KR20090044276A - 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법, 이를이용한 객체 위치 추정 장치 및 시스템 - Google Patents

실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법, 이를이용한 객체 위치 추정 장치 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법, 이를 이용한 객체 위치 추정 장치 및 시스템에 관한 것이다. 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법은 실내의 고정된 위치에 배치된 측정 노드와 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출한다. 복수의 수신 노드는 실내의 서로 다른 위치에 배치되어 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호를 수신한다. 상기 객체 위치 추정 방법은 객체에 부착된 비콘으로부터 동시에 출력된 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호가 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드에 도착한 제1 도착 시간의 차이 및 상기 산출된 초음파 속도에 기초하여 상기 비콘과 상기 적어도 세 개의 수신 노드와의 각각의 거리를 산출하고, 상기 산출된 상기 비콘과 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드와의 각각의 거리에 기초하여 상기 실내에서의 상기 비콘의 위치를 산출한다. 온도 또는 습도등의 실내 환경 요소의 변화에 따라 유동적으로 변화하는 초음파의 속도를 구하여 객체 위치 추정을 수행함으로써 객체 위치 추정의 정확도를 높일 수 있다.
실내, 실내 환경, 온도, 습도, 객체 위치 추정, 초음파, RF 신호

Description

실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법, 이를 이용한 객체 위치 추정 장치 및 시스템{Method of estimating location of indoor object based on ultrasonic wave, Apparatus and System for estimating location of indoor object using the same}
본 발명은 실내에서의 객체 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 실내 환경에서 초음파 기반으로 객체의 위치를 추정하기 위한 객체 위치 추정 방법, 이를 이용한 객체 위치 추정 장치 및 시스템에 관한 것이다.
유비쿼터스 컴퓨팅과 유비쿼터스 네트워크를 통해 언제 어디서나 사람 또는 사물등의 객체(object)의 위치를 인식하고, 객체의 위치를 기반으로 유용한 서비스를 제공하는 유비쿼터스 위치기반 서비스(Ubiquitous Location Based Services: u-LBS)가 중요한 서비스로 대두되고 있다.
유비쿼터스 위치기반 서비스 제공을 위해 가장 중요한 기반 요소 기술중의 하나로서 건물내부 또는 가정내부 등과 같은 실내 환경에서 객체의 위치를 인식하기 위한 위치 인식 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
ACM International Conference on Mobile Computing and Networking에서 발 표된 논문(“The Cricket Location-Support System", 2000년 8월, Nissanka B Priyantha, Anit Chakraborty, and Hari Balakrishnan)에서는 RF신호 및 초음파 신호의 도착시간 차이를 이용하여 실내에서의 위치추정 알고리즘을 제시한다.
상기와 같은 실내 환경에서의 종래의 객체 위치 인식 기술에서는 움직이는 객체에 부착된 비콘(Beacon)에서 동시에 RF 신호와 초음파 신호를 발신하여 상기 RF 신호와 초음파 신호를 수신하는 수신 노드인 리스너(Listener)에서 상기 RF 신호와 초음파 신호의 도착시간 차이를 이용하여 실내 환경에서의 객체의 위치를 추정하는 방법을 사용한다.
상기 리스너와 비콘 사이의 거리를 추정하는데 있어 [거리 = 속도 x 시간] 으로 리스너와 비콘 사이의 거리를 추정한다. 여기에서, 시간은 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간 차이를 의미한다.
RF 신호의 속도는 3 x 108 m/s 인데 비해서 초음파의 속도는 대략 344 m/s로 RF 신호가 초음파에 비해 훨씬 빠른 속력을 가지고 있으므로 상기 리스너와 비콘 사이의 도착시간 차이는 아래의 수학식 1을 사용하여 산출한다.
[수학식1]
Figure 112007078378217-PAT00001
여기서, 거리는 리스너와 비콘 사이의 거리를 나타낸다.
RF 신호의 속력은 3 x 108 m/s로서 수학식 1에서 거리/RF 신호의 속도 값은 무시할 수 있는 정도의 충분히 작은 값이므로, 추정하고자 하는 리스너와 비콘 사이의 거리는 하기의 수학식 2에 의해 계산할 수 있다.
