KR20200037937A - 이동체의 위치추적 방법 및 그 위치추적 장치 - Google Patents

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Abstract

삼각형을 최소로 하는 최적변수를 갱신하고, 삼각형 교차점을 자동적으로 선택하며, 삼각형의 넓이를 계산하는 방식이 간단하고, 주기적이고 실시간으로 적용하는 알고리즘을 갖추어 보다 정확하며, 추적의 속도를 개선하는 이동체의 위치추적 방법 및 그 추적장치를 제시한다. 그 방법 및 장치는 교차점에 의한 삼각형 넓이가 오차값의 크기보다 작으면 최종 교차점을 선정하고 이동평균값의 새로운 평균값을 결정하고, 교차점의 삼각형 넓이가 오차값의 크기보다 크면 편향오차가 be1일 때의 제1 삼각형 넓이 및 편향오차가 be2일 때의 제2 삼각형 넓이를 비교하여 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택한다.

Description

이동체의 위치추적 방법 및 그 위치추적 장치{Method of tracking position of mobile object and apparatus of tracking using the method}
본 발명은 위치추적 방법 및 그 추적장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 움직이는 사람이나 사물인 이동체의 위치를 추적하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 위치추적 시스템은 GPS 기술과 RTLS(Real Time Location System) 기술 등이 사용되고 있다. 상기 GPS 기술은 위치를 계산하는 방식으로 확장성이 뛰어나고 지구상의 모든 지역에서 위치추적이 가능하다. 그런데, 상기 GPS 기술을 기반으로 하는 위치추적의 경우, 실내 및 건물 밀집지역과 같은 음영지역에서는 다중경로 및 잡음의 영향 등으로 정확한 위치추적이 어렵다. 상기 RTLS 기술은 주로 근거리 및 실내와 같은 제한된 공간에서의 위치추적에 사용된다. 상기 RTLS 기술에서는 Wi-Fi, Zigbee, UWB, 블루투스(bluetooth), RFID, 무선센서 등과 같은 근거리 통신기술을 이용한다. 이러한 근거리 통신기술 중 무선센서를 이용한 위치추적 방법은, 복수의 무선센서들과 추적대상 이동체 사이의 적어도 세 개의 거리정보를 기초하여 삼각측량법을 이용하여 위치를 추적한다.
국내등록특허 제10-1374589호는 편향오차(bias error)를 보정하여 추적대상 이동체의 위치를 추적하는 방법을 제시하고 있다. 그런데, 편향오차를 포함하는 측정위치를 이용한 교차점으로 이루어진 삼각형을 최소화하여 실제 측정위치를 추정할 수 있으나 편향오차의 범주를 최적변수로 갱신하지 못하고, 삼각형 교차점을 자동적으로 선택하는 방법이 미흡하며, 모든 교차점을 고려하지 못하고 있고, 삼각형의 넓이를 계산하는 방식이 지나치게 복잡하며, 주기적이고 실시간으로 적용하는 알고리즘이 없다. 또한, 종래에는 편향오차의 범위를 잘 모르기 때문에, 위치추적의 속도를 개선하기에는 미흡한 점이 있다.
본 발명이 하려고 하는 과제는 측정할 때 사용하는 센서의 편향오차를 최적화 변수로 사용하여 교차점으로 구성된 삼각형을 최소로 하는 최적변수의 범위를 갱신하고, 삼각형 교차점을 자동적으로 선택하며, 삼각형의 넓이를 계산하는 방식이 간단하고, 주기적이고 실시간으로 적용하는 알고리즘을 갖추어 보다 정확하며, 추적의 속도를 개선하는 이동체의 위치추적 방법 및 그 추적장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 이동체의 위치추적 방법은 먼저, 위치추적부에 장착된 무선센서의 위치를 확인한다. 그후, 상기 무선센서 및 이동체 사이의 거리를 측정한다. 최적화 변수인 편향오차 영역을 설정하여 교차점 3쌍을 선택한다. 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교한다. 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 작으면 최종 교차점을 선정하고 이동평균값의 새로운 평균값을 결정하고, 상기 교차점의 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 크면 편향오차가 be1일 때의 제1 삼각형 넓이 및 편향오차가 be2일 때의 제2 삼각형 넓이를 비교하여 상기 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 교차점 3쌍을 선택하는 단계는, 무선센서와 이동체 사이의 측정거리가 3개 중 2개를 선택하여 먼저 교차점의 존재여부를 판단한다. 그후, 상기 교차점이 존재하면, 좌표계를 지나는 직선을 구하고, y 좌표계가 같은 지를 판단한다. 상기 교차점이 2쌍인 지를 확인한다. 상기 2쌍의 교차점이 확인되면, 유클리디안 거리(euclidean distance)의 원리로 상기 교차점으로부터 다른 교차점 4개까지의 거리 차의 합을 구한다. 임의의 상기 교차점에서 나머지 교차점까지의 거리가 가까운 지를 판단한다. 상기 교차점까지의 거리가 가까우면 상기 교차점으로 선택하여 최종 교차점으로 저장한다. 상기의 방법으로 총 3회 실시하여 최종 교차점을 3개 저장한다.
