WO2020091286A1 - 차량용 uwb 정밀 위치 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

차량용 uwb 정밀 위치 추정 방법 및 시스템 Download PDF

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WO2020091286A1
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antennas
vehicle
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uwb tag
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백형일
유경현
박재일
이찬우
도한주
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주식회사 아모텍
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention is to estimate the position between a vehicle and a key module using a UWB (Ultra Wide Band), and in particular, a method and system for precise position estimation for a vehicle that can estimate the position by minimizing the influence of the type of vehicle and the outer metal material of the vehicle It is about.
  • UWB Ultra Wide Band
  • LBS Location Based Service
  • UWB refers to a radio technology that uses a frequency band of 500 MHz or higher, or a numerical value defined by a non-bandwidth of 25% or higher.
  • the non-bandwidth refers to the bandwidth of the signal relative to the center frequency.
  • UWB is a radio technology that uses a wideband frequency, and has various advantages such as high distance resolution, transmittance, strong immunity to narrow-band noise, and coexistence with other devices that share frequencies.
  • a representative location estimation technique is the Time of Arrival (TOA) triangulation method, after estimating the distance between a moving object and at least three reference points, the radius of the three reference points and the estimated three distances. It is a method of creating three circles and determining the intersection of the circles with the location of the moving object.
  • TOA Time of Arrival
  • the distance is generally estimated using the delay of the signal transmitted / received between the reference point and the moving object. In this process, the estimated distance becomes longer than the actual distance.
  • the technical problem of the present invention has been devised in this regard, and the object of the present invention is to provide a method and system for estimating a position between a vehicle and a key module using UWB by minimizing the influence of the type of vehicle and the outer metal material of the vehicle. .
  • the UWB precision position estimation system for a vehicle is a UWB precision position estimation system for a vehicle including a UWB tag installed in a key module and N UWB anchors installed in a vehicle,
  • the UWB Anchor is connected to a LIN Transceiver for receiving a position estimation related signal from inside the vehicle, a UWB Transceiver receiving the position estimation related signal transmitted from the LIN Transceiver, and performing position estimation with a UWB Tag, connected to the UWB Transceiver, M antennas spaced at regular intervals so that there is no mutual interference, the switch for turning on / off the M antennas at a certain time difference, and measuring the received signal delay with the UWB Tag a certain number of times while turning the switch on / off at the predetermined time difference, Determines antennas in which the received signal measured delay value is less than or equal to a predetermined threshold, Measure the distance between the determined antennas and the distance between each antenna and the UWB tag
  • UWB Anchor and UWB Tag To measure the distance between UWB Anchor and UWB Tag measured using triangulation between N UWB Anchor and UWB Tag installed in the vehicle, and to estimate UWB Tag location based on the measured position angle and distance It characterized in that it comprises a control unit for controlling each device and a power supply for supplying power.
  • the M antennas may be directional or omni-directional antennas.
  • the M antennas can be installed in different directions by adjusting the angle.
  • the control unit may transmit a reference signal from the UWB anchor to the UWB tag to recognize the UWB tag direction to determine the antenna directivity.
  • the UWB precision position estimation method for a vehicle is a UWB precision position estimation system for a vehicle including a UWB tag installed in a key module and N UWB anchors installed in a vehicle,
  • the UWB Anchor includes LIN Transceiver for receiving a signal related to position estimation from the inside of a vehicle, UWB Transceiver for receiving a signal from the LIN Transceiver, and M antennas connected to the UWB Transceiver and spaced at regular intervals so that there is no mutual interference,
  • a system including a switch for determining whether the M antennas are operated, a control unit for controlling the devices, and a power supply unit for supplying power, receiving a signal related to position estimation from a vehicle interior to a LIN Transceiver, and receiving the signal.
  • Step of starting position estimation by transmitting to UWB Transceiver, M number from the control unit comprising, while ON / OFF of each switch at a predetermined time difference for a certain number of times, the measurement antenna received signal with Delay UWB Tag; Determining antennas in which the received signal Delay value measured a predetermined number of times becomes a predetermined threshold or less; Measuring a distance between the determined antennas and a distance between each antenna and a UWB tag; Determining a position angle with the UWB tag using a two-way ranging (TWR) location based on the distance between the antennas and the distance between each antenna and the UWB tag; Measuring a distance between the UWB anchor and the UWB tag measured using the triangulation method of the M anchors and the UWB tag; And estimating the location of the UWB tag based on the location angle with the UWB tag and the distance between the N UWB anchors and the UWB tag.
