KR20140006347A - 이동체의 위치 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로봇 등 이동체의 위치를 검출하는 시스템 및 방법으로서, 특히 수상(또는 지상) 환경 및 수중 환경에서 공히 이동체의 위치를 검출할 수 있는 위치 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 위치 검출 시스템 및 방법은 GPS, USBL 및 INS 방식의 장점을 모두 결합함으로써, 수상 및 수중 환경 모두에서 로봇의 위치를 정확하게 검출할 수 있고, 일시적인 수신 장애가 있는 경우에도 계속적인 위치 검출이 가능하면서도 위치 오차의 누적을 방지할 수 있다는 효과가 있다.

Description

이동체의 위치 검출 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING POSITION OF MOVING BODY}
본 발명은 로봇 등 이동체의 위치를 검출하는 시스템 및 방법으로서, 특히 수상(또는 지상) 환경 및 수중 환경에서 공히 이동체의 위치를 검출할 수 있는 위치 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수상 및 수중 환경에서 로봇 등 이동체의 자율 유영을 구현하기 위해서는 수상 및 수중 환경 모두에서 이동체의 위치를 검출할 수 있어야 한다. 일반적으로, 수상에서는 절대좌표를 얻을 수 있는 전역좌표계인 GPS(Global Positioning System)를 이용하여 위치를 검출한다. 수중에서는 GPS 신호를 받지 못하기 때문에, 상대좌표를 얻을 수 있는 INS(Inertial Navigation System)를 이용하여 위치를 검출한다. 또 다른 방법으로는, INS를 이용하는 대신에 수중 위치 검출을 위한 센서로써 초음파를 이용한 USBL(Ultra Short Base Line) 시스템을 사용할 수도 있다.
그러나, INS를 이용한 위치 검출은 오차가 누적되어 일정 시간이 지나면 신뢰도가 급격히 떨어지게 된다는 문제점이 있다. 또한, USBL 시스템은 수중 환경에서만 이용 가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 위치 오차의 누적을 회피할 뿐 아니라 수상 및 수중 환경에 걸쳐서 계속적으로 이용 가능하도록 INS와 DPS 및 USBL 방식의 각 장점만을 융합한 이동체의 위치 검출 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 위치 검출 시스템은 로봇의 위치를 검출하는 위치 검출 시스템에 있어서, GPS 위치 데이터를 출력하는 GPS 유닛; USBL 위치 데이터를 출력하는 USBL 유닛; 상기 GPS 위치 데이터와 상기 USBL 위치 데이터를 수신하여 상기 로봇의 위치가 수상인지 수중인지를 판별하되, 상기 로봇의 위치가 수상이면 상기 GPS 위치 데이터를 출력하고 수중이면 상기 USBL 위치 데이터를 출력하는 판별부; 초기값을 기초로 INS 위치 데이터를 출력하는 INS 유닛; 및 상기 판별부의 판별에 따라 출력된 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 상기 INS 유닛으로부터 출력된 상기 INS 위치 데이터로부터 상기 로봇의 위치를 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 판별부는 상기 GPS 위치 데이터에 3D 픽스(fix) 정보가 포함된 경우 상기 로봇의 위치를 수상으로 판별하여 상기 GPS 위치 데이터를 출력하는 것이 바람직하다.