[수학식2]
거리 = 도착시간의 차이 x 초음파의 속도
실내 환경에서의 종래의 위치 인식 시스템에서는 리스너와 객체에 부착된 비콘 사이의 거리 계산에 있어서 수학식 2와 같이 미리 정해진 고정된 초음파 속도를 이용하여 리스너와 객체에 부착된 비콘 사이의 거리를 산출한다.
그러나, RF 신호와는 달리 초음파 신호의 속력은 위치 추정을 하고자 하는 실내 환경의 온도나 습도등과 같은 환경적 요소의 영향을 받으며 항상 일정한 값을 갖는 것이 아니라 실내 환경에 따라 변하게 된다.
따라서, 종래의 RF 신호와 초음파 신호의 도착시간 차이를 이용하여 위치를 추정하는 시스템에서는 실내 온도 변화나 습도 변화등의 실내 환경의 변화를 고려하지 않고 고정된 초음파 속도값을 사용하여 리스너와 비콘의 거리를 산출하는 과정에서 오차가 발생될 수 있으므로 실내 환경 변화에 따라 움직이는 객체의 정밀한 위치 추정이 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 제1 목적은 실내 환경에서의 움직이는 객체의 위치 추정의 정확성을 높이기 위하여 온도 또는 습도등의 실내 환경적 변화요소를 고려한 초음파 기반의 위치 추정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 실내 환경에서의 움직이는 객체의 위치 추정의 정확성을 높이기 위하여 온도 또는 습도등의 실내 환경적 변화요소를 고려한 초음파 기반의 위치 추정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제3 목적은 실내 환경에서의 움직이는 객체의 위치 추정의 정확성을 높이기 위하여 온도 또는 습도등의 실내 환경적 변화요소를 고려한 초음파 기반의 위치 추정 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 객체에 부착되어 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 출력하는 비콘과, 실내의 서로 다른 위치에 배치되어 상기 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호를 수신하 는 복수의 수신 노드를 이용한 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법은, 상기 실내의 고정된 위치에 배치된 측정 노드와 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계와, 상기 동시에 출력된 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호가 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드에 도착한 제1 도착 시간의 차이 및 상기 산출된 초음파 속도에 기초하여 상기 비콘과 상기 적어도 세 개의 수신 노드와의 각각의 거리를 산출하는 단계와, 상기 산출된 상기 비콘과 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드와의 각각의 거리에 기초하여 상기 실내에서의 상기 비콘의 위치를 산출하는 단계를 포함한다. 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계는 상기 측정 노드에서 동시에 출력된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 상기 적어도 하나의 수신 노드에 도착한 제2 도착 시간의 차이 및 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드간의 거리에 기초하여 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출할 수 있다. 상기 비콘은 제1 주기로 상기 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 발신할 수 있고, 상기 측정 노드는 상기 제1 주기보다 더 긴 제2 주기로 상기 제2 무선 신호와 상기 제2 초음파 신호를 동시에 발신할 수 있다. 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계는 상기 측정 노드의 위치와 상기 적어도 하나의 수신 노드의 위치로부터 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 산출하는 단계와, 상기 측정 노드에서 동시에 출력된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 상기 적어도 하나의 수신 노드에 도착한 제2 도착 시간의 차이를 측정하는 단계와, 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 상기 제2 도착 시간의 차이로 나누어 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 실내에서의 초음파 속도는 상기 복수의 수신 노드들 각각에 대해 상기 초음파 속도를 계산한 후 상기 계산된 초음파 속도의 평균값을 구하여 산출할 수 있다. 상기 복수의 수신 노드는 수신 노드 식별자(ID), 비콘 식별자(ID) 및 상기 제1 도착 시간의 차이를 외부의 서버로 메시지의 형태로 전송할 수 있다. 상기 복수의 수신 노드는 수신 노드 식별자(ID), 측정 노드 식별자(ID) 및 상기 측정 노드에서 동시에 출력된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 도착한 제2 도착 시간의 차이를 외부의 서버로 메시지의 형태로 전송할 수 있다. 