KR20130063821A - 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말 및 이를 이용한 위치 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말은 측위 시스템의 대상 영역에 대한 자기장 지도가 저장된 메모리; 상기 단말의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 자기장 센서; 상기 단말의 가속도 수치 및 상기 단말의 자이로 수치를 측정하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서; 및 자기장 지도, 자기장 수치, 가속도 수치 및 자이로 수치를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 포함한다.

Description

자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말 및 이를 이용한 위치 추정 방법{MOBILE TERMINAL DEVICE FOR POSITIONING SYSTEM BASED ON MAGNETIC MAP AND POSITIONING METHOD USING THE DEVICE}
아래의 실시예들은 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말 및 이를 이용한 위치 추정 방법에 관한 것이다.
이동통신 신호를 이용하여 위치를 추정하는 방법은 이동통신이 가능한 휴대용 단말이 연결된 셀 기지국의 위치를 이용하여 단말의 위치를 근사하거나(proximity 방식), 상기 단말에 근접한 3개 이상의 기지국들과의 신호 도달 거리를 측정함으로써 삼각측량을 수행할 수 있다.
무선 LAN을 이용하여 위치를 추정하는 방법은 무선 LAN 단말이 속한 액세스 포인트(AP)의 위치를 이용하여 단말의 위치를 근사하거나(proximity 방식), 근접한 AP의 신호 강도를 측정하여 이전에 기록된 핑거 프린트(fingerprint) 지도와 패턴 매칭(pattern matching)을 수행함으로써 단말의 위치를 추정할 수 있다.
UWB(Ultra-Wide Band)를 이용하여 위치를 추정하는 방법은 UWB 신호를 발생시키는 액세스 포인트(AP)와의 거리를 측정함으로써 삼각측량을 수행할 수 있다.
자기장 지도를 이용하여 위치를 추정하는 방법은 단말의 위치에서 자기장(magnetic field)를 측정하여 단말의 위치를 계산할 수 있다. 이 때, 위치를 계산하여 추정하는 대표적 알고리즘으로 칼만 필터(Kalman filter), 입자 필터(particle filter), 마르코프 위치 인식법(Markov localization) 등이 존재한다. 이상의 알고리즘들은 이동 단말이 이동하면서 다양하게 변화하는 환경 변수들을 측정하고, 그 결과를 이용하여 상기 단말의 위치를 연속적으로 추정한다.
본 발명의 실시예들은 IMU 센서를 이용하여 자기장에 영향을 미치는 간섭을 사전에 보정하고, 자기장 기반 측위 시스템에서 이용되는 알고리즘의 결과가 잘못된 위치로 수렴하는 것을 방지함으로써, 위치 추정의 정확도를 높이는 기술을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말은 상기 측위 시스템의 대상 영역에 대한 자기장 지도가 저장된 메모리; 상기 단말의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 자기장 센서; 상기 단말의 가속도 수치 및 상기 단말의 자이로 수치를 측정하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서; 및 상기 자기장 지도, 상기 자기장 수치, 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 포함한다.
상기 프로세서는 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 자기장 수치 보정부; 및 상기 보정된 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 제1 위치 추정부를 포함할 수 있다.
상기 자기장 수치 보정부는 상기 자이로 수치 및 상기 가속도 수치를 이용하여 상기 단말의 틸트(tilt) 오차를 계산하는 틸트 오차 계산부; 및 상기 틸트 오차를 기초로 상기 자기장 수치의 보정을 수행하는 자기장 수치 보정 수행부를 포함하고, 상기 단말의 틸트 오차는 상기 단말의 피치(pitch), 상기 단말의 롤(roll), 및 상기 단말의 요(yaw)를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 가속도 수치 및 상기 자기장 수치를 이용하여 제1 방향 정보를 생성하는 제1 방향 정보 생성부; 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 제2 방향 정보를 생성하는 제2 방향 정보 생성부; 및 상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 방향 정보 가중치를 설정하는 방향 정보 가중치 설정부를 포함할 수 있다.
