KR102386226B1 - 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법 - Google Patents

격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102386226B1
KR102386226B1 KR1020200146519A KR20200146519A KR102386226B1 KR 102386226 B1 KR102386226 B1 KR 102386226B1 KR 1020200146519 A KR1020200146519 A KR 1020200146519A KR 20200146519 A KR20200146519 A KR 20200146519A KR 102386226 B1 KR102386226 B1 KR 102386226B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
positioning
grid
similarity
points
initial
Prior art date
Application number
KR1020200146519A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102386226B9 (ko
Inventor
최인호
김진규
유병상
박종태
이성전
홍성표
임진순
Original Assignee
(주)피플앤드테크놀러지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)피플앤드테크놀러지 filed Critical (주)피플앤드테크놀러지
Priority to KR1020200146519A priority Critical patent/KR102386226B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102386226B1 publication Critical patent/KR102386226B1/ko
Publication of KR102386226B9 publication Critical patent/KR102386226B9/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0278—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves involving statistical or probabilistic considerations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G01S11/06—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves using intensity measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0205—Details
    • G01S5/021—Calibration, monitoring or correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0252—Radio frequency fingerprinting
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management

Abstract

개시된 본 발명에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 방법은, 가로, 세로 또는 X축, Y축으로 일정한 간격으로 격자(Grid)를 나누고, 각 격자에 해당되는 측위기준 데이터 베이스(Fingerprint DB)를 만든다. 그리고 측위점은 격자를 기준으로 이동하게 하여 유사도를 결정하게 한다. 이에 의하면 측위점의 수를 기존 방식보다 1/10 이하로 줄일 수 있고, 측위점(Particle)의 수가 줄기 때문에 유사도 계산이 그만큼 줄기 때문에 전체 계산 량이 줄어 들게 되어, 사용자가 소지하는 이동통신 단말기에서 실내 측위를 할 수 있는 효과가 있다.

Description

격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법{A System and Method For Indoor Positioning Using Particle Filter Based On Grid}
본 발명은 실내 측위 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
실내 위치 인식 기법에 관한 연구 중 대표적으로는 이동통신 단말기(스마트폰)의 관성센서를 이용하여 사람의 걷기 동작을 감지하여 위치를 추적하는 방법인 추측항법(Dead-Reckoning)이 제안되었다. 이동통신 단말기의 관성 센서로부터 얻어지는 가속도와 각속도를 적분하여 이동물체의 속도와 자세 각의 산출을 통해 사용자의 보행모델을 계산한다. 이러한 이동통신 단말기의 관성센서를 이용한 위치추적은 누적에러(Accumulated Error) 문제를 태생적으로 지니고 있다. 즉 이미 추정된 위치 좌표 결과 값에 연속적으로 추정된 위치 좌표 결과 값이 누적되기 때문에 위치 좌표 추정과정에서 잘못된 결과 값이 포함되면 오류가 보정되지 않고 지속적으로 누적되어 오차율이 점점 증가하는 한계점이 있다.
두 번째 대표적인 측위 방법으로 무선 신호세기 기반의 측위 방식이 제안되었다. 무선 환경의 대중화에 따라 무선 장치의 수신 신호 특성을 이용하는 무선 신호 세기 기반의 측위기법이 실내 위치 추적 방법에서 상용화 가능성이 높아지면서 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 실내에 위치하는 Wi-Fi AP(Access Point)로부터 사용자 단말기에 측정되는 전파수신강도(Received Signal Strength Indicator, RSSI)를 이용하여 대상 물체의 위치를 추정하는 방법으로 흔히 WPS 측위방식이라고 불린다. 기존에 구성된 무선랜(Wireless LAN, WLAN) 인프라를 활용하여 실내 측위 인프라 구축비용을 점감하는 방식으로 구현될 수도 있고, BLE(Bluetooth Low Energy) 단말을 추가적으로 실내 환경에 구축하여 측위 시스템을 구현할 수도 있다. 이러한 무선 신호세기 측위 방식에는 세 지점의 AP로부터 수신된 무선 신호세기를 가지고 추정된 거리를 원으로 그려 세 개의 원이 교차되는 부분을 추정 위치로 선정하는 삼변측량법(Trilateration)과, 실내의 모든 위치에서 측정된 무선 신호세기 값을 DB에 저장하고 단순한 형태의 패턴 매칭타입의 알고리즘을 사용하여 측정된 무선 신호세기 값을 DB와 비교하여 위치를 추정하는 전파지문(Fingerprint) 방식이 있다.
