KR20220105351A - 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다 센서로 구비되는 레이다 센서(110)를 포함하는 센서 유닛(100); 및 상기 레이다 센서(110)의 센서 데이터를 수집하고 이를 GPS 맵 API(230)로부터 제공되는 GPS 위치 정보와 융합하여 가상의 GPS 맵을 생성하며 상기 가상의 GPS 맵에 기초하여 안내 정보를 생성하여 음성으로 송출하는 모바일기기(200);를 포함한다.

Description

레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템{A system for sensing object and identifying dangerous thing based on radar sensor}
본 발명은 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 레이다 센서에 기반하는 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템에 관한 것이다.
시각장애인의 보행 편의를 돕기 위한 여러 가지 기술이 소개된 바 있다.
대한민국 등록특허 제10-1881701호(발명의 명칭: 시각장애인 보행 보조 초음파 센서 밴드)는 지팡이나 손목밴드과 같은 웨어러블 기기 형태의 보행 보조 장치가 초음파 센서의 초음파 신호를 통하여 장애물을 감지하여 장애물까지의 거리 정보를 진동 방식으로 제공하는 기술을 소개하고 있다.
이 기술의 경우 장애물까지의 거리 만을 측정하여 그에 대한 정보를 제공할 뿐 해당 장애물이 무엇인지 식별할 수 있는 기술이 아니다.
대한민국 공개특허문헌 제10-2012-0005890호(발명의 명칭: 시각 장애인용 보행 가이드 로봇)는 시각 장애인의 GPS 위치 정보를 수신하여 시각 장애인이 설정한 경로로 가이드하며, 동시에 보행 방향에 위치하는 전방 장애물, 하면 장애물, 공중 장애물을 감지하여 시각 장애인에게 안전한 이동 방향의 정보를 제공하는 보행 가이드 로봇을 소개하고 있다.
이 기술의 경우 카트 형태의 가이드 로봇이 별도로 필요하고 계단과 같은 곳에서는 활용하기 어려운 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1881701호 (2018.08.24) 대한민국 공개특허문헌 제10-2012-0005890호 (2012.01.17)
본 발명의 목적은 레이다 신호에 기반하여 객체 감지 및 위험 요소 식별을 수행하고 시각장애인에게 보행의 편의 및 안전에 도움되는 유용한 음성 정보를 제공할 수 있는 방안을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다 센서로 구비되는 레이다 센서(110)를 포함하는 센서 유닛(100); 및 상기 레이다 센서(110)의 센서 데이터를 수집하고 이를 GPS 맵 API(230)로부터 제공되는 GPS 위치 정보와 융합하여 가상의 GPS 맵을 생성하며 상기 가상의 GPS 맵에 기초하여 안내 정보를 생성하여 음성으로 송출하는 모바일기기(200);를 포함하는 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 레이다 센서(110)가 거리, 속도, 위상, 각도 및 RCS(단면적) 정보로 이루어진 5D 전파 정보를 획득하고 이를 5D 매트릭스 형태로 상기 모바일기기(200)에 무선 전송하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 레이다 센서(110)가 상기 5D 전파 정보 획득 과정에서 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘을 융합 적용하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시스템은 상기 센서 유닛(100)이 목에 걸 수 있는 형태 또는 웨어러블 기기 형태로 제작되는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면 레이더 센서 데이터를 수집하고 이를 GPS 위치 정보와 융합하여 GPS 맵을 생성하고 이에 기초하여 음성 안내를 생성 및 제공함으로써 시각장애인의 보행 편의 및 안전에 기여할 수 있다.
본 발명에 의하면 주변 객체 및 위험 요소에 대한 안내정보가 단순 경고음 형식이 아니라 대상물의 종류, 거리, 이동 방향/속도, 주변 객체들과의 상대적인 위치 관계 등과 같은 정보를 포함하는 다양한 안내 멘트 형태로 제공되므로 시각장애인의 안전하고 편안한 보행에 크게 기여할 수 있다.
본 발명에 의하면 5D 전파 정보(거리, 속도, 위상, 각도, RCS)를 획득하고 이에 기초하여 객체를 감지함으로써 객체를 보다 정확하게 식별할 수 있다.
본 발명에 의하면 FMCW 레이다 센서를 통한 5D 전파 정보 획득 과정에서 기존의 신호처리 알고리즘에 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘을 융합 적용함으로써 생체 신호와 같은 미세한 신호 검출의 정확도를 개선할 수 있으며 이에 의해 생체 감지의 정확성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소프트웨어 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템의 구성을 보이는 블록도이다.