상기 방향 정보 가중치 설정부는 상기 제1 방향 정보의 변화량에서 상기 제2 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제2 방향 정보로 설정하고, 상기 제2 방향 정보의 변화량에서 상기 제1 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제1 방향 정보로 설정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 가속도 수치를 기초로 상기 단말의 이동거리를 계산하는 이동거리 계산부; 및 상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 제2 위치 추정부를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 자기장 수치 보정부; 상기 보정된 자기장 수치, 상기 가속도 수치, 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 단말의 방향 정보를 생성하는 방향 정보 생성부; 상기 가속도 수치를 기초로 상기 단말의 이동거리를 계산하는 이동거리 계산부; 및 상기 이동거리, 상기 방향 정보, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 제3 위치 추정부를 포함할 수 있다.
상기 프로세서가 상기 단말의 위치를 추정하기 위하여 사용하는 측위 알고리즘은 입자 필터, 칼만 필터, 및 마르코프 위치 인식법 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 위치 추정 방법은 상기 측위 시스템의 대상 영역에 대한 자기장 지도와 관련된 정보를 획득하는 단계; 상기 대상 영역에 포함된 적어도 하나의 단말의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 단계; 상기 적어도 하나의 단말의 가속도 수치 및 상기 적어도 하나의 단말의 자이로 수치를 측정하는 단계; 및 상기 자기장 지도, 상기 자기장 수치, 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계는 상기 자이로 수치 및 상기 가속도 수치를 이용하여 상기 적어도 하나의 단말의 틸트(tilt) 오차를 계산하는 단계; 상기 틸트 오차를 기초로 상기 자기장 수치를 보정하는 단계; 및 상기 보정된 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치에 대한 추정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 틸트 오차는 상기 적어도 하나의 단말의 피치(pitch), 상기 적어도 하나의 단말의 롤(roll), 및 상기 적어도 하나의 단말의 요(yaw)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계는 상기 가속도 수치 및 상기 자기장 수치를 이용하여 제1 방향 정보를 생성하는 단계; 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 제2 방향 정보를 생성하는 단계; 상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 방향 정보 가중치를 설정하는 단계; 상기 가속도 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 이동거리를 계산하는 단계; 및 상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치에 대한 추정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방향 정보 가중치를 설정하는 단계는 상기 제1 방향 정보의 변화량에서 상기 제2 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제2 방향 정보로 설정하고, 상기 제2 방향 정보의 변화량에서 상기 제1 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제1 방향 정보로 설정할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계는 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 단계; 상기 보정된 자기장 수치, 상기 가속도 수치, 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 적어도 하나의 단말의 방향 정보를 생성하는 단계; 상기 가속도 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 이동거리를 계산하는 단계; 및 상기 이동거리, 상기 방향 정보, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 IMU 센서를 이용하여 자기장에 영향을 미치는 간섭을 사전에 보정하고, 자기장 기반 측위 시스템에서 이용되는 알고리즘의 결과가 잘못된 위치로 수렴하는 것을 방지함으로써, 위치 추정의 정확도를 높이는 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서를 이용하여 보정된 자기장 수치를 기초로 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 설명하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서를 이용하여 추정된 방향 정보 및 이동거리 정보를 기초로 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 설명하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서를 이용하여 보정된 자기장 수치, 추정된 방향 정보, 및 추정된 이동거리 정보를 기초로 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 설명하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 위치 추정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이동 단말(100)은 메모리(110), 자기장 센서(120), IMU 센서(130), 및 프로세서(140)를 포함한다.
메모리(110)는 자기장 지도와 관련된 정보를 저장한다.
여기서, 자기장 지도는 미리 설정된 범위의 지역(예를 들면, 이동 단말의 위치를 추정하고자 하는 지역)에 포함된 복수의 위치들에서 미리 측정된 자기장 수치들을 포함한다.
