KR102145717B1 - Indoor positioning method and system using machine learning - Google Patents
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Abstract
본 발명은 머신러닝을 이용한 실내 측위 방법과 시스템을 개시한다. 본 발명에 따른 실내 측위 방법은, 실내에 정의된 다수의 구역마다 다수의 측위용 신호송출기 신호의 수신신호강도(RSSI)를 측정하는 단계; 전체 구역의 RSSI 측정데이터 중에서 제로(0)를 제외한 값을 절대값의 보수로 변환하는 데이터 전처리(preprocessing) 단계; 전처리를 거친 RSSI데이터를 학습데이터로 활용하여 머신러닝 알고리즘을 실행하여 학습하는 단계; 측위대상단말에서 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI 정보를 머신러닝 알고리즘의 입력노드에 입력하여 측위대상단말의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 측위대상영역의 각 구역에서 측정한 RSSI 측정데이터에 대해 절대값의 보수로 변환하는 1차 데이터 전처리와 제로(0)로 표시된 RSSI 값을 소정의 양수값으로 변환하는 2차 데이터 전처리를 수행한 이후에 머신러닝 학습데이터로 활용함으로써 머신러닝을 이용한 실내 측위의 정확도를 크게 개선하는 효과를 얻을 수 있다.The present invention discloses an indoor positioning method and system using machine learning. The indoor positioning method according to the present invention includes the steps of measuring a received signal strength (RSSI) of a plurality of positioning signal transmitter signals for each of a plurality of areas defined indoors; A data preprocessing step of converting a value excluding zero (0) among the RSSI measurement data of the entire area into an absolute value complement; Learning by executing a machine learning algorithm using preprocessed RSSI data as training data; And inputting RSSI information of a plurality of positioning signal transmitters measured by the positioning target terminal into an input node of a machine learning algorithm to determine the location of the positioning target terminal.
According to the present invention, the primary data preprocessing for converting the RSSI measurement data measured in each area of the positioning target area to the complement of the absolute value and the secondary data for converting the RSSI value marked with zero (0) into a predetermined positive value After performing the pre-processing, by using it as machine learning learning data, the effect of greatly improving the accuracy of indoor positioning using machine learning can be obtained.
Description
본 발명은 머신러닝을 이용한 실내 측위 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 머신러닝을 위해 제공되는 데이터에 적절한 전처리(preprocessing)를 함으로써 측위 정확도를 크게 향상시킨 실내 측위 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an indoor positioning method using machine learning, and more particularly, to an indoor positioning method and system in which positioning accuracy is greatly improved by performing appropriate preprocessing on data provided for machine learning.
최근 스마트폰, 태블릿 등과 같은 모바일 단말이나 차량용 단말에는 GPS(Global Positioning System) 모듈이 탑재되어 있어 단말의 위치 확인이 가능하며, 이로 인해 사용자는 자신의 위치와 연계된 다양한 위치기반서비스를 제공받을 수 있다.In recent years, mobile terminals such as smartphones and tablets, or vehicle terminals, are equipped with a GPS (Global Positioning System) module so that the location of the terminal can be checked, and this allows users to receive various location-based services linked to their location. have.
그런데 GPS 모듈은 GPS 위성의 신호를 수신하여 단말의 위치를 계산하는 것이므로 위성신호를 수신할 수 없는 실내에서는 측위에 사용될 수 없으며, 따라서 실내에서는 GPS가 아닌 다른 방법으로 측위를 수행해야만 한다.However, since the GPS module receives a signal from a GPS satellite and calculates the location of the terminal, it cannot be used for positioning indoors where satellite signals cannot be received, and therefore, positioning must be performed indoors by a method other than GPS.
현재까지 다양한 실내 측위 방법이 알려져 있는데, 이 중에서 실내에 설치된 Wi-Fi AP(Access Point)의 무선신호를 이용하는 Wi-Fi측위 방법이 가장 널리 알려져 있다.Until now, various indoor positioning methods are known, among which the Wi-Fi positioning method using a wireless signal from a Wi-Fi AP (Access Point) installed indoors is the most widely known.
Wi-Fi측위방법은 크게 셀ID 방식, 삼각측량 방식, 핑거프린팅(fingerprinting) 방식 등으로 구분된다.Wi-Fi positioning methods are largely divided into cell ID methods, triangulation methods, and fingerprinting methods.
셀ID 방식은 수신된 신호 중에서 가장 신호가 센 Wi-Fi AP의 위치를 단말의 위치로 결정하는 방식인데, 가장 간단한 방식이긴 하지만 대략 50m 정도의 측위 오차가 발생하므로 정확도가 매우 낮은 단점이 있다.The Cell ID method is a method of determining the location of the terminal with the highest signal among the received signals as the location of the terminal. Although it is the simplest method, it has a disadvantage of very low accuracy because a positioning error of about 50m occurs.
삼각측량 방식은 실내에 분산 설치된 3개 이상의 AP신호를 수신하여 각 AP신호의 수신신호강도(RSSI: Received Signal Strength Indication)를 거리로 환산한 후 단말의 위치를 계산하는 방식이다. 그런데 실내에서는 무선신호의 반사, 굴절, 흡수 등으로 인해 대략 20m 정도의 측위 오차가 발생하므로 여전히 정확도가 낮은 문제가 있다.The triangulation method is a method of receiving three or more AP signals distributed indoors, converting the received signal strength indication (RSSI) of each AP signal into a distance, and then calculating the location of the terminal. However, indoors, a positioning error of about 20m occurs due to reflection, refraction, and absorption of radio signals, so there is still a problem of low accuracy.