본 발명의 바람직한 방법에 있어서, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이를 구하는 단계는 상기 최종 교차점의 첫 번째 쌍의 x,y 좌표만큼 평행이동 좌표로 변환시키는 단계 및 상기 최종 교차점에 의한 삼각형 넓이를 상기 평행이동 좌표에 의한 직교좌표계에서 계산한다. 상기 최종 교차점을 선택하는 단계에서 맨하탄 거리의 최소 계산방식을 적용할 수 있다. 상기 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택하는 단계는 상기 작은 넓이가 하나의 점으로 수렴할 때까지 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교하는 단계를 반복하는 피드백 구조를 가진다.
본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 이동체의 위치추적 장치는 복수개의 무선센서들로부터 적어도 3개의 무선신호를 수신하는 무선신호 수신부 및 상기 무선센서의 위치를 확인하고, 상기 무선센서 및 이동체 사이의 거리를 측정하며, 최적화 변수인 편향오차 영역을 설정하여 교차점 3쌍을 선택하고, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교하며, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 작으면 최종 교차점을 선정하고 이동평균값의 새로운 평균값을 결정하고, 상기 교차점의 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 크면 편향오차가 be1일 때의 제1 삼각형 넓이 및 편향오차가 be2일 때의 제2 삼각형 넓이를 비교하여 상기 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택하는 위치추적부를 포함한다. 그후, 상기 황금분할 변수로 채택하는 과정을 반복하여 상기 작은 넓이가 하나의 점으로 수렴할 때에 상기 이동체의 위치를 결정하는 위치결정부를 포함한다.
본 발명의 이동체의 위치추적 방법 및 그 위치추적 장치에 의하면, 최적변수의 갱신, 교차점을 자동선택, 간단한 삼각형의 넓이 계산, 주기적이고 실시간으로 적용하는 알고리즘 등을 구비함으로써, 보다 정확하며 추적속도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 위치추적 장치를 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1에서의 위치추적기를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 의한 위치추적 방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 위치추적 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 교차점 및 삼각형의 넓이를 구하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 교차점의 존재여부를 판단하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 교차점 3쌍을 선택하는 과정을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8은 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 각각 y축 좌표가 동일한 경우의 교차점을 선택한 결과를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 x축 좌표가 동일한 경우의 교차점을 선택한 결과를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 x축/y축 좌표가 동일한 경우의 교차점을 선택한 결과를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 최종 교차점을 선택하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명에 의한 위치추적 방법에서 평행이동 좌표를 사용하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 의한 삼각형 넓이를 최소화하여 위치를 추적하는 과정을 나타내는 예시적으로 그래프들이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 최적변수의 갱신, 교차점을 자동선택, 간단한 삼각형의 넓이 계산, 주기적이고 실시간으로 적용하는 알고리즘 등을 구비함으로써, 보다 정확하며 추적속도를 높이는 위치추적 방법 및 그 추적장치를 제시한다. 이를 위해, 보다 정확한 위치추적을 하는 방법을 구체적으로 알아보고, 특히 위치추적에서의 편향오차를 제거하는 과정을 상세하게 살펴보기로 한다. 본 발명의 실시예는 근거리 통신기술 중 무선센서를 이용하며, 복수의 무선센서들과 추적대상 이동체 사이의 적어도 3개의 거리정보를 측량하는 삼각측량법을 기반으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 위치추적 장치를 설명하는 블록도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1에 의하면, 위치추적 시스템은 위치추적기(100), 이동체(200) 및 무선신호 송신부(300)를 포함한다. 위치추적기(100)는 무선센서가 장착되어 네트워크 환경을 통하여 이동체(200)의 무선신호 송신부(300)와 무선통신을 진행하여 이동체(200)의 위치를 추적한다. 무선신호 송신부(300)는 이동체(200)에 구비되어 있다. 위치추적기(100)는 실내에 설치되어 이동체(200)의 무선신호 송신부(300)와의 무선통신을 통해 RTLS(Real Time Locating System) 방식으로 추적대상 이동체(200)의 실내위치 정보를 파악할 수 있다. 예를 들어, 위치추적기(100)는 약 50~100m의 간격으로 설치될 수 있다. 위치추적기(100)는 실내에서 GPS 신호를 수신할 수 없어 RTLS 방식을 통해 추적대상 이동체(200)의 실내위치를 파악할 수 있다.