이 때, 상기 복수의 위치들은 미리 설정된 일정한 간격을 유지하는 복수의 위치들일 수 있고, 경우에 따라 자기장 수치를 측정할 수 있는 장소들 혹은 이동 단말(100)이 도달할 수 있는 장소들만으로 구성된 복수의 위치들일 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 복수의 위치들은 2차원 평면 상에서의 위치가 아닌 3차원 입체 공간 상에서의 위치일 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일실시예에 따른 이동 단말(100)은 고층 빌딩의 내부 등 실내에서 위치를 추정하는 데 이용될 수 있다. 이 때, 상기 고층 빌딩의 각 층에서 자기장을 측정하되, 평면도 상으로는 모두 동일한 위치가 되도록 각 층에서의 위치를 고정하여 자기장을 측정하는 경우를 가정하자. 이 경우, 각 층에서의 위치는 2차원 평면도 상에서는 동일해 보일지라도 3차원 입체 공간 상에서는 고도가 달라진다. 이로 인하여, 각 층에서 측정되는 자기장 수치는 서로 상이할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 일실시예에 따른 메모리(110)는 복수의 지역들에 대응하는 복수의 자기장 지도들을 저장할 수 있다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 메모리(110)는 복수의 지역들에서 위치 추정을 수행할 수 있도록 복수의 자기장 지도들을 저장할 수 있고, 이 때, 상기 복수의 지역들은 상기 고층 빌딩의 각 층을 포함할 수 있다.
또한, 자기장 센서(120)는 이동 단말(100)의 위치에서 자기장 수치를 측정하고, IMU(Inertial Measurement Unit) 센서(130)는 이동 단말(100)의 가속도 수치 및 자이로 수치를 측정한다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 센서(120)는 x축, y축, 및 z축을 포함하는 3개의 축들 각각의 자기장 수치를 측정할 수 있다. 그리고 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서(130)는 x축, y축, 및 z축 각각의 가속도 수치를 측정하는 3 개의 가속도계들 및 x축, y축, 및 z축 각각의 자이로 수치를 측정하는 3 개의 자이로스코프들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(140)는 자기장 센서(120)에서 측정된 자기장 수치와 메모리(110)에 저장된 자기장 지도를 비교함으로써, 자기장 지도 상 복수의 지점들 중 상기 측정된 자기장 수치와 동일하거나 가장 유사한 자기장 수치를 나타내는 지점으로 단말의 위치를 추정할 수 있다.
다만, 자기장 센서(120)가 이동 단말(100)의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 시점에 상기 이동 단말(100)이 기울어져 있는 경우, 측정된 자기장 수치에 틸트(tilt) 오차가 포함될 수 있다. 틸트 오차는 자기장 센서의 기울어짐으로 인해 발생하는 측정된 자기장 수치의 오차이다. 이 때, 틸트 오차는 3개의 축들 각각을 중심축으로 하여 회전하는 정도로 표현될 수 있고, 상기 3개의 축들 각각을 중심축으로 하여 회전하는 정도는 각각 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw)로 표현될 수 있다.
보다 구체적으로, 이동 단말(100)이 기울어짐에 따라 이동 단말에 포함된 자기장 센서(120)도 함께 기울어질 수 있다. 이 때, 기울어진 자기장 센서에 의해 측정되는 x축, y축, 및 z축 각각의 자기장 수치는 기울어지지 아니한 자기장 센서에 의해 측정되는 x축, y축, 및 z축 각각의 자기장 수치와 상이할 수 있다. 자기장 센서(120)는 틸트 오차가 포함된 자기장 수치를 프로세서(140)에 제공하게 되고, 프로세서(140)는 틸트 오차가 포함된 자기장 수치를 기초로 이동 단말의 위치를 추정하게 된다. 그 결과, 프로세서(140)는 이동 단말의 위치를 정확하게 추정하지 못할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(140)는 IMU 센서(130)를 이용하여 자기장 센서(120)의 틸트 오차를 보정할 수 있다. 즉, 프로세서(140)는 IMU 센서(130)로부터 측정된 가속도 수치 및 자이로 수치 중 적어도 어느 하나를 이용하여 자기장 센서(120)의 틸트 오차를 보정할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 사항들에 대하여는 도 2를 참조하여 후술한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(140)는 이동 단말의 위치를 추정하기 위한 알고리즘으로 칼만 필터, 입자 필터, 및 마르코프 위치 인식법 등을 이용할 수 있다.