상기 실내에서의 초음파 속도는 상기 실내의 환경 변화에 따라 주기적으로 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 객체에 부착되어 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 출력하는 비콘과, 실내에 고정 위치에 배치되어 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호를 동시에 발신하는 측정 노드와, 실내의 서로 다른 위치에 배치되어 상기 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호를 수신하는 복수의 수신 노드와 연동하여 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정을 수행하는 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치는 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드와 상기 측정 노드간의 거리 및 상기 제2 무선 신호와 상기 제2 초음파 신호가 도착한 도착 시간의 차이를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 신호의 속도를 산출하고, 상기 도착 시간의 차이와 상기 산출된 초음파 속도를 이용하여 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드와 상기 비콘과의 거리를 산출하여 상기 비콘의 위치를 추정하는 서버와, 상기 복수의 수신 노 드들 중 적어도 하나의 수신 노드와 상기 측정 노드간의 거리 및 상기 실내에서의 초음파 신호의 속도를 저장하는 저장부를 포함한다. 상기 서버는 상기 측정 노드의 고정 위치와 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드의 위치로부터 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 산출하고, 상기 측정 노드에서 동시에 발신된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 상기 적어도 하나의 수신 노드에 도착한 도착 시간의 차이를 측정하고, 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 상기 도착 시간의 차이로 나누어 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 시스템은 객체에 부착되어 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 발신하는 비콘과, 실내에 고정 위치에 배치되어 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호를 동시에 발신하는 측정 노드와, 상기 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호가 도착한 제1 도착 시간의 차이 및 상기 제2 무선 신호와 상기 제2 초음파 신호가 도착한 제2 도착 시간의 차이를 측정하는 수신 노드와, 상기 수신 노드와 상기 측정 노드간의 거리 및 상기 제2 도착 시간의 차이를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 신호의 속도를 산출하고, 상기 제2 도착 시간의 차이와 상기 산출된 초음파 속도를 이용하여 적어도 세 개의 수신 노드와 상기 비콘과의 거리를 산출하여 상기 비콘의 위치를 추정하는 서버를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 초음파 기반의 위치 추정 방법 및 시 스템에 따르면, 고정된 위치에 배치된 측정 노드를 추가적으로 사용하여 온도 또는 습도등의 실내 환경 요소의 변화에 따라 유동적으로 변화하는 초음파의 속도를 산출함으로써 보다 정확한 초음파 속도를 이용하여 리스너와 움직이는 객체에 부착된 비콘의 거리를 산출한다. 따라서, 어떠한 실내 환경에서도 초음파 기반의 위치 추정 시스템의 최종 목표인 추정하고자 하는 객체 위치 추정의 정확도를 높일 수 있다.
또한, 실내 환경 변화를 실시간으로 고려하여 적응적으로 객체 위치 추정을 수행함으로써 실내 환경 변화에 관계없이 어떠한 실내 환경에서도 객체 위치 추정의 정확도를 높일 수 있다.
또한, 실내 환경 변화를 실시간으로 고려하여 객체 위치 추정을 수행함으로써 상기 추정된 객체 위치 정보에 기반한 다양한 유비쿼터스 위치기반 서비스를 제공할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있 지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
이하에서는 초음파 신호와 RF(radio freqeuncy) 신호간의 도착 시간의 차이를 이용하여 실내에서의 객체의 위치를 추정하는 방법 및 시스템에 대해 설명하지만, 초음파 신호와 함께 사용되는 신호는 RF 신호에 한정되는 것은 아니며, 적외선 신호등과 같이 초음파 신호의 속도 344 m/s에 비해 수학식 1에서
Figure 112007078378217-PAT00002
항이 무시될 수 있을 정도의 전파 속도를 가지는 다른 신호도 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템에 사용되는 비콘(Beacon) 노드와 리스너(Listener) 노드의 개략적인 내부 구성도이고, 도 2는 RF 신호와 초음파 신호의 속도 차이에 의한 도착 시간 차이를 보여주는 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측정 노드(Calibration node)를 이용한 실내 위치 추정 시스템의 전체적 구성도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 비콘 노드(100)는 RF 신호를 발신하는 RF 송신기(110) 및 초음파 신호를 발신하는 초음파 송신기(120)로 이루어진다. 리스너 노드(200)는 비콘 노드(100)에서 발신하는 RF 신호를 수신하는 RF 수신기(200) 및 비콘 노드(100)에서 발신하는 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신기(220)를 포함한다. 이하, 리스너 노드는 수신 노드를 나타낸다. RF 신호의 속도는 3 * 108 m/s 이고, 초음파 신호의 속도는 344 m/s이다. 여기서, RF 신호로는 예를 들어 300MHz 내지 1000MHz 대역의 주파수를 가지는 신호를 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 비콘 노드(100)에서 발신한 RF 신호가 리스너 노드(200)에 t0 시각에 도착하고, 비콘 노드(100)에서 발신한 초음파 신호가 t0 이후 t1 시각에 리스너 노드(200)에 도착하는 경우, 상기 RF 신호와 초음파 신호의 도착시간 차이(t1-t0)를 이용하면 각 리스너 노드로부터 비콘 노드까지의 거리를 추정할 수 있다.