핑거프린팅 방식은 실내 공간에 다수의 구역(cell)을 설정하고, 사전에 각 구역에서 직접 측정한 각 AP신호의 수신신호강도(RSSI)를 DB화하여 일종의 맵(Map)을 구축하고, 단말에서 수신한 각 AP신호의 RSSI 값을 DB와 대비하여 가장 유사한 신호 패턴을 보이는 구역의 기준점을 단말의 위치로 추정하는 방식이다.In the fingerprinting method, a number of cells are set in an indoor space, and the received signal strength (RSSI) of each AP signal directly measured in each area is converted into a DB to establish a kind of map, and This is a method of estimating the reference point of the area showing the most similar signal pattern as the location of the terminal by comparing the RSSI value of each received AP signal with the DB.
이러한 핑거프린팅 방식이 셀ID방식이나 삼각측량방식에 비하여 실내 측위 정확도가 훨씬 높은 것으로 알려져 있지만 아직까지는 80% 정확도를 기준으로 통상 5m 이상의 오차가 발생하기 때문에 측위 정확도를 보다 개선할 필요가 있다. This fingerprinting method is known to have much higher indoor positioning accuracy than the cell ID method or triangulation method, but it is still necessary to further improve the positioning accuracy because an error of more than 5m occurs based on 80% accuracy.
그러나 실내 Wi-Fi AP신호는 동일한 위치에서 측정하더라도 다양한 요인으로 인해 RSSI 변동폭이 크고 AP의 개수가 많아질수록 신호패턴의 유사도를 정확하게 판단하는 것이 어려워지므로 현재의 핑거프린팅 방식으로는 측위 정확도를 더 이상 높이는데 한계가 있는 실정이다.However, even if the indoor Wi-Fi AP signal is measured at the same location, the RSSI fluctuation is large due to various factors, and as the number of APs increases, it becomes difficult to accurately determine the similarity of the signal pattern. There is a limit to raising the ideal.
본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, 핑거프린팅 기반의 실내 측위 방식에서 측위 정확도를 보다 개선할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised from this background, and an object of the present invention is to provide a method that can further improve positioning accuracy in an indoor positioning method based on fingerprinting.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 실내에 정의된 다수의 구역마다 다수의 측위용 신호송출기 신호의 수신신호강도(RSSI)를 측정하는 단계; 전체 구역의 RSSI 측정데이터 중에서 제로(0)를 제외한 값을 절대값의 보수로 변환하는 데이터 전처리(preprocessing) 단계; 전처리를 거친 RSSI데이터를 학습데이터로 활용하여 머신러닝 알고리즘을 실행하여 학습하는 단계; 측위대상단말에서 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI 정보를 머신러닝 알고리즘의 입력노드에 입력하여 측위대상단말의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 실내 측위 방법을 제공한다.In order to achieve this object, an aspect of the present invention includes measuring the received signal strength (RSSI) of a plurality of positioning signal transmitter signals for each of a plurality of areas defined indoors; A data preprocessing step of converting a value excluding zero (0) among the RSSI measurement data of the entire area into an absolute value complement; Learning by executing a machine learning algorithm using preprocessed RSSI data as training data; Provides an indoor positioning method comprising the step of determining a location of a positioning target terminal by inputting RSSI information of a plurality of positioning signal transmitters measured by a positioning target terminal into an input node of a machine learning algorithm.
본 발명의 일 양상에 따른 실내 측위 방법에서, 상기 데이터 전처리 단계는, RSSI 측정데이터를 절대값의 보수로 변환한 이후에 변환되지 않은 값(0)을 변환된 값 중의 최소값 보다 작은 양수로 변환하는 과정을 포함할 수 있다.In the indoor positioning method according to an aspect of the present invention, the data preprocessing step converts the unconverted value (0) to a positive number smaller than the minimum value among the converted values after converting the RSSI measurement data to the complement of the absolute value. May include a process.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 실내 측위 방법에서, 상기 데이터 전처리 단계의 이후에는, 충분한 학습데이터를 제공하기 위하여 전처리된 RSSI 데이터에 대하여 데이터 확장(augmentation)을 수행할 수 있다.In addition, in the indoor positioning method according to an aspect of the present invention, after the data preprocessing step, data augmentation may be performed on the preprocessed RSSI data to provide sufficient learning data.
본 발명의 다른 양상은, 실내에 설치된 다수의 측위용 신호송출기에서 송출된 무선신호의 수신신호강도(RSSI)를 이용하여 측위대상단말의 위치를 결정하는 측위 시스템으로서, 실내에 정의된 다수의 구역마다 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI데이터 중에서 제로(0)를 제외한 값을 절대값의 보수로 변환하는 제1 데이터 전처리부; 데이터 전처리를 거친 RSSI데이터를 학습데이터로 활용하여 머신러닝을 수행하는 머신러닝 알고리즘; 측위대상단말에서 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI 정보를 머신러닝 알고리즘에 입력하여 측위대상단말의 위치를 결정하는 위치결정부를 포함하는 실내 측위 시스템을 제공한다.Another aspect of the present invention is a positioning system that determines the location of a positioning target terminal by using the received signal strength (RSSI) of a radio signal transmitted from a plurality of positioning signal transmitters installed indoors. A first data preprocessing unit for converting a value excluding zero (0) among the RSSI data of the plurality of positioning signal transmitters measured every time into an absolute value complement; A machine learning algorithm that performs machine learning by using preprocessed RSSI data as training data; Provides an indoor positioning system including a positioning unit that determines the location of the positioning target terminal by inputting RSSI information of a plurality of positioning signal transmitters measured by a positioning target terminal into a machine learning algorithm.
