KR20160105628A

KR20160105628A - 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템

Info

Publication number: KR20160105628A
Application number: KR1020150028350A
Authority: KR
Inventors: 김옥영; 강한백; 안상희; 최병문; 이강우
Original assignee: 김옥영; 강한백; 최병문; 이강우; 안상희
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-07

Abstract

본 발명은 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법은, x,y,z 축 방향으로서의 가속도 값을 측정하는 가속도 센서를 구비한 스마트폰용 휴대용 단말기 및 건물 내부에 설치된 다수개의 비콘을 이용하여 실내 네비게이션 서비스를 제공하기 위한 이동거리와 위치 측정 방법에 있어서, GPS신호가 미치지 못하는 건물 내부의 전파음영지역에 휴대용 단말기가 진입하는 경우에 가속도센서가 활성화되면서 상기 휴대용 단말기의 가속도 센서에 의해 측정된 센서신호를 입력받는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 입력된 센서신호를 PDR(Pedestrian Dead Reckoning)알고리즘에 적용하여 휴대용 단말기의 위치를 측정하기 위한 디지털데이터신호로 변환하여 최신 가속도값으로 업데이트하는 제 2 단계; 상기 가속도값에서 중력값을 제거하는 고주파 필터링을 수행하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 중력값이 제거된 가속도값에서 노이즈 값을 제거하는 저주파 필터링을 수행하는 제 4 단계; 고주파 및 저주파 필터링과정을 거친 가속도값이 증가하고 감소하는 과정을 반복하는 경우에 가속도값이 제로가 되는 순간을 기준으로 하는 제로 크로싱 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음수를 측정하는 제 5 단계; 최대 가속도 값, 최소 가속도 값, 및 가속도 평균값 중 하나 이상의 가속도 값을 필요로 하는 보폭측정 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음길이를 측정하는 제 6 단계; 및 건물 내부에 설치된 상기 다수개의 비콘으로부터 전달되는 RSSI(Received Signal Strength Indication)값을 통하여 측위를 최종 보정하는 제 7 단계;를 포함한다.
따라서, 본 발명은, 휴대용 단말기에 내장되는 가속도 센서값을 필터링하고 걸음수 및 보폭을 정확하게 측정하는 알고리즘방법을 활용함으로써 실내에서 이동하는 경우에 이동거리와 위치를 측정할 수 있으며 동시에 경제성 높은 비콘을 활용하여 오차를 보정함으로써 저렴하면서도 정확한 실내 네비게이션 서비스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템 { DISTANCE AND POSITION MEASUREMENT METHOD WITH BEACON AND ACCELERATION SENSOR AND INDOOR POSITIONING SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 휴대용 단말기에 내장되는 가속도 센서값을 필터링하고 걸음수 및 보폭을 정확하게 측정하는 알고리즘방법을 활용함으로써 실내에서 이동하는 경우에 이동거리와 위치를 측정할 수 있으며 동시에 경제성 높은 비콘을 활용하여 오차를 보정함으로써 저렴하면서도 정확한 실내 네비게이션 서비스를 제공할 수 있는 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템에 관한 것이다.

최근 들어 이동통신기술이 발달하면서 이동통신시스템을 운용하여 다양한 부가서비스를 제공하는 이동통신 사업자가 늘어나고 있으며, 이러한 이동통신 사업자는 삼각측량법에 필요한 다수개의 이동통신 기지국을 이용하여 이동통신 휴대용 단말기의 위치를 추적하며 추적한 단말기의 위치를 기반으로 다양한 위치기반 서비스(Location Based Service: LBS)를 제공하고 있다.

그러나, 이와 같이 이동통신 기지국을 이용하는 종래기술에 따른 위치기반서비스는 휴대용 단말기의 대략적인 위치만을 측정할 수 있고 휴대용 단말기가 실제 위치하고 있는 지점을 정확하게 측정하지 못하는 문제점이 있었다.

이를 극복하기 위하여 최근에는 GPS(Global Positioning System)를 이용한 위치 추적시스템이 휴대용 단말기에 적용되어 각광을 받고 있는 추세이다.

이러한 GPS기술은 미 국방성에 의하여 최초로 개발되기 시작하여 1990년대 중반부터 본격적으로 서비스되기 시작한 기술로서, 시간이나 기상상태에 관계없이 지구 전역에서 사용가능한 이상적인 항법 시스템이다.

GPS기술은 초기에 상술한 바와 같이 군사적인 용도로 개발되었으나 그 경제성 및 유용성으로 인해 급속도로 민간용으로 확장되어 지금에 와서는 보편적인 항법시스템으로 자리잡고 있다.

예를 들어, 선박, 항공기, 자동차 등 각종 이동체에는 GPS기술을 적용하기 위하여 현재 위치와 이동속도를 확인하고 이동경로를 결정하기 위한 GPS측위장치가 탑재될 수 있었다.