도 4는 도 3의 시스템에 적용되는 소프트웨어 알고리즘을 보이는 흐름도이다.
도 5는 도 3의 알고리즘에 융합 적용된 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘을 소개한 논문으로부터 발췌한 참고도이다.
도 6은 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘의 세부 단계를 요약 정리한 흐름도이다.
이하에서는 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
1. 본 발명의 기초 개념 설명
도 1은 본 발명에 대한 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 소프트웨어 블록도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템은 시각장애인의 보행 편의 및 안전을 돕기 위한 시스템으로서, 시각장애인이 보행 중일 때 레이다를 이용하여 사람, 사물 등의 객체를 감지하고 이를 GPS 위치 정보와 융합하여 GPS 맵을 생성하고 이에 기초하여 시각장애인의 보행에 도움되는 정보를 생성하여 음성 안내 형식으로 제공한다.
본 발명의 시스템에서는 레이다 센서를 통해 사용자(시각장애인) 주변에 대한 전파 정보를 획득한다. 구체적으로 레이다 센서를 통해 5D 정보 즉, 거리, 속도, 위상, 각도 및 RCS(단면적) 정보를 획득한다.
레이다 센서 정보는 사용자가 휴대한 모바일기기에 제공된다. 여기서, 모바일기기는 스마트폰이나 태블릿PC일 수 있다. 모바일기기는 레이다 센서 정보로부터 주변 객체 및 위험 요소를 식별하는 한편, 가상의 GPS 맵(Map)을 생성하고 이를 기초로 보행 경로 및 그 주변에 존재하는 객체 및 위험 요소의 정체, 거리, 이동 상태 등의 정보를 분석하여 그 분석 정보를 음성 안내 방식으로 제공한다.
예를 들어, 시각장애인이 보행하는 중에 전방에 위험 요소가 될 수 있는 가로등이 있는 경우 전방 10 미터 거리에 가로등이 있으니 주의하라는 멘트 형식으로 음성 안내가 제공될 수 있다. 또한, 시각장애인이 보행하는 중에 전방으로부터 위험 요소가 될 수 있는 자전거가 다가오는 경우 앞쪽에서 자전거가 다가오고 있으니 주의하라는 멘트 형식으로 음성 안내가 제공될 수 있다.
본 발명에서 레이다 센서로는 mmWave 레이다 센서가 특히 적합하게 사용된다.
mmWave는 물체를 감지하고 물체의 범위, 속도 및 각도를 파악하는 데 매우 유용한 감지 기술로서 30GHz~300GHz 스펙트럼에서 작동하는 비접촉 기술이다. 이 기술은 단파장을 사용하기 때문에 1mm 미만 범위의 정확도를 제공할 수 있고, 플라스틱, 건식 벽, 의류와 같은 물질을 통과할 수 있으며, 비, 안개, 먼지, 눈과 같은 환경 조건에 영향을 받지 않는다.
mmWave 센서는 밀리미터(mm) 범위 내에 있는 파장을 사용하여 신호를 보낸다. 이는 전자기 스펙트럼에서 단파장으로 간주되며, 이 기술의 이점 중 하나이다.
실제로 mmWave 신호를 처리하는 데 필요한 안테나와 같은 시스템 구성 요소의 크기는 작다. 단파장의 또 다른 이점은 높은 분해능이다. 파장과의 거리를 확인하는 mmWave 시스템은 76-81GHz에서 mm 범위의 정확도를 나타낸다.
본 발명에서는 레이다 센서로서 주파수 변조 연속파(Frequency Modulated Continuous Wave: FMCW) 레이다 센서가 사용된다. FMCW 레이다 센서는 60 GHz의 레이다를 이용한다.
2. 본 발명의 구성
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템의 구성을 보이는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 mmWave 레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 및 위험 요소 식별 시스템(10)은 센서 유닛(100) 및 모바일기기(200)를 포함한다.
센서 유닛(100)은 레이다를 송출 및 수신하며, 수신 데이터를 처리하여 획득한 5D 전파 정보를 모바일기기(200)에 전송한다.
센서 유닛(100)은 다양한 형태로 제작될 수 있다. 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 센서 유닛(100)은 사용자의 목에 걸 수 있는 형태로 제작될 수도 있고, 대안적으로 손목밴드와 같은 웨어러블 기기 형태로 제작될 수도 있다.