본 발명의 다른 양상에 따른 실내 측위 시스템은, 상기 제1 데이터 전처리부에서 절대값의 보수로 변환되지 않은 값(0)을 절대값의 보수로 변환된 값 중의 최소값 보다 작은 양수로 변환하는 제2 데이터 전처리부를 포함할 수 있다.In an indoor positioning system according to another aspect of the present invention, a second data preprocessing unit converts a value (0) that is not converted to an absolute value complement into a positive number smaller than a minimum value among values converted to the absolute value complement. It may include a data preprocessor.
또한 본 발명의 다른 양상에 따른 실내 측위 시스템은, 충분한 학습데이터를 제공하기 위하여 전처리된 RSSI 데이터에 대하여 데이터 확장(augmentation)을 수행하는 데이터확장부를 포함할 수 있다.In addition, the indoor positioning system according to another aspect of the present invention may include a data expansion unit that performs data augmentation on pre-processed RSSI data in order to provide sufficient learning data.
또한 본 발명의 다른 양상에 따른 실내 측위 시스템에서 상기 측위용 신호송출기는 Wi-Fi AP(Access Point)일 수 있다.In addition, in the indoor positioning system according to another aspect of the present invention, the positioning signal transmitter may be a Wi-Fi AP (Access Point).
본 발명에 따르면, 측위대상영역의 각 구역에서 측정한 RSSI 측정데이터에 대해 절대값의 보수로 변환하는 1차 데이터 전처리와 제로(0)로 표시된 RSSI 값을 소정의 양수값으로 변환하는 2차 데이터 전처리를 수행한 이후에 머신러닝 학습데이터로 활용함으로써 머신러닝을 이용한 실내 측위의 정확도를 크게 개선하는 효과를 얻을 수 있다.According to the present invention, the primary data preprocessing for converting the RSSI measurement data measured in each area of the positioning target area to the complement of the absolute value and the secondary data for converting the RSSI value marked with zero (0) into a predetermined positive value After performing the pre-processing, by using it as machine learning learning data, the effect of greatly improving the accuracy of indoor positioning using machine learning can be obtained.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템의 개략 구성도
도 2는 실내의 측위대상영역을 다수의 구역으로 구분한 모습을 예시한 도면
도 3은 머신러닝부의 블록도
도 4는 딥러닝 알고리즘의 인공신경망 구성을 예시한 도면
도 5는 학습데이터의 전처리 과정을 예시한 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 방법을 나타낸 순서도1 is a schematic configuration diagram of an indoor positioning system according to an embodiment of the present invention
2 is a diagram illustrating a state in which an indoor positioning target area is divided into a plurality of areas
3 is a block diagram of a machine learning unit
4 is a diagram illustrating a configuration of an artificial neural network of a deep learning algorithm
5 is a diagram illustrating a preprocessing process of learning data
6 is a flow chart showing an indoor positioning method according to an embodiment of the present invention
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
참고로 본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함 또는 구비하는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합, 또는 통신하는 경우는, 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합, 또는 통신하는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합, 또는 통신하는 경우도 포함한다. 또한 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 직접 연결 또는 직접 결합되는 경우는 중간에 다른 요소가 개재되지 않는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에 첨부된 도면은 발명의 요지를 이해하기 쉽도록 예시한 것에 불과하므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 아니 됨을 미리 밝혀 둔다.For reference, in the present specification, when a certain part includes or includes a certain component, it means that other components may be further included or provided, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, when one element connects, combines, or communicates with another element, it is not only directly connected, coupled, or communicated with another element, but also indirectly connected with another element in the middle. This includes cases of combining, or communicating. In addition, when one component is directly connected or directly coupled to another component, it means that no other component is intervened. In addition, since the drawings attached to the present specification are merely illustrative for easy understanding of the subject matter of the invention, it should be noted in advance that the scope of the present invention is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템은, 도 1의 개략 구성도에 나타낸 바와 같이, 다수의 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)와, 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)에서 송출된 무선 신호를 수신할 수 있는 측위대상단말(100)과, 통신망(200)을 통해 측위대상단말(100)과 통신하는 측위장치(300)를 포함할 수 있다.An indoor positioning system according to an embodiment of the present invention includes a plurality of positioning signal transmitters AP1, AP2, AP3, AP4, and positioning signal transmitters AP1, AP2, as shown in the schematic configuration diagram of FIG. 1. A
측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)는 측위용 무선신호를 주기적으로 송출하는 장치로서, 무선인터넷 서비스를 위해 설치된 Wi-Fi AP일 수 있다. 다만 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)가 반드시 Wi-Fi AP에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 무선통신을 지원하는 AP, 중계기 등도 측위용 신호송출기로 활용될 수 있다.The positioning signal transmitters AP1, AP2, AP3, and AP4 are devices that periodically transmit a positioning wireless signal, and may be a Wi-Fi AP installed for a wireless Internet service. However, the positioning signal transmitters (AP1, AP2, AP3, AP4) are not necessarily limited to Wi-Fi APs, and APs and repeaters that support other types of wireless communication can also be used as positioning signal transmitters.
Wi-Fi AP를 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)로 사용하는 경우에는 Wi-Fi AP에서 주기적으로 송출되는 비콘(beacon) 신호가 측위용 무선신호로 사용될 수 있다.When a Wi-Fi AP is used as a positioning signal transmitter (AP1, AP2, AP3, AP4), a beacon signal periodically transmitted from the Wi-Fi AP may be used as a positioning wireless signal.