이때, 상기 GPS측위장치는 여섯개의 중궤도에 위치하는 세 개 이상의 인공위성으로부터 위도,경도,고도 등을 측정하기 위한 전파를 수신하여 이동체의 현재 위치를 연산할 수 있으며, 여기서 연산된 결과는 네비게이션 장치와 같은 위치기반서비스를 위한 휴대용 단말기의 디스플레이에 출력될 수 있었다.

즉, 이러한 네비게이션 장치는 미리 저장된 지도정보에 GPS기술에 근거하여 연산된 이동체의 현재 위치정보를 합성하여 이동체의 위치뿐만 아니라 진행방향, 가고자하는 목적지까지의 거리, 현재속도, 이동전 설정한 경로, 도로, 정보, 및 목적지까지의 추천 경로등 주행에 필요한 각종 정보를 휴대용 단말기를 사용하는 사용자에게 제공할 수 있었다.

이와 같이, 종래의 위치기반서비스는 휴대용 단말기에 외부GPS모듈을 장착하여 단말기의 위치, 지리정보, 주변정보등을 결합시켜 제공하는 네비게이션 서비스를 제공하였으나 건물안이나 실내에 진입하는 경우에는 GPS신호의 수신율이 확연히 떨어지게 되어 네비게이션 서비스가 정상적으로 이루어지기 어려운 문제점이 있었다.

즉, 네비게이션 서비스를 제공하는 휴대용 단말기를 이용하는 사용자가 특정 위치를 찾아가는 경우에 아웃도어에서는 GPS신호를 이용한 네비게이션 서비스를 활용할 수 있었으나 현대식으로 재설계되어 내부구조가 복잡한 재래식시장과 같은 특정 건물내부에서는 GPS신호의 수신율이 저하되어 네비게이션 서비스를 제공받기 어려웠다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 제시된 종래기술로 와이파이(Wi-Fi)기술을 기반으로하는 실내 위치 추적기술이 있었다.

와이파이 기술을 기반으로 하는 실내 위치 추적기술은 추적대상을 태그로 정의하는 Cell-ID, 삼각측량법, 핑거프린트(Fingerprint) 기법이 존재한다.

여기서, Cell-ID 방식은 주변 액세스포인트(AP) 중에서 신호세기가 가장 큰 AP의 위치를 태그의 위치로 결정하는 방식이다. Cell-ID 방식은 구현은 단순하지만 측위 정밀도가 낮은편이다.

삼각측량법은 세 기준점의 좌표와 위치 측정대상이 되는 태그까지의 거리를 통해 실제 대상의 위치를 계산하는 방식이다. 삼각측량법은 높은 해상도를 제공할 수 있으나 다중경로 페이딩(multipath fading)과 같은 현상으로 위치 오차가 높아지고 보다 높은 정확성을 위하여 특수장치가 필요하다.

마지막으로, 핑거프린트 방식은 임의로 여러개의 위치를 선정하고 선정한 위치에서 수집한 신호세기 정보를 이용하여 위치를 추정하는 방식이다. 핑거프린트 방식은 세가지 와이파이기술을 이용한 기법중 가장 높은 정확성을 갖지만 유지보수 비용이 비싸고 구축대상공간의 크기가 커질수록 측위 속도가 느려질 수 있었다.

이와 같이, 와이파이기술을 이용한 종래기술은 구축비용이 증가하고 오차가 커서 실내에서의 휴대용 단말기를 대상으로 하는 측위방법에 적용하기에는 어려운 문제점이 있었다.

한편, 최근들어 건물이 대형화, 복잡화 되어감에 따라 실내 공간정보를 이용한 응용서비스에 대한 수요가 증가하는 추세에 있기 때문에 상술한 문제점을 해결할 수 있으면서 실내 공간정보에 대한 응용서비스를 제공하고자 하는 노력이 시도되고 있다.

따라서, 종래기술에 비해 구축비용을 절감하고 실내 위치정보에 대한 오차를 줄일 수 있어 실내 공간정보를 이용한 응용서비스에 대한 수요를 만족시킬 수 있는 현실적이고도 적용이 가능한 기술이 절실한 실정이다.

공개특허공보 제10-2012-0107236호(2012.10.02.)