  • TWR two-way
  • the M antennas may be directional or omni-directional antennas.
  • the M antennas may be installed in different directions by adjusting the angle.
  • the control unit may transmit a reference signal from the UWB anchor to the UWB tag to recognize the UWB tag direction to determine the antenna directivity.
  • the method and system for estimating a position between a vehicle and a key module using UWB minimizes measurement errors and deviations that may occur due to the type of vehicle and the outer metal material of the vehicle, thereby enabling accurate positioning. There is an effect to do.
  • 1A to 1B are diagrams for showing a position measurement method and an occurrence error situation of UWB anchors of a vehicle and a UWB tag of a key module.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the structure of a UWB anchor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a conceptual diagram of a UWB anchor installed in a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4B are diagrams for explaining a method for measuring a position between a UWB anchor and a UWB tag according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from other components.
  • first component may be referred to as the second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a function or operation specified in a specific block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be executed substantially simultaneously, or the blocks may be performed upside down depending on the related function or operation.
  • 1A to 1B are diagrams for showing positioning error and deviation occurrence between UWB anchors 101, 102, 103, 104 and UWB tag 200 due to loss and multipath fading due to the influence of a metal part of the vehicle 100 in a specific direction.
  • the measurement error is not properly located due to the distance from the UWB Tag 200 and the influence of the vehicle metal part in the Anchor (103, 104) of the UWB anchors (101, 102, 103, 104) Can occur.
  • FIG. 1B is a view showing actual positioning values of UWB anchors 101, 102, 103, 104 and UWB tag 200 at a location of 2M relative to a vehicle exterior.
  • the present invention proposes a UWB anchor structure capable of positioning as accurately as possible while taking into account the installation cost of the equipment and the location positioning devices.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the structure of N UWB anchors 101, 102, 103, and 104 according to an embodiment of the present invention.
  • LIN Transceiver (LIN communication, 101-f) for receiving position estimation-related signals from the inside of the vehicle, and UWB receiving position estimation-related signals transmitted from the LIN Transceiver 101-f to the N UWB anchors 101 UWB Transceiver (101-e) that performs position estimation with Tag, M antennas (101-a, 101-b), which are connected to the UWB Transceiver (101-e) and spaced at regular intervals so that there is no mutual interference
  • the furnace shows two antennas), a switch 101-c for turning on / off the M antennas at a predetermined time difference, a control unit 101-d for controlling the devices, and a power supply unit for supplying power ( 101-g).
  • the LIN Transceiver may be a CAN Transceiver capable of CAN communication or an Ethernet Transceiver capable of Ethernet communication.
  • the M antennas 101-a and 101-b may be directional or omni-directional antennas.
  • the M antennas 101-a and 101-b may be installed in different directions by adjusting an angle.
  • the control unit 101-d transmits a reference signal from the UWB anchor (101, 102, 103, 104) to the UWB Tag 200. Transmitting to recognize the UWB Tag direction, it is possible to determine the directivity of the antenna.
  • FIG 3 is a layout view of two antennas in UWB anchors 101, 102, 103, and 104 installed in a vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • the metal of the vehicle is It can be considered that the position estimation can be performed in the area without the influence of the multipath fading and the effects of the multipath fading.
  • the received signal delay with the UWB Tag 200 is measured a certain number of times while the switch 101-c is turned ON / OFF for a certain time difference for the M antennas and the UWB Tag 200 spaced at regular intervals within the UWB anchor (101, 102, 103, 104). can do.
  • the received signal delay between the antenna and the UWB tag may be less, which has little effect on the near and vehicle metal parts or multi-fading.
  • TWR two-way ranging
  • FIG. 4 is a view for explaining a TWR position positioning method of a UWB anchor and a UWB tag according to an embodiment of the present invention.
  • the TWR positioning method is one of the TOA methods, as shown in FIG. 4A, in which a frequency is transferred between a mobile device and a fixed device to measure a reaction speed and convert it into a distance.
  • the angle with each antenna of the UWB anchor in the UWB tag is accurately calculated. Can be seen.