무선통신 인프라의 특성상 무선신호는 잡음(Noise)를 포함한다. 사용자의 실내 위치를 추정할 때에는 한번 수신된 신호만을 이용하므로 일반적으로 잡음을 상쇄할만한 통계적 특성을 얻을 수 없다. 이에 따라 칼만 필터(Kalman filter) 또는 파티클 필터(Particle filter)를 이용하여 사용자의 이동경로를 재구성하는 방법을 사용한다.
파티클 필터는 비선형 또는 비가우시안 시스템에 적합한 기법으로서 입력된 관측 상태들을 가지고 몬테카를로(Monte Carlo)라고 불리는 시뮬레이션 기법을 기반으로 예측 값을 추론해나간다. 몬테카를로 시뮬레이션은 일련의 난수를 반복적으로 발생해서 시뮬레이션을 하면서 답을 찾아나가는 시뮬레이션 방식을 말한다. 파티클 필터는 사전분포(Prior distribution)와 사후분포(Posterior distribution)와 같은 베이지안 조건 확률(Bayesian conditional probability)에 기반을 두고 있다. 여기서 사전분포는 추정 작업을 하기 전에 이미 알고 있던 모수의 분포를 뜻하고, 사후분포는 사전분포와 관측치를 통해 새롭게 추정된 분포를 말한다. 따라서 파티클 필터는 사후분포를 해석적으로 구하는 선형 시스템에 적합한 칼만 필터(Kalman filter)와는 달리 각 파티클들이 가지는 가중치를 계산하여 상태변수의 특성을 파악한다.
파티클 필터의 동작 순서를 도식화하여 정리하면 도 1과 같은 순서도로 표현될 수 있다. 초기에 위치추적의 대상공간과 대응되는 베이스맵(Base Map)에 균일한 분포로 파티클들을 분포시키고, 시뮬레이션을 통해 파티클의 재비치를 거쳐 관측데이터와의 비교를 통해 파티클 별 위치 가능성(Position Likelihood)을 산정한다. 이 후 산정된 가능성을 정규화하여 파티클 별 가중치(Weight)를 산정하게 되며, 산정된 가중치에 의해 파티클들이 업데이트 된다. 파티클들을 업데이트하는 과정인 리샘플링이 일정 회수만큼 수행되고 나면 최종 위치 추정 좌표를 도출하고, 다시 파티클들을 이동시켜 관측 단계부터 다시 수행하고, 이와 같은 과정이 단계별로 지속적으로 반복되어 실시간으로 예측된 결과 값이 도출되게 된다(무선 신호세기 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템의 설계 및 구현, Journal of KIISE, Vol.47, No.4, pp. 433-444, 2020.4.).
그런데 이와 같이 파티클 필터는 파티클 샘플의 수가 충분하지 않다면 국부 최소값 문제(Local mimimun problem)가 발생하므로 측위의 정확도와 안정성을 확보하기 위해 최소 수백 개 내지 수천 개의 많은 파티클(측위점)을 이용하게 된다. 이렇게 만은 파티클의 유사도를 계산해야 하기 때문에 많은 계산량이 요구된다. 그렇기 때문에 기존의 파티클 필터를 이용한 측위는 측위 계산에 필요한 정보(이동통신 단말기에서 측량된 자기장 정보, 측량된 무선 신호 세기 등)를 서버가 수집하고 서버에서 위치를 계산하여, 이 추정된 위치를 이동통신 단말기에 전달하는 서버 측위 방식으로 구현되었다.
