KR20190113013A - 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 시스템 - Google Patents

비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 그 방법을 갖는 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실내에 설치된 비콘으로부터 사용자의 스마트 기기가 신호를 수신받아 핑거프린트 맵을 구축하고, 상기 핑거프린트 맵과 가중치 중심 측위(Weighted Centroid Localization) 알고리즘을 기반으로 사용자의 위치를 측위할 수 있는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 그 방법을 갖는 시스템에 관한 것이다.

Description

비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 시스템{Indoor positioning method based on beacon signal and fingerprint map and system having the method}
본 발명의 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 그 방법을 갖는 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실내에 설치된 비콘으로부터 사용자의 스마트 기기가 신호를 수신받아 핑거프린트 맵을 구축하고, 상기 핑거프린트 맵과 가중치 중심 측위(Weighted Centroid Localization) 알고리즘을 기반으로 사용자의 위치를 측위할 수 있는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 그 방법을 갖는 시스템에 관한 것이다.
특정 대상의 위치 확인을 하기 위해서는 일반적으로 미국의 GPS(Global Positioning System)가 사용되고 있으며, 이 GPS는 지구 밖에 위치한 위성으로부터 신호를 송신 받아 특정 대상의 위치를 측위한다.
위와 같이 위성을 이용하여 특정 대상의 위치를 측위하는 기술들을 글로벌 내비게이션 위성 시스템(Global Positioning System)이라 불리고 있으며, 미국의 GPS 이외에도 러시아의 GLONASS, 유럽의 Galileo와 중국의 BeiDou 등이 있다.
상기 글로벌 내비게이션 위성 시스템은 군사적 용도와 항공기, 선박 등에 많이 사용되었으나 최근에는 민간 분야에서도 많이 사용되고 있으며, 주로 야외 환경에서 특정 대상의 위치를 확인하기 위해 사용되고 있다.
한편, 상기 글로벌 내비게이션 위성 시스템이 야외 환경에서 주로 사용되는 이유는 실내 환경에서 사용할 경우 신호가 건물에 의해 신호 감쇄가 일어날 뿐만 아니라 건물이 신호의 장애물이 되어 신호의 크기가 변화됨으로써 잘못된 신호를 수신하게 되는 다중경로 페이딩 문제가 발생하기 때문에 실내에서는 사용이 제한된다.
이러한, 문제점을 해결하기 위해 제시된 방법으로 실내에서 특정 대상을 측위하기 위해 무선 액세스 포인트(AP), 블루투스 및 RFID와 같은 인프라 기반의 측위 기술들이 사용되고 있다.
상기 인프라 기반의 측위 기술들은 건물 실내에 위치를 추정하기 위해 무선 액세스 포인트(AP), 블루투스 또는 RFID와 같은 데이터를 송신하는 장치를 설치하고 상기 장치로부터 수신된 신호 정보를 이용하여 위치를 추정한다.
여기서, 상기 위치를 추정하기 위한 방법으로는 수신된 신호의 도래각을 측정하여 위치를 결정하는 삼각 측량 방식과 주어진 공간에서 임의로 설정된 위치에서의 수신되는 신호 데이터를 미리 저장하여 데이터베이스를 구축하고, 실시간으로 측정되는 신호 데이터과 데이터베이스에 저장된 신호 데이터를 서로 비교하여 위치를 추정하는 핑거프린트 방식이 있으며, 주로 핑거프린트 방식이 사용되고 있다.