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은, 휴대용 단말기에 내장되는 가속도 센서값을 필터링하고 걸음수 및 보폭을 정확하게 측정하는 알고리즘방법을 활용함으로써 대형화되고 복잡화된 건물의 실내에서 측정대상의 이동거리와 위치를 측정할 수 있으며 동시에 경제성 높은 비콘을 활용하여 오차를 보정함으로써 초기설치비용을 줄일 수 있으면서도 정확한 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법은, x,y,z 축 방향으로서의 가속도 값을 측정하는 가속도 센서를 구비한 스마트폰용 휴대용 단말기 및 건물 내부에 설치된 다수개의 비콘을 이용하여 실내 네비게이션 서비스를 제공하기 위한 이동거리와 위치 측정 방법에 있어서, GPS신호가 미치지 못하는 건물 내부의 전파음영지역에 휴대용 단말기가 진입하는 경우에 가속도센서가 활성화되면서 상기 휴대용 단말기의 가속도 센서에 의해 측정된 센서신호를 입력받는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 입력된 센서신호를 PDR(Pedestrian Dead Reckoning)알고리즘에 적용하여 휴대용 단말기의 위치를 측정하기 위한 디지털데이터신호로 변환하여 최신 가속도값으로 업데이트하는 제 2 단계; 상기 가속도값에서 중력값을 제거하는 고주파 필터링을 수행하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 중력값이 제거된 가속도값에서 노이즈 값을 제거하는 저주파 필터링을 수행하는 제 4 단계; 고주파 및 저주파 필터링과정을 거친 가속도값이 증가하고 감소하는 과정을 반복하는 경우에 가속도값이 제로가 되는 순간을 기준으로 하는 제로 크로싱 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음수를 측정하는 제 5 단계; 최대 가속도 값, 최소 가속도 값, 및 가속도 평균값 중 하나 이상의 가속도 값을 필요로 하는 보폭측정 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음길이를 측정하는 제 6 단계; 및 건물 내부에 설치된 상기 다수개의 비콘으로부터 전달되는 RSSI(Received Signal Strength Indication)값을 통하여 측위를 최종 보정하는 제 7 단계;를 포함할 수 있다.

상기 보폭측정 알고리즘은, 최대 가속도값과 최소 가속도 값의 차이를 식으로 도출한 웨인버그 방정식을 이용할 수 있다.

상기 휴대용 단말기는, 이동방향을 측정하기 위한 자기장 센서를 더 구비할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 실내 네비게이션 서비스가 가능한 실내 측위 시스템에 있어서, GPS신호가 잡히지 않는 건물내부의 전파음영지역에 설치되어 주기적으로 블루투스 기반의 비콘신호를 송출하며 서로 일정한 간격으로 이격된 위치에 배치되는 복수개의 비콘; 상기 복수개의 비콘으로부터 수신되는 비콘신호의 도달시간을 산출하여 현재의 위치를 보정하고 지도상의 아이콘으로 표시할 수 있는 어플리케이션을 구비하는 휴대용 단말기; 상기 어플리케이션에서 제공되는 위치기반서비스에 이용할 지도정보를 제공하기 위한 지도정보DB 서버; 및 상기 휴대용 단말기에 구비되는 어플리케이션을 배포하는 어플리케이션 서버;를 포함할 수 있다.

상기 복수개의 비콘은, 각각 고유식별번호를 부여받아 구분될 수 있으며, 지도상에 아이콘으로 표시되는 위치정보가 상기 복수개의 비콘 중 어느 특정 고유식별번호를 부여받은 비콘과 기설정된 기준값 이내의 거리만큼 가까워지는 경우에 상기 특정고유식별번호를 부여받은 비콘에 아이콘이 위치하는 것으로 표시되고 이동거리값이 초기화 될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은,휴대용 단말기에 내장되는 가속도 센서값을 필터링하고 걸음수 및 보폭을 정확하게 측정하는 알고리즘방법을 활용함으로써 실내에서 이동하는 경우에 이동거리와 위치를 정확하게 측정할 수 있는 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 복잡하고 대형화된 건물의 실내에 경제성 높은 비콘을 활용하여 설치하여 가속도센서를 이용하여 측정한 측위에 대한 오차를 용이하게 보정함으로써 저렴하면서도 정확한 실내 네비게이션 서비스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 저전력기반의 블루투스를 기반으로 하는 비콘을 사용함으로써 전력사용을 낮출 수 있어 제품운영 및 유지보수를 용이하게 하는 실내측위시스템을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 대부분의 스마트폰용 휴대용 단말기에 구비되는 가속도 센서를 활용하여 이동거리와 위치를 측정하는 경우에 고주파 필터링을 통해 중력값을 제거하고 저주파 필터링을 통해 노이즈값을 제거하는 알고리즘 방법을 제공함으로써 측정오차를 줄일 수 있기 때문에 휴대용 단말기에 별도의 센서를 부착하지 않더라도 측위의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 가속도 센서값을 이용하여 휴대용 단말기를 구비한 사용자의 걸음수와 걸음 길이를 측정할 수 있어 용이하게 측위를 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 최대 가속도값과 최소 가속도 값의 차이를 식으로 도출한 웨인버그 방정식을 이용한 보폭측정 알고리즘을 적용하여 높은 성능을 갖는 이동거리 및 측위방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 다수개의 비콘을 일정한 간격마다 설치함으로써 이동거리가 늘어날 경우에 오차가 증가하는 웨이버그 방식의 보폭측정 알고리즘에 따른 누적오차의 문제점을 해결하는 효과가 있다.

