WO2020218889A1 - 위치 측정 장치 - Google Patents

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WO2020218889A1
WO2020218889A1 PCT/KR2020/005463 KR2020005463W WO2020218889A1 WO 2020218889 A1 WO2020218889 A1 WO 2020218889A1 KR 2020005463 W KR2020005463 W KR 2020005463W WO 2020218889 A1 WO2020218889 A1 WO 2020218889A1
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antenna
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antennas
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PCT/KR2020/005463
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유경현
이승엽
백형일
박재일
이찬우
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주식회사 아모센스
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    • H04W4/40—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for vehicles, e.g. vehicle-to-pedestrians [V2P]

Definitions

  • the present invention relates to a position measuring device, and more particularly, a position measuring device for measuring the distance between the vehicle and the driver, the vehicle position, and the driver's position using UWB (Ultra-Wide Band, ultra-wide band) communication (POSITION MEASURING DEVICE). ).
  • UWB Ultra-Wide Band, ultra-wide band
  • the vehicle uses the driver's position and vehicle position to guide the driver to a parked vehicle, and when the driver approaches the vehicle by using the distance between the driver and the vehicle, the door of the vehicle is opened and the driver It provides a function to lock the vehicle door when it is away from the vehicle.
  • LF Low Frequency
  • RF Radio Frequency
  • UWB communication can provide a wireless positioning and communication function with high precision through an impulse signal.
  • UWB communication has a transmission distance of approximately 10m to 1km while using a frequency band of approximately 3.1GHz ⁇ 10.6GHz.
  • UWB communication is advantageous for distance measurement because it has excellent time resolution with several nsec pulses, and it is possible to realize low power with low duty cycle.
  • UWB communication is being applied to a location measurement field required for a low-speed location recognition based application service and a location measurement field having an accuracy of approximately +/- 10 cm.
  • the position measurement technology using UWB communication uses the TWR (Two Way Ranging) positioning method, which measures the position (distance) using the transmission time of the positioning signal and the reception time of the response signal to the positioning signal.
  • TWR Two Way Ranging
  • the present invention has been proposed to solve the above-described conventional problem, and an object of the present invention is to provide a position measuring apparatus in which a position (distance) is measured by mixing a TWR positioning method and a PDOA positioning method.
  • a location measuring apparatus acquires and outputs a communication transceiver generating a positioning signal at a set time interval, a positioning signal generated by the communication transceiver, and outputs a response signal to the positioning signal.
  • the distance between the diversity antenna and the object is measured based on the positioning signals and response signals transmitted and received from the plurality of diversity antennas and the plurality of diversity antennas, respectively, and the distance measurement value between the plurality of diversity antennas and the object is measured. It includes a microcontroller that measures the distance to the object as a basis.
  • the plurality of diversity antennas may include two or more directional antennas and two or more omni-directional antennas, two or more directional antennas constitute a first antenna set, and two or more omni antennas constitute a second antenna set.
  • the microcontroller may measure the distance between the diversity antenna and the object based on the reception time of the positioning signal and the response signal, or measure the distance between the diversity antenna and the object based on the phase of the positioning signal and the response signal.
  • the position measuring apparatus further includes an impedance sensing circuit for detecting an impedance change amount, and the microcontroller may compensate for a distance measurement value based on the impedance change amount.
  • the position measuring apparatus further includes an antenna switch for switching to one of the plurality of matching circuits, and the antenna switch may switch to one of the plurality of matching circuits based on an amount of impedance change.
  • the position measuring apparatus may further include a trimmer capacitor for adjusting a capacitance value of the diversity antenna.
  • the microcontroller communicates with a plurality of anchors installed on the object, but communicates with one of the pair of antennas connected to the anchor to measure the distance to the object first, and communicates with the other one of the pair of antennas connected to the anchor to communicate with the object.
  • the second measurement of the distance of, and the average of the measured values obtained by repeating the first measurement and the second measurement a plurality of times can be detected as the distance to the object.
  • the microcontroller may repeat the first measurement and the second measurement a plurality of times, and then detect the distance to the object through Gaussian distribution calculation.
  • the position measuring apparatus may further include an antenna matching switch for adjusting antenna matching values of the plurality of diversity antennas.
  • the transceiver includes a first transceiver constituting a transmission signal path and a second transceiver constituting a reception signal path
  • the antenna switch includes a first antenna switch constituting a transmission signal path and a second antenna switch constituting a reception signal path.
  • Can include.
  • the position measuring apparatus may further include a power amplifier connecting the first transceiver and the first antenna switch, and a low noise amplifier connecting the second transceiver and the second antenna switch.
