KR20200043146A - 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비콘으로부터 전송된 신호의 잡음을 제거하고, 인공신경망을 통해 거리별 예측모델을 생성하며, 수신된 신호를 예측모델에 적용시켜 비콘과의 거리를 산출하는 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 비콘으로부터 전송된 신호로부터 최초거리를 산출하며, 최초거리를 인공신경망을 통해 생성된 거리별 모델에 접목시켜 오차가 보정된 최종거리를 산출함으로서 정밀하게 거리를 예측할 수 있는 효과가 있다.

Description

인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치{APPARATUS FOR ADAPTIVE DISTACE MEASUREMENT BASE ON ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS}
본 발명은 인공신경망을 기반으로 적응형 거리를 측정하는 장치로서, 보다 상세하게는 비콘으로부터 전송된 신호의 잡음을 제거하고, 인공신경망을 통해 거리별 예측모델을 생성하며, 수신된 신호를 예측모델에 적용시켜 비콘과의 거리를 산출하는 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치에 관한 것이다.
무선 통신기술의 발전과 함께 위치기반 서비스에 대한 관심이 높아지고 있다. 더불어, 정밀한 위치인식의 중요성도 증가할 수 밖에 없다. 사용자의 위치를 인식하는 기술로는 GPS, Wifi, 비콘(Beacon) 등이 있다. 일반적으로 GPS 방식을 가장 널리 사용하고 있다. GPS는 별도의 장치설치 없이 위성으로부터 신호를 수신받아 사용자의 위치를 쉽게 파악할 수 있다. 그러나 실내에서 측정이 불가능한 단점을 갖는다. 사용자의 실내 위치를 측정하기 위해서 Wifi, 비콘 등을 사용하고 있다. Wifi는 대부분의 모바일 장비에 탑재되어 있는 기술로 접근성이 용이한 반면, 배터리 소모 등의 문제를 해결해야한다. 저전력 블루투스(BLE; Bluetooth Low Energy) 기술을 사용하는 비콘(Beacon)은 상대적으로 저비용과 저전력으로 사용 가능한 잇점이 있다.
한국 등록특허 제10-1760741호(이하 '선행문헌'으로 칭함)는 비콘을 이용한 사업장 내 위치 추정 방법 및 이를 통한 위치 기반 서비스 제공 시스템에 관한 것이다. 선행문헌은 비콘 노드들의 상대적 신호세기 패턴이 실내 위치별로 상이한 점을 이용하여 신경망을 활용하여 신호 패턴을 분석하여 사용자의 위치를 추정하는 것을 개시하고 있다. 선행문헌은 지정된 장소의 신호를 수집하여 신경망 학습을 수행하며, 사용자의 위치 추정을 분할된 공간 중 하나로 매핑하는 기술로 특정 장소에서 위치를 찾는다.
한편, 비콘은 일반적으로 통신기기들이 사용하는 주파수 대역폭을 사용함에 따라 많은 신호 간섭이 존재하게 되며, 안테나의 방향, 장애물, 수신방향 등에 따라 오차가 발생하기 쉽다. 따라서 비콘을 통해 위치를 추정할 때 오차율을 크게 감소시킬 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
한국 등록특허 제10-1760741호(발명의 명칭 : 비콘을 이용한 사업장 내 위치 추정 방법 및 이를 통한 위치 기반 서비스 제공 시스템 및 방법, 등록일 : 2017.07.18.)
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 비콘으로부터 전송된 신호로부터 최초거리를 산출하며, 최초거리를 인공신경망을 통해 생성된 거리별 모델에 접목시켜 오차가 보정된 최종거리를 산출하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치는 비콘으로부터 전송된 신호의 수신신호세기의 잡음을 제거하여 보정데이터를 생성하는 신호전처리부, 기 설정된 활성화 함수가 적용되는 인공신경망을 구축하고, 기계학습엔진을 사용하여 보정데이터로부터 거리별 예측모델을 생성하는 인공신경망부, 및 상기 보정데이터를 상기 거리별 예측모델에 적용시켜 상기 비콘과의 거리를 산출하는 거리산출부를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 신호전처리부는 동적 시스템의 상태를 추정하는 확장칼만필터와 상기 확장칼만필터를 통과한 데이터의 잡음을 보정하는 신호안정화필터를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 인공신경망부는 상기 비콘과의 거리측정이 가능한 전체거리를 측정하기 위한 전체모델을 생성하는 전체모델생성부와 상기 전체거리를 소정의 거리만큼 구획하여 각각의 거리구간마다 예측모델을 생성하는 구간모델생성부를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 거리산출부는 상기 보정데이터를 상기 전체모델에 적용시켜 최초거리를 산출하는 최초거리산출부, 상기 최초거리가 상기 거리구간 중 특정 거리구간에 포함되는지 여부확인하고, 상기 특정 거리구간에 대응하는 특정 예측모델을 식별하는 예측모델식별부, 및 상기 보정데이터를 상기 특정 예측모델에 적용시켜 최종거리를 산출하는 최종거리산출부를 포함한다.