측위대상단말(100)은 사람이 휴대하거나 이동수단에 탑재된 전자기기로서, 무선신호 송수신모듈, 데이터의 송수신 및 처리를 위한 프로그램 및 프로토콜을 저장하는 메모리, 각종 프로그램을 실행하여 연산 및 제어하기 위한 프로세서 등을 구비할 수 있다.The
예를 들어 측위대상단말(100)은 스마트폰, 태블릿(tablet) PC, 핸드헬드(handheld) PC, PDA, PMP, 노트북컴퓨터 등과 같은 전자기기일 수 있다. 다만 측위대상단말(100)이 반드시 소형 휴대용 단말로 한정되지는 않으므로 측위대상영역 내에 고정적으로 설치된 디지털TV, 노트북 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, CCTV, 사무기기, 가전기기, 산업용 장비 등도 측위대상단말(100)에 포함될 수 있다.For example, the
측위대상단말(100)은 측위대상영역의 주변 또는 내부에 설치된 다수의 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)에서 송출된 측위용 무선신호를 수신하고, 신호송출기별 수신신호강도(RSSI) 정보를 측위장치(300)로 전송한다. The
측위대상단말(100)과 측위장치(300) 간의 통신방식은 한정되지 않는다. 예를 들어 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)가 Wi-Fi AP인 경우에는 이를 통해 측위장치(300)와 통신할 수 있다. 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)를 대신하여 다른 통신기기를 통해 측위장치(300)와 통신할 수도 있음은 물론이다.The communication method between the
통신망(200)은 측위대상단말(100)과 측위장치(300) 간의 통신을 중계하는 것으로서, 이미 알려져 있거나 이후에 개발되는 유선망, 무선망, 또는 이들의 적절한 조합으로 구성될 수 있다.The
측위장치(300)는 측위대상단말(100)에서 측정한 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)의 RSSI 정보를 획득하여 해당 단말의 위치를 측위하고, 측위결과를 측위대상단말(100)로 전송하거나 사전에 설정된 위치기반서비스 제공서버로 전송한다.The positioning device 300 acquires RSSI information of the positioning signal transmitters (AP1, AP2, AP3, AP4) measured by the
본 발명의 실시예에 따른 실내측위 방법은 핑거프린팅 방식을 기반으로 하는 것이므로 측위대상영역은 도 2에 예시한 바와 같이 다수 구역(C11, C12, ... , C43, C44) 으로 구획되고, 측위장치(300)는 각 구역(C11, C12, ... , C43, C44)마다 측정한 측위용 신호송출기(AP1,AP2,AP3,AP4)의 수신신호강도(RSSI) 데이터를 이용하여 측위대상단말(100)의 위치를 결정한다.Since the indoor positioning method according to an embodiment of the present invention is based on a fingerprinting method, the positioning target area is divided into multiple areas (C 11 , C 12 , ..., C 43 , C 44 ) as illustrated in FIG. 2. It is divided and the positioning device 300 is the received signal strength (RSSI) of the positioning signal transmitters (AP1, AP2, AP3, AP4) measured for each area (C 11 , C 12 , ..., C 43 , C 44 ). ) The location of the
본 발명의 실시예에 따른 측위장치(300)는 머신러닝부(310), 위치결정부(330), 저장부(350) 및 통신부(370)를 포함할 수 있다.The positioning device 300 according to an embodiment of the present invention may include a machine learning unit 310, a positioning unit 330, a storage unit 350, and a communication unit 370.
머신러닝부(310)는 머신러닝 알고리즘과 학습데이터를 이용하여 위치측위를 위한 머신러닝(machine learning)을 수행하며, 본 발명의 실시예에서는 도 3의 블록도에 나타낸 바와 같이, 제1 데이터 전처리부(311), 제2 데이터 전처리부(312), 데이터확장부(313), 머신러닝 알고리즘(314)을 포함할 수 있다.The machine learning unit 310 performs machine learning for location positioning using a machine learning algorithm and learning data, and in an embodiment of the present invention, as shown in the block diagram of FIG. 3, the first data preprocessing A unit 311, a second data preprocessor 312, a data expansion unit 313, and a machine learning algorithm 314 may be included.
머신러닝 알고리즘(314)은 학습데이터를 활용하여 머신러닝을 수행하며 이를 통해 출력값의 정확도를 높인다. The machine learning algorithm 314 performs machine learning by using the learning data, thereby increasing the accuracy of the output value.
머신러닝 알고리즘(314)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 일 예로서, SVM(Support Vector machine), KNN(K-Nearest Neighbor), Random Forest 등의 알고리즘을 이용하여 실내 측위를 위한 머신러닝을 수행할 수 있다. 다른 예로서, DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network), RNN(Recurrent Neural Network) 등의 인공신경망(ANN, Artificial Neural Network)을 기반으로 하는 딥러닝 알고리즘을 이용하여 실내 측위를 위한 머신러닝을 수행할 수도 있다.The kind of machine learning algorithm 314 is not particularly limited. As an example, machine learning for indoor positioning may be performed using algorithms such as Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbor (KNN), and Random Forest. As another example, a machine for indoor positioning using deep learning algorithms based on artificial neural networks (ANNs) such as DNN (Deep Neural Network), CNN (Convolutional Neural Network), and RNN (Recurrent Neural Network). You can also run.
딥러닝 알고리즘의 인공신경망(ANN)은 도 4에 예시한 바와 같이 입력레이어와 출력레이어의 사이에 하나 이상의 히든레이어(hidden layer)를 가지며, 딥러닝 알고리즘을 통한 학습은 임의의 제1 레이어의 노드(뉴런)와 제2 레이어의 노드(뉴런) 사이에 부여된 가중치([W]1, ..., [W]n)를 최적화하는 과정이다.The artificial neural network (ANN) of the deep learning algorithm has one or more hidden layers between the input layer and the output layer as illustrated in FIG. 4, and learning through the deep learning algorithm is a node of an arbitrary first layer. This is a process of optimizing the weights ([W]1, ..., [W]n) assigned between the (neuron) and the node (neuron) of the second layer.