이와 같은 기존 방식은 측위 사용자가 많아지면 서버를 증설해야 하는 비용의 문제와 서버 통신으로 측위 시간 지연이 발생하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0084896호(2017.07.21. 공개)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 측위 계산량을 줄여 사용자가 소지하는 이동통신 단말기에서도 측위를 가능하도록 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템은, Wi-Fi 또는 BLE 비콘와 같은 주변의 무선신호의 신호 ID와 신호세기를 수집하는 무선신호 수집유닛; 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 수집하는 센서유닛; 측위 서버로부터 측위 지역을 일정한 간격의 X축, Y축으로 격자(Grid)를 나눈 격자 기반 측위기준 DB(Fingerpint DB)를 내려 받아 저장하는 측위기준 DB 저장유닛; 상기 측위기준 DB 저장유닛으로부터 수신된 격자 기반 측위기준 DB에서 각 격자당 한 개의 초기 측위점(파티클)을 만들고, 상기 무선신호 수집기의 신호로부터 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 센서유닛에서 수신된 정보를 이용해 상기 초기 측위점의 유사도를 계산하고, 상기 초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 초기 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 측위 연산유닛; 및, 상기 측위 연산 유닛에 의해 측정된 위치가 표시되는 위치 표시유닛;을 포함한다.
또한 상기 측위 연산유닛은, 상기 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 저장되어 있는 경우, 상기 이전 측위점을 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로운 측위점을 생성하여 일정 수(Nc)의 자식세대 측위점(파티클)을 생성하여 자식세대 측위점의 유사도를 계산하고, 상기 자식세대 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정한다.
또한 상기 자식세대 측위점의 유사도는 이동 변위에 대한 유사도를 고려하여 계산한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템은, a) 측위 지역을 일정한 간격의 X축, Y축으로 격자를 나눈 격자 기반 측위기준 DB(Fingerpint DB)가 없는 경우 측위 서버로부터 상기 격자 기반 측위기준 DB를 내려 받는 단계; b) 측위에 필요한 측량값이 갱신되어 있지 않은 경우, Wi-Fi 또는 BLE 비콘와 같은 주변의 무선신호의 신호세기와, 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 수집하는 단계; c) 이전 측위점이 존재하지 않는 경우, 상기 격자 기반 측위기준 DB에서 각 격자당 한 개의 초기 측위점(파티클)을 생성하는 단계; d) 상기 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 수신된 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 이용해 상기 초기 측위점의 유사도를 계산하는 단계; 및, e) 상기 초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 초기 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 단계;를 포함한다.
또한 상기 c) 단계에서 상기 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 저장되어 있는 경우, f) 상기 이전 측위점을 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로운 측위점을 생성하여 일정 수(Nc)의 자식세대 측위점(파티클)을 생성하는 단계; g) 상기 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 수신된 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 이용해 상기 자식세대 측위점의 유사도를 계산하는 단계; 및, h) 상기 자식세대 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 단계;를 더 포함한다.
또한 i) 상기 추정 위치를 표시하거나 또는 측위 서버의 위치 정보 DB에 전송하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 의하면 종래의 측위 지역 내에 랜덤으로 파티클을 생성하는 것과는 달리, 측위 지역을 일정한 간격으로 X축 Y축으로 격자를 나누고, 각 격자당 1개의 파티클(측위점)을 생성하므로, 초기 측위점의 수를 1/10 정도 줄일수 있어 측위 계산량을 크게 줄일 수 있어, 사용자가 소지하는 이동통신 단말기에서도 측위를 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면 다음세대(자식세대) 생성 시 일정 영역에 격자 단위로 균일하게 자식세대를 만들어 이동 가능한 영역을 모두 커버하면서 자식세대 생산 수(ng)를 줄일 수 있어, 계산량이 적고, 이동 가능영역을 커버하기 때문에 측위의 안정성이 높아지는 효과가 있다.
도 1은 종래 일반적인 파티클 필터 알고리즘의 순서도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템의 블럭 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 방법의 순서도,
도 4는 종래 기술의 파티클 필터의 파티클 분포를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터의 파티클 분포를 나타내는 도면,
도 6은 종래 기술의 파티클 필터의 다음세대 파티클 분포를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터의 다음세대(자식세대) 파티클 분포를 나타내는 도면이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 격자(Grid) 기반 파티클 필터(Particle Filter)를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템은, 무선신호 수집유닛(12), 센서유닛(14), 측위기준 DB 저장유닛(16), 측위 연산유닛(18), 위치표시유닛(19)을 포함하는 측위 단말기(10)와, 측위기준 DB 저장소(22)와 위치 정보 DB(24)를 포함하는 측위 서버(20)를 포함한다.