다만, 입자 필터와 같은 위치 추정 알고리즘은 알고리즘 수행 도중 위치 추정을 위한 중간 결과값에 오류가 발생하게 되면, 최종 위치 추정 결과값이 매우 부정확해질 수 있다. 입자 필터와 같은 위치 추정 알고리즘은 바로 이전 사이클에서 추정된 위치를 기반으로 다음 사이클을 수행하고, 이를 반복하여 최종 위치 추정 결과값을 도출하는 방식을 따르기 때문이다.
이 때, 외부의 요인에 영향을 받을 수 있는 자기장 센서(120)로 인하여 전술한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 자기장 지도를 생성하는 시점에 존재하지 않았던 자성체가 위치 추정을 위하여 자기장 센서(120)가 자기장을 측정하는 시점에 우연히 이동 단말의 근처에 존재하는 경우 등을 들 수 있다.
이동 단말의 위치를 추정하는 도중에 외부적 요인에 의하여 자기장 센서(120)에 의하여 측정되는 자기장 수치가 간섭 받는 경우, 위치 추정을 위한 중간 결과값에 오류가 발생할 수 있다. 그리고, 그 결과, 본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(140)에 의해 최종적으로 추정되는 이동 단말의 위치에도 오류가 발생할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(140)는 IMU 센서(130)를 이용하여 전술한 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(140)는 메모리(110)에 저장된 자기장 지도 및 자기장 센서(120)에 의해 측정된 자기장 수치뿐 아니라, IMU 센서(130)에 의해 측정된 가속도 수치와 자이로 수치를 기초로 이동 단말의 이동 방향 내지 이동 거리를 추정함으로써, 입자 필터와 같은 위치 추정 알고리즘 수행 도중 위치 추정 값이 실제 이동 단말의 위치와 관계없는 지점으로 수렴하는 것을 방지할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 사항들에 대하여는 도 3을 참조하여 후술한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서를 이용하여 보정된 자기장 수치를 기초로 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말은 위치 추정 알고리즘을 수행하는 프로세서(240) 내에 자기장 수치 보정부(241) 및 제1 위치 추정부(242)를 포함한다.
여기서, 자기장 수치 보정부(241)는 IMU 센서(230)에 의해 측정된 가속도 수치(231) 및 자이로 수치(232)를 이용하여 자기장 센서(220)에 의해 측정된 자기장 수치(221)를 보정할 수 있다.
보다 구체적으로, 자기장 수치 보정부(241)는 상기 자이로 수치(232) 및 상기 가속도 수치(231)를 이용하여 이동 단말의 틸트 오차를 계산하는 틸트 오차 계산부(243) 및 상기 계산된 틸트 오차를 기초로 상기 측정된 자기장 수치(221)의 보정을 수행하는 자기장 수치 보정 수행부(244)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 센서(220)는 x축, y축, 및 z축 각각에서 자기장 수치(221)를 측정할 수 있고, 3개의 축들에서 측정된 자기장 수치들 각각을 mx, my, 및 mz라 칭할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서(230)는 x축, y축, 및 z축 각각에서 가속도 수치(231) 및 자이로 수치(232)를 측정할 수 있고, 3개의 축들에서 측정된 가속도 수치들 각각을 αx, αy, 및 αz로, 3개의 축들에서 측정된 자이로 수치들 각각을 ωx, ωy, 및 ωz로 칭할 수 있다.
전술한 바와 같이 자기장 센서(220)의 틸트 오차는 이동 단말의 피치(pitch, θ), 이동 단말의 롤(roll, φ), 및 이동 단말의 요(yaw, ψ)로 표현될 수 있다.
이 경우, 틸트 오차 계산부(243)는 (수식 1) 및 (수식 2)를 이용하여 이동 단말의 피치(θ) 및 이동 단말의 롤(φ)을 계산할 수 있다.
(수식 1)
Figure pat00001

(수식 2)
Figure pat00002

더 나아가, 틸트 오차 계산부(243)은 상기 계산된 이동 단말의 피치(θ) 및 상기 계산된 이동 단말의 롤(φ) 및 측정된 자이로 수치들(ωx, ωy, 및 ωz)을 (수식 3)으로 표현되는 자세 계산 미분식에 대입함으로써, 이동 단말의 요(ψ)를 계산할 수 있다.
