와 제안한 알고리즘이 평균 오차거리가 1m로 가장 성능이 우수하다. 입자필터의 오차거리는 RSSI 데이터 수집 시 상기의 특정 시점인 3, 5~9, 15~17에서 최대 7m로 나타났으며, 본 발명에서 개시한 알고리즘에 비해 성능이 매우 낮음을 알 수 있다.As can be seen in FIG. 9, at 45 points, the Kalman filter and the proposed algorithm have the highest average error distance of 1 m, which is the best performance. The error distance of the particle filter was found to be up to 7 m at the specific time points 3, 5 to 9 and 15 to 17 above when collecting RSSI data, and it can be seen that performance is very low compared to the algorithm disclosed in the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 실시 예로 정지상태의 물체가 임의의 지점인 91번에 있을 경우 오차거리를 비교한 것이다. 이 지점은 주변 2군데 방향이 벽으로 막혀 있어서 NLOS (non LOS) 조건이 만족되는 곳이다. NLOS 환경임에도 불구하고 본 발명에 따른 알고리즘과 칼만필터 및 파티클필터의 평균 오차거리는 모두 평균 2m이고 평균 오차거리의 범위는 최대 +-15% 이내인 것으로 확인되었다. 이 실시 예 역시 RSSI 데이터 수집 시 도 9와 마찬가지로 측정 신호 값이 3, 6, 8, 11, 1에서 요동치는 현상이 발생한 것을 볼 수 있다.10 is an example according to the present invention to compare the error distance when the stationary object is at an arbitrary point 91. This point is a place where two directions are blocked by a wall, so the NLOS (non LOS) condition is satisfied. Despite the NLOS environment, it was confirmed that the average error distance of the algorithm according to the present invention and the Kalman filter and particle filter are both 2 m on average, and the range of the average error distance is within +-15%. In this embodiment as well, when collecting the RSSI data, it can be seen that the measurement signal value fluctuates at 3, 6, 8, 11, 1, as in FIG. 9.

도 10에서 입자필터의 오차거리는 대부분 시점에서 균일하게 2.2m 정도이나 시점 2에서 가장 높은 3.8m, 시점 12에서 가장 낮은 1m로 확인된 것을 볼 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 알고리즘은 모든 시점에서 오차 거리가 균등할 뿐만 아니라 그 수치도 평균 2.2m 정도로 입자필터에 비해 성능이 더 안정적인것을 확인할 수 있다.It can be seen from FIG. 10 that the error distance of the particle filter is uniformly 2.2 m at most time points, but is confirmed to be the highest 3.8 m at time 2 and the lowest 1 m at time 12. However, it can be seen that the algorithm according to the present invention not only has an equal error distance at all time points, but also has an average value of 2.2 m, which is more stable than the particle filter.

여기에서 전술되어 있는 기설정된 소정의 수치는, 본 발명의 이해를 돕기 위해 기재한 것이며, 이는 운용자의 설정에 따라 달라질 수 있고, 전술된 수치가 본 발명에 한정되지 않는 것은 당연하다.Predetermined predetermined numerical values described above are described to help understanding of the present invention, which may vary depending on the operator's setting, and it is natural that the aforementioned numerical values are not limited to the present invention.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Although described above with reference to the drawings according to embodiments of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above.

Claims (5)

Wi-Fi 환경을 이용한 컴퓨터 시스템에서 칼만필터와 입자필터를 혼용하여 이동물체의 이동패턴의 특성에 맞게 사용하는 이동물체 위치추적 방법에 있어서,
Wi-Fi의 AP로부터 RSSI 신호 값을 수집하는 단계(S100);
상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 각속도를 측정하는 단계(S200);
상기 이동물체가 임의의 이동경로를 따라 이동 중일 때 미리 설정한 임계치와 비교하여 직선 또는 곡선구간을 결정하는 단계(S300);
이동물체의 이동방향에 대한 패턴을 분석하여 이에 적합한 필터를 적용하는 단계(S400) 및
상기 필터를 적용하는 단계(S400) 이후 위치좌표를 보정하는 단계(S500)를 포함하고,
상기 단계(S200) 및 상기 단계(S400)의 각속도 계산 및 필터 결정은 3축 자이로스코프 센서의 각속도를 이용하며, 칼만필터 또는 입자필터의 선정은 이전 측정 시 각속도로 계산된 각도와 현재 측정 된 각속도로 계산된 각도의 차를 하기 수학식 1로 계산하여 결정하며, 이동패턴이 직선이면 칼만필터를, 곡선이면 입자필터를 각각 적용하는 것을 특징으로 하는 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법.