딥러닝 알고리즘은 학습주기마다 또는 설정된 주기마다 출력노드의 출력값과 목표값 사이의 오차를 기초로 경사감소법(Gradient Descent Method) 등을 적용하여 각 가중치([W]1, ... ,[W]n)를 갱신함으로써 출력값의 정확도를 지속적으로 향상시킬 수 있다.The deep learning algorithm applies the gradient reduction method, etc., based on the error between the output value of the output node and the target value at each learning cycle or at a set cycle, and each weight ([W]1, ... ,[W ]n), the accuracy of the output value can be continuously improved.
본 발명의 실시예에서는 입력레이어의 각 입력노드에는 측위대상단말(100)이 임의의 위치에서 수신한 각 신호송출기(AP1, AP2, AP3, AP4, ... , APn)의 수신신호강도(RSSI)가 입력되고, 출력레이어의 출력노드는 입력된 RSSI 정보에 대응하는 측위대상단말(100)의 위치(Cxy)를 출력할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the received signal strength (RSSI) of each signal transmitter (AP1, AP2, AP3, AP4, ..., APn) received by the
머신러닝을 이용한 실내 측위의 정확도를 높이기 위해서는 학습을 통해 머신러닝 알고리즘(314)에 적용되는 최적의 가중치를 결정해야 하며, 이를 위해서는 적절하고 충분한 학습데이터가 제공되어야 한다.In order to increase the accuracy of indoor positioning using machine learning, it is necessary to determine an optimal weight applied to the machine learning algorithm 314 through learning, and for this purpose, appropriate and sufficient learning data must be provided.
적절한 학습데이터 제공을 위하여 본 발명의 실시예에서는 각 구역(C11, C12, ... , C43, C44) 마다 측정한 각 신호송출기(AP1, AP2, AP3, AP4, ... , APn)의 RSSI 측정데이터를 그대로 사용하지 않고 측정데이터에 소정의 전처리(preprocessing)를 수행한 이후에 머신러닝을 위한 학습데이터로 사용한다.In order to provide appropriate learning data, in the embodiment of the present invention, each signal transmitter (AP1, AP2, AP3, AP4, ... ,) measured for each zone (C 11 , C 12 , ..., C 43 , C 44 ) APn)'s RSSI measurement data is not used as it is, but is used as learning data for machine learning after a predetermined preprocessing is performed on the measurement data.
먼저 머신러닝부(310)의 제1 데이터 전처리부(311)에서는, 도 5에 예시한 바와 같이, RSSI 측정데이터를 절대값의 보수(짝꿍수)로 변환하는 1차 데이터 전처리를 수행한다.First, the first data preprocessing unit 311 of the machine learning unit 310 performs primary data preprocessing of converting the RSSI measurement data into the complement (even number) of the absolute value, as illustrated in FIG. 5.
일반적으로 무선신호의 수신신호강도(RSSI)는 예를 들어 -30dBm, -50dBm 등과 같이 음수로 표시되고 절대값이 작을수록 신호세기가 크다. 그런데 실험에 의하면 이런 형식의 측정데이터를 그대로 사용하는 것보다 절대값의 보수(짝꿍수)로 변환된 데이터를 학습데이터로 사용하면 측위 정확도가 10% 이상 향상되는 것으로 나타났기 때문이다. In general, the received signal strength (RSSI) of a wireless signal is expressed as a negative number such as -30dBm, -50dBm, etc., and the smaller the absolute value, the greater the signal strength. However, according to the experiment, it was found that the positioning accuracy was improved by more than 10% when the data converted to the absolute value's complement (even number) was used as the learning data, rather than using the measured data as it is.
보수(짝꿍수)는 서로의 합이 일정한 관계에 있는 숫자를 의미하며, 본 발명의 실시예에는 합이 100 인 관계에 있는 숫자를 서로 보수 관계에 있는 것으로 하였으나 보수관계에 있는 두수의 합은 100 대신 다른 값으로 대체될 수도 있다. Complement (even number) refers to a number in which the sum of each other is in a certain relationship, and in the embodiment of the present invention, numbers in a relationship with a sum of 100 are assumed to be in a complementary relationship, but the sum of two numbers in a conservative relationship is 100 Instead, it can be replaced with another value.
본 발명의 실시예에서는 예를 들어 측정데이터가 -30dBm 이면, 절대값은 30이므로 제1 데이터 전처리부(311)에서는 이를 절대값의 보수 70으로 변환한다. 측정데이터가 -70dBm 이면, 절대값은 70이므로 절대값의 보수 30으로 변환한다.In an embodiment of the present invention, for example, if the measured data is -30dBm, the absolute value is 30, and thus the first data preprocessor 311 converts it to the
다만 1차 데이터 전처리를 수행할 때는 측정데이터가 0인 경우에 이에 대해서는 1차 데이터 전처리를 수행하지 않아야 되는 점을 주의해야 한다.However, when performing the primary data preprocessing, it should be noted that if the measured data is 0, the primary data preprocessing should not be performed.
측정데이터가 0으로 표시되는 경우는 AP신호가 수신되지 않거나 단말의 프로세서 효율을 위하여 RSSI가 문턱값 미만인 AP신호를 무시하는 경우인데, 만일 측정데이터 0을 절대값 보수인 100으로 변환하면 가장 약한 신호가 가장 센 신호로 변환되는 결과가 초래되기 때문이다.If the measured data is displayed as 0, the AP signal is not received or the AP signal whose RSSI is less than the threshold is ignored for the processor efficiency of the terminal. If measured
도 5(b)는 이러한 기준에 따라 1차 전처리한 데이터를 나타낸 것이다.Fig. 5(b) shows the first preprocessed data according to this criterion.