상기 판별부가 상기 GPS 위치 데이터를 출력하는 경우, 상기 제어부는 상기 GPS 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 GPS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
상기 판별부가 상기 USBL 위치 데이터를 출력하는 경우, 상기 제어부는 상기 USBL 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 INS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 상기 INS 위치 데이터를 입력으로 하는 칼만 필터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 칼만 필터는 무향 칼만 필터를 포함하는 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 위치 검출 방법은, 로봇의 위치를 검출하는 위치 검출 방법에 있어서, (a) GPS 위치 데이터 및 USBL 위치 데이터 중 어느 하나를 수신하여 상기 로봇의 위치가 수상인지 수중인지를 판별하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 판별된 상기 로봇의 위치가 수상이면 상기 GPS 위치 데이터를 출력하고, 수중이면 상기 USBL 위치 데이터를 출력하는 단계; (c) 초기값을 기초로 INS 위치 데이터를 출력하는 단계; 및 (d) 상기 (b) 단계에서 출력된 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중의 어느 하나와 상기 (c) 단계에서 출력된 상기 INS 위치 데이터로부터 상기 로봇의 위치를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 GPS 위치 데이터에 3D 픽스(fix) 정보가 포함된 경우 상기 로봇의 위치를 수상으로 판별하여 상기 GPS 위치 데이터를 출력하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계에서, 상기 GPS 위치 데이터가 출력되는 경우 상기 GPS 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 GPS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계에서, 상기 USBL 위치 데이터가 출력되는 경우 상기 USBL 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 INS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계에서, 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 상기 INS 위치 데이터를 칼만 필터에 의하여 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것이 바람직하다.
상기 칼만 필터는 무향 칼만 필터인 것이 더 바람직하다.
본 발명에 따른 위치 검출 시스템 및 방법은 GPS, USBL 및 INS 방식의 장점을 모두 결합함으로써, 수상 및 수중 환경 모두에서 이동체의 위치를 정확하게 검출할 수 있고, 일시적인 수신 장애가 있는 경우에도 계속적인 위치 검출이 가능하면서도 위치 오차의 누적을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 구성 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 시스템을 도시하는 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 방법을 도시하는 플로우 차트.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 위치 검출 시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 구성 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이동 로봇 등의 이동체는 자신의 위치를 검출하기 위한 제반 신호들인 GPS 신호를 수신하거나(이동 로봇이 수상에 있는 경우), USBL 신호를 송수신한다(이동 로봇이 수중에 있는 경우).
본 발명에 따른 위치 검출 시스템은 위 신호들 중에서 GPS 신호와 USBL 신호를 구별하여, GPS 신호가 수신된 경우(즉, 이동 로봇이 수상에 있는 경우)에는 GPS 신호에 포함된 GPS 데이터를 GPS 기반으로 INS 데이터와 융합하여 위치 데이터를 생성한다. USBL 신호가 수신된 경우(즉, 이동 로봇이 수중에 있는 경우)에는 USBL 신호에 포함된 USBL 데이터를 INS 기반으로 INS 데이터와 융합하여 위치 데이터를 생성한다. 데이터의 융합에 있어서는 예컨대 칼만 필터 등의 융합 필터를 이용할 수 있고, 특히 무향 칼만 필터를 이용하는 것이 바람직하다.
도 1은 이동 로봇이 예시되어 있지만, 본 발명은 예컨대 AUV(Autonomous Underwater Vehicle) 등 수상(또는 지상) 및 수중 환경에 걸쳐서 이동하는 이동체에 대하여 널리 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 시스템에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 시스템을 도시하는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 위치 검출 시스템(100)은 GPS 신호를 수신하여 GPS 위치 데이터를 출력하는 GPS 유닛(110); USBL 신호를 수신하여 USBL 위치 데이터를 출력하는 USBL 유닛(120); 초기값을 기초로 INS 위치 데이터를 출력하는 INS 유닛(130); 및 GPS 위치 데이터 및 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 INS 위치 데이터를 기초로 최종 위치 데이터를 출력하는 위치 검출 유닛(140)을 포함한다.
위치 검출 유닛(140)은 판별부(142)와 제어부(144)를 포함한다. 판별부(142)는 GPS 위치 데이터와 USBL 위치 데이터를 수신하여 로봇의 위치가 수상인지 수중인지를 판별하되, 로봇의 위치가 수상이면 GPS 위치 데이터를 출력하고 수중이면 USBL 위치 데이터를 출력한다. 제어부(144)는 판별부(142)의 판별에 따라 출력된 GPS 위치 데이터 및 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 INS 유닛(130)으로부터 출력된 INS 위치 데이터로부터 로봇의 위치를 검출한다. 도시된 예에서, 제어부(144)는 데이터 융합에 이용되는 융합 필터로서 칼만 필터(146)를 포함한다. 더 바람직하게는, 칼만 필터(146)는 무향 칼만 필터를 포함한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 위치 검출 시스템(100)의 동작에 대해 상세히 설명한다.