또한, 위치추적기(100)는 실외에 설치되어 이동체(200)로부터 수신된 거리정보를 이용하여 추적대상 이동체(200)의 실외의 위치정보를 파악할 수 있다. 이동체(200)의 무선신호 송신부(300)는 네트워크 환경을 통하여 위치추적기(100)와 통신을 유지하며, 위치정보를 위치추적기(100)에 제공한다. 무선신호 송신부(300)는 근접통신 방식인 Wi-Fi, Zigbee, UWB(Ultra Wideband), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification) 등에서 선택된 적어도 하나의 방식에 의해 위치정보를 위치추적기(100)에 제공한다. 이동체(200)에는 위치추적기(100)의 무선센서와 근접통신이 가능한 단말기를 포함한다.
도 2는 도 1에서의 위치추적기(100)를 설명하기 위한 블록도이다. 이때, 본 발명의 위치추적 장치는 도 1을 참조하기로 한다.
도 2에 의하면, 위치추적기(100)는 무선신호 수신부(110), 위치추적부(120), 위치 결정부(130) 및 위치추적 제어부(140)를 포함한다. 무선신호 수신부(110)는 위치추적 제어부(140)의 제어에 따라 이동체(200)로부터 무선신호를 수신한다. 무선신호 수신부(110)는 Wi-Fi, Zigbee, UWB(Ultra Wideband), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification) 등에서 선택된 적어도 하나의 무선센서로부터 무선신호를 수신할 수 있다. 여기서는, 무선신호 수신부(110)가 무선센서인 것으로 제시하였으나, 무선신호 수신부(110)는 본 발명의 범주 내에서 다양한 무선센서가 적용될 수 있다.
위치추적부(120)는 무선신호를 이용하여 추적대상 이동체(200)의 위치를 추적한다. 위치추적부(120)는 복수의 무선센서들과 추적대상 이동체(200) 사이의 거리를 산출할 수 있다. 위치추적부(120)는 복수의 무선센서들로부터 수신한 적어도 3개의 무선신호의 감도에 따라 복수의 무선센서들과 추적대상 이동체(200) 사이의 거리를 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 위치추적 방법을 개념적으로 나타내는 도면이다. 이때, 위치추적 장치는 도 1 및 도 2를 참조하고, 3개의 위치추적부(120)가 존재하는 경우를 가정한다.
도 3에 의하면, 3개의 위치추적부(120) 무선센서의 위치는 각각 고정위치(x1, y1), 고정위치(x2, y2) 및 고정위치(x3, y3)의 3곳에 고정된다. 각각의 무선센서는 각각 반지름(r1), 반지름(r2) 및 반지름(r3)을 가진 원 형태의 편향오차 범위를 가진다. 이러한 고정위치 및 편향오차 범위는 본 발명의 실시예에 의한 위치추적 장치의 설계, 무선센서의 품질 등에 따라 달라질 수 있다. 각각의 편향오차 범위는 각각 교차점(c12, c13, c23)이 파생된다. 본 발명의 위치추적 방법은 각각 교차점(c12, c13, c23)으로 이루어진 삼각형을 하나의 점으로 수렴(converge)하게 하는 것이다. 교차점(c12, c13, c23)으로 이루어진 삼각형이 하나의 점으로 수렴(converge)하는 과정을 최적화 과정이라고 한다.
상기 최적화 과정에서의 삼각형의 넓이는 다음 식과 같다.