  • the distance between the N UWB anchors 101, 102, 103, and 104 and the UWB tag 200 can be measured using a triangulation method.
  • Triangulation is a simple geometric method and is the most commonly used method for estimating the real-time position of an object moving on a two-dimensional plane in a Real Time Locating System (RTLS) system.
  • RTLS Real Time Locating System
  • At least three reference points are required to estimate the real-time position of an object moving on a two-dimensional plane (hereinafter, only a two-dimensional plane is assumed).
  • the values of d1, d2, and d3 can be obtained by various methods. For example, it may be obtained by using a relationship with the strength of a received signal (RSSI), or by using a time of arrival (TOA) or a time difference of arrival (TDOA). Therefore, it is assumed here that the values of d1, d2, and d3 are known. In addition, since the coordinate values of the three reference points are also known, the values of (x, y), which are the current positions of the moving objects, can be obtained by using equations (1) to (3) above.
  • RSSI received signal
  • TOA time of arrival
  • TDOA time difference of arrival
  • a more accurate distance between the UWB anchor and the UWB tag can be determined using the triangulation method described above between the N UWB anchor and the UWB tag.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for measuring a position between a UWB anchor and a UWB tag according to an embodiment of the present invention.
  • the UWB precision location estimation method for a vehicle includes a UWB Tag 200 installed in a vehicle smart key and N UWB anchors 101, 102, 103, and 104 installed in the vehicle, and the UWB Anchor 101, 102, 103, 104 receives signals related to location estimation from inside the vehicle.
  • LIN Transceiver (101-f), UWB Transceiver (101-e) for receiving signals from the LIN Transceiver (101-f), and the UWB Transceiver (101-e) are connected to each other at regular intervals to avoid interference Spaced M antennas 101-a, 101-b, switch 101-c for determining whether the M antennas are operating, control unit 101-d for controlling the devices, and power supply
  • a system including a power supply unit 101-g is used.
  • the signal for position estimation is received from the vehicle interior to the LIN Transceiver (101-f), and the signal is transmitted to the UWB Transceiver (101-e) to start position estimation (S501).
  • the control unit 101-d measures the received signal delay with the UWB Tag 200 a certain number of times while turning each switch ON / OFF for M antennas 101-a, 101-b (S503). .
  • the antennas for which the received signal delay value measured for the predetermined number of times is less than or equal to a predetermined threshold are determined (S505).
  • the distance between the determined antennas and the distance between each antenna and the UWB Tag 200 are measured (S507).
  • a position angle with the UWB Tag 200 is determined using a two-way ranging (TWR) positioning (S509).
  • the distance between the UWB anchors (101, 102, 103, 104) and the UWB tag (200) is measured using a triangulation method of the N UWB anchors (101, 102, 103, 104) and the UWB tag (200) (S511).
  • the method and system for estimating the position between a vehicle and a key module using UWB may be measured due to the type of vehicle and the outer metal material of the vehicle using a plurality of antenna modules of UWB Anchor Errors and deviations can be minimized.

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Abstract

본 발명은 UWB (Ultra Wide Band) 를 이용한 차량과 키 모듈간의 위치 추정을 위한 것으로, 특히 차량의 종류 및 차량의 외곽 금속 재질의 영향을 최소화하여 위치를 추정할 수 있는 차량용 정밀 위치 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법은 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 LIN Transceiver로 전달받고, 이 신호를 UWB Transceiver로 전송하여 위치 추정을 시작하는 단계, 상기 제어부에서 M개의 안테나에 대해 일정 시간차로 각 스위치를 ON/OFF 하면서 UWB Tag와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정하는 단계,상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정하는 단계,상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag 와의 거리를 측정하는 단계,상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag와의 위치각도를 결정하는 단계, 상기 M개의 Anchor와 UWB Tag와의 삼각 측량법을 이용하여 측정된 UWB Anchor와 UWB Tag의 거리를 측정하는 단계 및 상기 UWB Tag와의 위치 각도 및 상기 N개의 UWB Anchor와 UWB Tag와 거리를 기반으로 UWB Tag위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법 및 시스템
본 발명은 UWB (Ultra Wide Band) 를 이용한 차량과 키모듈 간의 위치 추정을 위한 것으로, 특히 차량의 종류 및 차량의 외곽 금속 재질의 영향을 최소화하여 위치를 추정할 수 있는 차량용 정밀 위치 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
특정 사용자나 물체의 위치를 추정하는 기술은 LBS(Location Based Service)와 같은 다양한 통신 시스템에 사용되고 있어 무선 통신 기술의 중요한 이슈로 각광받고 있다.
