KR20200059553A - 비콘기반 실내위치측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 실내위치측정시스템은, 4개의 비콘, 단말기를 포함하는 비콘기반 실내위치측정시스템에 있어서, 4개의 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 평균 필터와 칼만필터를 적용하여 보정하고, 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구하는 것을 특징으로 한다.

Description

비콘기반 실내위치측정시스템{INDOR POSITIONING SYSTEM USING BEACON}

본 발명은 비콘기반 실내위치측정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 이용하여 단말기의 위치를 추정하는 비콘기반 실내위치측정시스템에 관한 것이다.

최근 고객의 위치를 기반으로 여러 가지 서비스를 제공해주는 위치기반서비스가 다양한 산업 분야에서 각광받고 있다. 위치기반서비스의 핵심 기술인 측위기술에는 일반적으로 GPS가 활용되고 있다. 하지만 실내 공간에서는 GPS 신호를 이용하여 위치를 찾아낼 수 없어서 다른 방식의 측위 기술을 필요로 하고 있다. 그 중 하나로 비콘을 사용할 수 있고, 비특허문헌 1과 비특허문헌 2에는 비콘을 이용하는 실내 측위 기술이 개시되어 있다. 비콘은 블루투스 기술을 기반으로 근거리 내에 감지되는 단말기에 각종 정보와 서비스를 제공할 수 있는 무선 통신 장치를 말한다. 사용자가 비콘이 신호를 송신하는 특정 공간에 진입했을 때 스마트폰 어플리케이션을 통해 각종 서비스를 제공받을 수 있다. 비콘을 이용하여 실내 공간에서 단말기의 위치를 알아내기 위해서는 3개 이상의 비콘과 단말기 사이의 거리를 구하고 삼변측량법을 적용하여 사용자의 위치를 계산해야 한다. 이 때 비콘과 단말기의 거리를 측정하기 위해서 비콘의 RSSI 신호를 이용한다. 이러한 방법이 비특허문헌 3에 개시되어 있다. 하지만 RSSI는 주변의 장애물 존재 여부, 날씨, 습도와 같은 주변 환경에 굉장히 민감하기 때문에 그대로 적용하여 단말기의 거리를 측정한다면 오차가 발생하고 이로 인해 실내 측위 시 계산한 위치 역시 신뢰도가 떨어진다. 이러한 문제점이 비특허문헌 4에 기재되어 있다.

따라서 정확한 실내 측위를 위해서는 비콘과 단말기 사이의 거리가 정확하게 측정되어야 하고. 이를 위해 보정 알고리즘을 적용하여 RSSI 데이터의 오차를 개선하는 기술이 필요하다.

조영수, "실내외 연속측위 기술 동향", 한국전자통신연구원, 전자통신동향분석, 22권 3호, pp.20~28, 2007.6 한국 인터넷 진흥원, "국내·외 LBS 산업 동향 보고서", 2018 Y. Wang, X. Yang, Y. Zhao, Y. Liu, and L. Cuthbert, "Bluetooth positioning using rssi and triangulation methods", Consumer Communications and Networking Conference (CCNC), 2013 IEEE, pp.837 - 842, IEEE Q. Dong and W. Dargie, "Evaluation of the reliability of RSSI for indoor localization",in Proc. International Conference on Wireless Communications in Unusual and Confined Areas (ICWCUCA), Aug. 2012.

본 발명이 해결하고자는 하는 과제는, 비콘기반 실내위치측정시스템에서 비콘과 단말기 사이의 정확한 거리 측정을 위해 RSSI 데이터의 오차를 개선하여 비콘과 단말기 사이의 정확한 거리 측정을 하고, 이로 인해 실내 위치 측정의 정확도를 향상시키는 것이다.

본 발명에 의한 실내위치측정시스템은, 4개의 비콘, 단말기를 포함하는 비콘기반 실내위치측정시스템에 있어서, 4개의 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 평균 필터와 칼만필터를 적용하여 보정하고, 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 다른 실시예에 의한 실내위치측정시스템은, 4개의 비콘, 단말기, 초기 오차값 측정장치를 포함하는 비콘기반 실내위치측정시스템에 있어서, 단말기를 초기 오차값 측정 장치에 놓으면 단말기 고유의 오차값을 구할 수 있고, 단말기의 위치를 추정할 때, 4개의 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 평균필터와 칼만필터를 적용하고 단말기 고유의 오차값을 이용하여 보정하며, 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 비콘기반 실내위치측정시스템은, RSSI 데이터의 오차를 개선하여 비콘과 단말기 사이의 정확한 거리 측정이 가능하다.