그러나, 일반적으로 핑거프린트 방식을 이용하여 실내 측위를 하는 경우, 정확도 향상을 위해서 방대한 데이터를 수집하여 데이터베이스를 구축하게되고, 구축된 데이터베이스를 분석하여 측위 결과를 도출하기 위해 많은 리소스를 소요해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 핑거프린트 방식에 필요한 데이터를 최소화하여 데이터베이스를 구축하면서 정확도가 높은 실내 측위를 할 수 있는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 그 방법을 갖는 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 해결하기 위해 본 발명은 실내의 지정된 위치(이하, "참조 위치" 이라함)에서 스마트 기기를 통해 복수 개의 비콘으로부터 수신되는 신호의 세기들을 수집하고, 상기 비콘들의 신호 세기로부터 추정되는 가중치 중심값(이하, "참조 가중치 중심값' 이라함)을 계산하여 핑거프린트 맵을 미리 생성하는 단계; 측위하고자 하는 실내 위치에서 스마트 기기가 위치하고, 상기 스마트 기기가 상기 비콘들로부터 신호 세기를 수신하는 단계; 수신된 비콘들의 신호 세기로부터 추정되는 가중치 중심값(이하, "측정 가중치 중심값" 이라함)을 계산하는 단계; 및 상기 참조 가중치 중심값들과 상기 측정 가중치 중심값 간의 오차를 구하고 상위 특정 개수의 오차를 갖는 참조 위치와 상기 상위 특정 개수의 오차를 가중치 중심 측위(Weighted Centroid Localization) 알고리즘에 대입하여 최종 위치 좌표를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 핑거프린트 맵을 생성하기 위해 취득되는 복수 개의 비콘 신호는 상기 참조 위치 지점에서 0도, 90도, 180도 및 270도 방향에서 각각 취득된 방향 신호들의 집합이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 핑거프린트 맵을 생성하는 단계:는 각 참조 위치에서 시간차를 두고 상기 비콘들로부터 복수회 비콘의 신호 세기 샘플을 수집하는 단계; 상기 신호 세기 샘플들로부터 추정되는 가중치 중심값(이하 "제1 가중치 중심값" 이라함)을 계산하는 단계; 상기 제1 가중치 중심값들로부터 상기 참조 가중치 중심값를 계산하는 단계; 및 상기 참조 가중치 중심값와 상기 참조 위치를 데이터베이스화하여 핑거프린트 맵으로 모델링하는 단계;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 가중치 중심값은 아래의 수학식 1에 의해 계산된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, u는 비콘의 개수, x는 비콘의 x좌표, y는 비콘의 y좌표, w는 가중치, d는 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리, g는 환경 변수이며, xw는 상기 제1 가중치 중심값의 x축 좌표, xy는 상기 제1 가중치 중심값의 y축 좌표를 나타낸다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리 d는 아래의 수학식 2에 의해 계산된다.
[수학식 2]
Figure pat00004
여기서, d는 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리, Pr(d)는 거리 d에서 상기 스마트 기기로 수신되는 비콘 신호 세기, A는 비콘이 1m에서 측정되는 신호 세기, n은 경로 손실 지수를 나타낸다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 참조 가중치 중심값은 아래의 수학식 3에 의해 계산된다.
[수학식 3]
Figure pat00005