측위 단말기(10)는 측위 서버(20)로부터 측위 기준 DB를 내려받아 단말기에서 수집된 무선 신호와 센서 정보를 이용하여 단말기의 위치를 추정한다. 측위 단말기(10)는 스마트폰과 같은 이동통신 단말기가 적용될 수 있다.
무선신호 수집유닛(12)은 Wi-Fi 또는 BLE 비콘와 같은 주변의 무선신호의 신호 ID와 신호세기를 수집한다.
센서유닛(14)은 자기장 정보를 측정하는 자기장 센서와, 가속도 정보를 측정하는 가속도 센서 및 각속도 정보를 측정하는 각속도 센서를 포함한다.
측위기준 DB 저장유닛(16)은 측위 서버(20)로부터 측위 지역을 일정한 간격의 X축, Y축으로 격자(Grid)를 나눈 격자 기반 측위기준 DB(Fingerprint DB)를 내려 받아 저장한다. 격자 기반 측위기준 DB는 미리 구축되어 있는 것으로서 측위 서버(20)의 측위기준 DB 저장소(22)에 저장되어 있으며, 측위 단말기가 있는 위치에 격자 기반 측위기준 DB가 없는 경우 측위 서버(20)로 요청하여 다운받는다. 격자 기반 측위기준 DB(Fingerprint DB)의 일 예는 도 5에 도시되어 있는데, 격자 간격은 측위 영역의 형태가 크기, 그리고 측위 목적에 따라 조정할 수 있다. 예를 들어, 일반 건물에서 보행자 네비게이션 목적이라면, 격자 간격을 0.5m 내외로 할 수 있다.
측위 연산유닛(18)은 측위기준 DB 저장유닛(16)으로부터 수신된 격자 기반 측위기준 DB와, 무선신호 수집유닛(12)에서 수집된 무선신호 및 센서유닛(14)에서 수집된 센서 정보를 이용해 실내 위치를 추정하며, 구체적으로 파티클 필터(Particle Filter)를 이용해 측위점(파티클) 생산, 제거, 이동, 측위점 유사도를 계산하여 위치를 추정하게 된다.
측위 연산유닛(18)은 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 없는 경우 격자 기반 측위기준 DB각 격자당 한 개의 초기 측위점(파티클)을 만들고, 무선신호 수집유닛(12))의 신호로부터 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 센서유닛에서 수신된 정보를 이용해 상기 초기 측위점의 유사도를 계산하고, 상기 초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 초기 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정한다.
한편 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 저장되어 있는 경우, 측위 연산유닛(18)은 상기 이전 측위점을 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로운 측위점을 생성하여 일정 수(Nc)의 자식세대 측위점(파티클)을 생성하여 자식세대 측위점의 유사도를 계산하고, 상기 자식세대 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정한다.
이러한 측위 연산유닛(18)의 위치 추정의 구체적 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
위치표시유닛(19)은 측위 연산유닛(18)에 의해 측정된 위치가 표시되며 보통 이동통신 단말기의 디스플레이부가 적용될 수 있다.
측위 서버(20)의 측위기준 DB 저장소(22)는 측위에 필요한 정보인 측위기준 DB를 저장, 관리하고 측위 단말기의 요청시 측위기준 DB를 측위 단말기(10)에 전송한다. 그리고 측위 서버(20)의 위치 정보 DB(24)는 측위 단말기(10)로부터 추정 위치를 수집하여 저장 관리한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템의 동작 및 본 발명의 실시예에 따른 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 방법에 대해 설명하기로 한다.
측위를 시작하면 측위 단말기(10)에서 실내 측위를 시작한다.