S(be) = |((c12(be)-c13(be))*((c23(be)-c13(be))|/2
상기 삼각형 넓이를 최소화하는 과정은 다음 식과 같다.
Figure pat00001
이때, be는 삼각형의 각 변의 길이이고,
Figure pat00002
이며,
Figure pat00003
이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 이동체의 위치추적 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이때, 위치추적 장치 및 개념은 도 1 내지 도 3을 참조하기로 한다.
도 4에 의하면, 본 발명의 위치추적 방법은 먼저, 위치추적부(120)에 장착된 무선센서의 위치를 확인한다(S10). 이때, 무선센서의 위치는 사전에 설정되어 있다. 그후, 무선센서 및 이동체(200) 사이의 거리를 측정한다(S12). 무선센서 및 이동체(200) 사이의 거리는 주기적으로 측정한다. 실질적으로, 편향오차(bias error) 및 잡음오차(noise error)가 모두 존재하지만, 여기서는 편향오차(bias error)만 존재하는 것으로 가정한다. 상기 편향오차는 무선센서 자체에서 발생하는 기계적인 오차이다. 교차점 삼각형의 넓이{S(be)} 및 삼각형의 넓이{S(be)} 최소값 기준(error bound)을 초기화한다(S14).
다음에, 최적화 변수인 편향오차 영역(be_left, be_right, 센서의 bias error가 측정된 거리 센싱값에 포함되어 있을 때,
Figure pat00004
의 범주 안에서 초기 1회 수행할 때는 be_left, be_right의 초기 설정값을 위의 원리로 설정합니다. 그리고 같은 센서를 사용하여 동일하게 반복 측정하는 경우 bias error의 값의 경향을 알 수 있기 때문에 이를 이동평균으로 계산하여 be_left, be_right 의 초기 설정값을 이동평균값을 기준으로 데이터가 가우시안 분포를 이룬다고 가정하여 be_left=이동평균값 - m*표준편차, be_right=이동평균값-m*표준편차와 같은 방법으로 설정할 수 있다. 이렇게 하면 기존 범주 영역보다 좁은 영역 안에서 아래의 황금비율을 이용한 편향오차를 변수로 삼각형을 넓이가 최소화 되는 bias error를 산출할 수 있습니다.
도 4의 S30번을 수행할 때 x1(be_left), x2(be_right)를 황금비율을 이용하여 계산한 값을 각각 be_left, be_right로 새롭게 설정하게 됩니다. be_left, be_right를 적용한 삼각형의 넓이 계산을 수행하고 삼각형의 넓이 비교를 통해 be_left, be_right를 새롭게 정의한다. 새롭게 정의된 be_left, be_right를 가지고 x1, x2를 구하여 도4의 S18 계산을 반복수행한다. 이와 같이, 최적화 변수인 편향오차 영역을 설정한다(S16). 편향오차 영역(be_left, be_right)은 1회를 수행할 때에는 기본값으로 설정되고, 2회 이후로부터는 이동평균값을 설정한다. 그후, 편향오차 영역에 의한 교차점의 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교한다(S18). 만일, 교차점 삼각형 넓이{S(be)}가 오차값의 크기보다 작으면, 최종 교차점을 선정한다(S20). 최종 교차점이 선정되면, 최종 위치가 추정된다(S22). 최종 위치가 추정되면, 이동평균값을 기준으로 이동평균값의 새로운 평균값을 결정한다(S24). 새로운 평균값이 결정되면, 앞의 S16 단계를 다시 수행한다.
만일, 교차점 삼각형 넓이{S(be)}가 오차값의 크기보다 크면, 편향오차가 be1일 때의 제1 삼각형 넓이{S(be1)}를 구한다(S26). 그후, 편향오차가 be2일 때의 제2 삼각형 넓이{S(be2)}를 구한다(S28). 황금분할 알고리즘으로 제1 및 제2 삼각형의 넓이를 비교한다(S30). 제1 삼각형 넓이{S(be1)}가 제2 삼각형 넓이{S(be2)}보다 작으면, 제1 삼각형 넓이{S(be1)}를 황금분할 변수로 채택된다. 즉, be_right는 be2이고, 제1 삼각형의 넓이는 {S(be1)}이다. 제1 삼각형 넓이{S(be1)}가 제2 삼각형 넓이{S(be2)}보다 크면, 제2 삼각형 넓이{S(be2)}가 황금분할 변수로 채택된다. 황금분할 변수가 설정되면, S18 단계를 다시 수행한다.