여기서, X는 참조 가중치 중심값, S는 제1 가중치 중심값의 개수, WC는 제1 가중치 중심값, w는 가중치이며, 각 제1 가중치 중심값의 가중치는 상기 제1 가중치 중심값들의 중심 좌표와의 거리를 역수한 값이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 최종 위치 좌표를 계산하는 단계:는 상기 핑거프린트 맵의 데이터베이스에 저장된 상기 참조 위치의 각 참조 가중치 중심값와 상기 측정 가중치 중심값 간의 평균 제곱근 오차를 계산하는 단계; 상기 참조 위치를 계산된 평균 제곱근 오차를 기준으로 오름차순으로 정렬하고, 상위 특정 개수의 평균 제곱근 오차를 갖는 참조 위치들을 추출하는 단계; 추출된 상위 특정 개수의 참조 위치와 평균 제곱근 오차로부터 최종 위치 좌표를 계산하는 단계; 및 상기 최종 위치 좌표를 상기 스마트 기기의 위치로 출력하는 단계;를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 최종 위치 좌표는 아래의 수학식 4에 의해 계산된다.
[수학식 4]
Figure pat00006
여기서, T는 최종 위치 좌표, 상기 J는 상위 특정 개수의 평균 제곱근 오차를 갖는 각 참조 위치의 좌표, Drmsd는 해당 참조 위치에서의 평균 제곱근 오차, G는 평균 제곱근 오차의 역수이다.
또한, 본 발명은 상기 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 수행하는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 스마트 기기를 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 스마트 기기; 및 상기 스마트 기기와 무선 통신이 가능하며 상기 핑거프린트 맵이 저장된 서버;를 포함하고, 상기 스마트 기기가 상기 서버로부터 핑거프린트 맵의 정보를 수신받아 상기 스마트 기기의 위치를 측위하는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 시스템을 더 제공한다.
본 발명의 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 시스템에 의하면 사용자의 최종 위치를 핑거프린트 맵에서 출력할 때, 참조 가중치 중심값과 측정 가중치 중심값의 오차를 계산하여 오름차순으로 정렬하고, 상위 특정 개수의 오차를 갖는 참조 가중치 중심값의 참조 위치와 오차를 연산하여 사용자의 최종 위치를 출력함으로써, 정확도 향상을 위해 방대한 양의 참조 위치와 상기 참조 위치에서의 비콘의 신호 세기를 저장하여 핑거프린트 맵을 구축하지 않아도 정확도가 높은 실내 측위를 할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 시스템을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핑거프린트 맵 생성 단계를 설명하기 위한 흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핑거프린트 맵 생성 단계에서 참조 가중치 중심값를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 최종 위치 좌표를 계산하는 단계를 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법의 성능 평가를 보여주는 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법은 실내의 지정된 위치(이하,"참조 위치" 이라함)에서 스마트 기기로 복수 개의 비콘으로부터 신호 세기를 수신받아 상기 비콘의 신호 세기로부터 추정되는 가중치 중심값(이하, "참조 가중치 중심값" 이라함)을 추출하여 핑거프린트 맵을 생성하고, 측위하고자 하는 위치에서 측정된 복수 개의 비콘의 신호 세기로부터 추정되는 좌표(이하, "측정 가중치 중심값" 이라함)를 계산하여, 상기 참조 위치와 참조 가중치 중심값 및 상기 측정 가중치 중심값으로부터 최종 위치 좌표를 계산하여 상기 스마트 기기의 위치를 출력할 수 있는 방법이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법은 컴퓨터에 의해 수행되며, 상기 컴퓨터에는 상기 컴퓨터를 기능시켜 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된다.