도 1은 실시예 1의 개념도
도 2는 실시예 2의 개념도
도 3은 단말기와 초기 오차값 측정장치의 단면도의 예

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

(실시예 1)

도 1은 실시예 1의 개념도이다.

도 1의 실시예 1에서는 4개의 비콘{비콘 1(10), 비콘 2(20), 비콘 3(30), 비콘 4(40)}과 단말기(100)를 포함한다.

스마트폰에 앱을 설치하면 실시예 1의 단말기(100)가 될 수 있다.

단말기(100)는 각 비콘으로부터 수신되는 RSSI신호의 크기로부터 거리를 추정할 수 있다. 만일 각 비콘으로부터 단말기까지의 거리를 추정할 수 있다면, 삼변측량을 이용하여 단말기의 위치를 추정할 수 있다.

삼변측량(三邊測量)은 삼각측량과 마찬가지로 삼각형 기하학을 사용하여 물체의 상대 위치를 구하는 방법이다. 하나의 변의 길이와, 양 끝의 두 각을 이용하는 삼각측량과는 달리 삼변측량은 목표의 위치를 알기 위해서 두 개 이상의 기준점과, 물체와 각 기준점과의 거리를 이용한다. 삼변측량만으로 2차원 면에서의 상대위치를 정확하고 유일하게 결정하기 위해서는 최소한 3개의 기준점이 필요하다

그러나 각 비콘으로부터 수신되는 RSSI신호의 크기로부터 거리를 추정할 때, 여러가지 이유로 오차가 발생할 수 있다.

만일 각 비콘으로부터 수신되는 RSSI신호에 평균필터와 칼만필터를 적용하면 오차를 줄일 수 있다.

평균필터는 잡음이 포함될 수 있는 측정값에서 평균값을 구함으로써 잡음의 영향을 줄이는 필터이다.

칼만필터는 잡음이 포함되어 있는 선형 역학계의 상태를 추적하는 재귀 필터로, 루돌프 칼만이 개발한 것이다. 이것은 선행하는 비특허문헌{김성필, "칼만필터의 이해", 아진, pp. 75~80, 2010}에도 기재되어 있다.

그리고 각 비콘으로부터 수신되는 RSSI신호에 평균필터와 칼만필터를 적용한 후에도 오차가 남아있을 수 있는데, 이 오차에 의한 단말기 추정 위치의 오차는 다음의 방법으로 줄인다.

본 실시예에서는 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구한다.

비콘은 BLE(Bluetooth Low Energy)기술을 이용하므로, 실행시 사용자의 단말기(예를 들면, 스마트폰)의 블루투스 기능을 활성화시켜야 한다.

실시예 1은 강의실 내에서 학생들의 위치를 표시하는 기술에 이용될 수 있다. 그 외에도 교육기관의 출석 관리 어플리케이션, 실내 내비게이션 서비스, 미차 찾기 서비스 등 실내 위치측정시스템에 사용될 수 있다.

실시예 1의 실내 위치측정시스템은 사용자의 단말기(예를 들면, 스마트폰) 외에는 BLE 비콘만을 이용하므로, 다른 방법을 이용하는 것보다 저렴한 가격으로 실내측위를 가능하게 한다.

그런데 실시예 1에서는 단말기의 위치 추정 결과에 오차가 있을 수 있다. 단말기마다 특성이나 성능이 다르고, 오차 특성이 다르기 때문이다.

만일 단말기 고유의 오차 특성을 감안하여 단말기의 위치를 추정할 수 있다면, 오차를 더욱 줄일 수 있을 것이다.

실시예 2에서는 단말기 고유의 오차 특성을 감안하여 단말기의 위치를 추정한다.

(실시예 2)

도 2는 실시예 2의 개념도이고, 도 3은 단말기와 초기 오차값 측정장치의 단면도의 예이다.

도 2가 도 1과 다른 점은 초기 오차값 측정장치(200)을 더 포함하는 점이다.