본 발명은 비콘으로부터 전송된 신호로부터 최초거리를 산출하며, 최초거리를 인공신경망을 통해 생성된 거리별 모델에 접목시켜 오차가 보정된 최종거리를 산출함으로서 정밀하게 거리를 예측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 인경신경망의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 일 실시예이다.
도 4는 본 발명의 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 사용에 따른 정밀도를 나타내는 실험표이다.
도 5는 본 발명의 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 사용에 따른 오차감소를 나타내는 실험표이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치는 신호전처리부(100), 인공신경망부(200), 거리산출부(300)를 포함할 수 있다.
신호전처리부(100)는 비콘으로부터 전송된 신호의 수신신호세기의 잡음을 제거하여 보정데이터를 생성하는 장치이다. 신호전처리부(100)는 수신된 신호의 수신신호세기(RSSI; Received Signal Strength Indication)의 잡음을 제거하기 위해 확장칼만필터(110)와 신호안정화필터(120)를 포함한다.
확장칼만필터(Extended Kalman Filter; 110)는 주로 동적 시스템의 상태를 추정하는데 사용되는 필터이다. 또한, 확장칼만필터(110)는 가우시안(Gaussian) 잡음이 포함된 비선형 시스템의 상태에 대한 최적의 베이지안(Bayesian) 재귀 추정을 제공한다. 확장 칼만 필터(110)는 비선형 모델에서 최적 추정(Optimal Estimation)을 사용하는 평균제곱오차(Mean Square Error)를 최소화하는 방법을 사용하여 재귀적으로 다음상태를 추정하는 필터이다. 알고리즘의 수렴 속도가 빨라 실시간 처리가 용이하다.
신호안정화필터(Signal Stabilization Filter; 120)는 확장칼만필터(110)를 통과한 데이터의 잡음을 보정하는 장치이다. 신호안정화필터(120)는 일정한 시간 동안 사용자가 수신한 비콘 신호 값의 흐름을 분석한 뒤 발생하는 잡음(noise) 데이터를 보정하여 위치 인식의 정확도로 확보하는 장치이다. 신호안정화필터(120)는 일정 사이즈로 데이터 구역을 설정한 후 평균값과 임계값을 이용하여 새로 수신된 신호의 잡음 여부를 판별한 후 잡음으로 판별되었을 경우 보정을 실시한다.
인공신경망부(200)는 기 설정된 활성화 함수가 적용되는 인공신경망을 구축하고, 기계학습엔진을 사용하여 보정데이터부터 거리별 예측모델을 생성하는 장치이다. 이하 도 2를 통해 인공신경망 구조에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본발명에 따른 인공신공망의 구조로서 Input Layer, Hidden Layer, Output Layer로 설계되며, 각각의 Layer에는 활성화 함수가 적용된다. Input Layer는 비콘의 신호감도(TxPower)와 수신신호세기(RSSI)가 해당된다. Output Layer는 예측된 거리데이터(Distance)이다. Hidden Layer는 4-3구조로 설계되며, 각각에 tanh-sigmoid 함수를 사용한다. Input Layer에 보정데이터의 수신강도(TxPower)와 수신신호세기(RSSI)가 입력되면, Hidden Layer를 거쳐 Output Layer를 통해 거리가 예측되며, 기계학습엔진을 통해 거리별 모델이 생성된다. 기계학습엔진은 구글에서 개발한 tensorflow 등이 사용될 수 있다.