먼저, 측위기준 DB 저장유닛(16)에 격자 기반 측위기준 DB(Fingerprint DB)가 있는지 여부를 판단하여(S110), 없는 경우 측위 서버(20)에 요청하여 격자 기반 측위기준 DB를 내려 받는다(S120).
그 후 측위에 필요한 측량값 즉 측위에 필요한 무선신호 수집유닛(12)에서 측정한 측위 지역의 Wi-Fi AP 또는 BLE 비콘의 무선 신호세기를 측량한 값과, 센서유닛(14)에서 측정한 자기장, 가속도, 각속도 값이 갱신 되었는지 확인하고(S130), 갱신되어 있지 않으면 무선신호 수집유닛(12)과 센서유닛(14)로부터 측위에 필요한 갱신된 측량값을 수집하여 측위 연산유닛(18)으로 전달한다(S140).
그 후 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 존재하는지 여부를 판단한다(S150).
이전 측위점이 존재하지 않는 경우, 상기 격자 기반 측위기준 DB에서 각 격자당 한 개의 초기 측위점(파티클)을 생성한다(S160). 파티클 필터는 초기의 측위점(파티클)이 필요하다. 기존에는 도 4에 도시된 바와 같이 측위 지역 내에 랜덤으로 파티클을 생성(파티클의 위치를 램덤으로 생성)한다. 그러나 이렇게 생성 할 경우, 많은 수의 파티클이 필요하게 되어 측위할 때, 많은 계산량이 필요하다.
본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이 측위 지역을 일정한 간격으로 X축 Y축으로 격자를 나누고, 각 격자당 1개의 파티클(측위점)을 만든다. 따라서 초기 측위점의 수를 1/10 정도 줄일수 있어 측위 계산량을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다. 전술한 바와 같이 격자 간격은 측위 영역의 형태나 크기, 그리고 측위 목적에 따라 조정할 수 있다. 예를 들면, 일반 건물에서 보행자 내비게이션 목적이라면, 격자 간격을 0.5m로 내외로 할 수 있다.
다음으로 상기 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 수신된 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 이용해 상기 초기 측위점의 유사도를 계산한다(S170). 초기 측위점의 유사도는 무선 유사도와 자기장 유사도의 곱으로 아래의 수식 1 내지 수식 3와 같이 계산한다.
Figure 112020118048457-pat00001
Figure 112020118048457-pat00002
Figure 112020118048457-pat00003
여기서,
Figure 112020118048457-pat00004
: 측위점 위치
Figure 112020118048457-pat00005
의 위치 유사도
Figure 112020118048457-pat00006
: 측위점 위치
Figure 112020118048457-pat00007
의 무선 유사도
Figure 112020118048457-pat00008
: 측위점 위치
Figure 112020118048457-pat00009
의 자기장 유사도
Figure 112020118048457-pat00010
: 단말기가 측량한 무선 신호세기 벡터
Figure 112020118048457-pat00011
: 위치
Figure 112020118048457-pat00012
에서 무선 측위 기준 벡터
Figure 112020118048457-pat00013
: 무선 신호 세기의 표준 편차
Figure 112020118048457-pat00014
: 단말기가 측량한 자기장 세기 벡터
Figure 112020118048457-pat00015
: 위치
Figure 112020118048457-pat00016
에서 자기장 측위 기준 벡터
Figure 112020118048457-pat00017
: 자기장 세기의 표준 편차
초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 초기 부모세대 측위점(파티클)들을 선정한다(S180).
각 초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로, 부모 세대 측위점(파티클) 수(Np) 만큼 측위 점을 측위 점으로 선택하고 나머지는 제거한다. 부모 세대 측위점(파티클) 수(Np)는 측위 영역의 크기와 형태에 따라 조정할 수 있다. 예을 들면, 일반 건물에서 보행자 내비게이션 목적이라면, 부모 세대 측위점(파티클) 수(Np)를 50~100개로 할 수 있다.
초기 부모세대 측위점을 선정하면 위치를 추정(S240)하게 되는데, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, S150 단계에서 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 저장되어 있는 경우, 상기 이전 측위점을 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로운 측위점을 생성하여 일정 수(Nc)의 자식세대 측위점(파티클)을 생성한다(S210).
