KR20060085363A

KR20060085363A - Indoor positioning system using intelligent sensor module

Info

Publication number: KR20060085363A
Application number: KR1020050006183A
Authority: KR
Inventors: 박민섭; 김은태
Original assignee: 김은태
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-07-27

Abstract

본 발명은 실내에서 물체 위치를 인식하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지능형 센서 모듈을 이용하여 분산적인 방법으로 중앙 서버의 도움없이 자율적인 방법으로 실내에서 위치를 인식하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for recognizing a location of an object in a room, and more particularly, to a method for recognizing a location in a room by an autonomous method without the help of a central server in a distributed method using an intelligent sensor module.

이를 위하여 실내에서 물체의 위치를 자율적으로 실시간 측정 및 추적하는 방법에 있어서, 센서부와 처리부, 통신부로 구성되어 지능적으로 물체의 위치를 인식하는 지능형 센서 모듈과 위치를 인식하기 위하여 상호 협동적으로 분산 처리하는 위치 인식 알고리즘으로 이루어진 것에 특징이 있다.To this end, in the method for autonomous real-time measurement and tracking of the location of an object in the room, it is composed of a sensor unit, a processing unit, and a communication unit. It is characterized by a location-aware algorithm that processes.

지능형 센서 모듈의 센서부는 UWB(Ultra Wide Band) 신호의 전달 시간을 측정하고,처리부는 센서부에서 측정한 전달 시간을 기준으로 거리를 계산한 후 삼각측량에 의하여 위치 좌표를 계산한다. 통신부는 각 지능형 센서 모듈의 시간 기준을 동기시키기 위한 시간 정보와 위치 인식 알고리즘을 제어하기 위한 메시지를 교환한다. 위치 인식 알고리즘은 초기화 단계, 거리 측정 단계, 위치 인식 단계,위치 통보 단계 순으로 동작한다. 초기화 단계는 기준 좌표를 갖는 기준 노드를 지정하고, 거리 측정 단계는 기준 노드에서 송신한 UWB 신호를 수신하여 거리를 측정하며, 위치 인식 단계는 삼각측량에 의해 좌표를 계산하는 단계이고, 위치 통보 단계는 위치를 인식한 노드가 다른 노드에게 자신의 위치 좌표를 방송하는 단계이다.The sensor unit of the intelligent sensor module measures the transmission time of the UWB (Ultra Wide Band) signal, and the processor calculates the position coordinates by triangulation after calculating the distance based on the transmission time measured by the sensor unit. The communication unit exchanges time information for synchronizing the time reference of each intelligent sensor module and a message for controlling the location recognition algorithm. The location recognition algorithm operates in the order of initialization, distance measurement, location recognition, and location notification. The initialization step designates a reference node having a reference coordinate, the distance measuring step receives a UWB signal transmitted from the reference node and measures a distance, and the position recognition step is a step of calculating coordinates by triangulation, and a position notification step. Is a step in which a node recognizing a location broadcasts its location coordinates to another node.

이와 같이 본 발명은 실내에서 지능형 센서 모듈을 이용하여 분산적이고 자율적인 방법으로 물체의 위치를 인식하여 유비쿼터스 컴퓨팅 환경의 상황 인식 응 용에 필수적인 위치 정보를 제공하는 효과가 있다.As described above, the present invention has an effect of providing location information essential for application of situation recognition in a ubiquitous computing environment by recognizing the location of an object in a distributed and autonomous manner using an intelligent sensor module indoors.

위치 인식, UWB, 무선, 실내, 분산 처리, 상황 인식, 유비쿼터스 컴퓨팅Location Aware, UWB, Wireless, Indoor, Distributed Processing, Context Aware, Ubiquitous Computing

Description

Indoor positioning system using intelligent sensor module

도 1은 지능형 센서 모듈의 구성도1 is a block diagram of an intelligent sensor module

도 2는 지능형 센서 모듈에서 수행하는 분산적 위치 인식 알고리즘의 동작 흐름도2 is an operation flowchart of a distributed position recognition algorithm performed by an intelligent sensor module.