  • the position measuring apparatus measures the position (distance) by mixing the TWR positioning method and the PDOA positioning method, thereby preventing measurement errors and deviations due to a signal to a metal part or a human body in a vehicle. .
  • the position measurement device measures the position (distance) by mixing the TWR positioning method and the PDOA positioning method to prevent errors and deviations, thereby accurately measuring the driver's position, the vehicle position, and the distance between the driver and the vehicle. It works.
  • 1 to 3 are views for explaining a conventional TWR positioning method.
  • FIG. 4 is a view for explaining a position measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining the time it takes for the position measuring device according to an embodiment of the present invention to calculate a relative distance between a key pop and a vehicle.
  • Fig. 6 is a diagram for explaining signal characteristics due to the presence of a human body effect between the key pop and the vehicle.
  • FIG. 7 is a view for explaining performance improvement according to an antenna pattern and matching tuning of a position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining the performance improvement of the position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention through the anchor and tag diverseat (Tag Diversity) method.
  • FIG. 9 is a view for explaining position compensation using TWR and RSSI of a position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 10 to 12 are diagrams for explaining position compensation through signal line separation of a position measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a location measurement technology using UWB measures a location or distance using a TWR (Two Way Ranging or TOA) positioning method.
  • the TWR positioning method is a method of measuring the distance between two nodes using RTT (Round Trip Time) of a wireless communication signal.
  • TWR positioning method is suitable for cluster cooperative positioning method as it does not require time synchronization of wireless communication network, and it is possible to measure two-way wireless communication and distance at the same time.
  • the TWR positioning method measures the position (distance) by using the transmission time of the positioning signal and the reception time of the response signal to the positioning signal, there is a problem that positioning errors and deviations due to obstacles occur.
  • the measurement obtained through the TWR positioning method has a problem that the node-to-node distance measurement is estimated to be longer than the actual measurement value due to factors such as obstacles.
  • a serious error of more than 100m occurs even with a time difference of several mili-Seconds, or a group delay due to a signal to a metal part or a human body in the vehicle Alternatively, measurement errors and deviations may occur due to path loss.
  • the TWR positioning method is caused by group delay, loss, and multipath fading of signals due to human influence, such as when there is a metal part of a vehicle in a specific direction, such as when there is another vehicle between a person and a vehicle, and FOB is in a person's back pocket.
  • group delay, loss, and multipath fading of signals due to human influence such as when there is a metal part of a vehicle in a specific direction, such as when there is another vehicle between a person and a vehicle, and FOB is in a person's back pocket.
  • the position measuring apparatus is used in a TWR positioning method through a positioning method in which a TWR positioning method and a PDOA positioning method are mixed. Solve the problem when positioning by
  • the position measuring apparatus measures a driver's position, a vehicle position, a distance between the driver and the vehicle, and the like through a positioning method in which a TWR positioning method and a PDOA positioning method are mixed.
  • the position measuring apparatus obtains a first distance measurement value using a TWR positioning method, and obtains a second distance measurement value using a PDOA positioning method.
  • the position measuring device measures the position (distance) of the object using the first distance measurement value and the second distance measurement value.
  • the position measuring device acquires a distance from the current position (position of the position measuring device) to the object measured using the TWR positioning method as a first distance measurement value.
  • the position measuring apparatus acquires a distance from the current position (position of the position measuring apparatus) to the object measured using the PDOA positioning method as a second distance measurement value.
  • the position measuring device measures the position (distance) using the TWR positioning result and the PDOA positioning result. At this time, the position measurement device measures the position (distance) by detecting one of the first distance measurement value as a result of TWR positioning and the second distance measurement value as a result of PDOA positioning according to the surrounding environment, or the first distance measurement value and the second distance measurement value. Measure the location (distance) using the average.
  • a position measuring apparatus 100 includes a communication transceiver 110, a plurality of diversity antennas 120, a microcontroller 130 (MCU), and a power module 140. ).
  • the communication transceiver 110 outputs positioning signals at regular time intervals.
  • the communication transceiver 110 generates positioning signals at set time intervals and outputs them to the plurality of diversity antennas 120.
  • the plurality of diversity antennas 120 receive the positioning signals output from the communication transceiver 110 and output the received positioning signals to the outside.
  • the plurality of diversity antennas 120 receive a response signal for the positioning signal and transmit it to the microcontroller 130.
  • the plurality of diversity antennas 120 are composed of an antenna including a directional antenna 121 and an omni-directional (omni-directional) antenna 122 in order to eliminate performance degradation due to human body influence.
  • the position measuring apparatus 100 may minimize a human body effect according to a high-gain antenna and direction by configuring an antenna with the directional antenna 121 and the omni-directional antenna 122.
