KR20180061078A - 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 수신 안테나를 가지는 레이터 시스템에서 표적의 각도를 추정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템은 태그와 앵커간의 통신 결과 획득된 거리 정보를 수집하여 정보 메시지를 생성하고, 정보 메시지를 기정의된 릴레이 경로에 따라 전송하는 마스터 앵커 및 정보 메시지를 수신하고 앵커의 위치 정보 및 거리 정보를 이용하여 태그의 위치를 추정하는 위치 추정 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ESTIMATING POSITION OF WORKER IN INDOOR WORKSPACE BASED ON SERVER}
본 발명은 건설 현장 내부, 선박 및 플랜트 내부 등의 작업 현장에서 작업자의 위치를 추정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
건설 현장 내부, 선박 및 플랜트 내부와 같은 실내 작업장의 경우, 작업장 내 작업자들의 사고 방지 및 인력 관리를 위해 작업자 위치 추정이 중요하다.
종래 기술에 따른 GPS는 음영 지역 발생에 의해, 실내 작업자 위치 추정에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 서버 기반의 멀티 홉 릴레이 UWB를 이용한 작업자 위치 추정 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템은 태그와 앵커간의 통신 결과 획득된 거리 정보를 수집하여 정보 메시지를 생성하고, 정보 메시지를 기정의된 릴레이 경로에 따라 전송하는 마스터 앵커 및 정보 메시지를 수신하고 앵커의 위치 정보 및 거리 정보를 이용하여 태그의 위치를 추정하는 위치 추정 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법은 앵커와 태그 간의 거리 정보를 획득하는 단계와, 거리 정보를 릴레이 전송하는 단계 및 거리 정보를 이용하여 태그의 위치 정보를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템 및 그 방법은 건설 현장 내부, 선박 및 플랜트 내부와 같은 실내 작업 현장에서 Wi-Fi와 같은 별도의 통신 장비가 설치되기 전의 시점에서도, 작업을 수행하는 작업자의 위치를 파악함으로써, 작업자의 위치 모니터링이 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법의 내부 데이터 시간 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법에서 메시지 및 TOSS 송수신 절차를 나타내는 도면이다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 이하에서는 당업자의 이해를 돕기 위하여 본 발명이 제안된 배경을 먼저 살펴보기로 한다.
건설현장 내부, 선박 및 플랜트 내부와 같은 실내 작업장의 경우, 작업장 내 작업자들의 사고 방지 및 인력 관리를 위해 작업자 위치 추정이 중요하다.
객체의 위치를 추정하는 기술에 대하여는 레이더, 라이다, GPS 등을 이용한 다양한 방식이 제안되었는데, 레이더, 라이다 등은 그 장비가 고가여서 적용의 한계가 있으며, 실내 작업장은 GPS 음영지역이므로 GPS를 이용한 위치 추적 적용이 어려운 문제점이 있다.
종래 기술에 따르면 Wi-Fi AP(Access Point)를 설치함으로써 실내에서 객체의 위치를 추정하는 기술이 제안되었으나, 작업의 진행에 따라 그 설치가 용이하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 건설 현장 내부, 선박 및 플랜트 내부 등의 작업 현장에서 Wi-Fi와 같은 별도의 통신 장치가 설치되어 지기 전, 실내 작업장에서 작업을 수행하는 작업자의 위치를 서버 기반의 멀티 홉 릴레이 UWB를 이용하여 추정하는 시스템 및 방법을 제안한다.
UWB(Ultra Wide Band)는 일반적으로 시설물에 부착되는 3대 이상의 앵커 및 작업자에게 부착되는 태그를 기반으로, 앵커 및 태그 간의 전파 도달 시간을 이용하여 거리 정보를 산출하고, 그로부터 작업자의 위치를 추정하는 방식을 채택한다.
그런데, 건설 현장 내부, 선박 및 플랜트 내부와 같은 실내 작업장의 경우, 앵커의 설치 자체가 용이하지 않고, 앵커가 많이 설치될 경우 설치에 따른 비용이 증가하는 문제점이 있어, 부착되는 앵커의 수를 줄일 필요가 있다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템은 앵커(구체적으로는 후술하는 구획별 마스터앵커)간의 멀티 홉 릴레이를 통해, 측정된 태그와 앵커들의 거리 정보를 서버로 전송하고, 서버에서는 이를 이용하여 작업자의 위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 제1 구역(10)에 UWB 앵커(100a 내지 100c) 및 UWB 마스터 앵커(100m-1)가 배치되고, 제2 구역(20)에 UWB 앵커(100d 내지 100f) 및 UWB 마스터 앵커(100m-2)가 배치된다.