도 3은 본 발명의 실시예3 is an embodiment of the present invention

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 지능형 센서 모듈 11 : 센서부1: intelligent sensor module 11: sensor

12 : 처리부 13 : 통신부12 processing unit 13 communication unit

111 : UWB 신호 송신부 112 : UWB 신호 수신부111: UWB signal transmitter 112: UWB signal receiver

121 : 프로세서 122 : 프로그램 메모리121: processor 122: program memory

123 : 데이터 메모리 131 : RF 송신부123: data memory 131: RF transmitter

132 : RF 수신부132: RF receiver

본 발명은 실내에서 물체 위치를 인식하는 벙법에 관한 것으로, 더욱 상세하 게는 센서부, 처리부와 통신부로 구성된 지능형 센서 모듈을 이용하여 분산적인 방법으로 중앙 서버의 도움없이 자율적인 방법으로 실내에서 위치를 인식하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for recognizing the location of an object in the room, and more particularly, by using an intelligent sensor module composed of a sensor unit, a processing unit and a communication unit in a decentralized manner without the help of a central server in the room autonomous method It is about how to recognize.

지금까지 위치 인식 분야에서 가장 광범위하게 적용되어 온 기술은 GPS(Global Positioning System)에 기반을 두고 있다. 그러나 GPS는 위성의 신호를수신할 수 있는 경우에만 동작 가능하기 때문에 위성 신호 수신이 불가능한 실내에서 사용할 수 없는 단점이 있다. 한편, 실내 위치 인식에 적용하기 위한 기술은 지금까지 적외선, RF(Radio Frequency), 초음파를 이용하여 신호 도달 시간, 신호 강도, 사전 정보 등에 기반한 알고리즘으로 구성되어 왔다. 그러나 지금까지의 실내 위치 인식 시스템은 다중 경로 간섭 현상과 장애물에 의한 신호 수신 불가능 등의 원인으로 위치 인식 결과가 정확하지 못한 문제점과 또한 중앙 집중적 구성과 많은 사전 설정 절차 등으로 인하여 대형 빌딩 경우와 같이 설치 면적이 큰 경우에 비용이 비싸고 관리가 어려운 점 등으로 현실적이지 못하며 중앙 서버나 컨트롤러의 장애 발생시 위치 인식이 불가능한 문제점이 있다.The most widely applied technology in the field of location recognition so far is based on the Global Positioning System (GPS). However, since GPS can only operate when it can receive satellite signals, it cannot be used indoors where satellite signals cannot be received. On the other hand, the technique for applying to indoor location recognition has been composed of an algorithm based on the signal arrival time, signal strength, prior information, etc. using infrared, RF (Radio Frequency), ultrasonic waves. However, up to now, indoor location recognition systems have been unable to receive signals due to multipath interference and obstacles, resulting in inaccurate location recognition, and also due to centralized configuration and many preset procedures. If the installation area is large, it is not practical because of the high cost and difficult management, and there is a problem that the location recognition is impossible when a central server or controller fails.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, UWB 신호를 거리 측정에 이용하는 지능형 센서 모듈로 구성되어, 분산적 위치 인식 알고리즘을 이용하여 거리를 정확하게 측정하며 사전 설정 절차를 간소화시키고 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있으며 장애에 강인한 실내 위치 인식 시스템이다.In order to solve the above problems, the present invention is composed of an intelligent sensor module that uses the UWB signal for distance measurement, and accurately measures the distance by using a distributed position recognition algorithm, simplifies the pre-setting procedure and reduces installation and maintenance costs. It is a location-aware system that can save money and resists obstacles.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실내에서 물체의 위치를 자율적 으로 실시간 측정 및 추적하는 방법에 있어서, 센서부와 처리부, 통신부로 구성되어 지능적으로 물체의 위치를 인식하는 지능형 센서 모듈, 지능형 센서 모듈 사이에서 위치를 인식하기 위하여 상호 협동적으로 분산 처리하는 위치 인식 알고리즘으로 이루어진 것에 특징이 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for autonomous real-time measurement and tracking of an object's location in a room, comprising: a sensor unit, a processing unit, and a communication unit; In order to recognize the position between the sensor module is characterized by consisting of a position recognition algorithm for cooperatively distributed processing.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail by the accompanying drawings as follows.