또한, 상기 컴퓨터는 일반적인 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라, 스마트폰이나 태블릿 PC와 같은 스마트 기기를 포함하는 광의의 컴퓨팅 장치를 의미한다.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 별도의 기록 매체에 저장되어 제공될 수 있으며, 상기 기록매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되어 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다.
예를 들면, 상기 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD, DVD와 같은 광 기록 매체, 자기 및 광 기록을 겸할 수 있는 자기-광 기록 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등 단독 또는 조합에 의해 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치일 수 있다.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등이 단독 또는 조합으로 구성된 컴퓨터 프로그램일 수 있고, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라, 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드로 짜여진 컴퓨터 프로그램일 수 있다.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램은 통신망을 통해 상기 컴퓨터 프로그램을 전송할 수 있는 서버에 저장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 시스템을 보여주는 것으로, 도 1을 참조하면 본 발명의 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 시스템(100)은 복수 개의 비콘(10)으로부터 신호 세기를 수신받을 수 있는 스마트 기기(110) 및 상기 스마트 기기(110)와 통신망을 통해 연결되는 서버(120)로 구성된다.
여기서, 상기 컴퓨터 프로그램은 상기 스마트 기기(110)에 저장되거나, 상기 서버(120)에 저장될 수 있다.
만약, 상기 컴퓨터 프로그램이 상기 스마트 기기(110)에 저장될 경우에는 상기 핑거프린트 맵이 상기 서버(120)에 저장되고, 상기 스마트 기기(110)가 상기 서버(120)로부터 핑거프린트 맵을 수신받아 상기 스마트 기기(110)의 위치를 측위할 수 있다.
그러나, 상기 핑거프린트 맵은 상기 스마트 기기(110)에 저장될 수 있고, 이 경우 상기 서버(120)가 필요없이 상기 스마트 기기(110)만으로 위치를 측위할 수 있다.
또한, 상기 컴퓨터 프로그램이 상기 서버(120)에 저장될 경우에는 상기 서버(120)가 상기 스마트 기기(110)로부터 상기 비콘들(10)의 신호 세기를 전송받아 상기 스마트 기기(110)의 위치를 측위할 수 있으며 측위 결과를 상기 스마트 기기(110)에 전송해 줄 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 6를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법에 대한 흐름도로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법은, 핑거프린트 맵을 미리 생성하는 단계(S1000), 구축된 핑거프린트 맵을 이용하여 실제 실내 측위를 하는 단계로 이루어진다. 상기 실제 실내 측위를 하는 단계는 측위하고자 하는 위치에서 스마트 기기로 비콘들의 신호 세기를 수신하는 단계(S2000), 수신된 비콘들의 신호 세기로부터 참조 가중치 중심값를 계산하는 단계(S3000) 및 최종 위치 좌표를 계산하는 단계(S4000)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핑거프린트 맵을 미리 생성하는 단계를 설명하기 위한 흐름도로, 도 3을 참조하면, 상기 핑거프린트 맵을 생성하는 단계(S1000)는 먼저, 각 참조 위치에서 상기 스마트 기기(110)를 이용하여 복수 개의 비콘(10)으로부터 신호 세기 샘플을 수집한다(S1100).