우선, 이동체가 수상에 있는 경우, GPS 유닛(110)은 위성 등으로부터 GPS 신호를 수신하여 수상에서 이동체의 위치를 나타내는 GPS 위치 데이터를 출력한다. 또한, INS 유닛(130)은 이동체의 초기 위치 및 초기 속도를 나타내는 초기값을 입력받아 INS 위치 데이터를 출력한다. 위치 검출 유닛(140)은 GPS 유닛(110)으로부터 GPS 위치 데이터를, INS 유닛(130)으로부터 INS 위치 데이터를 입력받아 최종 위치 데이터를 출력한다. 이 최종 위치 데이터가 이동체의 현재 위치를 나타낸다.
이동체가 수상에 있는 경우에 대하여 위치 검출 유닛(140)의 동작을 더 상세하게 설명하면 다음과 같다. 판별부(142)는 GPS 유닛(110)으로부터 GPS 위치 데이터를 수신한다. GPS 유닛(110)은 자신의 위치가 3D 픽스(fix)된 경우 3D 픽스를 표시하는 데이터를 GPS 위치 데이터에 포함시켜 출력한다. 판별부(142)는 이에 따라 이동체의 위치가 수상이라고 판별하고 GPS 위치 데이터를 출력한다. 제어부(144)는 판별부(142)로부터 GPS 위치 데이터를, INS 유닛(130)으로부터 INS 위치 데이터를 수신하여 이를 GPS 기반으로 융합함으로써 융합 데이터를 생성하고, 이를 기초로 로봇의 위치를 검출함으로써 최종 위치 데이터를 출력한다.
여기서, "GPS 기반으로 융합"한다는 것의 의미는 다음과 같다. 예컨대, GPS 위치 데이터는 약 1Hz의 빈도로 출력되고, INS 위치 데이터는 약 20Hz의 빈도로 출력될 수 있다. 이와 같이 GPS 위치 데이터와 INS 위치 데이터는 그 출력의 빈도가 상이하다. 따라서, 두 데이터를 융합하기 위하여는 위치 정보의 빈도를 조정하는 과정이 필요한 바, "GPS 기반으로 융합"한다는 것은 위치 정보의 빈도를 GPS 위치 데이터를 기준으로 하여 조정함으로써 융합한다는 의미이다. 이와 마찬가지로, 이하의 설명 중 USBL 위치 데이터와 INS 위치 데이터를 "INS 기반으로 융합"한다는 것은 위치 정보의 빈도를 INS 위치 데이터를 기준으로 하여 조정함으로써 융합한다는 의미이다.
이하에서는, 이동체가 수중에 있는 경우의 동작에 대하여 상세히 설명한다. USBL 유닛(120)은 수중에서 USBL 신호를 수신하여 이동체의 수중 위치를 나타내는 USBL 위치 데이터를 출력한다. INS 유닛(130)은 초기값을 기초로 INS 위치 데이터를 출력한다. 위치 검출 유닛(140)은 USBL 유닛(120)으로부터 USBL 위치 데이터를, INS 유닛(130)으로부터 INS 위치 데이터를 수신하여 최종 위치 데이터를 출력한다. 이 최종 위치 데이터가 이동체의 현재 위치를 나타낸다.