게다가, 본 발명은, 위치정보를 지도상의 아이콘으로 표시할 수 있는 어플리케이션을 구비하여 실내에서 사용자가 원하는 목적지로 길안내가 가능한 실내네비게이션 시스템을 제공하는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은, 다익스트라 알고리즘을 적용하여 가능한 모든 경로중 가장 최적의 경로를 사용하여 실내에서 목적지를 찾아갈 수 있는 실내네비게이션 시스템을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법을 나타내는 흐름도
도 2는 도 1에 도시된 흐름도 중 고주파 필터링과 저주파 필터링을 수행한 경우의 벡터합을 나타내는 도면
도 3은 걸음수를 측정하기 위하여 걸음에 따른 가속도센서값 그래프를 나타내는 도면
도 4는 걸음길이를 측정하기 위한 보폭 측정 알고리즘의 성능을 비교한 그래프를 나타내는 도면
도 5는 웨인버그 방정식을 적용한 보폭 측정 알고리즘을 이용한 측위성능과 비콘신호를 이용해 보정한 측위 성능을 비교한 그래프를 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건물 내부에 설치된 다수개의 비콘을 나타내기 위한 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 측위시스템을 개략적으로 나타내는 구성도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 단말기의 내부구성을 개략적으로 나타내는 구성도

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

본 발명의 실시예에 따른 측위시스템은 블루투스 통신을 가능하게 하는 기기인 비콘과 스마트폰의 센서를 사용하여 저비용의 높은 정확성으로 측위를 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 사용된 비콘은 사용자가 일정 범위 내에 존재하는지 여부를 파악하는 체크인 기능을 가지고 있으며 이러한 기능과 스마트폰의 가속도 센서를 활용하면 본 발명에 따라 사용자의 위치를 측위하거나 이동거리를 정확히 측정할 수 있다.

한편, 상기 비콘은 본 발명의 실시예에서 저전력 기반의 블루투스 4.0 기술인 BLE(Bluetooth Low Energy)를 기반으로 단말기간의 정보를 주고받을 수 있는 차세대 데이터 통신기술이다.

본 발명에 있어서, 상기 비콘은 BLE를 기반으로 하기 때문에 전력소모가 매우적으며, 최근 들어 체크인 기능과 결합하여 미술관에서 작품정보를 제공한다던지 매장에서 상품광고를 하거나 쿠폰을 발행하는 용도등으로 널리 이용되고 있다.

본 발명에 따른 측위시스템이 적용된 휴대용 단말기는 최근 들어 사용이 급증한 스마트폰으로서, 이러한 스마트폰에는 기기별로 일부 차이가 있으나 다양한 센서가 장착되어 있다.

본 발명에 사용된 센서는 주로 가속도 센서로서, 사용자가 이동하는 동안의 가속도 값과 걸음수를 계산하여 거리를 측정하는데 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 위치 및 이동거리 측정 알고리즘으로는 PDR(Pedestrian Dead Reckoning)방식의 알고리즘을 보완하기 위하여 가속도 센서값을 필터링하고 걸음 수 및 보폭을 정확하게 측정하는 방법을 활용하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법은, x,y,z 축 방향으로서의 가속도 값을 측정하는 가속도 센서를 구비한 스마트폰용 휴대용 단말기 및 건물 내부에 설치된 다수개의 비콘을 이용하여 실내 네비게이션 서비스를 제공하기 위한 이동거리와 위치 측정 방법에 관한 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 실내 네비게이션 서비스를 제공하기 위한 이동거리와 위치 측정 방법은, 가속도 센서신호 입력단계(S10), 가속도값 초기화 단계(S20), 고주파 필터링 단계(S30), 저주파 필터링 단계(S40), 걸음수 측정단계(S50), 걸음길이 측정단계(S60), 측위보정단계(S70)를 포함할 수 있다.

보다 상세하게는, 먼저, 상기 가속도 센서신호 입력단계(S10)는, GPS신호가 미치지 못하는 건물 내부의 전파음영지역에 휴대용 단말기가 진입하는 경우에 가속도센서가 활성화되면서 상기 휴대용 단말기의 가속도 센서에 의해 측정된 센서신호를 입력받는 제 1 단계일 수 있다.

다음으로, 상기 가속도값 초기화 단계(S20)는, 상기 제 1 단계에서 입력된 센서신호를 PDR(Pedestrian Dead Reckoning)알고리즘에 적용하고 휴대용 단말기의 위치를 측정하기 위한 디지털데이터신호로 변환하여 최신 가속도값으로 업데이트하는 제 2 단계일 수 있다.