도 1은 센서부(11), 처리부(12)와 통신부(13)로 구성된 지능형 센서 모듈(1)의 구성도로서, 센서부(11)는 UWB 신호 발생부(111) 및 UWB 신호 수신부(112)로 구성되고, 처리부(12)는 프로세서(121)와 프로그램 메모리(122), 데이터 메모리(123)로 구성되며, 통신부(13)는 RF 송신부(131) 및 RF 수신부(132)로 구성된다. FIG. 1 is a block diagram of an intelligent sensor module 1 including a sensor unit 11, a processor 12, and a communication unit 13. The sensor unit 11 includes a UWB signal generator 111 and a UWB signal receiver 112. The processor 12 includes a processor 121, a program memory 122, and a data memory 123. The communication unit 13 includes an RF transmitter 131 and an RF receiver 132.

센서부(11)의 UWB 신호 발생부(111)는 거리를 측정하기 위한 UWB 신호를 발생시키고 UWB 신호 수신부(112)는 UWB 신호를 수신하여 거리 계산을 위한 전달 시간을 측정한다. UWB는 스펙트럼이 중심 주파수의 20% 이상이거나 또는 500MHz 이상인 무선 신호로서 거리 분해력이 우수하며 다중 경로 간섭에 강인하고 장애물이 있는 경우에도 수신이 가능한 장점이 있어 본 발명에 적용하였다.The UWB signal generator 111 of the sensor unit 11 generates a UWB signal for measuring the distance, and the UWB signal receiver 112 receives the UWB signal to measure a propagation time for calculating the distance. UWB is a radio signal having a spectrum of 20% or more of the center frequency or 500MHz or more, and has excellent distance resolution, robustness to multipath interference, and reception even in the presence of obstacles.

처리부(12)는 UWB 수신부(112)에서 측정한 전달 시간을 바탕으로 UWB 신호를 송신한 물체와 자신과의 거리를 프로세서(121)에서 프로그램 메모리(122)의 프로그램에 의해 계산하여 대상 물체 ID와 거리를 데이터 메모리(123)에 저장하고 인식된 물체가 3개 이상인 경우 삼각측량 원리에 의해 자신의 좌표를 계산하여 저장한다.The processor 12 calculates the distance between the object that transmits the UWB signal and itself based on the propagation time measured by the UWB receiver 112 by the program of the program memory 122 in the processor 121 and the target object ID. The distance is stored in the data memory 123, and when three or more objects are recognized, the coordinates thereof are calculated and stored according to the triangulation principle.

통신부(13)는 각 모듈 간에서 사용하는 측정 기준 시간을 동기시키기 위한 시간 정보와 각 동작을 제어하기 위한 메시지를 교환한다.The communication unit 13 exchanges time information for synchronizing the measurement reference time used between each module and a message for controlling each operation.

도 2는 지능형 센서 모듈(1)에서 수행하는 분산적 위치 인식 알고리즘의 동작 흐름도로서 초기화 단계와 거리 측정 단계, 위치 인식 단계와 위치 통보 단계로 구성된다. 2 is an operation flowchart of a distributed position recognition algorithm performed by the intelligent sensor module 1, and includes an initialization step, a distance measurement step, a location recognition step, and a location notification step.

초기화 단계는 마스터 모듈과 송신 모듈 목록을 설정한 후, 마스터 모듈은 송신 모듈 목록에서 한 송신 모듈을 선택하여 송신 모듈 ID가 포함된 토큰을 방송한다. In the initialization step, after setting the master module and the transmission module list, the master module selects one transmission module from the transmission module list and broadcasts a token including the transmission module ID.