예를 들어, 비콘 노드 또는 후술할 측정 노드(Calibration node)로부터 발신하는 RF 신호는 초음파 신호에 비해 리스너 노드에 먼저 도착하므로 상기 RF 신호와 초음파 신호의 도착시간 차이를 이용하면 각 리스너 노드로부터 비콘 노드 또는 측정 노드까지의 거리를 산출할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 RF 신호 및 초음파 신호의 속도 차이를 이용한 위치 추정 시스템은 복수의 리스너(Listener) 노드(301, 303, 305, 307, 309, 311)와, 온도나 습도와 같은 실내 환경의 변화에 따라 실시간 으로 좀 더 정확한 위치 추정을 위해 초음파의 속도를 계산하기 위한 측정(Calibration) 노드(321)와, 최종 위치 추정의 목표가 되는 객체에 부착된 비콘(Beacon) 노드(331)와, 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치(350)를 포함한다. 상기 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치(350)는 복수의 리스너 노드들(301, 303, 305, 307, 309, 311)로부터 각 리스너 노드와 비콘 노드(331)간의 RF 신호와 초음파 신호의 도달 시간 차이, 각 리스너 노드와 측정 노드(321)간의 RF 신호와 초음파 신호의 도달 시간 차이, 및 리스너 식별자(ID) 등의 정보를 제공받아 객체의 위치를 추정하는 서버(352)와 저장부(354)를 포함한다.
비콘 노드(331) 및 측정 노드(321)는 RF 신호 및 초음파 신호를 주기적으로 발신하고, 천정에 부착된 복수의 리스너 노드는 비콘 노드(321) 및 측정 노드(321)로부터 발신된 RF 신호 및 초음파 신호를 수신한다. 비콘 노드(100)는 상기 RF 신호와 초음파 신호를 동시에 발신한다.
비콘 노드(331)는 빠른 업데이트를 위해 제1 주기 간격으로 상기 RF 신호와 초음파 신호를 발신할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 주기는 0.5 초가 될 수 있다. 측정 노드(321)는 비콘 노드(331)보다 상대적으로 더 느린 제2 주기 주기 간격으로 상기 RF 신호와 초음파 신호를 발신할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 주기는 5초가 될 수 있다.
비콘 노드(331) 및 측정 노드(321)는 자신의 식별자(ID)를 표시하기 위해 자신의 ID를 실어서 RF 신호와 초음파 신호를 발신한다. 예를 들어, 비콘 노드(331) 및 측정 노드(321)는 자신의 ID를 RF 신호에 실어서 발신할 수 있다. 예를 들어, 비콘 노드(331)는 beacon 이라는 ID, 측정 노드(321)는 cal 이라는 ID를 RF 신호에 실어서 발신할 수 있다.
도 3에서는 복수의 리스너 노드들(301, 303, 305, 307, 309, 311)은 각각 P21, P22, P23, P24, P25, P26의 위치와 같이 천정의 고정된 위치에 부착된 것을 예로 들었으나, 복수의 리스너 노드들의 배치 위치는 실내의 천정외에 다른 위치에 배치될 수 있음은 물론이다. 서버(352)에서는 상기 복수의 리스너 노드들의 P21(x21, y21, z21), P22(x22, y22, z22), P23(x23, y23, z23), P24(x24, y24, z24), P25(x25, y25, z25), P26(x26, y26, z26) 좌표 정보와 같은 위치 정보를 가지고 있다.