이동체가 수중에 있는 경우에 대하여 위치 검출 유닛(140)의 작동을 더 세부적으로 설명하면 다음과 같다. 판별부(142)는 USBL 유닛(120)으로부터 USBL 위치 데이터를 수신한다. USBL 데이터는 수중에서만 수신할 수 있으므로, USBL 데이터가 수신된다면 이동체의 위치가 수중임을 알 수 있다. 판별부(142)는 이에 따라 USBL 위치 데이터를 출력한다. 제어부(144)는 판별부(142)로부터 USBL 위치 데이터를, INS 유닛(130)으로부터 INS 위치 데이터를 수신하여 이를 INS 기반으로 융합함으로써 융합 데이터를 생성하고, 이를 기초로 로봇의 위치를 검출함으로써 최종 위치 데이터를 출력한다.
전술한 실시예에서, GPS 위치 데이터는 수상에서 이동체의 초기 위치 등을 나타내는 GPS 초기 데이터를, USBL 위치 데이터는 수중에서 이동체의 초기 위치 등을 나타내는 USBL 초기 데이터를 각 포함하되, 이동체가 수상에 있는 경우에는 GPS 초기 데이터를 전술한 INS 유닛(130)의 초기값으로 하고, 이동체가 수중에 있는 경우에는 USBL 초기 데이터를 전술한 INS 유닛(130)의 초기값으로 하여도 좋다. 또는 초기값을 본 시스템의 운영자가 INS 유닛(130)에 입력하거나 다른 방식으로 입력하여도 좋다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 방법을 도시하는 플로우 차트이다.
먼저, GPS 위치 데이터 및 USBL 위치 데이터를 수신한다(S100). 그리고, S100 단계에서 수신된 데이터를 기초로 하여 이동체의 위치가 수상인지 수중인지를 판별한다(S110). 구체적으로, GPS 위치 데이터를 수신한 경우에는 이동체의 위치를 수상으로, USBL 위치 데이터를 수신한 경우에는 이동체의 위치를 수중으로 판별한다. S110 단계에서, 수신된 GPS 위치 데이터가 유효한 위치 데이터로 판정되었을 때, 즉 3D 픽스(fix)된 데이터일 때 로봇의 위치를 수상으로 판별하는 것으로 하여도 좋다.
S110 단계에서 이동체의 위치가 수상으로 판별되면 GPS 위치 데이터를 출력한다(S120). 그리고, 이동체의 초기 위치 및 초기 속도를 나타내는 초기값을 입력받아 INS 위치 데이터를 출력한다(S140). 다음으로, S120 단계에서 출력된 GPS 위치 데이터 및 S140 단계에서 출력된 INS 위치 데이터를 기초로 하여 로봇의 위치를 검출하고(S150), 프로세스를 종료한다.
S150 단계에서, GPS 위치 데이터와 INS 위치 데이터를 GPS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 이 융합 데이터를 기초로 로봇의 위치를 검출하는 것으로 하여도 좋다. 또한, GPS 위치 데이터와 INS 위치 데이터를 칼만 필터에 의하여 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 이 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우 칼만 필터로서 무향 칼만 필터를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, S110 단계에서 이동체의 위치가 수중으로 판별되면 USBL 위치 데이터를 출력한다(S130). 그리고, 이동체의 초기 위치 및 초기 속도를 나타내는 초기값을 입력받아 INS 위치 데이터를 출력한다(S140). 다음으로, S130 단계에서 출력된 USBL 위치 데이터 및 S140 단계에서 출력된 INS 위치 데이터를 기초로 하여 로봇의 위치를 검출하고(S160), 프로세스를 종료한다.
S160 단계에서, USBL 위치 데이터와 INS 위치 데이터를 INS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 이 융합 데이터를 기초로 로봇의 위치를 검출하는 것으로 하여도 좋다. 또한, USBL 위치 데이터와 INS 위치 데이터를 칼만 필터에 의하여 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 이 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우 칼만 필터로서 무향 칼만 필터를 이용하는 것이 바람직하다.