다음으로 머신러닝부(310)의 제2 데이터 전처리부(312)에서는, 1차 전처리를 거친 데이터에서 변환되지 않은 값(0)을 임의의 양수로 변환한다. Next, the second data preprocessing unit 312 of the machine learning unit 310 converts the unconverted value (0) from the first preprocessed data into an arbitrary positive number.
측위대상영역의 각 구역(C11, C12, ... , C43, C44) 에서 측정된 각 신호송출기(AP1, AP2, AP3, AP4, ... , APn)의 RSSI 정보는 머신러닝 알고리즘의 학습데이터로 활용되는데, RSSI 값이 0 이면 해당 구역에서는 특정 AP 의 신호가 약한 것이 아니라 특정 AP가 아예 없는 것으로 인식하고 학습이 진행된다. The RSSI information of each signal transmitter (AP1, AP2, AP3, AP4, ..., APn) measured in each area (C 11 , C 12 , ..., C 43 , C 44 ) of the positioning target area is machine learning. It is used as the learning data of the algorithm. If the RSSI value is 0, it is recognized that the signal of a specific AP is not weak in the relevant area, but that there is no specific AP at all and learning proceeds.
그런데 특정 구역에 특정 AP가 없는 것으로 인식하여 학습이 진행되면 지나친 조건 한정인 오버피팅(overfitting)으로 인해 오히려 측위 정확도가 저하되는 결과가 초래될 수 있다.However, if learning proceeds by recognizing that there is no specific AP in a specific area, overfitting, which is an excessive conditional limitation, may result in lowering of positioning accuracy.
본 발명의 실시예에서는 이러한 오버피팅 문제를 방지하기 위하여 1차 전처리 과정에서 변환되지 않은 값(0)을 소정의 양수로 변환하며, 이를 통해 측위 정확도의 저하를 방지할 수 있다. In an embodiment of the present invention, in order to prevent such an overfitting problem, a value (0) that is not converted in the first preprocessing process is converted into a predetermined positive number, thereby preventing a decrease in positioning accuracy.
본 발명의 실시예에서는 도 5(c)에 나타낸 바와 같이 0을 모두 10으로 변환하였는데 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다만 RSSI 값이 제로(0)인 것은 수신신호가 매우 미약하다는 것을 의미하므로 변환된 숫자는 전체 RSSI값 중에서 가장 낮은 값인 것이 바람직하다. In the embodiment of the present invention, all 0s are converted to 10 as shown in Fig. 5(c), but the present invention is not limited thereto. However, since the RSSI value of zero (0) means that the received signal is very weak, the converted number is preferably the lowest among all RSSI values.
도 5(b)에는 1차 전처리된 전체 RSSI 데이터 중에서 0 이외의 가장 낮은 값은 30 (C23/AP4, C24/AP4)인 것으로 나타나 있으므로 RSSI값 제로(0)는 당연히 30 보다 충분히 작은 값으로 변환되어야 하며, 본 발명의 실시예에서는 이런 이유로 10으로 변환하였다. 이에 한정되지 않고 10 이외의 다른 양수로 변환될 수도 있음은 물론이다.5(b) shows that the lowest value other than 0 is 30 (C23/AP4, C24/AP4) among all the first preprocessed RSSI data, so the RSSI value zero (0) is naturally converted to a value sufficiently smaller than 30. It should be, and in the embodiment of the present invention, it was converted to 10 for this reason. It goes without saying that it is not limited thereto and may be converted to a positive number other than 10.
한편 머신러닝을 위해서는 충분한 양의 학습데이터가 제공되어야 하며, 이를 위해서는 도 5에 예시한 데이터가 적어도 수천 세트 이상 준비되어야 한다. Meanwhile, for machine learning, a sufficient amount of training data must be provided, and for this, at least thousands of sets of data illustrated in FIG. 5 must be prepared.
그러나 현실적으로 측위대상영역의 각 구역(C11, C12, ... C43, C44)에서 수천 번 RSSI 측정을 수행하는 것은 거의 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 수십 번 정도의 실측을 수행한 이후에 데이터확장부(313)를 통해 측정데이터를 확장(augmentation)하고, 확장된 데이터를 학습데이터로 활용하는 것이 바람직하다.However, in reality, it is almost impossible to perform RSSI measurements thousands of times in each area (C 11 , C 12 , ... C 43 , C 44 ) of the target area. In order to solve this problem, it is desirable to augment the measured data through the data expansion unit 313 after performing the actual measurement dozens of times, and use the expanded data as learning data.
데이터확장부(313)에서의 데이터 확장 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 동일 조건에서도 측정할 때마다 RSSI 값이 달라지는 점을 감안하여 측정데이터의 전부 또는 일부를 소정 범위 내에서 증감시키거나, 일부 AP의 값을 최소값으로 변경하는 등 다양한 방식으로 데이터를 확장할 수 있다. The data expansion method in the data expansion unit 313 is not particularly limited. For example, in consideration of the fact that the RSSI value changes every time a measurement is made under the same conditions, the data can be expanded in various ways, such as increasing or decreasing all or part of the measurement data within a certain range, or changing the value of some APs to the minimum I can.
데이터확장부(313)의 데이터확장은 2차 전처리된 데이터를 대상으로 수행하는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 측정데이터 또는 1차 전처리된 데이터에 대해 데이터확장을 수행할 수도 있다.The data expansion of the data expansion unit 313 is preferably performed on the secondary preprocessed data, but is not limited thereto. Therefore, data expansion may be performed on the measured data or the first preprocessed data.