다음으로, 상기 고주파 필터링 단계(S30)는, 상기 가속도값에서 중력값을 제거하는 고주파 필터링을 수행하는 제 3 단계일 수 있다.

다음으로, 상기 저주파 필터링 단계(S40)는, 상기 제 3 단계에서 중력값이 제거된 가속도값에서 노이즈 값을 제거하는 저주파 필터링을 수행하는 제 4 단계일 수 있다.

다음으로, 상기 걸음수 측정단계(S50)는, 고주파 및 저주파 필터링과정을 거친 가속도값이 제로가 되는 순간을 기준으로 하는 제로 크로싱 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음수를 측정하는 제 5 단계일 수 있다.

다음으로, 상기 걸음길이 측정단계(S60)는, 최대 가속도 값, 최소 가속도 값, 및 가속도 평균값 중 하나 이상의 가속도 값을 필요로 하는 보폭측정 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음길이를 측정하는 제 6 단계일 수 있다.

마지막으로, 상기 측위보정단계(S70)는, 건물 내부에 설치된 상기 다수개의 비콘으로부터 전달되는 RSSI(Received Signal Strength Indication)값을 통하여 측위를 최종 보정하는 제 7 단계일 수 있다.

후술하는 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 도 1에 도시된 흐름도 중 고주파 필터링과 저주파 필터링을 수행한 경우의 벡터합을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따르면 스마트폰과 같은 휴대용 단말기에 탑재되어 있는 가속도 센서는 3방향, 즉, x,y,z축 방향으로의 가속도 값을 측정할 수 있다. 그러나, 측정된 가속도 값에는 중력값과 노이즈값이 포함되어 이동거리를 계산하는데 있어서 오차를 발생시킬 수 있다.

따라서, 도 2와 같이 x,y,z 값의 벡터 합을 구하는 고주파 및 저주파 필터링을 순차적으로 수행하여 중력값과 노이즈값을 제거함으로써 이동거리 측정에 따른 오차를 줄일 수 있다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 필터링은 하기의 식 (1)을 통해 벡터 합으로 구한 스마트폰의 가속도 값에서 중력값을 제거할 수 있다.

(1)

식(1)은 고주파 필터링을 하는 방식을 나타내는 것으로, 여기서 α값은 적절한 상수값을 의미하는데 도 2에 제시한 결과 값은 0.01을 적용하여 계산하였다.

acc_new는 새로운 가속도 값을 의미하며, acc_HPavg는 이전에 구한 가속도 값을 의미하고, 이 두 계산값의 차를 통해 가속도 값에서 중력값을 제거할 수 있다.

다음으로, 저주파 필터링은 하기의 식 (2)를 이용하여 고주파 필터링을 통해 중력값을 제거한 가속도 값에서 노이즈 값을 제거하여 사용자의 걸음길이를 재기 위한 값을 제공할 수 있다.

(2)

식(2)에서 x[]는 고주파 필터링을 통한 값이며, y[]는 고주파 필터링을 통해 필터된 일정값의 평균을 계산한 값이다.

M값은 평균을 구하기 위한 일정한 x값의 개수를 의미하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 10을 적용하여 x값 10개의 평균을 구할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, ①번 그래프는 필터링 되지 않은 본래의 스마폰 가속도값을 의미하고, ②번 그래프는 고주파 필터링이 적용된 가속도 값이며, ③번 그래프는 저주파 필터링이 적용된 값으로서 여기서 적용된 값들은 후술하는 사용자 걸음길이를 측정하는데도 사용될 수 있다.

도 3은 걸음수를 측정하기 위하여 걸음에 따른 가속도센서값의 그래프를 나타내는 도면이다.

통상적으로 사람의 걸음은 50Hz로 얻어지는 가속도센서 값을 이용하여 인식할 수 있다. 사람의 걸음에 따라 도 3과 같이 가속도센서값이 증가와 감소를 반복하게 되는데, 여기서는 제로-크로싱 방법(Zero-Crossing Method)을 이용하여 가속도 값이 0이 되는 곳을 찾아서 그 사이의 시간동안을 한 번의 걸음수로 인식할 수 있다.

도 4는 걸음길이를 측정하기 위한 보폭 측정 알고리즘의 성능을 비교한 그래프를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에서, 사용자의 걸음길이를 측정하는 방법에는 세 가지가 제시되었다.

먼저, 웨인버그 어프로치 방식(Weinberg approach)은 사람이 걸었을 때의 수직움직임이 보폭(Step Length)과 비례한다고 가정하고 후술하는 식(3)과 같이 수직움직임의 최대값과 최소값의 차이를 식으로 도출하여 각 걸음의 길이를 구하는 방식이다.