S140 단계에서, 이동체가 수상에 있는 경우에는 GPS 위치 데이터에 포함된 초기 위치 데이터를 전술한 초기값으로 하고, 이동체가 수중에 있는 경우에는 USBL 위치 데이터에 포함된 초기 위치 데이터를 전술한 초기값으로 하여도 좋다(다만, 이 경우에는 S140 단계는 S120 단계 및 S130 단계 이후에 수행되어야 할 것이다). 또는 초기값을 본 시스템의 운영자가 입력하거나 다른 방식으로 입력하여도 좋다.
전술한 실시예에서, S140 단계는 S100 단계 이전 또는 그와 동시에 수행되거나, S100 단계 이후 S150 단계 및 S160 단계 이전인 임의의 시점에서 수행되더라도 무방하다.
편의상 수상 및 수중을 이동 범위로 하는 이동체에 대해서만 설명하였지만, 본 발명은 지상 및 수중을 이동 범위로 하거나 수상, 지상 및 수중을 이동 범위로 하는 이동체에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 따라서, 본 명세서 내의 "수상"은 "지상"으로 변경하거나 "수상 및 지상"으로 변경하여도 좋다.
100 위치 검출 시스템 110 GPS 유닛
120 USBL 유닛 130 INS 유닛
140 위치 검출 유닛 142 판별부
144 제어부 146 칼만 필터

Claims (12)

  1. 로봇의 위치를 검출하는 위치 검출 시스템에 있어서,
    GPS 위치 데이터를 출력하는 GPS 유닛;
    USBL 위치 데이터를 출력하는 USBL 유닛;
    상기 GPS 위치 데이터와 상기 USBL 위치 데이터를 수신하여 상기 로봇의 위치가 수상인지 수중인지를 판별하되, 상기 로봇의 위치가 수상이면 상기 GPS 위치 데이터를 출력하고 수중이면 상기 USBL 위치 데이터를 출력하는 판별부;
    초기값을 기초로 INS 위치 데이터를 출력하는 INS 유닛; 및
    상기 판별부의 판별에 따라 출력된 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 상기 INS 유닛으로부터 출력된 상기 INS 위치 데이터로부터 상기 로봇의 위치를 검출하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판별부는 상기 GPS 위치 데이터에 3D 픽스(fix) 정보가 포함된 경우 상기 로봇의 위치를 수상으로 판별하여 상기 GPS 위치 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판별부가 상기 GPS 위치 데이터를 출력하는 경우, 상기 제어부는 상기 GPS 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 GPS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 판별부가 상기 USBL 위치 데이터를 출력하는 경우, 상기 제어부는 상기 USBL 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 INS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 상기 INS 위치 데이터를 입력으로 하는 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 칼만 필터는 무향 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 시스템.
  7. 로봇의 위치를 검출하는 위치 검출 방법에 있어서,
    (a) GPS 위치 데이터 및 USBL 위치 데이터를 수신하여 상기 로봇의 위치가 수상인지 수중인지를 판별하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 판별된 상기 로봇의 위치가 수상이면 상기 GPS 위치 데이터를 출력하고, 수중이면 상기 USBL 위치 데이터를 출력하는 단계;
    (c) 초기값을 기초로 INS 위치 데이터를 출력하는 단계; 및
    (d) 상기 (b) 단계에서 출력된 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중의 어느 하나와 상기 (c) 단계에서 출력된 상기 INS 위치 데이터로부터 상기 로봇의 위치를 검출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 GPS 위치 데이터에 3D 픽스(fix) 정보가 포함된 경우 상기 로봇의 위치를 수상으로 판별하여 상기 GPS 위치 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 GPS 위치 데이터가 출력되는 경우 상기 GPS 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 GPS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 USBL 위치 데이터가 출력되는 경우 상기 USBL 위치 데이터와 상기 INS 데이터를 INS 기반으로 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 GPS 위치 데이터 및 상기 USBL 위치 데이터 중 어느 하나와 상기 INS 위치 데이터를 칼만 필터에 의하여 융합하여 융합 데이터를 생성하고, 상기 융합 데이터를 기초로 상기 로봇의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 칼만 필터는 무향 칼만 필터인 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.
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