비콘 노드(331)는 위치 추정의 타겟이 되는 사람 또는 사물과 같은 객체에 부착될 수 있다. 측정 노드(321)는 실내의 온도 또는 습도등의 환경 요소등을 고려하여 보다 정확한 초음파의 속도를 계산하기 위하여 실내의 고정된 위치에 배치된다. 측정 노드(321)는 예를 들어 실내의 바닥에 위치할 수 있다. 서버(352)에서는 측정 노드(321)의 P1(x1, y1, z1) 좌표 정보와 같은 위치 정보를 가지고 있다.
복수의 리스너 노드들(301, 303, 305, 307, 309, 311)은 비콘 노드(331)와 측정 노드(321)로부터의 RF 신호와 초음파 신호의 도착시간 차이를 측정한다.
측정 노드(321)는 항상 고정된 위치에 놓임으로써, 고정된 측정 노드(321)의 위치와 리스너 노드의 위치를 이용하면 하기의 수학식 3과 같이 유클리디언 공식을 이용하여 측정 노드(321)와 각 리스너 노드간의 거리를 계산할 수 있다.
[수학식3]
Figure 112007078378217-PAT00003
여기서, x1, y1, z1는 측정 노드(321)의 P1 지점(x1, y1, z1)에서의 좌표를 나타내고, x2i, y2i, z2i는 i 번째 리스너의 Pi 지점(x2i, y2i, z2i)에서의 좌표를 나타낸다.
서버(352)는 상기 계산된 측정 노드(321)와 각 리스너 노드간의 거리를 저장부(354)에 저장할 수 있다.
측정 노드와 각 리스너 너드간의 거리를 알고, 소정 시간간격으로 RF 신호와 초음파 신호의 도착시간의 차이를 측정함으로써 하기 수학식 4에 나타난바와 같이 실내 환경 변화에 따른 초음파의 속도를 실시간으로 좀더 정확하게 계산할 수 있다.
[수학식4]
초음파의 속도 =
Figure 112007078378217-PAT00004
여기서, 고정된 위치에 놓인 측정 노드(321)와 복수의 리스너 사이의 각각의 거리를 계산하여 복수의 초음파 속도를 산출하여 평균값을 구할수 도 있고, 또는 고정된 위치에 놓인 측정 노드(321)와 하나의 리스너 사이의 각각의 거리를 계산하여 초음파 속도를 산출할 수도 있다.
동적인 움직임을 가지는 모바일 사용자에 부착된 비콘 노드(331)와 리스너 노드(321)까지의 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간 차이를 측정하고, 상기 측정 노드(321)를 통해 산출된 초음파의 속도를 이용하면 비콘 노드(331)로부터 각 리스 너 노드까지의 거리를 산출할 수 있다.
적어도 3개의 리스너 노드와 비콘 노드(331)간의 거리를 이용하여 최종적으로 비콘 노드(331)의 3차원에서의 위치를 추정할 수 있다.
실내 환경의 변화를 반영하여 정밀한 초음파 속도를 계산함으로써 실내 환경에서의 위치 추정 시스템에서의 정밀도를 향상 시킬 수 있다.
일반적으로 실내 위치 추정 시스템에서 추정하고자 하는 모바일 노드(비콘)의 위치 추정은 삼각측량법(Triangulation)을 통한 방법이 많이 사용된다. 삼각측량법은 삼각형의 기하학적인 성질을 이용하여 대상의 위치를 계산 하는 방법으로, 미리 알고 있는 천정에 부착된 3개 이상의 리스너 노드의 절대 위치로부터 추정 하고자 하는 모바일 노드까지의 거리를 측정하여 모바일 노드의 위치를 계산하는 Lateration 기법을 사용 한다. Lateration 기법을 사용하여, 최종 모바일 노드의 3-D 에서의 위치 추정을 위해서는 각각의 리스너와 비콘 사이에서의 측정된 거리 및 최초의 추정되는 비콘 노드의 위치 정보를 필요로 한다. 각각의 리스너와 비콘(331) 사이에서의 거리는 리스너에서 측정 된 비콘으로부터 수신된 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간 차이 및 측정노드(321)를 이용해 계산된 초음파의 속도를 사용하여 획득될 수 있다. Lateration 방법에서는 비콘 노드의 추정위치를 반복적인 계산 방법을 통하여 최종 위치에서의 오차를 최소로 하는 방법을 택한다. 이를 통해, 움직이는 비콘의 최종 위치를 추정할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 구체적인 예를 들어 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 기반의 위치 추정 방법에 대해 설명한다.