(수식 3)
Figure pat00003

여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(240)는 상기 자세 계산 미분식의 결과값들 중 세 번째 결과값을 이동 단말의 요(ψ)의 값으로 설정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 자기장 수치 보정 수행부(244)는 상기 계산된 틸트 오차를 기초로 상기 측정된 자기장 수치(221)를 캘리브레이션(calibration)함으로써, 상기 측정된 자기장 수치(221)를 보정할 수 있다.
한편, 제1 위치 추정부(242)는 상기 보정된 자기장 수치 및 메모리(210)에 저장된 자기장 지도(211)를 기초로 이동 단말의 위치를 추정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 제1 위치 추정부(242)는 상기 틸트 오차가 보정된 자기장 수치를 자기장 지도(211)에 포함된 복수의 자기장 수치들과 대비함으로써, 이동 단말의 위치를 추정하는 알고리즘의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서를 이용하여 추정된 방향 정보 및 이동거리 정보를 기초로 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 설명하는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말은 위치 추정 알고리즘을 수행하는 프로세서(340) 내에 제1 방향 정보 생성부(341), 제2 방향 정보 생성부(342), 방향 정보 가중치 설정부(343), 이동거리 계산부(344), 및 제2 위치 추정부(345)를 포함한다.
여기서, 제1 방향 정보 생성부(341)는 IMU 센서(330)에 의해 측정된 가속도 수치(331) 및 자기장 센서(320)에 의해 측정된 자기장 수치(321)를 이용하여 이동 단말의 제1 방향 정보를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 제1 방향 정보 생성부(341)는 (수식 4)를 이용하여 제1 방향 정보를 생성할 수 있다.
(수식 4)
Figure pat00004

여기서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 이동 단말의 피치(θ) 및 이동 단말의 롤(φ)은 측정된 가속도 수치(331)를 (수식 1) 및 (수식 2)에 대입하여 계산될 수 있고, Xfg, Yfg, 및 Zfg는 각각 측정된 자기장 수치(321)인 mx, my, 및 mz에 각각 대응될 수 있다.
또한, 제2 방향 정보 생성부(342)는 IMU 센서(330)에 의해 측정된 가속도 수치(331) 및 자이로 수치(332)를 이용하여 이동 단말의 제2 방향 정보를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 제2 방향 정보 생성부(342)는 측정된 자이로 수치(332)를 적분함으로써 이동 단말의 제2 방향 정보를 생성할 수 있다. 여기서 측정된 자이로 수치(332)는 물리학적으로 이동 단말의 각가속도 성분을 나타내므로, 이를 시간에 대하여 두 번 적분함으로써 이동 단말의 제2 방향 정보(이 경우, 이동 단말의 각도 변화량)를 획득할 수 있다는 것은 당업자에게 자명한 사실이다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 방향 정보 생성부(342)는 상기 측정된 자이로 수치(332)를 시간에 대하여 한 번 적분함으로써 이동 단말의 순간 각속도 성분을 계산하고, 계산된 순간 각속도 성분에 시간을 곱하여 이동 단말의 제2 방향 정보(이 경우, 이동 단말의 각도 변화량)를 획득할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제2 방향 정보 생성부(342)는 전술한 틸트 오차 계산부(243)가 이동 단말의 요(ψ)를 계산하는 것과 동일한 방법으로도 제2 방향 정보를 생성할 수 있다.
한편, 방향 정보 가중치 설정부(343)는 상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 이동 단말의 방향 정보 가중치를 설정할 수 있다. 이 때, 방향 정보 가중치 설정부(343)는 상기 제1 방향 정보의 변화량에서 상기 제2 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제2 방향 정보로 설정하고, 상기 제2 방향 정보의 변화량에서 상기 제1 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제1 방향 정보로 설정할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 방향 정보 가중치 설정부(343)는 서로 상이한 인자들을 기초로 추정한 제1 방향 정보 및 제2 방향 정보 중 기존에 추정한 제1 방향 정보 및 제2 방향 정보에 비하여 그 변화량이 적은 방향 정보에 가중치를 두어 방향 정보 가중치를 설정할 수 있다.