(3)

위의 식 (3)에서 k값은 적절한 상수값을 의미하는데 본 발명의 실시예에서는 0.55를 적용하여 계산하였다.

상기 식 (3)에서 αmax값은 사용자가 한걸음 걷는 시간동안 최대 가속도 값을 의미하고, αmin값은 최소 가속도 값을 의미한다.

다음으로, 스칼렛 어프로치 방식(Scarlet Approach)은 다양한 사람들의 걸음에 따른 떨림이 각각 다른 점에 따라 일어나는 정확도 문제를 해결하기 위해 시도된 방법이다.

이 방법은 후술하는 식(4)와 같이 최대 가속도 값과 최소 가속도 값, 그리고, 각 보폭에 따른 가속도의 평균값 사이의 연관관계를 이용하여 각 걸음의 길이를 구하는 방법이다.

(4)

위의 식(4)에서 k값은 적절한 상수값을 의미하며, N은 평균 값을 구하기 위한 가속도 값의 개수를 의미한다.

αk는 가속도 값의 합을 뜻하고, αmax값은 사용자가 한 걸음 걷는 시간 동안 최대 가속도 값을 의미하고, αmin값은 최소 가속도 값을 의미한다.

마지막으로, 김 어프로치 방식(Kim approach)은 경험적 식으로 하기의 식(5)와 같이 걸음의 길이와 가속도의 평균값을 이용하여 각 걸음의 따른 길이를 구하는 방법이다.

(5)

위의 식 (5)에서 k값은 적절한 상수 값을 의미하며, N은 평균 값을 구하기 위한 가속도 값의 개수를 의미한다. 식(4)와 마찬가지로 αk는 가속도 값의 합을 뜻한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 조건의 환경에서 각 걸음의 길이를 계산한 실험결과 웨인버그 어프로치(Weinberg approach)방식의 성능이 가장 우수하게 나타난 것으로 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따라 보폭측정 알고리즘은, 최대 가속도값과 최소 가속도 값의 차이를 식으로 도출한 웨인버그 방정식을 이용할 수 있다.

도 5는 웨인버그 방정식을 적용한 보폭 측정 알고리즘을 이용한 측위성능과 비콘신호를 이용해 보정한 측위 성능을 비교한 그래프를 나타내는 도면이다.

가속도 센서를 통한 보폭 측정 알고리즘 중 도 4에서 상술한 웨인버그 어프로치 방식이 가장 높은 성능을 갖지만 이동 거리가 증가할수록 오차 또한 증가한다는 단점을 가지고 있다.

이런 문제점을 보완하기 위해 본 발명의 실시예에서는 비콘을 활용한 해결책을 제시하였다.

예를 들어, 사용자의 위치를 비콘으로부터 일정거리 이내에 있을 때에 비콘의 위치와 같은 것으로 간주한다.

비콘으로부터의 거리는 비콘이 전달한 RSSI(Received Signal Strength Indication) 값을 통해 계산할 수 있다.

RSSI값은 수신된 라디오 신호의 세기를 의미하며 비콘이 블루투스를 통해 전달한다. 어떤 비콘으로부터 수신된 RSSI 값이 일정한 임계치보다 크면 현재 위치가 그 비콘의 위치와 같다고 가정한다.(단, 그 임계치는 비콘으로부터 떨어진 거리가 같더라도 스마트폰의 기기마다 수신하는 RSSI값이 다르므로 기기마다 다르게 설정되어야 한다.)

본 발명의 실시예에서는 상기 임계치를 비콘으로부터 1m 이내에서만 수시된 RSSI값을 기준치로 설정한다.

즉, 측위는 비콘이 있는 위치에서부터 시작하며, 그 위치로부터 이동거리를 측정한다. 그리고, 이동 중 기준치보다 RSSI값이 높게 인식되는 비콘이 있는 경우 그 비콘의 위치를 사용자의 현재 위치인 것으로 인식하는 방식이다.

도면에 도시된 그래프는 도 4에서 상술한 웨인버그 방식과 비콘을 통한 성능을 측정한 결과를 나타낸다.

도 5의 실험환경은 직진 상의 거리(20m)를 기준으로 측정하였고, 10m 마다 비콘을 설치해 누적된 오차를 초기화 하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 웨인버그 어프로치(Weinberg approach)와 비콘을 결합한 성능이 기존의 웨인버그가 가진 누적오차의 문제점을 해결한 것을 알 수 있다.

도 6 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법을 이용한 실내 측위 시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건물 내부에 설치된 다수개의 비콘을 나타내기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 측위시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비콘과 가속도 센서를 활용한 실내 네비게이션 서비스가 가능한 실내 측위 시스템은, 복수개의 비콘(10), 휴대용 단말기(20), 지도정보DB서버(30), 측위서버(40), 및 어플리케이션 서버(50)를 구비할 수 있다.