이하에서는, 제1 구역(10)에 배치된 UWB 마스터 앵커(100m-1)를 제1 UWB 마스터 앵커(100m-1)로, 제2 구역(20)에 배치된 UWB 마스터 앵커(100m-2)를 제2 UWB 마스터 앵커(100m-2)로 지칭한다.
UWB 앵커(100a 내지 100f)는 TWR(Two-Way-Ranging) 기법으로, UWB 태그(200a, 200b)를 포함하며 작업자가 소지하는 이동기기와의 거리를 측정하기 위해, 실내 작업장 내부에 설치된다.
UWB 앵커(100a 내지 100f)는 실내 작업장 내부에 부착되는데, 부착된 위치의 좌표 정보는 실내 작업 현장의 도면 정보에 기반하여 부여된다.
UWB 태그(200a, 200b)는 UWB 앵커(100a 내지 100f)와의 거리 정보를 측정하는 구성으로, UWB 앵커(100a 내지 100f)와의 통신을 통해 UWB 앵커와 자신 간의 거리를 측정하여 제공한다.
UWB 마스터 앵커(100m-1, 100m-2)는 UWB 태그로부터 거리 정보를 수신할 수 있으며, UWB 앵커로부터 거리 정보를 수신하는 것 역시 가능하다.
제1 UWB 마스터 앵커(100m-1)는 제 1 구역(10) 내에 배치된 UWB 앵커(100a 내지 100c)와 UWB 태그(200a)와의 거리 정보를 수집하고, 주변의 다른 마스터 앵커(제2 UWB 마스터 앵커, 100m-2)로 수집된 정보를 전달한다.
즉, UWB 마스터 앵커는 해당 구역 내에 위치한 UWB 태그로부터 거리 정보를 수신하고 이를 다른 구역의 UWB 마스터 앵커로 멀티홉 릴레이하여 전송한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1 UWB 마스터 앵커(100m-1)는 제1 구역의 UWB 태그와 관련한 거리 정보를 제2 UWB 마스터 앵커(100m-2)로 멀티홉 릴레이하여 전송하고, 제2 UWB 마스터 앵커(100m-2)는 이를 위치 추정 서버(300)의 UWB 정보 수집 모듈(310)로 전송한다.
도 1은 당업자의 이해를 돕기 위해 제1 구역, 제2 구역만을 도시한 것이나, 위치 추정 서버와의 통신 거리를 기반으로, UWB 마스터 앵커들의 배치가 정의되며, 이러한 배치는 홉 수를 고려하여 결정된다.
전달되는 정보 메시지의 포맷은 수집 시간을 기준으로, UWB 마스터앵커(100m-1, 100m-2)의 ID, UWB 태그(200a, 200b)의 ID, UWB 앵커(100a 내지 100f)의 ID 및 거리 정보 형태로 묶여지며, 전술한 바와 같이 멀티 홉이 진행되면 동일한 형식의 데이터들이 정보 메시지의 뒤쪽에 반복하여 붙여진다.
즉, 각각의 UWB 마스터 앵커(100m-1, 100m-2)는 실내 작업장 내 에서 라우터와 같이 릴레이 역할을 하여, 송신 노드(제1 UWB 마스터 앵커, 100m-1)와 멀리 떨어진 수신 노드(위치 추정 서버, 300)와의 가상 링크를 연결하여 정보를 전달하는 것이다.
UWB 마스터 앵커(예: 100m-1)는 작업장에서 부착되는 위치가 정의되는 바, 위치 추정 서버(300)까지의 멀티 홉 릴레이 경로가 미리 설정되므로, 자신이 수집한 정보를 전달할 인접 UWB 마스터 앵커(예: 100m-2) 에 대한 ID 정보를 미리 알고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 위치 추정 서버(300)는 UWB 정보 수집 모듈(310), 맵 정보 관리 모듈(320) 및 위치 추정 모듈(330)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 UWB 정보 수집 모듈(310)은 기정의된 정보 메시지의 포맷에 따라, UWB 마스터앵커 별로 분류하여, 해당 작업자의 위치 정보 산출이 가능하도록 분류한다.