거리 측정 단계는 토큰을 수신하면 토큰 ID와 자신의 ID를 비교하여 같으면 UWB 신호와 위치 좌표를 송신한다. 토큰 ID와 자신의 ID가 같지 않은 모듈은 UWB 신호를 수신하여 거리를 측정하고 위치 좌표를 수신하여 데이터 메모리에 송신 모듈에 대한 ID와 위치 좌표 및 거리 정보를 저장한다. The distance measuring step compares the token ID and its ID when receiving the token and transmits the UWB signal and the position coordinate if the token is the same. A module whose ID is not the same as its ID receives a UWB signal to measure a distance, receives a position coordinate, and stores an ID, a position coordinate, and a distance information about a transmitting module in a data memory.

위치 인식 단계는 저장된 ID와 위치 좌표 및 거리 정보 집합이 3개 이상인 경우 삼각측량에 의해 자신의 위치 좌표를 계산하여 저장한다. The location recognition step calculates and stores its own location coordinates by triangulation when there are three or more stored IDs, location coordinates and distance information sets.

위치 통보 단계에서는 위치 좌표를 계산한 모듈이 자신의 ID를 방송하면 다른 모듈은 그 ID를 송신 모듈 목록에 추가한다. 송신 모듈은 다음 사이클의 마스터 모듈이 되어 상기 과정을 반복한다.In the position notification step, when the module which calculated the position coordinates broadcasts its ID, another module adds the ID to the transmission module list. The transmitting module becomes the master module of the next cycle and repeats the above process.

도 3은 실시예로서 초기에 송신 모듈 목록에 등록된 (31), (32), (33) 모듈에서 3 사이클에 걸쳐 UWB 신호를 송신하고 이를 (34) 모듈에서 수신하여 자신의 좌표를 계산한 후 이 값을 방송한다. 이후 송신 모듈 목록은 (31), (32), (33), (34) 모듈로 구성되고, (35) 모듈은 이 중에서 3개의 모듈에서 송신한 UWB 신호를 수신하여 자신의 좌표를 계산한다. 이와 같은 방법이 반복되어 분산적이고 자율적인 방법으로 각 노드는 좌표를 인식한다.FIG. 3 illustrates an example in which UWB signals are transmitted over three cycles by modules (31), (32), and (33), which are initially registered in the transmission module list, and received by the module (34) to calculate their coordinates. Then broadcast this value. After that, the transmission module list is composed of (31), (32), (33), and (34) modules, and (35) module receives UWB signals transmitted from three of these modules and calculates its coordinates. This method is repeated so that each node recognizes coordinates in a distributed and autonomous manner.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 실내에서 지능형 센서 모듈을 이용하여 분산적이고 자율적인 방법으로 물체의 위치를 인식할 수 있으므로 유비쿼터스 컴퓨팅 환경의 상황 인식 응용에 필요한 상황 정보 중 필수적인 위치 정보를 제공하는 효과가 있다. 예를 들면, 빌딩, 공장, 병원 내부의 사람, 자산과 같은 각종 자원의 위치를 식별하여 그 상황에 맞는 서비스가 자동적으로 이루어 지도록 할 수 있다.As described above, the present invention can recognize the location of an object in a decentralized and autonomous manner by using an intelligent sensor module indoors, thereby providing essential location information among situation information necessary for context-aware application of a ubiquitous computing environment. It works. For example, the location of various resources, such as buildings, factories, people in hospitals, and assets, can be identified so that services tailored to the situation can be made automatically.

Claims

In the indoor location recognition system using the intelligent sensor module,

Intelligent sensor module 1, characterized in that consisting of the sensor unit 11, the processing unit 12 and the communication unit 13 using the UWB,

Distributed position recognition algorithm, characterized in that consisting of an initialization step, a distance measurement step, a location recognition step, a location notification step performed by the intelligent sensor module 1 of claim 1