초기 오차값 측정장치(200)는 고정된 위치에 설치되어 있고, 그 위치를 미리 알고 있다.

따라서 단말기를 초기 오차값 측정장치(200) 위에 놓을 때, 단말기의 정확한 위치를 알고 있으므로, 단말기에서 각 비콘에 이르는 정확한 거리를 알 수 있다.

이때 단말기에서 각 비콘으로부터 수신한 RSSI신호를 분석하면, 단말기 고유의 오차 특성을 알 수 있다. 즉 오프셋(offset) 값이 얼마인지, 각 비콘으로부터 거리가 얼마일 때 RSSI신호의 크기가 얼마인지를 알 수 있다.

이렇게 알아낸 단말기 고유의 오차 특성을 고려하여 비콘과 단말기 사이의 위치를 추정하면, 단말기 위치의 추정값과 실제 위치 사이의 오차를 더욱 줄일 수 있다.

도 3에서는, 초기 오차값 측정장치(200)의 상부에 초기 오차값 측정장치 버튼(210)이 형성되어 있고, 단말기를 초기 오차값 측정 장치에 놓으면 초기오차값 측정장치 버튼(210)이 눌러진다. 초기오차값 측정장치 버튼(210)이 눌러지면, 초기 오차값 측정장치(200)는 단말기(100)에 측정개시 신호를 보내고, 단말기(100)는 각 비콘으로부터 RSSI신호를 수신하고, 실제 거리와 비교하여 단말기 고유의 오차 특성을 알아낸다.

오차값 측정장치(200)는 단말기(100)에 측정개시 신호를 보낼 때 무선통신(예를 들면, 블루투스 통신, nfc 통신 등)을 이용할 수 있다.

따라서 실시예 2에 의한 단말기 위치 추정방법의 순서는 다음과 같이 할 수 있다.

(1) 제1 단계: 사용자가 단말기를 초기 오차값 측정 장치에 놓는다.

(2) 제2 단계: 단말기(100)가 측정개시 신호를 받으면, 4개의 비콘으로부터 RSSI신호를 수신한 후 평균필터와 칼만필터를 적용한 값을 구한다. 그 결과 구한 값과 실제 거리를 비교하여 단말기 고유의 오차 특성을 알아낸다.

(3) 제3 단계: 단말기를 초기 오차값 측정 장치로부터 이탈한 후 4개의 비콘으로부터 RSSI신호를 수신한다.

(4) 제4 단계: 4개의 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 평균필터와 칼만필터를 적용하고 단말기 고유의 오차값을 이용하여 보정한다.

(5) 제5 단계: 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구한다.

상기 제4 단계와 제5 단계는 단말기가 할 수도 있고, 단말기로부터 필요한 데이터를 전송받은 서버 등에서 할 수도 있다.

단말기(100)(예를 들면, 스마트폰)이 상기와 같이 동작하기 위해서는, 단말기(100)가 상기와 같이 동작하도록 하는 앱(애플리케이션 프로그램)이 단말기(100)에 설치되어 있어야 한다.

10: 비콘 1
20: 비콘 2
30: 비콘 3
40: 비콘 4
100: 단말기
200: 초기 오차값 측정장치
210: 초기오차값 측정장치 버튼

Claims (2)

1. 4개의 비콘, 단말기를 포함하는 비콘기반 실내위치측정시스템에 있어서,
   4개의 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 평균 필터와 칼만필터를 적용하여 보정하고, 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구하는 것을 특징으로 하는 비콘기반 실내위치측정시스템
   
2. 4개의 비콘, 단말기, 초기 오차값 측정장치를 포함하는 비콘기반 실내위치측정시스템에 있어서,
   단말기를 초기 오차값 측정 장치에 놓으면 단말기 고유의 오차값을 구할 수 있고,
   단말기의 위치를 추정할 때, 4개의 비콘으로터 단말기가 수신한 RSSI신호를 평균필터와 칼만필터를 적용하고 단말기 고유의 오차값을 이용하여 보정하며, 4개의 비콘 중 3개씩을 선택하여 삼변측량으로 위치를 추정한 후, 4개의 추정값을 평균하여 최종적인 위치 추정값을 구하는 것을 특징으로 하는 비콘기반 실내위치측정시스템.

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