  • the plurality of diversity antennas 120 include two or more directional diversity antennas 121 and two or more omni-directional diversity antennas 122, and constitute a pair of antenna sets. At this time, the plurality of diversity antennas 120 includes a first antenna set S1 composed of two or more directional diversity antennas, and a second antenna set S2 composed of two or more omni-directional diversity antennas 122. Make up.
  • the microcontroller 130 measures the distance between the vehicle and the driver using the reception time or phase of signals transmitted and received through the plurality of diversity antennas 120. That is, the microcontroller 130 measures the distance between the vehicle and the driver based on the reception time of the positioning signal and the response signal. The microcontroller 130 may measure the distance between the vehicle and the driver based on the phases of the positioning signal and the response signal.
  • the microcontroller 130 compares the measured distance values and selects an optimum value as distance data.
  • the microcontroller 130 calculates an optimal measurement value from the distribution diagram in consideration of a plurality of measurement values and environmental conditions.
  • the microcontroller 130 applies an accurate distance data extraction algorithm through repeated measurement.
  • the distance data extraction algorithm is a process of adding or subtracting a compensation value to a measurement result (distance) as a concept of compensation.
  • the power module 140 supplies power to the transceiver 110, a plurality of diversity antennas 120, and the microcontroller 130.
  • the location measurement apparatus 100 may measure a location (distance) by using a mixed RSSI measurement method. That is, the position measuring apparatus 100 measures the position (distance) by mixing the RSSI measurement method with TWR positioning and PDOA positioning in order to secure position measurement accuracy.
  • the position measuring apparatus 100 may further include an impedance sensing circuit 150.
  • the impedance sensing circuit 150 detects an amount of change in impedance.
  • the microcontroller 130 compensates the measured value based on the amount of impedance change detected by the impedance detection circuit.
  • the position measuring apparatus 100 detects an impedance change through the impedance detection circuit 150 and compensates the distance value according to the sensed impedance change amount.
  • the position measuring apparatus 100 may further include an antenna switch 160 and may switch the antenna matching value by switching the antenna switch 160 according to the amount of impedance change.
  • the antenna switch 160 constitutes a plurality of matching circuits having different characteristics LC.
  • the antenna switch 160 switches the antenna to an appropriate matching circuit according to the amount of change in impedance detected by the impedance detection circuit 150.
  • the position measuring apparatus 100 may include a sensor that detects that the driver wraps the key pop when installed in a key pop. The position measuring apparatus 100 compensates for a distance value or adjusts output power when it is determined that the driver covers the key based on the detection result of the sensor.
  • the time required for receiving distance data except for the communication state change roll (COMMON_STATUS_CHANGE_ROLE) between the key pop and the anchor and the authentication controller (BLE main module) is approximately 171 ms, and the authentication controller's position positioning operation is expected.
  • the time is about 150 ⁇ 250ms.
  • the time it takes to calculate the relative distance between the keypop and the vehicle in the microcontroller 130 (MCU or BLE) of the position measuring device 100 is the distance measurement time (171 ms) and the estimated time required for the positioning operation (150 to 250 ms). It can be calculated by summing. At this time, since the distance measurement time is 171 ms, and the estimated time required for the positioning operation is 150 to 250 ms, it can be seen that the time taken to calculate the relative distance between the keypop and the vehicle is approximately 320 to 420 ms.
  • the position measurement device 100 tends to increase the width of the group delay (Passive) and the distance (Distance (Active)) in proportion when there is a human body effect between the key pop and the vehicle. . That is, when a person holds the key pop in his or her hand or puts it in the back pocket, the received signal strength (RSSI) decreases compared to the case in which no human body effect exists between the key pop and the vehicle, thereby increasing the group delay and distance.
  • RSSI received signal strength
  • the position measuring apparatus 100 may improve group delay through antenna and matching tuning. At this time, the position measuring apparatus 100 improves the group delay by adjusting a capacitance value through a trimmer capacitor or the like for antenna and match tuning.
  • the location measurement apparatus 100 may improve distance measurement performance through an anchor and tag diversity method.
  • anchors A1 to A4 are installed in the vehicle, and a pair of antennas (ie, the first antenna (n-1) and the second antenna (n-2)) are mutually influenced on each anchor. Place them apart at regular intervals so that there is no such thing.
  • the position measurement device 100 first measures the distance using the first antennas (1-1, 2-1, 3-1, 4-1) of anchors installed in the vehicle, and then determines the number of anchors installed in the vehicle. 2 Measure the distance a second time using antennas (1-2,2-2,3-2,4-2). After repeating the first measurement and the second measurement a plurality of times (for example, about 20 times), the position measurement apparatus 100 detects the tag coordinates and the distance value through calculation of an average value or a Gaussian distribution.