예를 들면, 제1 방향 정보는 자기장 수치(321)를 이용하므로 외부 자성체에 의한 간섭에 민감하다. 한편, 제2 방향 정보는 측정된 자이로 수치(332)를 적분해야 하므로 시간 성분에 민감하다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 방향 정보 가중치 설정부(343)는 서로 상이한 외부 요소들(제1 방향 정보의 경우 외부 자성체, 제2 방향 정보의 경우 적분을 위한 시간 성분)에 민감한 제1 방향 정보 및 제2 방향 정보를 독립적으로 계산 한 뒤, 이전 추정치보다 변화량이 적은 방향 정보를 더 신뢰하여 가중치를 부여함으로써, 보다 정확한 방향 정보를 생성할 수 있다.
또한, 이동거리 계산부(344)는 측정된 가속도 수치(331)를 기초로 이동 단말의 이동거리를 계산할 수 있다. 보다 구체적으로, 이동거리 계산부(344)는 측정된 가속도 수치(331)를 시간에 대하여 두 번 적분함으로써 이동 단말의 이동거리를 계산할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이동거리 계산부(344)는 상기 측정된 가속도 수치(331)를 시간에 대하여 한 번 적분함으로써 이동 단말의 순간 속도 성분을 계산하고, 계산된 순간 속도 성분에 시간을 곱하여 이동 단말의 이동거리를 계산할 수 있다.
제2 위치 추정부(345)는 상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 측정된 자기장 수치(321), 및 메모리(310)에 저장된 자기장 지도(311)를 기초로 이동 단말의 위치를 추정할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 제2 위치 추정부(345)는 상기 방향 정보 가중치 및 상기 이동거리를 이용하여 이동 단말의 위치할 수 있는 영역의 범위를 설정할 수 있다.
예를 들면, 상기 측정된 자기장 수치(321)가 외부 자성체의 영향을 받은 경우를 가정하자. 이 경우, 상기 측정된 자기장 수치(321)를 자기장 지도(311) 내 복수의 자기장 수치들과 대비하여 위치를 추정하는 본 발명의 일실시예에 따른 알고리즘에 따라, 제2 위치 추정부(345)는 이동 단말이 실제 위치하고 있는 지점과 전혀 다른 지점으로 이동 단말의 위치를 추정할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 제2 위치 추정부(345)는 상기 방향 정보 가중치 및 상기 이동거리에 기반한 이동 단말이 위치할 수 있는 영역의 범위를 벗어나는 위치 추정 값을 배제할 수 있다. 이러한 방식을 통해, 본 발명의 일실시예에 따른 제2 위치 추정부(345)는 자성체 등 외부 간섭으로 인해 잘못된 위치로 위치 추정 결과값이 수렴하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IMU 센서를 이용하여 보정된 자기장 수치, 추정된 방향 정보, 및 추정된 이동거리 정보를 기초로 단말의 위치를 추정하는 프로세서를 설명하는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말은 위치 추정 알고리즘을 수행하는 프로세서(440) 내에 자기장 수치 보정부(441), 방향 정보 생성부(442), 이동거리 계산부(443), 및 제3 위치 추정부(444)를 포함한다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 프로세서(440)는 도 2를 참조하여 전술한 틸트 오차를 보정한 자기장 수치를 이용함과 동시에, 도 3을 참조하여 전술한 방향 정보 가중치 및 이동거리를 이용함으로써, 이동 단말의 위치 추정 결과 값에 대한 신뢰도를 보다 향상시킬 수 있다.
여기서, 자기장 수치 보정부(441)는 IMU 센서(430)에 의해 측정된 가속도 수치(431) 및 자이로 수치(432)를 이용하여 자기장 센서(420)에 의해 측정된 자기장 수치(421)를 보정할 수 있다.