여기서, 상기 신호 세기 샘플은 상기 스마트 기기(110)로 측정하는 방향에 따라 상기 비콘들(10)의 신호 세기 값이 다르기 때문에 상기 참조 위치에서 0도, 90도, 180도 및 270도 방향에서 상기 비콘들(10)의 신호 세기를 수집한다.
또한, 상기 신호 세기 샘플은 아래에서 설명할 참조 가중치 중심값를 계산하기 위해 상기 참조 위치에서 복수회 수집한다.
다음, 상기 신호 세기 샘플로부터 추정되는 가중치 중심값(이하, "제1 가중치 중심값" 이라함)을 계산한다(S1200).
또한, 상기 제1 가중치 중심값은 아래의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서, u는 비콘의 개수, x는 비콘의 x좌표, y는 비콘의 y좌표, w는 가중치, d는 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리, g는 환경 변수이며, xw는 상기 제1 가중치 중심값의 x축 좌표, xy는 상기 제1 가중치 중심값의 y축 좌표를 나타낸다.
또한, 상기 환경 변수 g의 값은 기본적으로 1의 값을 사용하나 주변 환경에 따라 사용자의 설정에 의해 값이 변경될 수 있다.
또한, 상기 제1 가중치 중심값은 핑거프린트 맵을 생성하기 위해 비콘의 신호 세기가 0도, 90도, 180도 및 270도에서 수집되었으므로 상기 제1 가중치 중심값도 각 방향별(0도,90도,180도,270도)로 각각 계산된다.
또한, 상기 가중치 w는 아래의 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00010
여기서, d는 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리, Pr(d)는 거리 d에서 상기 스마트 기기로 수신되는 비콘 신호 세기, A는 비콘이 1m에서 측정되는 신호 세기, n은 경로 손실 지수를 나타낸다.
다음, 상기 제1 가중치 중심값로부터 참조 가중치 중심값를 계산한다(S1300).
또한, 상기 참조 가중치 중심값은 아래의 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00011
여기서, X는 참조 가중치 중심값, S는 제1 가중치 중심값의 개수, WC는 제1 가중치 중심값, w는 가중치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핑거프린트 맵 생성 단계에서 참조 가중치 중심값를 설명하기 위한 예시를 보여주는 도면으로, 도 4를 참조하여 상세히 설명하면, 먼저, 상기 참조 가중치 중심값은 제1 참조 위치(RP1)에서 수신된 비콘의 신호 세기들로부터 계산된 제1 가중치 중심값들(WC1,WC2,WC3)의 중심 좌표(c)를 계산하고, 상기 중심 좌표(c)와 상기 제1 가중치 중심값들(WC1,WC2,WC3)의 거리(d1,d2,d3)를 계산한다.
여기서, 상기 거리(d1,d2,d3)의 역수가 상기 제1 가중치 중심값들(WC1,WC2,WC3)의 가중치 w가 된다.
즉, 상기 수학식 2에서의 가중치는 비콘들(10)과 스마트 기기(110) 간의 거리를 이용하여 계산되었으나, 수학식 3에서의 가중치는 계산된 제1 가중치 중심값들과 상기 제1 가중치 중심값들로부터 계산된 중심 좌표 간의 거리를 이용하여 계산된다.
다음, 상기 참조 가중치 중심값와 상기 참조 위치를 데이터베이스화하여 핑거프린트 맵으로 모델링한다(S1400).
한편, 상기 핑거프린트 맵은 사전에 수집한 핑거프린트와 상기 핑거프린트가 수집된 위치 정보를 데이터베이스화하는 작업으로 본 발명에서 상기 핑거프린트는 상기 참조 가중치 중심값를 의미하며, 상기 위치 정보는 상기 참조 위치를 의미한다.
즉, 상기 핑거프린트 맵의 데이터베이스는 아래의 표 1과 같이 구성될 수 있다.
번호 참조 위치(RP) 방향 참조 가중치 중심값(X)