황금분할이란 함수 f(x)가 구간 [a, b]에서 하나의 최소값을 가진다고 가정하면, L = [a, b]에서, x1 = a + (1-r)ㆍ(b-a)이고 x2 = a + rㆍ(b-a)이다. 만일, f(x1) < f(x2)라면 새로운 구간인 Lnew = [a, x2]이고 나머지의 새로운 구간인 Lnew = [x1, b]로 선택된다. 본 발명의 실시예에 의한 황금분할 알고리즘을 반복하면, 삼각형의 넓이는 계속해서 줄어들어 최종적으로 하나의 점으로 수렴된다.
본 발명의 실시예에 의한 위치추적 방법은 특히 교차점 삼각형의 넓이와 오차값을 비교(S18) 및 새로운 이동평균값의 결정(S24)은 편향오차(bias error)값의 결과를 누적하여 이동평균값 처리 등을 통하여 삼각형을 최소로 하는 최적변수를 피드백(feed back) 구조를 설정하였다. 이와 같은 방식은 삼각형을 최소로 하는 최적변수를 갱신하는 것으로, 종래에서는 전혀 개시되지 않은 방식이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 이동체의 위치추적 방법에서 교차점 및 삼각형의 넓이를 구하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 이때, 위치추적 장치 및 개념은 도 1 내지 도 3을 참조하기로 한다.
도 5에 의하면, 무선센서 및 이동체의 거리에서 편향오차를 제거한다(S50). 즉, 편향오차가 얼마인지 모르기 때문에 조금씩 감소시켜 가면서 실제 거리를 추정한다. 그후, 원의 교차점 존재여부를 판단한다(S52). 교차점 존재여부는 도 6을 참조하면, 편향오차로 만들어낸 원의 중심 사이의 거리(d)와 원의 반지름의 합(r1+r2)과의 차이를 고려한다. 만일, 원의 중심 사이의 거리(d)가 반지름의 합(r1+r2)보다 작으면, 교차점이 존재한다. 이와 같은 교차점은 총 6쌍을 구하는 것이 바람직하다. 이때, 3개의 원 중에서 2개의 원을 선택하여 3회 이상 반복하여 수행한다.
다음에, 무선센서 좌표계를 지나는 직선을 구한다(S54). 그후, Y 좌표계가 같은 지를 판단한다(S56). Y 좌표계가 동일하다면, 적어도 하나의 교차점을 계산하고 교차점을 계산한다. 구체적으로, 2개 원의 교점을 지나는 직선의 방정식은
(x-x1)2 + (y-y1)2 = r1 2 , (x-x2)2 + (y-y2)2 = r2 2 이고, 차이는 (2x2-2x1)x + (2y2-2y1)y + x1 2 + y1 2 - (x2 2 + y2 2) = r1 2-r2 2 이다.
y2 = y1이라면, y = y1이고, 그렇지 않으면, y = {-(2x2-2x1)x - (x1 2+y1 2) + (x2 2+y2 2) + r1 2 - r2 2}/(2y2-2y1)이다.
교차점의 직선과 원의 교점을 구하는 방법은 일반적인 경우는 다음과 같다.
y = mx + b, (x-x1)2 + (y-y1)2 = r1 2,
(1+m2)x2 + 2{m(b-y1)-x1}x + x1 2 + (b-y1)2 - r1 2 = 0,
D = D/4 = {m(b-y1)-x1}2 - (1+m2){x1 2+(b-y1)2-r1 2},
x = -{m(b-y1)-x1} ± √D 이다.
이때, y2 = y1이라면,
(2x2-2x1)x + (2y2-2y1)y + x1 2 + y1 2 - (x2 2+y2 2) = r1 2 - r2 2,
x = {-(x1 2+y1 2) + (x2 2+y2 2) + r1 2 - r2 2}/(2x2-2x1) = k1,
(x-x1)2 + (y-y1)2 = r1 2,
(y-y1)2 = r1 2 - (k1-x1)2 = d1,
y = y1 ± √d1 이다.
x2 = x1이라면,
(2x2-2x1)x + (2y2-2y1)y + x1 2 + y1 2 - (x2 2 + y2 2) = r1 2 - r2 2,
y = {-(x1 2+y1 2) + (x2 2+y2 2) + r1 2 - r2 2}/(2y2 - 2y1) = k2,
(x-x1)2 + (y-y1)2 = r1 2,
(x-x1)2 = r1 2 - (k2-y1)2 = d2,
x = x1 ± √d2 이다.