보다 구체적으로, 자기장 수치 보정부(441)는 상기 자이로 수치(432) 및 상기 가속도 수치(431)를 이용하여 이동 단말의 틸트 오차를 계산하는 틸트 오차 계산부(445) 및 상기 계산된 틸트 오차를 기초로 상기 측정된 자기장 수치(421)의 보정을 수행하는 자기장 수치 보정 수행부(446)를 포함할 수 있다.
또한, 방향 정보 생성부(442)는 IMU 센서(430)에 의해 측정된 가속도 수치(431) 및 자기장 센서(420)에 의해 측정된 자기장 수치(421)를 이용하여 이동 단말의 제1 방향 정보를 생성하는 제1 방향 정보 생성부(447); IMU 센서(430)에 의해 측정된 가속도 수치(431) 및 자이로 수치(432)를 이용하여 이동 단말의 제2 방향 정보를 생성하는 제2 방향 정보 생성부(448); 및 상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 이동 단말의 방향 정보 가중치를 설정하는 방향 정보 가중치 설정부(449)를 포함할 수 있다.
또한, 이동거리 계산부(443)는 측정된 가속도 수치(431)를 기초로 이동 단말의 이동거리를 계산할 수 있다.
마지막으로, 제3 위치 추정부(444)는 상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 측정된 자기장 수치(421), 및 메모리(410)에 저장된 자기장 지도(411)를 기초로 이동 단말의 위치를 추정할 수 있다.
도 4에 도시된 모듈들 각각에는 도 1 내지 도 3을 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 위치 추정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 위치 추정 방법은 상기 측위 시스템의 대상 영역에 대한 자기장 지도와 관련된 정보를 획득하는 단계(510); 상기 대상 영역에 포함된 적어도 하나의 단말의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 단계(520); 상기 적어도 하나의 단말의 가속도 수치 및 상기 적어도 하나의 단말의 자이로 수치를 측정하는 단계(530); 및 상기 자기장 지도, 상기 자기장 수치, 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계(540)를 포함한다.
이 때, 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계(540)는 상기 자이로 수치 및 상기 가속도 수치를 이용하여 상기 적어도 하나의 단말의 틸트(tilt) 오차를 계산하는 단계; 상기 틸트 오차를 기초로 상기 자기장 수치를 보정하는 단계; 및 상기 보정된 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치에 대한 추정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계(540)는 상기 가속도 수치 및 상기 자기장 수치를 이용하여 제1 방향 정보를 생성하는 단계; 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 제2 방향 정보를 생성하는 단계; 상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 방향 정보 가중치를 설정하는 단계; 상기 가속도 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 이동거리를 계산하는 단계; 및 상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치에 대한 추정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계(540)는 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 단계; 상기 보정된 자기장 수치, 상기 가속도 수치, 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 적어도 하나의 단말의 방향 정보를 생성하는 단계; 상기 가속도 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 이동거리를 계산하는 단계; 및 상기 이동거리, 상기 방향 정보, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 단계들 각각에는 도 1 내지 도 4를 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말
110: 자기장 지도를 저장하는 메모리
120: 자기장 센서
130: IMU 센서
140: 위치 추정 알고리즘을 수행하는 프로세서

Claims (14)

  1. 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 이동 단말에 있어서,
    상기 측위 시스템의 대상 영역에 대한 자기장 지도가 저장된 메모리;
    상기 단말의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 자기장 센서;
    상기 단말의 가속도 수치 및 상기 단말의 자이로 수치를 측정하는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서; 및
    상기 자기장 지도, 상기 자기장 수치, 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 프로세서
    를 포함하는 이동 단말.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 자기장 수치 보정부; 및
    상기 보정된 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 제1 위치 추정부
    를 포함하는 이동 단말.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자기장 수치 보정부는
    상기 자이로 수치 및 상기 가속도 수치를 이용하여 상기 단말의 틸트(tilt) 오차를 계산하는 틸트 오차 계산부; 및
    상기 틸트 오차를 기초로 상기 자기장 수치의 보정을 수행하는 자기장 수치 보정 수행부
    를 포함하고,
    상기 단말의 틸트 오차는