Figure 112020014586213-pat00017

w는 각속도, DPS는 단위 시간당 각도 변화량
<수학식1. 각속도를 이용하여 회전 각도를 계산하는 식>
In a computer system using a Wi-Fi environment, the Kalman filter and the particle filter are mixed to use the moving object location tracking method according to the characteristics of the moving object,
Collecting RSSI signal values from the AP of the Wi-Fi (S100);
Measuring the angular velocity when the moving object is moving along an arbitrary path (S200);
Determining whether a straight line or a curved section is compared with a preset threshold when the moving object is moving along an arbitrary path (S300);
Analyzing the pattern of the moving direction of the moving object and applying a filter suitable therefor (S400) and
After the step of applying the filter (S400), including the step of correcting the position coordinates (S500),
The angular velocity calculation and filter determination of the step (S200) and the step (S400) use the angular velocity of the 3-axis gyroscope sensor, and the selection of the Kalman filter or particle filter is the angle calculated by the angular velocity during the previous measurement and the currently measured angular velocity. It is determined by calculating the difference between the angles calculated by Equation 1 below, and a Kalman filter and a particle filter are mixed in a Wi-Fi environment characterized by applying a Kalman filter if the movement pattern is a straight line and a particle filter if it is a curved line. How to locate a moving object.

Figure 112020014586213-pat00017

w is the angular velocity, DPS is the amount of angular change per unit time
<Equation 1. Formula to calculate the rotation angle using angular velocity>
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 입자필터는 노이즈(noise)와 입자(particle)의 개수를 정의하여 상기 컴퓨터 시스템에 미리 저장하고,
상기 결정하는 단계(S300)는 결과가 곡선이면서 동시에 상기 필터를 적용하는 단계(S400)에서 입자필터를 사용했다면 상기 노이즈 및 상기 입자의 개수를 초기화 과정없이 상기 보정하는 단계(S500)로 넘어가고,
그렇지 않은 경우는 상기 노이즈 및 상기 입자의 개수를 초기화 한 후 이동패턴에 따른 상기 필터를 적용하는 단계(S400)와 상기 보정하는 단계(S500)를 진행하는 것을 특징으로 하는 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법.
The method according to claim 1,
The particle filter defines noise and the number of particles and stores them in advance in the computer system,
In the determining (S300), if the result is a curve and a particle filter is used in the applying of the filter (S400), the noise and the number of particles are corrected without the initialization process (S500).
Otherwise, after initializing the noise and the number of particles, applying the filter according to the movement pattern (S400) and performing the correcting step (S500), the Kalman filter in a Wi-Fi environment. A method of tracking the position of a moving object using a particle filter.
청구항 1에 있어서,
상기 칼만필터는 상기 컴퓨터 시스템에서 사용되는 파라미터들(A, H, Q, R)을 설정하여 상기 컴퓨터 시스템에 미리 저장하고,
상기 결정하는 단계(S300)는 결과가 직선이면서 동시에 상기 필터를 적용하는 단계(S400)에서 칼만필터를 사용했다면 상기 파라미터들을 이용한 상기 칼만필터를 초기화 과정없이 상기 보정하는 단계(S500)로 넘어가고,
그렇지 않은 경우는 상기 파라미터들을 이용하여 상기 칼만필터를 초기화 한 후 이동패턴에 따른 상기 필터를 적용하는 단계(S400)와 상기 보정하는 단계(S500)를 진행하는 것을 특징으로 하는 Wi-Fi 환경에서 칼만필터와 입자필터를 혼용한 이동물체 위치추적 방법.
The method according to claim 1,
The Kalman Filter sets parameters (A, H, Q, R) used in the computer system and stores them in advance in the computer system,
In the determining (S300), if the result is a straight line and the Kalman filter is used in the step (S400) of applying the filter at the same time, the process proceeds to the correcting (S500) of the Kalman filter using the parameters without an initialization process.
Otherwise, after initializing the Kalman filter using the parameters, applying the filter according to the movement pattern (S400) and performing the correcting step (S500), Kalman in a Wi-Fi environment. A method of tracking the position of a moving object using a filter and a particle filter.
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