이와 같이, 위와 같은 수식을 이용하여 교차점을 구한다. 이어서, 구한 교차점을 저장한다(S58).
이후에, 교차점이 3쌍인 지를 확인한다(S60). 교차점이 3쌍이라면, 3쌍의 위치를 확인한다(S62). 그후, Voronoi 다이아그램의 원리를 적용하여 상기 교차점으로부터 다른 교차점 4개까지의 거리 차의 합을 구한다(S64). Voronoi 다이아그램의 원리는 공지된 것으로, 이에 대하여 상세한 설명을 생략하기로 한다. 임의의 교차점에서 나머지 교차점까지의 거리가 가까운 지를 판단한다(S66). 교차점까지의 거리가 가까우면, 교차점으로 선택하고, 선택된 교차점을 최종 교차점으로 저장한다(S70). 최종 교차점은 첫 번째 쌍의 x,y 좌표만큼 평행이동 좌표로 변환시킨다(S70). 상기 최종 교차점에 의한 삼각형 넓이를 계산한다(S72). 삼각형의 넓이는 앞에서 설명한 황금분할 알고리즘을 활용한다.
도 7은 교차점 3쌍을 선택하는 과정인 S52 단계 내지 S60 단계를 설명하는 그래프들이다. 도시된 바와 같이, (a)에서는 마우스로 측정 대상 위치를 선택한다. 이는 무선센서로부터 계측되는 것을 시뮬레이션하기 위한 대체 프로세스이다. (b)에서는 무선센서로부터 편향오차를 포함하는 거리를 원으로 표시한다. 굵은 실선의 원과 가는 실선의 원의 교선을 구하여 굵은 실선의 원(또는 가는 실선의 원)과의 교차점을 구한다. (c)에서는 굵은 실선의 원, 가는 실선의 원 및 점선의 원 중에서 2개의 원을 이용하여 3가지 원에 대한 3쌍의 교차점을 구한다.
본 발명의 교차점을 선택하는 과정은 넓이를 적용하여 교차점 3쌍의 군집화 특성을 반영한다. 이를 맨하탄 거리(Manhatan distance)의 최소 계산방식을 적용하여 속도를 개선한다. 즉, 교차점 6쌍 중에서 넓이를 적용하여 교차점 3쌍을 선택한다. 도 8 내지 도 10은 각각 y축 좌표가 동일한 경우, x축 좌표가 동일한 경우 및 x축/y축 좌표가 동일한 경우에 있어서, 교차점을 선택한 결과를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 11은 최종 교차점을 선택하는 과정인 S62 내지 S68을 설명하기 위한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 3개의 원 중에서 2개의 원마다 2쌍의 교차점을 가지므로, 총 6쌍의 교차점이 존재한다. 2쌍의 교차점에서 나머지 4쌍의 교차점까지의 거리를 계산한다. 교차점들은 군집이 되어 존재하는 특성이 있기 때문에, 2쌍의 교차점 중에서 거리가 작은 기준점을 교차점으로 선택한다. 이에 따라, 임의의 교차점에서 나머지 교차점까지의 거리가 가까운 지를 확인하면 된다. 도면의 경우에는 2개의 교차점 중에서 왼쪽의 교차점이 최종적으로 선택된다.
도 12는 평행이동 좌표를 사용하는 S70 단계를 설명하기 위한 도면이다. 도 12에 의하면, 최종 교차점으로 이루어진 삼각형을 x,y 좌표의 원점으로 평행이동한다. 이를 통하여, 삼각형 넓이의 계산을 단순하게 할 수 있다. 삼각형의 넓이는
S = |(x2-x1)(y3-y1) - (x3-x1)(y2-y1)|/2 이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 삼각형 넓이를 최소화하여 위치를 추적하는 과정을 나타내는 예시적으로 그래프들이다.