    상기 단말의 피치(pitch), 상기 단말의 롤(roll), 및 상기 단말의 요(yaw)를 포함하는 이동 단말.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 가속도 수치 및 상기 자기장 수치를 이용하여 제1 방향 정보를 생성하는 제1 방향 정보 생성부;
    상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 제2 방향 정보를 생성하는 제2 방향 정보 생성부; 및
    상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 방향 정보 가중치를 설정하는 방향 정보 가중치 설정부
    를 포함하는 이동 단말.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방향 정보 가중치 설정부는
    상기 제1 방향 정보의 변화량에서 상기 제2 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제2 방향 정보로 설정하고,
    상기 제2 방향 정보의 변화량에서 상기 제1 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제1 방향 정보로 설정하는 이동 단말.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 가속도 수치를 기초로 상기 단말의 이동거리를 계산하는 이동거리 계산부; 및
    상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 제2 위치 추정부
    를 더 포함하는 이동 단말.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 자기장 수치 보정부;
    상기 보정된 자기장 수치, 상기 가속도 수치, 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 단말의 방향 정보를 생성하는 방향 정보 생성부;
    상기 가속도 수치를 기초로 상기 단말의 이동거리를 계산하는 이동거리 계산부; 및
    상기 이동거리, 상기 방향 정보, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 단말의 위치를 추정하는 제3 위치 추정부
    를 포함하는 이동 단말.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 단말의 위치를 추정하기 위하여 사용하는 측위 알고리즘은 입자 필터, 칼만 필터, 및 마르코프 위치 인식법 중 적어도 하나를 포함하는 이동 단말.
  9. 자기장 지도 기반 측위 시스템에서 이용되는 위치 추정 방법에 있어서,
    상기 측위 시스템의 대상 영역에 대한 자기장 지도와 관련된 정보를 획득하는 단계;
    상기 대상 영역에 포함된 적어도 하나의 단말의 위치에서 자기장 수치를 측정하는 단계;
    상기 적어도 하나의 단말의 가속도 수치 및 상기 적어도 하나의 단말의 자이로 수치를 측정하는 단계; 및
    상기 자기장 지도, 상기 자기장 수치, 상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계는
    상기 자이로 수치 및 상기 가속도 수치를 이용하여 상기 적어도 하나의 단말의 틸트(tilt) 오차를 계산하는 단계;
    상기 틸트 오차를 기초로 상기 자기장 수치를 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치에 대한 추정을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 틸트 오차는
    상기 적어도 하나의 단말의 피치(pitch), 상기 적어도 하나의 단말의 롤(roll), 및 상기 적어도 하나의 단말의 요(yaw)를 포함하는 위치 추정 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계는
    상기 가속도 수치 및 상기 자기장 수치를 이용하여 제1 방향 정보를 생성하는 단계;
    상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 제2 방향 정보를 생성하는 단계;
    상기 제1 방향 정보 및 상기 제2 방향 정보를 기초로 방향 정보 가중치를 설정하는 단계;
    상기 가속도 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 이동거리를 계산하는 단계; 및
    상기 이동거리, 상기 방향 정보 가중치, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치에 대한 추정을 수행하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방향 정보 가중치를 설정하는 단계는
    상기 제1 방향 정보의 변화량에서 상기 제2 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제2 방향 정보로 설정하고,
    상기 제2 방향 정보의 변화량에서 상기 제1 방향 정보의 변화량을 차감한 값이 미리 설정된 문턱 값보다 큰 경우 상기 방향 정보 가중치를 상기 제1 방향 정보로 설정하는 위치 추정 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계는
    상기 가속도 수치 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 자기장 수치를 보정하는 단계;
    상기 보정된 자기장 수치, 상기 가속도 수치, 및 상기 자이로 수치를 이용하여 상기 적어도 하나의 단말의 방향 정보를 생성하는 단계;
    상기 가속도 수치를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 이동거리를 계산하는 단계; 및
    상기 이동거리, 상기 방향 정보, 상기 자기장 수치 및 상기 자기장 지도를 기초로 상기 적어도 하나의 단말의 위치를 추정하는 단계
    를 포함하는 위치 추정 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중에서 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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