1

RP1(x1,y1)		 0도 X1(x1,y1)
90도 X2(x2,y2)
180도 X3(x3,y3)
270도 X4(x4,y4)


2

RP2(x2,y2)		 0도 X1(x1,y1)
90도 X2(x2,y2)
180도 X3(x3,y3)
270도 X4(x4,y4)
.
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.		 .
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여기까지가 실제 측위 하기 이전에 핑거프린트 맵을 미리 생성하는 단계(S1000)이며, 이하에서는 실내 에서 실제 측위를 수행하는 과정이다.
먼저, 스마트 기기(110)가 측위하고자 하는 위치로 진입하고 비콘들의 신호 세기를 수신하는 단계(S2000)를 수행한다.
다음, 수신된 비콘들의 신호 세기로부터 측정 가중치 중심값를 계산하는 단계(S3000)를 수행한다.
또한, 상기 측정 가중치 중심값은 수신된 비콘들의 신호 세기로부터 상기 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
다음, 상기 최종 위치 좌표를 계산하는 단계(S3000)를 수행한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 최종 위치 좌표를 계산하는 단계를 설명하기 위한 흐름도로, 도 5를 참조하면, 상기 최종 위치 좌표를 계산하는 단계(S4000)는 먼저, 핑거프린트 맵의 데이터베이스에 저장된 참조 위치의 각 참조 가중치 중심값와 상기 측정 가중치 중심값 간의 평균 제곱근 오차를 계산한다(S4100).
다음, 계산된 평균 제곱근 오차를 기준으로 상기 참조 위치를 오름차순으로 정렬하고, 정렬된 참조 위치 중 상위 특정 개수의 참조 위치를 추출한다(S4200).
여기서, 상위 특정 개수가 특별히 정해진 것은 아니나 3개 내지 5개가 바람직하다.
다음, 추출된 상위 특정 개수의 평균 제곱근 오차를 갖는 참조 위치와 상기 참조 위치에 해당되는 평균 제곱근 오차로부터 최종 위치 좌표를 계산한다(S4300).
또한, 상기 최종 위치 좌표는 아래의 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00012
여기서, T는 최종 위치 좌표, 상기 J는 상위 특정 개수의 평균 제곱근 오차를 갖는 각 참조 위치의 좌표, Drmsd는 평균 제곱근 오차, G는 평균 제곱근 오차의 역수, K는 추출된 참조 위치의 개수이다.
즉, 종래의 핑거프린트 방식은 데이터베이스에 참조 가중치 중심값와 측정 가중치 중심값의 오차를 비교하고 오차가 가장 낮은 참조 가중치 중심값를 갖는 참조 위치를 사용자의 위치로 출력하는 방법이나 본 발명에서는 평균 제곱근 오차가 낮은 상위 특정 개수의 참조 위치와 평균 제곱근 오차를 다시 한번 연산하여 사용자의 최종 위치를 측위한다.
다음, 상기 스마트 기기(110)를 통해 상기 최종 위치 좌표를 출력한다(S4400).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법의 성능 평가를 보여주는 그래프로 도 6을 참조하면, 제안한 방법(proposed method)과 종래의 신호의 세기 기반의 최근접 이웃 알고리즘을 이용한 핑거프린트 방법(RSS based WK-NN) 및 일반적인 가중치 중심 측위 알고리즘(Typical WC)을 서로 비교하였으며, 실내 복도와 컴퓨터실에서 평가를 시행하였다.
또한, 성능을 평가하기 위해 누적분포함수를 이용하여 위치 추정 오류의 누적 확률을 계산하였으며 성능 평가 결과 복도의 경우 제안한 방법(proposed method)과 종래의 신호의 세기 기반의 최근접 이웃 알고리즘을 이용한 핑거프린트 방법(RSS based WK-NN) 및 일반적인 가중치 중심 측위 알고리즘(Typical WC)이 서로 큰 차이 없이 측위를 하였으며, 컴퓨터실의 경우에는 제안한 방법(proposed method)과 종래의 신호의 세기 기반의 최근접 이웃 알고리즘을 이용한 핑거프린트 방법(RSS based WK-NN)이 복도에서 성능과 특별한 차이 없이 측위를 한 것에 비해 일반적인 가중치 중심 측위 알고리즘(Typical WC)은 복도에서보다 낮은 성능으로 위치를 추정한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법 및 그 방법은 종래의 핑거프린트 방식과 달리 측위의 정확도 향상을 위해 많은 양의 참조 위치와 상기 참조 위치에서 많은 양의 비콘의 신호 세기와 상기 비콘의 신호 세기로부터 추출될 수 있는 특징값들을 상기 핑거프린트 맵의 데이터베이스로 사용하지 않고도 정확성이 높은 측위를 할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다
100:실내 측위 시스템 110:스마트 기기
120:서버

Claims (11)