  • the position measuring apparatus 100 may further include an antenna matching switch 170, and may compensate for a position through a TWR positioning method and an RSSI positioning method.
  • the position measuring apparatus 100 compares the measured values measured through two diversity antennas, and selects an optimum value as the distance measurement value. At this time, the position measurement device 100 calculates a distance measurement value using a time diversity antenna and an RF switch, or calculates a distance measurement value using a measurement value measured through a space diversity antenna and a combiner. can do. The position measuring apparatus 100 calculates an optimum value from a distribution diagram in consideration of a number of measurements and environmental conditions.
  • the position measurement device 100 includes an accurate distance measurement value detection through repeated measurement, a distance measurement value detection using a mixture of the directional antenna 121 and the omni-directional antenna 122, an antenna switch 160 and an antenna matching switch 170. The exact position is detected by detecting the distance measurement value through the adjustment of the optimal antenna matching value used.
  • the position measurement apparatus 100 may analyze and process a signal through an ADC port with a built-in signal MCU. .
  • the position measuring apparatus 100 generates an RF transmission (TX) signal path for outputting a positioning signal through the first transceiver 111 and the first antenna switch 161, and the second transceiver 112 and the second An RF reception (RX) signal path for receiving a response signal for the positioning signal is generated through the antenna switch 162.
  • the position measuring apparatus 100 connects a power amplifier 180 (PA; Power Amplifier) between the first transceiver 111 and the first antenna switch 161 constituting the RF transmission signal path, and the RF reception signal path
  • PA Power Amplifier
  • LNA low noise amplifier 190
  • Equation 1 is an equation for calculating the loss of a medium when a medium exists between the object and the position measuring apparatus 100 during position measurement.
  • Pr is the received power
  • Pt is the transmit power
  • G is the antenna gain
  • L is the power loss
  • Fc is the center frequency
  • d1 and d2 are the distance between the transmitting and receiving antenna and the antenna (d1 is the antenna 1 and the intermediate medium. Distance, d2 is the distance between antenna 2 and the intermediate medium), and Lmaterial is the power loss of the intermediate medium between the antenna and the antenna.
  • a permittivity in air e0
  • a permeability u0
  • a speed of light c
  • a wavelength Lamda
  • the thickness of the hand Thickness
  • the hand permittivity and permeability are about 55.9 F/cm, respectively, and about 0.999991 H/m.
  • the loss due to human hand can be calculated by substituting the above-described factors in Equation 1, and as a result of the calculation, approximately 32dB loss occurs. Able to know. At this time, if a low-noise amplifier of about 20dB is applied, the loss can be reduced to about 12dB, so that the distance measurement can be improved (compensated).

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Abstract

TWR 측위 방식 및 PDOA 측위 방식을 혼합하여 위치(거리)를 측정하도록 한 위치 측정 장치를 제시한다. 제시된 위치 측정 장치는 설정 시간 간격으로 측위 신호를 출력하고, 측위 신호에 대한 응답 신호를 수신하고, 복수의 다이버시티 안테나에서 각각 송수신한 측위 신호 및 응답 신호를 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정하고, 복수의 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리 측정값을 근거로 대상물과의 거리를 측정한다.

Description

위치 측정 장치
본 발명은 위치 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 UWB(Ultra-Wide Band, 초광대역) 통신을 이용하여 차량과 운전자 사이의 거리, 차량 위치 및 운전자 위치를 측정하는 위치 측정 장치(POSITION MEASURING DEVICE)에 관한 것이다.
최근 차량은 운전자와 차량 사이의 거리, 운전자 위치, 차량 위치 등을 이용하여 운전자에게 다양한 편의를 제공하고 있다. 일례로, 차량은 운전자 위치 및 차량 위치를 이용하여 운전자에게 주차된 차량까지의 경로를 안내하는 기능, 운전자와 차량 사이의 거리를 이용하여 운전자가 차량에 접근하면 차량의 도어를 오픈하고 운전자가 차량에서 멀어지면 차량 도어를 락(Lock)하는 기능 등을 제공한다.
종래의 차량은 운전자와 차량 사이의 거리, 운전자 위치 및 차량 위치를 측정하기 위해서 LF(Low Frequency) 또는 RF(Radio Frequency) 통신을 이용해 왔다.