본 발명의 실시예에 따른 맵 정보 관리 모듈(320)은 실내 작업장의 도면과 실내 작업장에 배치된 UWB 앵커(100a 내지 100f)들의 위치 정보를 매칭하여, 매칭 정보를 위치 추정 모듈(330)에 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 위치 추정 모듈(330)은 UWB 앵커들과의 거리 측정 시간을 기준으로, UWB 앵커(100a 내지 100f)의 위치 정보 및 UWB 태그(200a, 200b)와의 거리 정보를 이용하여 UWB 태그(200a, 200b)의 위치를 산출하여 작업자의 위치를 추정한다.
도 1은 각 구역별로 하나의 UWB 태그가 존재하는 경우를 가정하여 설명한 것이나, 하나의 구역에 복수의 UWB 태그가 존재하여, 그 거리 정보가 수집되는 것 역시 가능하다.
이 때, UWB 마스터 태그는 기정의된 정보 메시지의 길이에 따라서, 하나의 정보 메시지에 복수의 UWB 태그의 거리 정보와 관련한 데이터를 전송할 수도 있고, 각각의 정보 메시지로 UWB 태그의 거리 정보 관련 데이터를 분할하여 전송하는 것 역시 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법을 나타내는 순서도이다.
UWB 앵커와 UWB 태그간의 통신에 의해, UWB 앵커와 UWB 태그 간의 거리 정보가 산출되고, 거리 정보는 제1 UWB 마스터 앵커로 수집된다(S100).
제1 UWB 마스터 앵커는 위치 정보 서버와의 통신 거리를 기반으로 결정된 경로에 따라, 인접한 다른 UWB 마스터 앵커인 제2 UWB 마스터 앵커로 자신이 수집한 거리 정보를 전달한다(S200).
위치 추정 서버는 제2 UWB 마스터 앵커로부터 거리 정보를 수신하고, UWB 앵커들의 위치 정보와 실내 작업자의 도면 정보를 이용하여 UWB 태그의 위치를 산출한다(S300).
S100 단계는 실내 작업장의 구획별로 배치된 UWB 앵커와 해당 구획에 위치하는 UWB 태그간의 거리 정보를 수집하는 단계이다.
UWB 앵커는 실내 작업장의 도면 정보에 기반하여, 자신의 위치 좌표를 부여받는다.
UWB 앵커와 UWB 태그 간의 거리 정보는 제1 UWB 마스터 앵커로 전송되며, UWB 마스터 앵커는 각 구획별로 적어도 1개 이상 배치된다.
S200 단계에서, 제1 UWB 마스터 앵커는 수집한 거리 정보에 대해, 기정의된 포맷으로 정보 메시지를 생성하여 이를 인접한 다른 UWB 마스터 앵커, 즉 제2 UWB 마스터 앵커로 전송한다.
이 때, 각 구획별 UWB 마스터 앵커들은 위치 추정 서버까지의 멀티 홉 릴레이 경로가 미리 설정됨에 따라, 자신이 정보 메시지를 전달할 다른 UWB 마스터 앵커들의 ID 정보를 기획득하여 저장한다.
정보 메시지의 포맷은 수집 시간을 기준으로 한 마스터 앵커 ID, UWB 태그 ID, UWB 앵커 ID 및 거리 정보 형태로 묶이며, 멀티 홉 릴레이 전송이 수행됨에 따라, 동일한 형식의 데이터들이 정보 메시지의 포맷의 후단에 반복하여 붙여진다.
즉, S200 단계에서 각 UWB 마스터 앵커들은 기설정된 멀티홉 릴레이 경로에 따라 멀티 홉 릴레이 전송하여, 위치 추정 서버로 정보 메시지를 전달한다.
S300 단계는 위치 추정 서버가 수집된 정보 메시지를 이용하여 UWB 태그, 즉 작업자의 위치를 추정하는 단계이다.
S300 단계에서, 기정의된 정보 메시지의 포맷에 따라, 각각의 UWB 마스터 앵커 별로 수집된 정보 메시지를 분류하여, 위치 정보 산출이 가능하도록 한다.
S300 단계에서, 실내 작업장의 도면 정보와 작업장에 배치된 UWB 앵커들의 위치 정보를 매칭하고, 정보 메시지에 포함된 측정 시간을 기준으로 UWB 앵커들의 위치 정보, UWB 태그와의 거리 정보를 기반으로 UWB 태그, 즉 작업자의 위치를 추정한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법의 내부 데이터 시간 구성을 나타내는 도면이다.