특히, 차량과 차량 주변기기 간의 다양한 위치 추정 기술이 개발되어 왔는데, 최근 정밀 측위가 가능한 UWB 방식의 위치 추정이 많이 사용되고 있다.
UWB란 500MHz이상의 주파수대역을 사용하거나 비대역폭으로 정의되는 수치가25% 이상인 라디오 기술을 의미한다. 비대역폭이란 중심 주파수 대비 신호의 대역폭을 의미한다. 즉, UWB는 광대역의 주파수를 사용하는 라디오 기술로서, 높은 거리의 분해능, 투과성, 협대역 잡음에 대한 강한 면역성, 주파수를 공유하는 타 기기와의 공존성과 같은 다양한 장점을 지닌다.
대표적인 위치 추정 기술이 도착시간 (TOA: Time of Arrival) 삼각변 측량법으로, 이동물체와 최소 3개 이상의 기준점 사이의 거리를 추정한후, 세개의 기준점의 지점과 추정된 세 개의 거리를 반지름으로 하는 세개의 원을 생성시켜, 원들이 만나는 교점을 이동물체의 위치로 결정하는 방법이다.
거리는 일반적으로 기준점과 이동물체 사이에 송/수신된 신호의 지연(delay)을 이용하여 추정하는데, 이 과정에서 추정된 거리가 실제 거리보다 길어지게 된다.
특히, 장애물로 인한 다중 경로(Multi-Path)가 문제가 되는 실내환경에서는 이로 인한 수 Mili-seconds의 시간 차이로 인한 심각한 오차가 발생할 가능성이 있고, 차량의 경우 차량 외곽 금속부에 대한 Path loss로 측정 오차 및 편차가 발생하는 문제점이 발생할 수 있다.
그로 인해, 차량 환경에 맞는 UWB를 이용한 정밀 위치 추정 방법 및 시스템이 모색 되어져야 한다.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 종류 및 차량의 외곽 금속 재질의 영향을 최소화하여 UWB 를 이용한 차량과 키모듈간의 위치 추정 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템은 키 모듈에 설치된 UWB Tag와 차량내에 설치되는 N개의 UWB Anchor가 포함되는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템에 있어서, 상기 UWB Anchor에는 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 전달받기 위한 LIN Transceiver, 상기 LIN Transceiver로부터 전송된 상기 위치 추정 관련 신호를 전송 받고 UWB Tag와의 위치 추정을 실행하는 UWB Transceiver, 상기 UWB Transceiver와 연결되고, 상호 간섭이 없도록 일정 간격으로 이격된 M개의 안테나, 상기 M개의 안테나를 일정 시간차로 ON/OFF 하기 위한 스위치, 상기 일정 시간차로 스위치를 ON/OFF 하면서 UWB Tag와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정하고, 상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정하며, 상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag 와의 거리를 측정하고, 상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag와의 위치각도를 결정하며 상기 차량에 설치된 N개의 UWB Anchor와 UWB Tag와의 삼각 측량법을 이용하여 측정된 UWB Anchor와 UWB Tag의 거리를 측정하고 및 상기 측정된 위치 각도와 거리를 기반으로 UWB Tag위치를 추정하기 위해 각 장치들을 제어하기 위한 제어부 및 전원을 공급하기 위한 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M 개의 안테나들은 지향성 또는 무지향성 안테나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M 개의 안테나들은 각도를 조절하여 상호 다른 방향으로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나가 지향성 안테나인 경우, 제어부에서는 UWB Anchor에서 UWB Tag로 reference 신호를 전송하여 UWB Tag방향을 인식하여 안테나의 지향성을 결정할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법은 키 모듈에 설치된 UWB Tag와 차량내에 설치되는 N개의 UWB Anchor가 포함되는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템에 있어서, 상기 UWB Anchor에는 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 전달받기 위한 LIN Transceiver, 상기 LIN Transceiver로부터 신호를 수신하기 위한 UWB Transceiver, 상기 UWB Transceiver와 연결되고, 상호 간섭이 없도록 일정 간격으로 이격된 M개의 안테나, 상기 M개의 안테나의 동작 여부를 결정하기 위한 스위치, 상기 장치들을 제어하기 위한 제어부 및 전원을 공급하기 위한 전원부를 