보다 상세하게는, 상기 복수개의 비콘(10)은, GPS신호가 잡히지 않는 건물내부의 전파음영지역에 설치되어 주기적으로 블루투스 기반의 비콘신호를 송출하며 서로 일정한 간격으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.

이때, 본 발명의 실시예에서는 전력소모를 줄이기 위해 저전력기반의 블루투스 4.0기술을 적용한 것이 바람직하다.

또한, 상기 휴대용 단말기(20)는, 상기 복수개의 비콘(10)으로부터 수신되는 비콘신호의 도달시간을 산출하여 현재의 위치를 보정하고 지도상의 아이콘으로 표시할 수 있는 어플리케이션을 구비할 수 있다.

또한, 상기 지도정보DB 서버(30)는, 상기 어플리케이션에서 제공되는 위치기반서비스에 이용할 지도정보를 제공할 수 있으며, 상기 측위서버(40)는, 상기 휴대용 단말기의 어플리케이션에 표시되는 휴대용 단말기(20)의 위치를 보정하기 위하여 실시간으로 상기 휴대용 단말기(20)에게 상기 복수개의 비콘(10)위치를 제공할 수 있다.

이때, 상기 지도정보DB 서버(30)에 저장되는 지도정보는 그림형식이며 지도안에 있는 모든 목적지에 대한 정보를 포함하고 상기 목적지에 대한 정보는 이름, x,y,고유id값을 포함할 수 있으며, 상기 목적지에 대한 정보는 지도가 달라질때마다 업데이트 될 수 있다.

또한, 상기 어플리케이션 서버(50)는, 상기 휴대용 단말기(20)에 구비되는 어플리케이션을 배포하는 역할을 수행할 수 있다..

한편, 본 발명의 실시예에서, 상기 비콘(10)은 주기적으로 위치확인을 위한 비콘신호를 송출하며, 건물내부에 3 개 또는 4 개이상의 복수로 구성되고 서로 이격되어 설치될 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 비콘(10)은 실내의 벽, 기둥과 같은 실내 구조물에 임의로 설치되고 각 비콘의 위치(또는 좌표)는 미리 산출되어 상기 측위서버(40)에 저장되어 휴대용 단말기(20)에게 위치정보가 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서, 도 6에 도시된 복수개의 비콘(10)은, 각각 고유식별번호를 부여받아 구분되고 리스트 형식의 정보로 측위서버에 저장될 수 있으며, 지도상에 아이콘으로 표시되는 위치정보가 상기 복수개의 비콘(10) 중 어느 특정 고유식별번호를 부여받은 비콘과 기설정된 기준값 이내의 거리만큼 가까워지는 경우에 상기 특정고유식별번호를 부여받은 비콘에 아이콘이 위치하는 것으로 표시되고 이동거리값이 초기화 될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 단말기(20)는, 내장된 어플리케이션을 통해 현재 위치 인식, 목적지 검색, 경로탐색, 경로 안내의 4가지 기능을 제공할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 현재 위치 인식기능은 기 시작화면에서의 보정과 비콘의 탐지기능을 통해 현재 위치를 알 수 있으며, 아이콘으로 그 위치를 표시한다. 비콘에 가까워지면 아이콘을 해당 비콘의 위치로 이동하고 이동거리 값 초기화를 통해 정확도를 높일 수 있다.

다음으로, 목적지 검색기능은 메뉴 버튼을 통해 목적지를 탐색하고 해당하는 목적지를 검색할 수 있도록 하는 인터페이스이다. 맵서버에 저장된 데이터베이스를 검색하여 해당화면에 표시하게 되고 직접 입력과 리스트를 통한 선택을 통해 목적지를 선택할 수 있다. 이때, 출발지는 비콘의 가장 근접한 위치를 기준으로 자동 설정될 수 있다.

다음으로, 경로탐색기능은 현재 위치로부터 목적지까지의 가까운 경로를 탐색해 안내해주는 인터페이스이다. Dijkstra Algorithm(다익스트라 알고리즘)을 통해 최적의 경로를 탐색하게 되고 선을 통해 표시함으로써 길 안내 역할을 할 수 있다.

다음으로, 경로안내기능은 스마트 폰에 구비되는 센서와 비콘을 통해 실시간으로 사용자의 위치를 표시 및 한내하는 인터페이스이다. 최단 거리가 탐색되면 비콘과 비콘사이에는 가속도 센서(이동거리)와 자기장 센서(방향)를 통해 방향과 이동거리를 계산하여 실시간으로 사용자의 위치를 표시할 수 있게 되며, 목적지에 도착하게 될 경우에는 알림메시지를 통해 목적지 도착을 알릴 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상기 휴대용 단말기는 상술한 네가지 기능을 갖는 어플리케이션의 이용이 가능하며 비콘신호를 수신하기 위한 블루투스를 지원가능한 기기인 것이 바람직다.