센서 유닛(100)은 레이다 센서(110) 및 통신부(120)를 포함한다.
레이다 센서(110)는 FMCW 레이다 센서로 구비된다. 레이다 센서(110)는 60 GHz의 레이다를 송출하고, 되돌아오는 레이다를 수신하며, 이를 디지털 신호로 변환 후 데이터 처리하여 5D 전파 정보(거리, 속도, 위상, 각도, RCS)를 획득한다.
통신부(120)는 레이다 센서(110)에 의해 획득된 5D 전파 정보를 모바일기기(200)에 무선 전송한다. 이를 위한 무선 통신으로는 블루투스 통신이 적합하게 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 모바일기기(200)은 통신부(210), GPS 맵 API(220), 맵 생성부(230) 및 음성안내부(240) 포함한다.
통신부(210)는 센서 유닛(100)으로부터 전술한 5D 전파 정보(거리, 속도, 위상, 각도, RCS)를 무선 통신에 의해 수신한다.
GPS 맵 API(220)는 GPS 맵 생성에 필요한 GPS 맵 기초 데이터를 함수 형태로 제공한다. 이러한 데이터 제공은 안드로이드 OS(operating system)를 채택하는 스마트폰에서 기본적으로 제공되는 기능이다. GPS 맵 기초 데이터는 GPS 좌표에 기반한 주요 건물, 관공서, 도로 등의 정보들을 포함한다.
맵 생성부(230)는 GPS 맵 API(220)로부터 받은 GPS 맵 기초 데이터와 레이다 센서(110)로부터 수신한 레이다 전파 정보(5D 정보)를 융합하여 가상의 GPS 맵을 생성한다.
음성안내부(240)는 맵 생성부(230)에 의해 생성된 가상의 GPS 맵에 기초한 음성 안내를 제공한다. 음성 안내는 목적지의 경로 또는 주변 환경 정보 그리고 위험 요소 등의 정보를 포함한다. 이러한 음성 안내를 받음으로써 시각장애인은 주변에 어떤 객체/위험요소가 존재하는지 여부, 그 대상물과의 거리, 그 대상물과의 충돌을 피하기 위한 보행 방향 등을 신속하게 파악할 수 있다.
3. 본 발명의 소프트웨어 알고리즘
도 4는 본 발명의 시스템에 적용되는 소프트웨어 알고리즘을 보이는 흐름도이다.
도 4에서 S10 ~ S60 단계는 레이다 센서(110)에서 수행되고, S70 단계는 모바일기기(200)에서 수행된다.
레이다 센서(110)는 S10 ~ S40 단계를 수행하여 5D 전파 정보(거리, 속도, 위상, 각도, RCS)를 획득한다.
이때, S30 단계에서 수행되는 5D 전파 정보 획득은 S40 단계에서 설정되는 반복 조건을 통해 복수 횟수(예: 5회)로 수행된다. 이에 의해 5D 전파 정보 획득이 누적 수행됨으로써 노이즈는 감소하고 신호는 증폭된다.
S10 단계는 1차 거리 FFT → 2차 속도 FFT → 3차 Dim FFT (Angle arrival)의 방식으로 수행되는 기존의 신호처리 알고리즘에 해당하는 단계이다. 본 발명에서는 생체 신호 감지의 정확도를 향상시키기 위해, 기존의 신호처리 알고리즘(S10 단계)에 다중 ARC 편이 추출 알고리즘(S20 단계)를 융합하며, 이를 통해 5D 전파 정보(거리, 속도, 위상, 각도, RCS)를 획득한다.
S20 단계(다중 ARC 편이 추출 알고리즘)에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
본 발명에서는 레이다 센서(110)에 의해 거리, 속도, 위상, 각도 정보에 더하여 RCS(단면적) 정보가 포함된 5D 정보를 획득함으로써 객체의 형태를 보다 명확하게 식별할 수 있다.
S50 단계는 MTI(Moving Target Indication) 알고리즘을 적용하여 객체 감지 및 트래킹을 수행하는 단계이다. 이를 통해 이동하는 객체를 명확하게 식별할 수 있다. MTI 알고리즘 자체는 공지의 기술이므로 보다 자세한 설명은 생략한다.
S60 단계에서 레이다 센서(110)는 획득한 5D 전파 정보(거리, 속도, 위상, 각도, RCS)를 매트릭스 형태로 변환하여 이를 모바일기기(200)에 제공한다.