포함하는 시스템으로서, 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 LIN Transceiver로 전달받고, 이 신호를 UWB Transceiver로 전송하여 위치 추정을 시작하는 단계, 상기 제어부에서 M개의 안테나에 대해 일정 시간차로 각 스위치를 ON/OFF 하면서 UWB Tag와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정하는 단계; 상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정하는 단계; 상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag 와의 거리를 측정하는 단계; 상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag와의 위치각도를 결정하는 단계; 상기 M개의 Anchor와 UWB Tag와의 삼각 측량법을 이용하여 측정된 UWB Anchor와 UWB Tag의 거리를 측정하는 단계; 및 상기 UWB Tag와의 위치 각도 및 상기 N개의 UWB Anchor와 UWB Tag와 거리를 기반으로 UWB Tag위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나들은 지향성 또는 무지향성 안테나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나들은 각도를 조절하여 상호 다른 방향으로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나들이 지향성 안테나일 경우, 제어부에서는 UWB Anchor에서 UWB Tag로 reference 신호를 전송하여 UWB Tag방향을 인식하여 안테나의 지향성을 결정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 UWB를 이용한 차량과 키모듈 간의 위치 추정 방법 및 시스템은 차량의 종류 및 차량의 외곽 금속 재질로 인해 발생할 수 있는 측정 오차 및 편차를 최소화하여 정확한 측위가 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 정확한 차량과 키모듈 간의 위치 추정을 위해 보다 간편하고 적은 수의 모듈을 사용할 수 있어 비용이 절감되는 효과가 발생된다.
도 1a~1b는 차량의 UWB Anchor들과 키모듈의 UWB Tag의 위치 측위 방법 및 발생 오류상황을 보이기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 UWB Anchor의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량에 설치된 UWB Anchor의 개념도이다.
도 4a~4b는 본 발명의 실시예에 따른 UWB Anchor와 UWB Tag와의 위치 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
[규칙 제91조에 의한 정정 31.12.2019]　
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 UWB Anchor와 UWB Tag와의 위치 측정
방법을 나타내는 플로우챠트이다. 도 6은 이동하는 개체의 실시간 위치를
추정하기 위한 보편적인 삼각측량법을 설명하기 위한 도면이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1a~1b는 특정 방향에서 차량(100)의 금속부의 영향으로 손실 및 멀티패스 fading 의한 UWB Anchor(101,102,103,104)와 UWB Tag(200)간의 측위 오차와 편차 발생상황을 보이기 위한 도면이다.
도 1a를 참조하면, UWB Tag가 차량의 오른쪽에 치우쳐 있는 경우, UWB Anchor(101,102,103,104)중 Anchor (103, 104)에서는 UWB Tag(200)와의 먼거리 및 차량 금속부의 영향으로 제대로 측위되지 않아 측정 오류가 발생될 수 있다.
도 1b는 차량 외곽 기준 2M 위치의 UWB Anchor(101,102,103,104)와 UWB Tag(200)의 실제 측위값을 표시한 도면이다.
도 1b를 참조하면, UWB Tag(200)가 차량 외곽 기준 2M 위치에 있다하더라도 그 위치 ⓐ~ⓗ에 따라, 차량 금속부의 영향으로 손실 및 멀티 패스 페이징이 발생하여, 그 측위값은 2M ~ 2.7M까지 다양하게 측정됨을 알 수 있다.
따라서, 이러한 차량 금속부의 영향으로 인한 손실 및 멀티패스 페이징의 문제를 해결하고 UWB Anchor와 UWB Tag의 위치에 상관없이 최대한 정확한 위치 측위가 가능한 방법이 필요하다고 볼 수 있다.
이에 본 발명에서는 설비 가격 및 위치 측위 장치들의 설치 공간 등을 고려하면서 최대한 정확하게 위치 측위가 가능한 UWB Anchor 구조를 제안한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 N개의 UWB Anchor(101,102,103,104)의 구조를 나타낸 블록도이다.