측정 노드(321)가 발신한 RF 신호와 초음파 신호를 리스너 3(305)와 리스너 6(311)에서 수신 하였다고 가정한다. 이때 리스너 3(305)에서는 측정 노드(321)로부터 받은 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간의 차이가 10ms로 측정되고, 리스너 6(311)에서는 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간의 차이가 12ms 라고 가정한다. 이때, 리스너 3(305)와 리스너 6(311)은 측정 노드(321)로부터 RF 신호와 초음파 신호를 수신할 경우 측정 노드(321)의 고유 아이디(cal)를 함께 수신함으로써 수신된 RF 신호와 초음파 신호가 측정 노드(321)로부터 온 신호임을 알 수 있다.
측정 노드(321)로부터의 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간 차이를 인지한 리스너 3(305)와 리스너 6(311)은 상기 도착시간 차이 및 측정 노드(321)의 고유 아이디(cal)를 RF 통신 혹은 시리얼 통신으로 서버(352)에게 전송한다. 리스너 3(305)에서 서버로 전송하는 메시지는 리스너 ID, 측정 노드 ID, 도착 시간 차이값을 (Listener3, cal, 10ms) 형태로 포함하고, 리스너 6(311)에서 서버(352)으로 전송하는 메시지는 (Listener6, cal, 12ms) 형태로 포함한다.
서버(352)에서는 미리 알고 있는 측정 노드(321) P1 위치에서의 좌표값 (300, 400, 0), 리스너 3의 P3 위치에서의 좌표값 (450,0,300), 리스너 6의 P6 위치에서의 좌표값(450,200,300)을 이용하여 각 리스너로부터 측정 노드(321) 까지의 거리 d3, d6를 수학식 3의 유클리디언 거리의 공식을 이용하여 계산할 수 있다. 서버(352)에서는 상기 계산된 각 리스너로부터 측정 노드(321)까지의 거리를 저장부(354)에 저장할 수 있다. 여기에서 계산한 거리값과 10ms 및 12ms 로 측정된 도착 시간의 차이값을 이용하여 서버(352)에서는 각각의 초음파 신호의 속도를 계산 할 수 있다. 서버(352)에서는 상기 계산된 두 개의 초음파 신호의 속력의 평균값을 이용해서 현재 측정하고자 하는 실내에서의 초음파의 속도를 계산하고 초음파 속도값을 저장부(354)에 저장하고, 주기적으로 상기 초음파 속도 계산 과정을 수행함으로서 초음파 속도값을 실내 환경의 변화에 따라 업데이트할 수 있다.
한편, 모바일 사용자가 지니는 비콘 노드(331)가 발신한 RF 신호와 초음파 신호를 리스너 1(301), 리스너 2(303), 리스너 4(307)에서 수신하였다고 가정한다. 이때 리스너 1(301), 리스너 2(303), 리스너 4(307)에서 수신한 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간의 차이가 각각 10ms, 20ms, 30ms 라고 가정하면, 리스너 1(301), 리스너 2(303), 리스너 4(307)는 각각 리스너 ID, 비콘 ID, 도착 시간 차이값을 (Listener1, beacon, 10ms), (Listener2, beacon, 20ms), (Listener4, beacon, 30ms) 형태의 메시지로 서버(352)에 전송한다. 서버(352)는 상기 메시지들을 수신하고, 상기 도착 시간 차이 및 측정 노드(321)를 이용하여 이미 계산하여 저장하고 있던 초음파 신호의 속도값을 이용하여 리스너 1(301)과 비콘(331)간의 거리(Listener1 <-> Beacon), 리스너 2(303)과 비콘(331)간의 거리(Listener2 <-> Beacon), 리스너 4(307)과 비콘(331)간의 거리(Listener4 <-> Beacon) 까지의 거리를 계산할 수 있고, 상기 비콘(331)과의 거리 값을 이용해 최종적으로 비콘(331)의 최종 좌표 값을 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 기반의 실내 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저 현재 실내 환경에서의 초음파 속도를 산출하기 위하여 고정된 위치에 놓인 측정 노드(321)와 복수의 리스너 사이의 거리를 계산한다(단계 S410). 여기서, 고정된 위치에 놓인 측정 노드(321)와 복수의 리스너 사이의 각각의 거리를 계산하여 복수의 초음파 속도를 산출하여 평균값을 구할수 도 있고, 또는 고정된 위치에 놓인 측정 노드(321)와 하나의 리스너 사이의 각각의 거리를 계산하여 초음파 속도를 산출할 수도 있다. 이하에서는, 고정된 위치에 놓인 측정 노드(321)와 복수의 리스너 사이의 각각의 거리를 계산하여 산출한 복수의 초음파 속도의 평균값으로 현재 실내 환경에서의 초음파 속도를 구하는 경우를 예로 들어 설명한다.