인공신경망부(200)는 전체모델생성부(210)와 구간모델생성부(220)를 포함할 수 있다. 전체모델생성부(210)와 구간모델생성부(220)는 기계학습엔진을 통해 전체모델과 거리별 예측모델을 생성하는 장치이다. 전체모델생성부(210)는 비콘과의 거리측정이 가능한 전체 영역 즉, 전체거리를 측정하기 위한 전체모델을 생성한다. 구간모델생성부(220)는 전체거리를 소정의 거리만큼 구획하여 각각의 거리구간마다 예측모델을 생성한다.
거리산출부(300)는 보정데이터를 거리별 예측모델에 적용시켜 비콘과의 거리를 산출하는 장치이다. 거리산출부(300)는 최초거리산출부(310)와 예측모델식별부(320), 최종거리산출부(330)를 포함할 수 있다. 최초거리산출부(310)는 보정데이터를 전체모델에 적용시켜 최초거리를 산출하는 장치이다. 예측모델식별부(320)는 최초거리가 거리구간 중 특정 거리구간에 포함되는지 여부확인하고, 특정 거리구간에 대응하는 특정 예측모델을 식별하는 장치이다. 최종거리산출부(330)는 보정데이터를 특정 예측모델에 적용시켜 최종거리를 산출하는 장치이다.
이와 같은 본 발명에 의하여, 일정한 거리 단위별로 나누어 비콘의 수신신호세기(RSSI)를 수집한다. 수집된 수신신호세기의 잡음을 줄이기 위해 확장 칼만 필터(110)와 신호 안정화 필터(120)를 통해 신호전치리과정을 거친다. 산출된 수신신호세기 등을 기반으로 거리단위별 인공신경망(ANN; Artificial Neural Network) 학습을 수행한다. 이 과정을 통해 거리 단위별 인공신경망 모델이 생성되고, 이들은 각각 거리별로 특화된 모델이 된다.
거리 측정을 위하여 새로이 측정된 수신신호세기를 앞서 설명한 신호전처리부(100)를 통과시킨다. 잡음 등이 제거된 데이터(수신신호세기)는 거리산출부(300)에 입력된다. 거리산출부(300)에서는 측정 가능한 전 영역대의 전체거리 산출을 위하여 1차적으로 최초거리산출부(310)에 입력된다. 최초거리산출부(310)에서 계산된 최초거리는 예측모델식별부(320)를 거친 후, 일정 구간별로 구획된 최종거리산출부(330)에 입력되어 최종거리로 변환 출력된다.
[실험예]
도 3은 본 발명에 따른 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 일 실시예이다.
도 3을 참조하면, 신호전처리부(100)는 비콘로부터 신호를 전송받는다. 비콘으로부터 전송된 신호는 가공되지 않은 Raw Data이다. 신호전처리부(100)는 수신된 Raw Data의 확장칼만필터(110)를 통해 동적 시스템의 상태를 추정하며, 신호안정화필터(120)를 통해 확장칼만필터(110)를 통과한 데이터의 잡음을 보정하여 보정데이터를 생성한다.
도 3의 인공신공부(200)는 전체모델생성부(210)와 구간모델생성부(220)를 포함하고 있으며, 전체모델생성부(210)에 의해 생성된 전체모델(Full model)은 0~7m까지의 전체거리를 측정한다. 구간모델생성부(220)는 전체거리 0~7m를 0~3m, 3~5m, 5~7m로 구획하여 각각의 거리구간만다 예측모델을 생성하였다. 도 3의 실시예는 구간모델생성부(220)에 의해 0~3m구간은 2m Model, 3~5m의 구간은 4m Model, 5~7m는 6m Model이 생성된 경우이다. 여기서, 전체거리란 측정가능한 전 범위의 거리 영역을 의미한다. 한편, 각각의 거리구간은 사용자 등에 의하여 임의로 구획된 것으로 가변될 수 있다.
도 3을 참조하면, 최초거리산출부(310)는 전체모델에 보정데이터를 적용시켜 최초거리가 산출한다. 최초거리가 3m보다 작을 경우, 예측모델식별부(320)는 보정데이터를 2m Model에 적용시켜 최종거리를 산출하도록 한다. 최초거리가 3m이상 5m 미만일 경우는 4m Model, 5m 이상일 경우는 6m Model에 보정데이터를 적용시켜 최종거리가 산출된다.
도 4는 본 발명의 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치의 사용에 따른 정밀도를 나타내는 실험표이다.