상기 N개의 UWB Anchor(101)에는 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 전달받기 위한 LIN Transceiver(LIN 통신용,101-f), 상기 LIN Transceiver(101-f)로부터 전송된 위치 추정 관련 신호를 전송받고 UWB Tag와의 위치 추정을 실행하는 UWB Transceiver(101-e), 상기 UWB Transceiver(101-e)와 연결되고, 상호 간섭이 없도록 일정 간격으로 이격된 M개의 안테나(101-a, 101-b, 실시예로는 2개의 안테나를 도시함), 상기 M개의 안테나를 일정 시간차로 ON/OFF 하기 위한 스위치(101-c), 상기 장치들을 제어 하기 위한 제어부(101-d), 및 전원 공급을 위한 전원부(101-g)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 LIN Transceiver는 CAN통신이 가능한 CAN Transceiver 또는 Ethernet 통신이 가능한 Ethernet Transceiver일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나들(101-a, 101-b)은 지향성 또는 무지향성 안테나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나들(101-a, 101-b)은 각도를 조절하여 상호 다른 방향으로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 M개의 안테나가 지향성 안테나(101-a, 101-b)인 경우, 제어부(101-d)에서는 UWB Anchor(101,102,103,104)에서 UWB Tag(200)로 reference 신호를 전송하여 UWB Tag방향을 인식하여 안테나의 지향성을 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동차에 설치된 UWB Anchor(101,102,103,104)내의 안테나들이 각각 2개일 경우의 배치도이다.
도 3을 참조하면, UWB Anchor(101,102,103,104)내 일정간격으로 이격된 2개의 안테나들로 인해 보다 많은 차량의 영역을 커버하면서 UWB Tag(200)와의 위치 추정이 가능해짐을 알 수 있다.
따라서, 상기 UWB Anchor(101,102,103,104)내 일정간격으로 이격된 M개의 안테나와 스위치(101-c)만으로 차량의 여러 영역을 커버하면서 스마트 키의 UWB Tag(200)와의 위치 추정을 함으로써, 차량의 금속에 의한 영향 및 멀티패스 fading의 영향 없는 영역에서 위치 추정을 할 수 있게 된다고 볼 수 있다.
상기 UWB Anchor(101,102,103,104)내 일정간격으로 이격된 M 개의 안테나와 UWB Tag(200)에 대해 일정 시간차로 스위치(101-c)를 ON/OFF 하면서 UWB Tag(200)와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정할 수 있다.
이때, 근거리 및 차량의 금속부의 영향이나 멀티 Fading에 영향이 적은 안테나와 UWB Tag간의 수신 신호 Delay가 적어질 수 있다.
따라서, 상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정할 수 있다.
상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag 와의 거리를 측정하고, 상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag와의 위치각도를 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 UWB Anchor와 UWB Tag와의 TWR 위치 측위 방법을 설명하기 위한 도면이다.
TWR 측위 방법은 도면 4a에서 도시된 바와 같이, TOA 방식중의 하나로 이동장치와 고정 장치 사이에 주파수를 전달하여 반응속도를 측정 이를 거리로 환산하는 방식이다.
도 4b를 참조하면, TWR방식으로 UWB Anchor의 각 안테나와 UWB Tag와의 거리 및 안테나 간의 거리를 알게 되고, 그들간의 끼인각을 알게 되면, UWB Tag에서의 UWB Anchor의 각 안테나들과의 각도가 정확히 계산될 수 있음을 알 수 있다.
즉, UWB Tag(200)에서의 UWB Anchor(101,102,103,104)의 각 안테나들과의 방향을 정확히 측위할 수 있는 것이다.
한편, 상기 N개의 UWB Anchor(101,102,103,104)와 UWB Tag(200)와의 거리는 삼각 측량법을 이용하여 측정될 수 있다.
삼각측량법은 간단한 기하학적인 방법으로 RTLS(RTLS(Real Time Locating System) 시스템에서는 2차원 평면상에서 이동하는 개체의 실시간 위치를 추정하는데 가장 보편적으로 사용되는 방법이다.
2차원 평면상(이하 2차원 평면만을 가정한다.)에서 이동하는 개체의 실시간 위치를 추정하기 위해서는 최소 3개 이상의 기준점이 필요하다.