즉 이전 측위점이 저장되어 있는 경우 이전 부모세대 측위점이 있다는 것이며, 각 부모세대 측위점를 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로 측위점(파티클)을 생성한다. 그렇게 되면 아래의 수식 4와 같이 자식세대 측위점(파티클) 수(Nc)의 자식세대의 측위점을 생성 할 수 있다.
Figure 112020118048457-pat00018
여기서,
Figure 112020118048457-pat00019
: 자식 세대 측위점(파티클) 수
Figure 112020118048457-pat00020
: 보모 세대 측위점별 자식 세대 생산 수
도 6과 같이 기존 파티클 필터의 다음세대 생성은 무작위(Random)로 생성하여 자식세대 생산 수(ng)가 켰다. 그리고 생성된 위치가 불규칙하여 전영역을 커버하지 못하는 경우가 있다.
그러나 본 발명은 도 7과 같이 일정 영역에 격자 단위로 균일하게 자식세대를 만들어 이동 가능한 영역을 모두 커버하면서, 자식세대 생산 수(ng)를 줄일 수 있다. 따라서 계산량이 적고, 이동 가능영역을 커버하기 때문에 측위의 안정성이 높아지는 이점이 있다.
다음으로 상기 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 수신된 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 이용해 상기 자식세대 측위점의 유사도를 하기 수식 5 내지 수식 8과 같이 계산한다(S220). 여기서 S170 단계의 초기 측위점 유사도 계산과 다른점은 이동 유사도가 추가된다는 것이다.
Figure 112020118048457-pat00021
Figure 112020118048457-pat00022
Figure 112020118048457-pat00023
Figure 112020118048457-pat00024
여기서,
Figure 112020118048457-pat00025
: 측위점 위치
Figure 112020118048457-pat00026
의 위치 유사도
Figure 112020118048457-pat00027
: 측위점 위치
Figure 112020118048457-pat00028
의 무선 유사도
Figure 112020118048457-pat00029
: 측위점 위치
Figure 112020118048457-pat00030
의 자기장 유사도
Figure 112020118048457-pat00031
: 단말기가 측량한 무선 신호세기 벡터
Figure 112020118048457-pat00032
: 위치
Figure 112020118048457-pat00033
에서 무선 측위 기준 벡터
Figure 112020118048457-pat00034
: 무선 신호 세기의 표준 편차
Figure 112020118048457-pat00035
: 단말기가 측량한 자기장 세기 벡터
Figure 112020118048457-pat00036
: 위치
Figure 112020118048457-pat00037
에서 자기장 측위 기준 벡터
Figure 112020118048457-pat00038
: 자기장 세기의 표준 편차
Figure 112020118048457-pat00039
: 이동 변위에 대한 유사도
Figure 112020118048457-pat00040
: 센서 등으로 측량 또는 추정된 단말기의 이동 변위
Figure 112020118048457-pat00041
: 부모세대 위치에서 자식세대 위치로 이동한 변위
Figure 112020118048457-pat00042
: 이동 변위의 표준 편차
다음으로, 상기 자식세대 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 부모세대 측위점(파티클)들을 선정한다(S230). 즉, 자식세대의 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로, 부모 세대 측위점(파티클) 수(Np) 만큼 측위 점을 측위 점으로 선택하고 나머지는 제거한다.
그 후, 측위점의 좌표와 유사도를 이용하여 하기 수식 9와 같이 위치를 추정한다(S240).
Figure 112020118048457-pat00043
여기서,
Figure 112020118048457-pat00044
: 추정 위치
Figure 112020118048457-pat00045
: 부모세대의 i 번째 측위점(파티클)의 위치 좌표
Figure 112020118048457-pat00046
: 부모세대의 i 번째 측위점(파티클)의 위치 유사도
한편, 측위 목적에 따라 추정 위치를 측위 단말기의 위치표시유닛에 표시하거나 측위 서버에 전송할 수 있다(S250).