상기와 같이, 본 발명은, 휴대용 단말기에 내장되는 가속도 센서값을 필터링하고 걸음수 및 보폭을 정확하게 측정하는 알고리즘방법을 활용함으로써 실내에서 이동하는 경우에 이동거리와 위치를 정확하게 측정할 수 있는 이동거리와 위치 측정 방법 및 이를 이용한 실내 측위 시스템을 제공하는 효과가 있다.

지금까지 본 발명에 대해서 상세히 설명하였으나, 그 과정에서 언급한 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 한정적인 것이 아님을 분명히 하고, 본 발명은 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 범위내에서, 균등하게 대처될 수 있는 정도의 구성요소 변경은 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.

1 : 가속도센서 2 : 자기장센서
10 : 비콘 20 : 휴대용단말기
30 : 맵정보DB서버 40 : 측위서버
50 : 애플리케이션 서버

Claims

x,y,z 축 방향으로서의 가속도 값을 측정하는 가속도 센서를 구비한 스마트폰용 휴대용 단말기 및 건물 내부에 설치된 다수개의 비콘을 이용하여 실내 네비게이션 서비스를 제공하기 위한 이동거리와 위치 측정 방법에 있어서,
GPS신호가 미치지 못하는 건물 내부의 전파음영지역에 휴대용 단말기가 진입하는 경우에 가속도센서가 활성화되면서 상기 휴대용 단말기의 가속도 센서에 의해 측정된 센서신호를 입력받는 제 1 단계;
상기 제 1 단계에서 입력된 센서신호를 PDR(Pedestrian Dead Reckoning)알고리즘에 적용하여 휴대용 단말기의 위치를 측정하기 위한 디지털데이터신호로 변환하여 최신 가속도값으로 업데이트하는 제 2 단계;
상기 가속도값에서 중력값을 제거하는 고주파 필터링을 수행하는 제 3 단계;
상기 제 3 단계에서 중력값이 제거된 가속도값에서 노이즈 값을 제거하는 저주파 필터링을 수행하는 제 4 단계;
고주파 및 저주파 필터링과정을 거친 가속도값이 증가하고 감소하는 과정을 반복하는 경우에 가속도값이 제로가 되는 순간을 기준으로 하는 제로 크로싱 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음수를 측정하는 제 5 단계;
최대 가속도 값, 최소 가속도 값, 및 가속도 평균값 중 하나 이상의 가속도 값을 필요로 하는 보폭측정 알고리즘을 이용하여 사용자의 걸음길이를 측정하는 제 6 단계; 및
건물 내부에 설치된 상기 다수개의 비콘으로부터 전달되는 RSSI(Received Signal Strength Indication)값을 통하여 측위를 최종 보정하는 제 7 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법
제 1 항에 있어서, 상기 보폭측정 알고리즘은,
최대 가속도값과 최소 가속도 값의 차이를 식으로 도출한 웨인버그 방정식을 이용한 것을 특징으로 하는 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법
제 1 항에 있어서, 상기 휴대용 단말기는,
이동방향을 측정하기 위한 자기장 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비콘과 가속도 센서를 활용한 이동거리와 위치 측정 방법
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 방법에 의하여 실내 네비게이션 서비스가 가능한 실내 측위 시스템에 있어서,
GPS신호가 잡히지 않는 건물내부의 전파음영지역에 설치되어 주기적으로 블루투스 기반의 비콘신호를 송출하며 서로 일정한 간격으로 이격된 위치에 배치되는 복수개의 비콘;
상기 복수개의 비콘으로부터 수신되는 비콘신호의 도달시간을 산출하여 현재의 위치를 보정하고 지도상의 아이콘으로 표시할 수 있는 어플리케이션을 구비하는 휴대용 단말기;
상기 어플리케이션에서 제공되는 위치기반서비스에 이용할 지도정보를 제공하기 위한 지도정보DB 서버; 및
상기 휴대용 단말기에 구비되는 어플리케이션을 배포하는 어플리케이션 서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 네비게이션 서비스가 가능한 실내 측위 시스템
제 4 항에 있어서, 상기 복수개의 비콘은,
각각 고유식별번호를 부여받아 구분될 수 있으며,
지도상에 아이콘으로 표시되는 위치정보가 상기 복수개의 비콘 중 어느 특정 고유식별번호를 부여받은 비콘과 기설정된 기준값 이내의 거리만큼 가까워지는 경우에 상기 특정고유식별번호를 부여받은 비콘에 아이콘이 위치하는 것으로 표시되고 이동거리값이 초기화되는 것을 특징으로 하는 실내 네비게이션 서비스가 가능한 실내 측위 시스템