도 13에 의하면, 본 발명의 위치추적 방법은 무선센서의 편향오차의 범위를 모르기 때문에 아래에 제시한 과정을 반복해서 수행하여 추적속도가 개선된다. 첫째, 교차점 6쌍으로부터 3쌍을 구하면, 3쌍은 인접한 곳에 있다. 2개 원의 교차점 2개가 존재하는 경우, 각 점으로부터 나머지 점까지의 거리가 최소로 되는 교차점을 선택한다. 이때, 점 사이의 거리를 이용할 수 있으나, 계산속도의 향상을 위해 x좌표 차이 및 y 좌표 차이의 합인 맨하탄 거리를 이용한다. 또한, 교차점 3쌍은 직교좌표계로 구해지므로 이를 그대로 사용하기 위해 교차점 3쌍 중 한 점을 기준으로 한 평행이동 좌표계를 생성하여 이동좌표계를 사용한다. 상기 이동좌표계는 직교좌표계로써 단순한 수식으로 계산할 수 있도록 한다.
둘째, 무선센서로부터 이동체의 데이터를 반복해서 수신할 때, 편향오차의 범위를 누적한 데이터를 최적화(예, 이동평균하여 가우시안 분포로 가정하여 설정하거나 평균값의 일정범위로 정하기 등)로 설정한다. 앞에서 제시한 과정을 만족하여 최종좌표계가 설정되면편향오차의 좌/우측 변수 범위가 설정된다. 이 데이터를 반복해서 누적함에 따라 편향오차의 초기 좌/우측 변수 범위를 좁혀서 설정할 수 있다. 좁혀진 편향오차의 좌/우측변수 범위에 의해 본 발명의 추적과정을 반복하는 횟수를 획기적으로 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예와 기존방식의 국내등록특허 제10-1374589호와 차이는 다음과 같다.
첫째, 삼각형을 최소화하는 최적변수 갱신 여부에 대하여, 기존방식은 갱신을 언급하고 있지 않지만, 본 발명은 편향오차 값의 결과를 누적하여 이의 평균값 처리를 통하여 삼각형 최소화를 위한 최적변수 영역을 피드백(feed back) 구조를 설정하여 갱신한다.
둘째, 삼각형의 교차점 자동화 선택방법의 여부에 대하여, 기존방식은 자동화 선택에 대하여 언급이 없지만, 본 발명은 2개의 원의 교차점을 지나는 직선의 방정식과 하나의 원의 교차점을 지나는 경우로써 자동화의 계산에 적용한다. 이때, 상기 직선의 방정식은 y축 평행직선과 그 외의 경우로 구분한다.
셋째, 교차점 6쌍 중 넓이 적용의 교차점 3쌍을 선택하는 방법에 대하여, 기존방식은 교차점 선택에 대하여 구체적인 언급이 없지만, 본 발명은 넓이 적용 교차점 3쌍의 군집화 특성을 반영하고, 맨하탄 거리를 이용한 최소 계산방식을 적용하여 추적속도를 개선한다.
넷째, 넓이 계산방법에 대하여, 기존방식은 직교좌표계 및 회전좌표계를 혼용하고 있지만, 본 발명은 직교좌표계 수식으로 간략한 계산방식을 적용함으로써 추적속도를 개선한다. 즉, 넓이를 계산하는 데 있어서 회전좌표계는 필요하지 않다.