도 4의 실험예는 비콘의 TxPower가 -61로 고정, 수신기기는 삼성 갤럭시 S3제품을 사용하였다. 비콘과 수신기기 사이의 거리는 0.5m에서 시작하여, 0.5m간격으로 7m까지 점차 거리를 넓혀가며 실험을 진행한 경우이다. 스마트 기기에서 수집되는 데이터로는 측정시각, 초기 수신신호세기(RSSI)와 필터링 된 수신신호세기(RSS) 등이다.
각 모델단위마다 약 1000개 정도의 데이터를 수집하였고, 수집한 전체 데이터 약 3000개 중 트레이닝 데이터는 60%, 테스팅 데이터는 40%로 정하였다. 실험은 3가지 환경에서 수행하였다. 먼저, 수신신호세기(RSSI)에 대해 필터링을 거치지 않고 ANN학습을 시킨 모델, 수신신호세기(RSSI)에 확장칼만필터(110)와 신호안정화필터(120)를 적용시킨 후 ANN학습 모델, 본 발명에서 제안하는 적응형 ANN 학습 모델에 대한 정밀도를 측정하였다.
정밀도(Precision)값은 3m 모델의 경우에 에러(error)가 0.2로 가정한다. 실제거리가 0.5 ~ 3m인 경우에 에러를 고려하여 예측거리가 0.3 ~ 3.2m 이내로 나온 경우라면 정탐(TP; True Positive)로 카운팅한다. 반면, 실제거리가 3.5m 인데, 예측치가 0.3 ~ 3.2m 이내로 나온 경우라면 오탐(FP; False Positive)로 카운팅한다.
도 4를 참고하여, 정밀도는 정탐/(정탐+오탐)으로 구하였다. 도 4와 같이, 전체적으로 본 발명에서 제안하는 적응형 ANN학습모델의 정밀도가 높은 것으로 측정된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 각각의 모델별, 평균 오차(Average Error)를 나타내는 실험표이다. 도 5의 실험예는 도 4와 동일한 조건에서 실행되었으며, 본 발명에서 제안하는 적응형 ANN학습모델의 평균오차가 약 0.67m로 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 반면, 다른 모델의 경우 평균 1m의 오차를 가지고 있음을 알 수 있다.
이를 통하여 볼 때 7m 이내의 거리에서 동일한 필터를 적용한 ANN 모델의 결과보다 약 0.34m의 오차가 개선된 것이 확인된다. 평균 0.78의 정밀도를 달성하였다.
100 : 신호전처리부 110 : 확장칼만필터
120 : 신호안정화필터 200 : 인공신경망부
210 : 전체모델생성부 220 : 구간모델생성부
300 : 거리산출부 310 : 최초거리산출부
320 : 예측모델식별부 330: 최종거리산출부

Claims (4)

  1. 비콘으로부터 전송된 신호의 수신신호세기의 잡음을 제거하여 보정데이터를 생성하는 신호전처리부;
    기 설정된 활성화 함수가 적용되는 인공신경망을 구축하고, 기계학습엔진을 사용하여 보정데이터로부터 거리별 예측모델을 생성하는 인공신경망부; 및
    상기 보정데이터를 상기 거리별 예측모델에 적용시켜 상기 비콘과의 거리를 산출하는 거리산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호전처리부는
    동적 시스템의 상태를 추정하는 확장칼만필터; 및
    상기 확장칼만필터를 통과한 데이터의 잡음을 보정하는 신호안정화필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인공신경망부는
    상기 비콘과의 거리측정이 가능한 전체거리를 측정하기 위한 전체모델을 생성하는 전체모델생성부; 및
    상기 전체거리를 소정의 거리만큼 구획하여 각각의 거리구간마다 예측모델을 생성하는 구간모델생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 거리산출부는
    상기 보정데이터를 상기 전체모델에 적용시켜 최초거리를 산출하는 최초거리산출부;
    상기 최초거리가 상기 거리구간 중 특정 거리구간에 포함되는지 여부확인하고, 상기 특정 거리구간에 대응하는 특정 예측모델을 식별하는 예측모델식별부; 및
    상기 보정데이터를 상기 특정 예측모델에 적용시켜 최종거리를 산출하는 최종거리산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공신경망을 기반으로 하는 적응형 거리측정장치.
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