한편 측위장치(300)의 위치결정부(330)는 측위대상단말(100)에 대한 측위 요청을 수신하면, 측위대상단말(100)에서 측정한 각 신호송출기(AP1, AP2, AP3, AP4, ..., APn)의 RSSI 데이터를 학습을 마친 머신러닝 알고리즘에 입력하고 출력값을 측위대상단말(100)의 위치(Cxy)로 결정한다.On the other hand, when the positioning unit 330 of the positioning device 300 receives a positioning request for the
저장부(350)는 측위장치(300)의 동작을 위한 OS프로그램, 머신러닝 프로그램, 각종 파라미터, 데이터 등을 저장한다.The storage unit 350 stores an OS program, a machine learning program, various parameters, and data for the operation of the positioning device 300.
통신부(370)는 통신망(200)과의 연결을 위한 유선 및/또는 무선 통신 인터페이스를 포함한다.The communication unit 370 includes a wired and/or wireless communication interface for connection with the
이하에서는 도 6의 순서도를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 방법을 설명한다.Hereinafter, an indoor positioning method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. 6.
먼저 도 2에 예시한 바와 같이 측위대상영역에 다수의 구역(C11, C12, ... , C43, C44)을 설정하고, 측위장치(300)는 각 구역에서 측정된 각 신호송출기(AP1, AP2, AP3, AP4, ... , APn)의 RSSI 값을 수신하여 저장한다. RSSI 측정위치는 가급적 각 구역(C11, C12, ... , C43, C44)의 중앙인 것이 바람직하다. (ST11)First, as illustrated in FIG. 2, a plurality of zones (C 11 , C 12 , ..., C 43 , C 44 ) are set in the positioning target area, and the positioning device 300 is each signal transmitter measured in each zone. Receives and stores the RSSI value of (AP1, AP2, AP3, AP4, ..., APn). It is preferable that the RSSI measurement location is in the center of each zone (C 11 , C 12 , ..., C 43 , C 44 ). (ST11)
이어서 측위장치(300)의 머신러닝부(310)는 RSSI 측정데이터에 대하여 1차 데이터 전처리를 수행한다. 1차 데이터 전처리는 음수로 표시된 RSSI 값을 양수로 변환하는 것으로서, 구체적으로는 절대값의 보수로 변환한다. 다만 0으로 표시된 측정값은 변환을 하지 않고 그대로 둔다. 이와 같이 1차 전처리를 수행하면 측위 정확도를 크게 높일 수 있다. (ST12) Subsequently, the machine learning unit 310 of the positioning device 300 performs primary data preprocessing on the RSSI measurement data. The primary data preprocessing is to convert an RSSI value expressed as a negative number into a positive number, specifically converting it into an absolute value's complement. However, the measured value marked as 0 is left unchanged without conversion. If the first pre-processing is performed in this way, positioning accuracy can be greatly improved. (ST12)
이어서 머신러닝부(310)는 1차 전처리 과정에서 변환되지 않은 값(0)을 임의의 양수로 변환하는 2차 전처리를 수행한다. 이때 해당 RSSI데이터 세트의 최소값보다 충분히 작은 값으로 변환한다. 이러한 2차 전처리를 수행하면 머신러닝의 오버피팅 문제를 방지할 수 있다. (ST13)Subsequently, the machine learning unit 310 performs a second pre-processing of converting the unconverted value (0) into an arbitrary positive number in the first pre-processing process. At this time, it is converted to a value sufficiently smaller than the minimum value of the corresponding RSSI data set. Performing such secondary preprocessing can prevent the overfitting problem of machine learning. (ST13)
머신러닝부(310)는 이와 같은 데이터 전처리 과정을 수행한 이후에 보다 충분한 양의 학습데이터를 확보하기 위하여 데이터확장을 수행하고, 이를 학습데이터 DB에 저장할 수 있다. (ST14)The machine learning unit 310 may perform data expansion in order to secure a more sufficient amount of training data after performing such a data preprocessing process, and store it in the training data DB. (ST14)
머신러닝부(310)는 이상의 과정을 거쳐 적절하고 충분한 양의 학습데이터가 확보되면, 머신러닝 알고리즘(314)을 실행하여 학습을 수행한다. 이때 머신러닝 알고리즘에 부여된 가중치([W]1, ... , [W]n)를 지속적으로 갱신할 수 있다. (ST15)When an appropriate and sufficient amount of learning data is secured through the above process, the machine learning unit 310 executes the machine learning algorithm 314 to perform learning. At this time, the weights ([W]1, ..., [W]n) assigned to the machine learning algorithm can be continuously updated. (ST15)
머신러닝을 충분히 수행한 상태에서 측위요청을 수신하면, 위치결정부(310)는 측위대상단말(100)이 임의의 위치에서 측정한 각 신호송출기(AP1, AP2, AP3, AP4, ..., APn)의 RSSI 데이터를 획득하여 학습을 마친 머신러닝 알고리즘에 입력하고 출력값을 측위대상단말(100)의 위치(Cxy)로 결정한다. (ST16, ST17)When receiving a positioning request while sufficiently performing machine learning, the positioning unit 310 determines each signal transmitter (AP1, AP2, AP3, AP4, ..., measured by the positioning target terminal 100) at an arbitrary position. The RSSI data of APn) is acquired, inputted to the machine learning algorithm that has been trained, and an output value is determined as the location (Cxy) of the
측위장치(300)는 이상의 과정을 통해 결정된 측위대상단말(100)의 위치(Cxy) 정보를 측위대상단말(100) 또는 사전에 설정된 위치기반서비스 제공서버로 전송한다. (ST18)The positioning device 300 transmits the location (Cxy) information of the
한편 측위장치(300)를 구성하는 제1 데이터 전처리부(311), 제2 데이터 전처리부(312), 데이터 확장부(313), 위치결정부(330) 등은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합을 통해 구현될 수 있다. 또한 이들 중 적어도 2개의 구성요소는 하나의 소프트웨어 또는 하나의 하드웨어로 통합되어 제공될 수 있다. Meanwhile, the first data preprocessing unit 311, the second data preprocessing unit 312, the data expansion unit 313, and the positioning unit 330 constituting the positioning device 300 are software, hardware, or software and hardware. It can be implemented through a combination of. In addition, at least two of these components may be integrated and provided as one piece of software or one piece of hardware.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.In the above, a preferred embodiment of the present invention has been described, but the present invention is not limited to the above-described embodiment and may be modified or modified in various forms.