일반적으로 IR-UWB 기반의 측위 방식은 TDD(Time Division Duplex)방식을 사용하므로, 도3과 같이 태그와 앵커가 통신하는 시간이 정해져 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존 태그 slot에 TOSS slot을 추가하여 홉 릴레이가 가능하도록 한다.
표현된 TOSS 메시지 SLOT의 수는 추가가 가능하나, 데이터 전달에 소용되는 시간과 데이터량이 많아지므로 적절히 홉수를 정해야 한다.
또한 TOSS 메시지 SLOT은 내부적으로 Q형태를 이루어 순서대로 다른 마스터 앵커로의 데이터 전달을 하게 하여, 데이터의 손실을 줄이도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 방법에서 메시지 및 TOSS 송수신 절차를 나타내는 도면이다.
일반적으로 IR-UWB 기반의 측위 방식은 태그와 앵커와의 거리정보 산출을 위해, 1) 태그로부터 앵커로POLL메시지 전달, 2) 앵커로부터 태그로POLL에 대한 RESPONSE 메시지 전달, 3) 태그로부터 앵커로 태그에서 취득한 신호수신에 대한 TIMESTAMP를 통보하는 FINAL메시지 전달로 구성되어 거리정보를 획득하게 된다.
이에 본 발명은 도4와 같이 TOSS 메시지를 구성하여 마스터 앵커가 주변에 알고 있는 마스터 앵커의 PAN-ID와 ADDRESS를 지정하여 수집된 거리 정보를 전달하게 되며, 데이터를 얻게 되는 마스터 앵커는 자신의 수집된 정보와 전달받은 정보를 다른 마스터 앵커에 전달하게 되는 것이다.
도 4는 거리 측위(TWR(n)) 수행시에 앵커의 ARngID에 따른 응답 순서, TOSS 방향 그리고 거리정보(dT-Ak, 여기서, k=ARngID) 취득시점을 나타낸 것이다. PAN ID=0x0001인 태그-앵커는 TWR(n) 수행하여 거리dT-A0(n), dT-A1(n), dT-A2(n) 그리고 dT-A3(n)이 취득된 상태에서 태그는 새로운 TWR(n+1)을 수행한다.
태그에서 송신된 POLL을 각각의 앵커들이 수신하고 정상수신을 완료한 앵커는 자기의 ARngID의 순번에 맞게 RESPONSE를 TAG에 회신하게 된다.
이 때 순번이 되지 않은 앵커들은 RESPONSE를 수신하여 메시지에 포함된 ARngID(k)와 거리정보(dT-Ak(n))를 저장하게 된다.
이를 차례대로 ARngID가 0에서 3까지 반복하게 되며 RESPONSE 응답이 끝나면 앵커들은 서로의 모든 거리정보를 갖게 된다.
이후 태그는 FINAL을 앵커들에서 송신하고 TWR(n+1)결과로 k=0 앵커는 dT-A0(n+1), k=1 앵커는 dT-A1(n+1), k=2 앵커는 dT-A2(n+1), 그리고 k=3 앵커는 dT-A3(n+1)을 각각 계산하여 저장한다.
이후 FINAL 메시지 수신을 완료한 k=0 앵커는 PAN ID=0x0002에 취합된 거리정보를 전달받고 PAN ID=0x0000에게 RESPONSE 메시지로 얻어지는 거리정보(dT-Ak(n))를 전달한다.
이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 제1 구역 20: 제2 구역
100a 내지 100f: UWB 앵커
100m-1, 100m-2: UWB 마스터 앵커
200: UWB 태그
300: 위치 추정 서버 310: UWB 정보 수집 모듈
320: 맵 정보 관리 모듈 330: 위치 추정 모듈

Claims (1)

  1. 태그와 앵커 간의 통신 결과 획득된 거리 정보를 수집하여 정보 메시지를 생성하고, 상기 정보 메시지를 기정의된 릴레이 경로에 따라 전송하는 마스터 앵커; 및
    상기 릴레이 경로에 따라 정보 메시지를 수신하고, 상기 앵커의 위치 정보 및 거리 정보를 이용하여 상기 태그의 위치를 추정하는 위치 추정 서버
    를 포함하는 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템.
KR1020170162027A 2016-11-29 2017-11-29 서버 기반의 실내 작업장 내 작업자 위치 추정 시스템 및 그 방법 KR102215590B1 (ko)

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