S70 단계에서 모바일기기(200)는 레이다 센서 5D 매트릭스 정보를 GPS 위치 정보와 머지(융합)하여 가상의 GPS 맵을 생성하며, 이러한 가상의 GPS 맵에는 5D 매트릭스 정보를 API에 입력하여 생성된 객체 정보가 포함된다.
모바일기기(200)는 이러한 가상의 GPS 맵에 기초하여 목적지의 경로 또는 주변 환경 정보 및 위험 요소 등의 정보를 음성 안내 방식으로 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 생체 신호 감지의 정확도를 향상시키기 위해, 기존의 신호처리 알고리즘(S10 단계)에 다중 ARC 편이 추출 알고리즘(S20 단계)를 융합 적용한다.
다중 ARC 편이 추출 알고리즘은 공개 논문 “A Multi-ARC Method for Improving Doppler RadarMotion Measurement Accuracy(저자: Songjie Bi 등)”에 상세히 소개되어 있다. 해당 논문에서 발췌한 도 5를 참조하면, 사람의 호흡은 주기적인 신호로, 이러한 주기적인 신호에서 위상을 추출하면 도 5에서와 같이 동일한 위상(각도)에서 원을 그리며 수렴/분포하는 특성을 확인할 수 있다. 이 원리를 이용하여, 본 발명에서는 기존 레이다 신호처리 알고리즘에서 위상을 추출하여 그 위상이 도 5의 특정 각도에서 수렴/누적되는지 여부를 분석하여 대상 신호가 생체 신호인지 여부를 판단할 수 있고 따라서 대상물이 생체(예: 휴먼)인지 여부를 정확하게 파악할 수 있다.
도 6은 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘의 세부 단계를 요약 정리한 흐름도이다. 이를 참조하여 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘의 주요 단계들에 대해 간략하게 소개하면 다음과 같다.
다중 ARC 위상 편이 추출 알고리즘은 위상 신호 추출 및 보정을 통해 생체 신호와 같은 미세한 신호 검출의 정확도를 개선하기 위한 것이다.
IQ 신호에서 획득한 주기적인 위상 신호의 경우 그림 ①과 같이 IQ그래프 상에서 특정 위치에 수렴하게 된다. 이러한 신호는 각각의 수신 객체에 따라 서로 다르게 수렴하게 된다. 이렇게 특정 위치에 수렴한 위상 신호의 정확한 위상 정보 획득을 위해 IQ Imbalance Calibration과 DC Offset Cancelation 과정을 거치게 된다. 이러한 과정을 거친 I, Q 신호는 각각 수식 ②, ③과 같이 표현된다.
Figure pat00001
IQ Imbalance Calibration과 DC Offset Cancelation 과정을 거친 후 수식 ④를 적용함으로써 위상의 수렴 위치나 크기에 대한 추정을 통해 움직임에 대한 데이터 보정을 수행할 수 있도록 알고리즘을 설계하였다.
Figure pat00002
이렇게 다중 ARC 위상 편이 추출 과정을 통해 수식 ⑤와 같이 복원된 I, Q 신호를 획득하여 2D FFT, 3 Dim FFT (Angle arrival)을 각각 수행 후 휴먼의 심박, 호흡 또는 미세한 움직임 신호 등을 검출하도록 발명하였다.
Figure pat00003
10 : 시각장애인용 객체 및 위험 요소 식별 시스템
100 : 센서 유닛
200 : 스마트폰

Claims (4)

  1. FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다 센서로 구비되는 레이다 센서(110)를 포함하는 센서 유닛(100); 및
    상기 레이다 센서(110)의 센서 데이터를 수집하고 이를 GPS 맵 API(230)로부터 제공되는 GPS 위치 정보와 융합하여 가상의 GPS 맵을 생성하며 상기 가상의 GPS 맵에 기초하여 안내 정보를 생성하여 음성으로 송출하는 모바일기기(200);를 포함하는
    레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이다 센서(110)는 거리, 속도, 위상, 각도 및 RCS(단면적) 정보로 이루어진 5D 전파 정보를 획득하고 이를 5D 매트릭스 형태로 상기 모바일기기(200)에 무선 전송하는
    레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 레이다 센서(110)는 상기 5D 전파 정보 획득 과정에서 다중 ARC 위상 편의 추출 알고리즘을 융합 적용하는
    레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서 유닛(100)은 목에 걸 수 있는 형태 또는 웨어러블 기기 형태로 제작되는
    레이다 센서 기반 시각장애인용 객체 감지 및 위험 요소 식별 시스템.
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