예를 들어 본 발명의 실시예에서는 측위대상단말(100)과 측위장치(300)가 서로 이격되어 있는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니므로 측위장치(300)의 구성요소 중에서 일부 또는 전부를 측위대상단말(100)의 내부에 설치할 수도 있다.For example, in the embodiment of the present invention, it has been described that the
이와 같이 본 발명은 구체적인 적용 과정에서 다양하게 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다 할 것이다.As described above, the present invention may be variously modified or modified in a specific application process, and if the modified or modified embodiment includes the technical idea of the present invention disclosed in the claims to be described later, it is natural that it belongs to the scope of the present invention. Will do.
100: 측위대상단말 200: 통신망
300: 측위장치 310: 머신러닝부
311: 제1 데이터 전처리부 312: 제2 데이터 전처리부
313: 데이터 확장부 314: 머신러닝 알고리즘
330: 위치결정부 350: 저장부
370: 통신부100: positioning target terminal 200: communication network
300: positioning device 310: machine learning unit
311: first data preprocessor 312: second data preprocessor
313: data extension 314: machine learning algorithm
330: positioning unit 350: storage unit
370: communication department
Claims (7)
전체 구역의 RSSI 측정데이터 중에서 제로(0)를 제외한 값을 절대값의 보수로 변환하는 데이터 전처리(preprocessing) 단계;
전처리를 거친 RSSI데이터를 학습데이터로 활용하여 머신러닝 알고리즘을 실행하여 학습하는 단계;
측위대상단말에서 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI 정보를 머신러닝 알고리즘의 입력노드에 입력하여 측위대상단말의 위치를 결정하는 단계
를 포함하며,
상기 데이터 전처리 단계는, RSSI 측정데이터를 절대값의 보수로 변환한 이후에 변환되지 않은 값(0)을 변환된 값 중의 최소값 보다 작은 양수로 변환하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법Measuring received signal strength (RSSI) of a plurality of positioning signal transmitter signals for each of a plurality of areas defined indoors;
A data preprocessing step of converting a value excluding zero (0) among the RSSI measurement data of the entire area into an absolute value complement;
Learning by executing a machine learning algorithm using preprocessed RSSI data as training data;
Step of determining the location of the positioning target terminal by inputting RSSI information of a plurality of positioning signal transmitters measured by the positioning target terminal into the input node of the machine learning algorithm
Including,
The data pre-processing step includes converting the unconverted value (0) into a positive number smaller than the minimum value among the converted values after converting the RSSI measurement data to the complement of the absolute value.
상기 데이터 전처리 단계의 이후에는, 충분한 학습데이터를 제공하기 위하여 전처리된 RSSI 데이터에 대하여 데이터 확장(augmentation)을 수행하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 방법The method of claim 1,
After the data pre-processing step, indoor positioning method, characterized in that performing data augmentation on pre-processed RSSI data to provide sufficient learning data
실내에 정의된 다수의 구역마다 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI데이터 중에서 제로(0)를 제외한 값을 절대값의 보수로 변환하는 제1 데이터 전처리부;
상기 제1 데이터 전처리부에서 절대값의 보수로 변환되지 않은 값(0)을 절대값의 보수로 변환된 값 중의 최소값 보다 작은 양수로 변환하는 제2 데이터 전처리부;
데이터 전처리를 거친 RSSI데이터를 학습데이터로 활용하여 머신러닝을 수행하는 머신러닝 알고리즘;
측위대상단말에서 측정한 다수의 측위용 신호송출기의 RSSI 정보를 머신러닝 알고리즘에 입력하여 측위대상단말의 위치를 결정하는 위치결정부
를 포함하는 실내 측위 시스템As a positioning system that determines the location of a positioning target terminal by using the received signal strength (RSSI) of wireless signals transmitted from multiple positioning signal transmitters installed indoors,
A first data preprocessing unit for converting a value excluding zero (0) from among the RSSI data of the plurality of positioning signal transmitters measured for each of a plurality of areas defined indoors into a complement of an absolute value;
A second data preprocessor for converting a value (0) that is not converted to an absolute value complement by the first data preprocessor into a positive number smaller than a minimum value among values converted to the absolute value complement;
A machine learning algorithm that performs machine learning by using preprocessed RSSI data as training data;
A positioning unit that determines the location of the positioning target terminal by inputting RSSI information of multiple positioning signal transmitters measured by the positioning target terminal into a machine learning algorithm.
Indoor positioning system including
충분한 학습데이터를 제공하기 위하여 전처리된 RSSI 데이터에 대하여 데이터 확장(augmentation)을 수행하는 데이터확장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템The method of claim 4,
Indoor positioning system comprising a data expansion unit that performs data augmentation on preprocessed RSSI data to provide sufficient learning data
상기 측위용 신호송출기는 Wi-Fi AP(Access Point)인 것을 특징으로 하는 실내 측위 시스템The method of claim 4,
The indoor positioning system, characterized in that the positioning signal transmitter is a Wi-Fi AP (Access Point)
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