다음으로 측위 종료 제어 신호 즉, 사용자 입력이나 프로그램에서 측위를 종료하는 제어 신호가 있으면(S260), 측위를 종료하고 측위종료 신호가 없으면 S130 단계로 가서 측위를 반복한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10. 측위 단말기 12. 무선신호 수집유닛
14. 센서유닛 16. 측위기준 DB 저장유닛
18. 측위 연산유닛 19. 위치표시유닛
20. 측위 서버

Claims (6)

  1. Wi-Fi 또는 BLE 비콘와 같은 주변의 무선신호의 신호 ID와 신호세기를 수집하는 무선신호 수집유닛;
    자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 수집하는 센서유닛;
    측위 서버로부터 측위 지역을 일정한 간격의 X축, Y축으로 격자(Grid)를 나눈 격자 기반 측위기준 DB(Fingerprint DB)를 내려 받아 저장하는 측위기준 DB 저장유닛;
    상기 측위기준 DB 저장유닛으로부터 수신된 격자 기반 측위기준 DB에서 각 격자당 한 개의 초기 측위점(파티클)을 만들고, 상기 무선신호 수집유닛으로부터 수신된 무선신호세기를 측량한 값과 상기 센서유닛에서 수신된 정보를 이용해 상기 초기 측위점의 유사도를 계산하고, 상기 초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 초기 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 측위 연산유닛; 및,
    상기 측위 연산 유닛에 의해 측정된 위치가 표시되는 위치 표시유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 측위 연산유닛은,
    상기 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 저장되어 있는 경우,
    상기 이전 측위점을 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로운 측위점을 생성하여 일정 수(Nc)의 자식세대 측위점(파티클)을 생성하여 자식세대 측위점의 유사도를 계산하고, 상기 자식세대 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자식세대 측위점의 유사도는 이동 변위에 대한 유사도를 고려하여 계산하는 것을 특징으로 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템.
  4. a) 측위 지역을 일정한 간격의 X축, Y축으로 격자를 나눈 격자 기반 측위기준 DB(Fingerprint DB)가 없는 경우 측위 서버로부터 상기 격자 기반 측위기준 DB를 내려 받는 단계;
    b) 측위에 필요한 측량값이 갱신되어 있지 않은 경우, Wi-Fi 또는 BLE 비콘와 같은 주변의 무선신호의 신호세기와, 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 수집하는 단계;
    c) 이전 측위점이 존재하지 않는 경우, 상기 격자 기반 측위기준 DB에서 각 격자당 한 개의 초기 측위점(파티클)을 생성하는 단계;
    d) 상기 b) 단계에서 수신된 무선신호의 신호세기를 측량한 값과, 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 이용해 상기 초기 측위점의 유사도를 계산하는 단계; 및,
    e) 상기 d) 단계에서 초기 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 초기 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 상기 격자기반 측위기준 DB에 초기 부모세대 측위점을 포함하는 이전 측위점이 저장되어 있는 경우,
    f) 상기 이전 측위점을 중심으로 주변 격자에 자식 세대 생산 수(ng) 만큼 새로운 측위점을 생성하여 일정 수(Nc)의 자식세대 측위점(파티클)을 생성하는 단계;
    g) 상기 b) 단계에서 수신된 무선신호의 신호세기를 측량한 값과, 자기장 정보와 가속도 정보 및 각속도 정보를 이용해 상기 자식세대 측위점의 유사도를 계산하는 단계; 및,
    h) 상기 g) 단계에서 자식세대 측위점의 유사도가 계산되면 유사도가 높은 순서로 일정 수(Np)의 부모세대 측위점(파티클)들을 선정하여 이를 이용해 위치를 추정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    i) 상기 e) 단계 또는 h) 단계에서 추정된 위치를 표시하거나 또는 측위 서버의 위치 정보 DB에 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 방법.