[규칙 제91조에 의한 정정 31.12.2019]　
이런 기준점을 AP1, AP2, AP3라고 하고, 도6에 보이는 것처럼 각 AP의 좌표를
(x1, y2), (x2, y2), (x3, y3)라고 하자. 이동하는 개체를 M으로 나타내고, 현재의
위치가 (x, y)라고 하자. 또한, 이동 개체 M으로부터 세 개의 기준점까지의
거리를 d1 , d2 , d3로 이동 개체 M으로부터 각 기준점 사이의 거리는 피타고라스
정리에 의해 간단히 계산될 수 있다.
[규칙 제91조에 의한 정정 31.12.2019]　
[Deleted]
[규칙 제91조에 의한 정정 31.12.2019]　
[Deleted]
[규칙 제91조에 의한 정정 31.12.2019]　
여기서, d1 , d2 , d3 의 값은 다양한 방식에 의해 얻어질 수 있다. 예를 들어, 수신 신호의 세기(RSSI)와의 관계를 이용해서 구할 수도 있으며, 도착 시간(TOA) 혹은 도착 시간차(TDOA) 등을 이용해서도 구할 수 있다. 따라서, 이곳에서는 d1 , d2 , d3 의 값을 알고 있다고 가정한다. 또한, 세 기준점의 좌표값도 알고 있기 때문에, 이동 개체의 현재 위치인 (x , y)의 값은 위의 식(1)~식(3)을 이용해서 구할 수 있다.
상기 N개의 UWB Anchor와 UWB Tag와의 상기 설명된 삼각 측량법을 이용하여 UWB Anchor와 UWB Tag의 더욱 정확한 거리를 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 UWB Anchor와 UWB Tag와의 위치 측정 방법을 나타내는 플로우챠트이다.
차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법은 차량용 스마트 키에 설치된 UWB Tag(200)와 차량내에 설치되는 N개 UWB Anchor(101,102,103,104)가 포함되고, 상기 UWB Anchor(101,102,103,104)에는 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 전달받기 위한 LIN Transceiver(101-f), 상기 LIN Transceiver(101-f)로부터 신호를 수신하기 위한 UWB Transceiver(101-e), 상기 UWB Transceiver(101-e)와 연결되고, 상호 간섭이 없도록 일정 간격으로 이격된 M개의 안테나(101-a, 101-b), 상기 M개의 안테나의 동작 여부를 결정하기 위한 스위치(101-c), 상기 장치들을 제어하기 위한 제어부(101-d) 및 전원 공급을 위한 전원부(101-g)를 포함하는 시스템을 사용한다.
차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 LIN Transceiver(101-f)로 전달받고, 이 신호를 UWB Transceiver(101-e)로 전송하여 위치 추정을 시작한다(S501).
상기 제어부(101-d)에서 M개의 안테나(101-a, 101-b)에 대해 일정 시간차로 각 스위치를 ON/OFF 하면서 UWB Tag(200)와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정하게 된다(S503).
상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정한다(S505).
상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag(200) 와의 거리를 측정한다(S507).
상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag(200)와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag(200)와의 위치각도를 결정하게 된다(S509).
상기 N개의 UWB Anchor(101,102,103,104)와 UWB Tag(200)와의 삼각 측량법을 이용하여 측정된 UWB Anchor(101,102,103,104)와 UWB Tag(200)의 거리를 측정한다(S511).
상기 UWB Tag(200)와의 위치 각도 및 상기 N개의 UWB Anchor(101,102,103,104)와 UWB Tag(200)와 거리를 기반으로 UWB Tag(200) 위치를 추정함으로써 차량과 UWB Tag(200) 위치 추정이 가능하게 된다(S513).
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 UWB를 이용한 차량과 키 모듈간의 위치 추정 방법 및 시스템은 UWB Anchor의 다수개의 안테나 모듈을 활용하여 차량의 종류 및 차량의 외곽 금속 재질로 인해 발생할 수 있는 측정 오차 및 편차를 최소화할 수 있다.