측정 노드(321)에서 주기적으로 발신하는 RF 신호와 초음파 신호는 각 리스너에서 수신하는데, 이때 RF 신호와 초음파 신호의 전파 속도 차이로 인해 RF 신호와 초음파 신호의 도착 시간 차이를 각각의 리스너 노드에서 측정한다(단계 S420).
단계 S410에서 산출한 측정 노드(321)과 각 리스너 사이의 거리와 S420을 통해 측정한 도착 시간 차이를 수학식 4에 대입하여 위치 추정을 이루고자 하는 실내에서의 초음파 속도를 계산할 수 있다 (단계 S430).
최종적으로 위치를 추정하고자 하는 객체에 부착된 비콘 노드(331)는 측정 노드(321)과 마찬가지로 주기적으로 RF 신호와 초음파 신호를 발신하며, 각 리스너 노드에서는 측정 노드(321)에서 발신하는 RF 신호와 초음파 신호간의 도착 시간의 차이값 뿐 아니라, 비콘 노드(331)에서 발신하는 RF 신호와 초음파 신호간의 도착신호의 차이값 또한 주기적으로 측정한다(단계 S440).
각 리스너 노드에서 측정한 비콘 노드(331)에서 발신하는 RF 신호와 초음파 신호간의 도착신호의 차이값과 단계 S430에서 구한 초음파 속도값을 이용하여 수학 식 2에 따라서 각 리스너 노드에서 비콘 노드(331)간의 거리를 계산한다(단계 S450).
적어도 3개의 리스너 노드와 비콘 노드(331)간의 거리를 이용하여 최종적으로 비콘 노드(331)의 3차원에서의 위치를 추정한다(단계 S460).
이때, 계산된 각 리스너 노드에서 비콘 노드(331)간의 거리는 실내 환경 요소를 충분히 고려하여 구한 거리이므로 실내 환경 요소를 고려하지 않은 종래의 고정된 초음파 속도를 이용하였을 때와 비교하여 좀 더 정확한 거리를 얻을 수 있고, 그 결과 최종적으로 객체의 위치 추정의 정밀도를 향상 시킬 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위치 추정 시스템에 사용되는 비콘(Beacon) 노드와 리스너(Listener) 노드의 개략적인 내부 구성도이다.