KR1020200146519A 2020-11-05 2020-11-05 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법 KR102386226B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200146519A KR102386226B1 (ko) 2020-11-05 2020-11-05 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200146519A KR102386226B1 (ko) 2020-11-05 2020-11-05 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR102386226B1 true KR102386226B1 (ko) 2022-04-14
KR102386226B9 KR102386226B9 (ko) 2023-02-23

Family

ID=81211120

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200146519A KR102386226B1 (ko) 2020-11-05 2020-11-05 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102386226B1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101231378B1 (ko) * 2011-08-12 2013-02-15 숭실대학교산학협력단 파티클 필터 기반의 사용자 위치 추적 장치 및 기록매체
KR101268564B1 (ko) * 2012-01-26 2013-05-28 숭실대학교산학협력단 파티클 필터 기반의 단말의 위치 측정 장치 및 방법과 이를 기록한 기록 매체
US20140171114A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 Apple Inc. Location determination using fingerprint data
US20150350849A1 (en) * 2014-05-31 2015-12-03 Apple Inc. Location Determination Using Dual Statistical Filters
KR20170084896A (ko) 2016-01-13 2017-07-21 한국전자통신연구원 파티클 필터 기반 사용자 실내 위치 정보 추정 장치 및 방법
KR102095135B1 (ko) * 2018-12-31 2020-03-30 건국대학교 산학협력단 실내 측위 방법 및 이를 수행하는 장치들

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101231378B1 (ko) * 2011-08-12 2013-02-15 숭실대학교산학협력단 파티클 필터 기반의 사용자 위치 추적 장치 및 기록매체
KR101268564B1 (ko) * 2012-01-26 2013-05-28 숭실대학교산학협력단 파티클 필터 기반의 단말의 위치 측정 장치 및 방법과 이를 기록한 기록 매체
US20140171114A1 (en) * 2012-12-14 2014-06-19 Apple Inc. Location determination using fingerprint data
US20150350849A1 (en) * 2014-05-31 2015-12-03 Apple Inc. Location Determination Using Dual Statistical Filters
KR20170084896A (ko) 2016-01-13 2017-07-21 한국전자통신연구원 파티클 필터 기반 사용자 실내 위치 정보 추정 장치 및 방법
KR102095135B1 (ko) * 2018-12-31 2020-03-30 건국대학교 산학협력단 실내 측위 방법 및 이를 수행하는 장치들

Also Published As

Publication number Publication date
KR102386226B9 (ko) 2023-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9594150B2 (en) Determining device locations using movement, signal strength
US20180329022A1 (en) Method, apparatus and system for locating an object using cluster-type magnetic field
US6934626B2 (en) Low-cost, low-power geolocation system
US10057725B2 (en) Sensor-based geolocation of a user device
CN106461786B (zh) 室内全球定位系统
US20110032152A1 (en) Method and Apparatus for Positioning Mobile Device
KR20060111632A (ko) 복수의 선택된 초기 위치 추정값을 사용하여 위치를결정하기 위한 방법 및 시스템
CN107270889B (zh) 一种基于地磁图谱的室内定位方法及定位系统
WO2014006423A2 (en) Method of estimating position of user device
US20150063135A1 (en) Client, server, and wireless signal map creating system using the same
WO2015079260A1 (en) Location finding apparatus and associated methods
WO2016195527A1 (ru) Способ и система навигации внутри помещения
CN112164063A (zh) 一种数据处理方法及装置
CN112639504A (zh) 使用电子测距设备进行地理定位优化的方法
CN106871894B (zh) 一种基于条件随机场的地图匹配方法
KR101268564B1 (ko) 파티클 필터 기반의 단말의 위치 측정 장치 및 방법과 이를 기록한 기록 매체
CN106028450B (zh) 室内定位方法及设备
KR102095135B1 (ko) 실내 측위 방법 및 이를 수행하는 장치들
Shubair et al. Enhanced WSN localization of moving nodes using a robust hybrid TDOA-PF approach
KR102386226B1 (ko) 격자 기반 파티클 필터를 이용한 실내 측위 시스템 및 그 방법
CN109769206B (zh) 一种室内定位融合方法、装置、存储介质及终端设备
KR102367403B1 (ko) 관성 데이터 및 무선신호 데이터 기반 실내 측위 방법 및 장치
KR102209658B1 (ko) 위치 정보를 추정하는 단말 장치, 위치 정보 추정 방법 및 그 시스템
US10557915B2 (en) Providing an indication of a heading of a mobile device
CN108322888B (zh) 一种移动终端的室内定位方法

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]