다섯째, 추적 알고리즘의 차이에 대하여, 기존방식은 실험측정 결과를 획득 후 대량의 데이터를 평균처리하는 알고리즘을 적용하는 데이터 결과 분석의 알고리즘을 채용하고 있지만, 본 발명은 데이터를 주기적이고 실시간에 수집하는 것을 가정하여 실시간 처리 프로세스가 적용되는 알고리즘이다. 상기 알고리즘은 특히 삼각형을 최소화하는 최적변수 갱신을 포함한다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100; 위치추적기 110; 무선신호 수신부
120; 위치추적부 130; 위치결정부
140; 위치추적 제어부 200; 이동체
300; 무선신호 송신부

Claims (9)

  1. 위치추적부에 장착된 무선센서의 위치를 확인하는 단계;
    상기 무선센서 및 이동체 사이의 거리를 측정하는 단계;
    최적화 변수인 편향오차 영역을 설정하여 교차점 3쌍을 선택하는 단계;
    상기 교차점에 의한 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교하는 단계; 및
    상기 교차점에 의한 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 작으면 최종 교차점을 선정하고 이동평균값의 새로운 평균값을 결정하고, 상기 교차점의 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 크면 편향오차가 be1일 때의 제1 삼각형 넓이 및 편향오차가 be2일 때의 제2 삼각형 넓이를 비교하여 상기 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택하는 단계를 포함하는 이동체의 위치추적 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교차점 3쌍을 선택하는 단계는,
    상기 무선센서와 상기 이동체 사이의 측정거리가 3쌍 중에서 2쌍을 선택하여 교차점의 존재여부를 판단하는 단계;
    상기 교차점이 존재하면, 좌표계를 지나는 직선을 구하고, y 좌표계가 같은 지를 판단하는 단계;
    상기 교차점이 2쌍인 지를 확인하는 단계;
    상기 2쌍의 교차점이 확인되면, 유클리안 거리(euclidean distance)로 상기 교차점으로부터 다른 교차점 4개까지의 거리 차의 합을 구하는 단계;
    임의의 상기 교차점에서 나머지 교차점까지의 거리가 가까운 지를 판단하는 단계;
    상기 교차점까지의 거리가 가까우면 상기 교차점으로 선택하여 최종 교차점으로 저장하는 단계; 및
    상기 최종 교차점을 저장하는 단계까지를 3회 실시하여 최종 교차점 3개를 저장하는 단계를 포함하는 이동체의 위치추적 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이를 구하는 단계는
    상기 최종 교차점의 첫 번째 쌍의 x,y 좌표만큼 평행이동 좌표로 변환시키는 단계; 및 상기 최종 교차점에 의한 삼각형 넓이를 상기 평행이동 좌표에 의한 직교좌표계에서 계산하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치추적 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 최종 교차점을 선택하는 단계에서 맨하탄 거리의 최소 계산방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치추적 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택하는 단계는 상기 작은 넓이가 하나의 점으로 수렴할 때까지 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교하는 단계를 반복하는 피드백 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치추적 방법.
  6. 복수개의 무선센서들로부터 적어도 3개의 무선신호를 수신하는 무선신호 수신부;
    상기 무선센서의 위치를 확인하고, 상기 무선센서 및 이동체 사이의 거리를 측정하며, 최적화 변수인 편향오차 영역을 설정하여 교차점 3쌍을 선택하고, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이 및 오차값의 크기를 비교하며, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 작으면 최종 교차점을 선정하고 이동평균값의 새로운 평균값을 결정하고, 상기 교차점의 삼각형 넓이가 상기 오차값의 크기보다 크면 편향오차가 be1일 때의 제1 삼각형 넓이 및 편향오차가 be2일 때의 제2 삼각형 넓이를 비교하여 상기 제1 및 제2 삼각형 넓이 중에 작은 넓이를 가진 경우를 황금분할 변수로 채택하는 위치추적부; 및
    상기 황금분할 변수로 채택하는 과정을 반복하여 상기 작은 넓이가 하나의 점으로 수렴할 때에 상기 이동체의 위치를 결정하는 위치결정부를 포함하는 이동체의 위치추적 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 교차점 3쌍을 선택하는 단계는,
    교차점의 존재여부를 판단하는 단계;
    상기 교차점이 존재하면, 좌표계를 지나는 직선을 구하고, y 좌표계가 같은 지를 판단하는 단계;
    상기 교차점이 3쌍인 지를 확인하는 단계;
    상기 3쌍의 교차점이 확인되면, Voronoi 다이아그램의 원리로 상기 교차점으로부터 다른 교차점 4개까지의 거리 차의 합을 구하는 단계;
    임의의 상기 교차점에서 나머지 교차점까지의 거리가 가까운 지를 판단하는 단계;
    상기 교차점까지의 거리가 가까우면 상기 교차점으로 선택하여 최종 교차점으로 저장하는 단계를 포함하는 이동체의 위치추적 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 교차점에 의한 삼각형 넓이를 구하는 단계는
    상기 최종 교차점의 첫 번째 쌍의 x,y 좌표만큼 평행이동 좌표로 변환시키는 단계; 및 상기 최종 교차점에 의한 삼각형 넓이를 상기 평행이동 좌표에 의한 직교좌표계에서 계산하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치추적 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 최종 교차점을 선택하는 단계에서 맨하탄 거리의 최소 계산방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 이동체의 위치추적 장치.
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