또한, 차량과 키 모듈 간에 UWB Anchor의 수를 증가시키지 않으면서 보다 간편하고 저렴한 비용으로 정밀한 위치 측위가 가능해지는 효과가 생긴다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
<부호의 설명>
100: 차량 200: UWB TAG
101, 102,103,104: UWB Anchor 101-a, 101-b:안테나
101-c: 안테나 스위치 101-d: 제어부
101-e: UWB Transeciver 101-f: LIN Transceiver
101-g:전원부

Claims (8)

  1. 키 모듈에 설치되는 UWB Tag와 차량내에 설치되는 N개의 UWB Anchor가 포함되는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템에 있어서,
    상기 UWB Anchor는,
    차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 전달받기 위한 LIN Transceiver;
    상기 LIN Transceiver로부터 전송된 위치 추정 관련 신호를 전송 받고 UWB Tag와의 위치 추정을 실행하는 UWB Transceiver;
    상기 UWB Transceiver와 연결되고, 상호 간섭이 없도록 일정 간격으로 이격된 M개의 안테나;
    상기 M개의 안테나를 일정 시간차로 ON/OFF 하기 위한 스위치;
    상기 일정 시간차로 스위치를 ON/OFF 하면서 UWB Tag와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정하고, 상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정하며, 상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag 와의 거리를 측정하고, 상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag와의 위치각도를 결정하며 상기 차량에 설치된 N개의 UWB Anchor와 UWB Tag와의 삼각 측량법을 이용하여 측정된 UWB Anchor와 UWB Tag의 거리를 측정하고 및 상기 측정된 위치 각도와 거리를 기반으로 UWB Tag위치를 추정하기 위해 각 장치들을 제어하기 위한 제어부; 및
    전원을 공급하기 위한 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 M 개의 안테나들은 지향성 또는 무지향성 안테나일 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 M 개의 안테나들은 각도를 조절하여 상호 다른 방향으로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 M개의 안테나가 지향성 안테나인 경우, 제어부에서는 UWB Anchor에서 UWB Tag로 reference 신호를 전송하여 UWB Tag방향을 인식하여 안테나의 지향성을 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템.
  5. 키 모듈에 설치되는 UWB Tag와 차량내에 설치되는 N개의 UWB Anchor가 포함되는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 시스템에 있어서, 상기 UWB Anchor에는 차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 전달받기 위한 LIN Transceiver, 상기 LIN Transceiver로부터 신호를 수신하기 위한 UWB Transceiver, 상기 UWB Transceiver와 연결되고, 상호 간섭이 없도록 일정 간격으로 이격된 M개의 안테나, 상기 M개의 안테나의 동작 여부를 결정하기 위한 스위치, 상기 장치들을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 시스템으로서,
    차량 내부로부터 위치 추정 관련 신호를 LIN Transceiver로 전달받고, 이 신호를 UWB Transceiver로 전송하여 위치 추정을 시작하는 단계;
    상기 제어부에서 M개의 안테나에 대해 일정 시간차로 각 스위치를 ON/OFF 하면서 UWB Tag와의 수신 신호 Delay를 일정 횟수 측정하는 단계;
    상기 일정 횟수 측정된 수신 신호 Delay값이 정해진 임계값 이하가 되는 안테나들을 결정하는 단계;
    상기 결정된 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag 와의 거리를 측정하는 단계;
    상기 안테나들 간의 거리 및 각 안테나와 UWB Tag와의 거리를 기반으로 TWR(Two-way Ranging) 측위를 이용하여 UWB Tag와의 위치각도를 결정하는 단계;
    상기 M개의 Anchor와 UWB Tag와의 삼각 측량법을 이용하여 측정된 UWB Anchor와 UWB Tag의 거리를 측정하는 단계; 및
    상기 UWB Tag와의 위치 각도 및 상기 N개의 UWB Anchor와 UWB Tag와 거리를 기반으로 UWB Tag위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 M 개의 안테나들은 지향성 또는 무지향성 안테나일 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 M 개의 안테나들은 각도를 조절하여 상호 다른 방향으로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 M개의 안테나가 지향성 안테나인 경우, 제어부에서는 UWB Anchor에서 UWB Tag로 reference 신호를 전송하여 UWB Tag방향을 인식하여 안테나의 지향성을 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 차량용 UWB 정밀 위치 추정 방법.
PCT/KR2019/013894 2018-10-31 2019-10-22 차량용 uwb 정밀 위치 추정 방법 및 시스템 WO2020091286A1 (ko)

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