도 2는 RF 신호와 초음파 신호의 속도 차이에 의한 도착 시간 차이를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측정 노드(Calibration node)를 이용한 실내 위치 추정 시스템의 전체적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 기반의 실내 위치 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 331: 비콘
200, 301, 303, 305, 307, 309, 311: 수신 노드(Listner)
321: 측정 노드(Calibration node)

Claims (12)

  1. 객체에 부착되어 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 출력하는 비콘과, 실내의 서로 다른 위치에 배치되어 상기 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호를 수신하는 복수의 수신 노드를 이용한 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법은,
    상기 실내의 고정된 위치에 배치된 측정 노드와 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계;
    상기 동시에 출력된 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호가 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드에 도착한 제1 도착 시간의 차이 및 상기 산출된 초음파 속도에 기초하여 상기 비콘과 상기 적어도 세 개의 수신 노드와의 각각의 거리를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 상기 비콘과 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드와의 각각의 거리에 기초하여 상기 실내에서의 상기 비콘의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계는
    상기 측정 노드에서 동시에 출력된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 상기 적어도 하나의 수신 노드에 도착한 제2 도착 시간의 차이 및 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드간의 거리에 기초하여 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비콘은 제1 주기로 상기 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 발신하고, 상기 측정 노드는 상기 제1 주기보다 더 긴 제2 주기로 상기 제2 무선 신호와 상기 제2 초음파 신호를 동시에 발신하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계는
    상기 측정 노드의 위치와 상기 적어도 하나의 수신 노드의 위치로부터 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 산출하는 단계;
    상기 측정 노드에서 동시에 출력된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 상기 적어도 하나의 수신 노드에 도착한 제2 도착 시간의 차이를 측정하는 단계; 및
    상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 상기 제2 도착 시간의 차이로 나누어 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 단계를 포함하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 실내에서의 초음파 속도는
    상기 복수의 수신 노드들 각각에 대해 상기 초음파 속도를 계산한 후 상기 계산된 초음파 속도의 평균값을 구하여 산출하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 수신 노드는 수신 노드 식별자(ID), 비콘 식별자(ID) 및 상기 제1 도착 시간의 차이를 외부의 서버로 메시지의 형태로 전송하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 수신 노드는 수신 노드 식별자(ID), 측정 노드 식별자(ID) 및 상기 측정 노드에서 동시에 출력된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호가 도착한 제2 도착 시간의 차이를 외부의 서버로 메시지의 형태로 전송하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 실내에서의 초음파 속도는
    상기 실내의 환경 변화에 따라 주기적으로 산출하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 방법.
  9. 객체에 부착되어 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 출력하는 비콘과, 실내에 고정 위치에 배치되어 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호를 동시에 발신하는 측정 노드와, 실내의 서로 다른 위치에 배치되어 상기 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호를 수신하는 복수의 수신 노드와 연동하여 실내에서의 초음파 기반 의 객체 위치 추정을 수행하는 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치는
    상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드와 상기 측정 노드간의 거리 및 상기 제2 무선 신호와 상기 제2 초음파 신호가 도착한 도착 시간의 차이를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 신호의 속도를 산출하고, 상기 도착 시간의 차이와 상기 산출된 초음파 속도를 이용하여 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 세 개의 수신 노드와 상기 비콘과의 거리를 산출하여 상기 비콘의 위치를 추정하는 서버; 및
    상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드와 상기 측정 노드간의 거리 및 상기 실내에서의 초음파 신호의 속도를 저장하는 저장부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 실내에서의 초음파 속도는
    상기 실내의 환경 변화에 따라 주기적으로 산출하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 서버는
    상기 측정 노드의 고정 위치와 상기 복수의 수신 노드들 중 적어도 하나의 수신 노드의 위치로부터 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 산출하고, 상기 측정 노드에서 동시에 발신된 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호 가 상기 적어도 하나의 수신 노드에 도착한 도착 시간의 차이를 측정하고, 상기 측정 노드와 상기 적어도 하나의 수신 노드와의 거리를 상기 도착 시간의 차이로 나누어 상기 실내에서의 초음파 속도를 산출하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 장치.
  12. 객체에 부착되어 제1 무선 신호와 제1 초음파 신호를 동시에 발신하는 비콘;
    실내에 고정 위치에 배치되어 제2 무선 신호와 제2 초음파 신호를 동시에 발신하는 측정 노드;
    상기 제1 무선 신호와 상기 제1 초음파 신호가 도착한 제1 도착 시간의 차이 및 상기 제2 무선 신호와 상기 제2 초음파 신호가 도착한 제2 도착 시간의 차이를 측정하는 수신 노드; 및
    상기 수신 노드와 상기 측정 노드간의 거리 및 상기 제2 도착 시간의 차이를 이용하여 상기 실내에서의 초음파 신호의 속도를 산출하고, 상기 제2 도착 시간의 차이와 상기 산출된 초음파 속도를 이용하여 적어도 세 개의 수신 노드와 상기 비콘과의 거리를 산출하여 상기 비콘의 위치를 추정하는 서버를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내에서의 초음파 기반의 객체 위치 추정 시스템.
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