  1. 실내의 지정된 위치(이하, "참조 위치" 이라함)에서 스마트 기기를 통해 복수 개의 비콘으로부터 수신되는 신호의 세기들을 수집하고, 상기 비콘들의 신호 세기로부터 추정되는 가중치 중심값(이하, "참조 가중치 중심값' 이라함)을 계산하여 핑거프린트 맵을 미리 생성하는 단계;
    측위하고자 하는 실내 위치에서 스마트 기기가 위치하고, 상기 스마트 기기가 상기 비콘들로부터 신호 세기를 수신하는 단계;
    수신된 비콘들의 신호 세기로부터 추정되는 가중치 중심값(이하, "측정 가중치 중심값" 이라함)을 계산하는 단계; 및
    상기 참조 가중치 중심값들과 상기 측정 가중치 중심값 간의 오차를 구하고 상위 특정 개수의 오차를 갖는 참조 위치와 상기 상위 특정 개수의 오차를 가중치 중심 측위(Weighted Centroid Localization) 알고리즘에 대입하여 최종 위치 좌표를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핑거프린트 맵을 생성하기 위해 취득되는 복수 개의 비콘 신호는 상기 참조 위치 지점에서 0도, 90도, 180도 및 270도 방향에서 각각 취득된 방향 신호들의 집합인 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 핑거프린트 맵을 생성하는 단계:는
    각 참조 위치에서 시간차를 두고 상기 비콘들로부터 복수회 비콘의 신호 세기 샘플을 수집하는 단계;
    상기 신호 세기 샘플들로부터 추정되는 가중치 중심값(이하 "제1 가중치 중심값" 이라함)을 계산하는 단계;
    상기 제1 가중치 중심값들로부터 상기 참조 가중치 중심값를 계산하는 단계; 및
    상기 참조 가중치 중심값와 상기 참조 위치를 데이터베이스화하여 핑거프린트 맵으로 모델링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 가중치 중심값은 아래의 수학식 1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
    [수학식 1]
    Figure pat00013

    Figure pat00014

    Figure pat00015

    여기서, u는 비콘의 개수, x는 비콘의 x좌표, y는 비콘의 y좌표, w는 가중치, d는 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리, g는 환경 변수이며, xw는 상기 제1 가중치 중심값의 x축 좌표, xy는 상기 제1 가중치 중심값의 y축 좌표를 나타낸다.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리 d는 아래의 수학식 2에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법

    [수학식 2]
    Figure pat00016

    여기서, d는 비콘과 상기 스마트 기기 간의 거리, Pr(d)는 거리 d에서 상기 스마트 기기로 수신되는 비콘 신호 세기, A는 비콘이 1m에서 측정되는 신호 세기, n은 경로 손실 지수를 나타낸다.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 참조 가중치 중심값은 아래의 수학식 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
    [수학식 3]
    Figure pat00017

    여기서, X는 참조 가중치 중심값, S는 제1 가중치 중심값의 개수, WC는 제1 가중치 중심값, w는 가중치이며, 각 제1 가중치 중심값의 가중치는 상기 제1 가중치 중심값들의 중심 좌표와의 거리를 역수한 값이다.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 최종 위치 좌표를 계산하는 단계:는
    상기 핑거프린트 맵의 데이터베이스에 저장된 상기 참조 위치의 각 참조 가중치 중심값와 상기 측정 가중치 중심값 간의 평균 제곱근 오차를 계산하는 단계;
    상기 참조 위치를 계산된 평균 제곱근 오차를 기준으로 오름차순으로 정렬하고, 상위 특정 개수의 평균 제곱근 오차를 갖는 참조 위치들을 추출하는 단계;
    추출된 상위 특정 개수의 참조 위치와 평균 제곱근 오차로부터 최종 위치 좌표를 계산하는 단계; 및
    상기 최종 위치 좌표를 상기 스마트 기기의 위치로 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 최종 위치 좌표는 아래의 수학식 4에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법
    [수학식 4]
    Figure pat00018

    여기서, T는 최종 위치 좌표, 상기 J는 상위 특정 개수의 평균 제곱근 오차를 갖는 각 참조 위치의 좌표, Drmsdi는 해당 참조 위치에서의 평균 제곱근 오차, G는 평균 제곱근 오차의 역수이다.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 방법을 수행하는 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램
  10. 제 9 항의 컴퓨터 프로그램이 저장된 스마트 기기
  11. 제 10 항의 스마트 기기; 및
    상기 스마트 기기와 무선 통신이 가능하며 상기 핑거프린트 맵이 저장된 서버;를 포함하고,
    상기 스마트 기기가 상기 서버로부터 핑거프린트 맵의 정보를 수신받아 상기 스마트 기기의 위치를 측위하는 것을 특징으로 하는 비콘 신호와 핑거프린트 맵 기반의 실내 측위 시스템
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