최근에는 UWB(Ultra-Wide Band, 초광대역) 통신을 이용한 위치 측정 기술이 차량에 적용되고 있다. UWB 통신은 임펄스 신호를 통해 높은 정밀도를 갖는 무선 측위 및 통신 기능을 제공할 수 있다. UWB 통신은 대략 3.1㎓∼10.6㎓ 정도의 주파수 대역을 사용하면서 대략 10m∼1km 정도의 전송 거리를 갖는다. UWB 통신은 수 nsec pulse로 시간 분해능이 우수하여 거리 측정에 유리하고, Low duty cycle의 저전력 구현이 가능하다.
이에, 저속 위치인식 기반 응용 서비스에 대한 요구되는 위치 측정 분야 및 대략 +/- 10cm 정도의 정밀도를 갖는 위치 측정 분야에 UWB 통신이 적용되고 있다.
하지만, UWB 통신을 이용한 위치 측정 기술은 측위 신호의 전송 시간 및 측위 신호에 대한 응답 신호의 수신 시간을 이용하여 위치(거리)를 측정하는 TWR(Two Way Ranging) 측위 방식을 이용하기 때문에 장애물에 의한 측위 오차 및 편차가 발생하는 문제점이 있다. 즉, 장애물로 인한 다중경로 (Multi-Path)가 문제가 되는 실내환경에서는 수 mili-Seconds의 시간 차이도 100m 이상의 심각한 오차가 발생하거나, 차량 내의 금속부 또는 인체에 대한 신호에 의한 Group Delay 또는 PATH LOSS로 측정 오차 및 편차가 발생할 수 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, TWR 측위 방식 및 PDOA 측위 방식을 혼합하여 위치(거리)를 측정하도록 한 위치 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 설정 시간 간격으로 측위 신호를 생성하는 통신 트랜시버, 통신 트랜시버에서 생성된 측위 신호를 취득하여 출력하고, 측위 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 복수의 다이버시티 안테나 및 복수의 다이버시티 안테나에서 각각 송수신한 측위 신호 및 응답 신호를 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정하고, 복수의 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리 측정값을 근거로 대상물과의 거리를 측정하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.
복수의 다이버시티 안테나는 둘 이상의 지향성 안테나 및 둘 이상의 무지향성 안테나를 포함하고, 둘 이상의 지향성 안테나는 제1 안테나 셋을 구성하고, 둘 이상의 무지향성 안테나는 제2 안테나 셋을 구성할 수 있다.
마이크로 컨트롤러는 측위 신호 및 응답 신호의 수신 시간을 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정하거나, 측위 신호 및 응답 신호의 위상을 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 임피던스 변화량을 감지하는 임피던스 감지회로를 더 포함하고, 마이크로 컨트롤러는 임피던스 변화량을 근거로 거리 측정값을 보상할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 복수의 매칭 회로 중 하나로 스위칭하는 안테나 스위치를 더 포함하고, 안테나 스위치는 임피던스 변화량을 근거로 복수의 매칭 회로 중 하나로 스위칭할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 다이버시티 안테나의 커패시턴스값을 조정하는 트리머 커패시터를 더 포함할 수 있다.
마이크로 컨트롤러는 대상물에 설치된 복수의 앵커와 통신하되, 앵커에 연결된 한 쌍의 안테나 중 하나와 통신하여 대상물과의 거리를 1차 측정하고, 앵커에 연결된 한 쌍의 안테나 중 다른 하나와 통신하여 대상물과의 거리를 2차 측정하고, 1차 측정 및 2차 측정을 복수회 반복한 측정값의 평균을 대상물과의 거리로 검출할 수 있다. 마이크로 컨트롤러는 1차 측정 및 2차 측정을 복수회 반복한 후 가우시안 분포 계산을 통해 대상물과의 거리를 검출할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 복수의 다이버시티 안테나의 안테나 매칭값을 조정하는 안테나 매칭 스위치를 더 포함할 수 있다.
트랜시버는 전송 신호 경로를 구성하는 제1 트랜시버 및 수신 신호 경로를 구성하는 제2 트랜시버를 포함하고, 안테나 스위치는 전송 신호 경로를 구성하는 제1 안테나 스위치 및 수신 신호 경로를 구성하는 제2 안테나 스위치를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 제1 트랜시버 및 제1 안테나 스위치를 연결하는 파워 증폭기 및 제2 트랜시버 및 제2 안테나 스위치를 연결하는 저잡음 증폭기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 위치 측정 장치는 TWR 측위 방식 및 PDOA 측위 방식을 혼합하여 위치(거리)를 측정함으로써, 차량 내의 금속부 또는 인체에 대한 신호에 의한 측정 오차 및 편차를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 위치 측정 장치는 TWR 측위 방식 및 PDOA 측위 방식을 혼합하여 위치(거리)를 측정하여 오차 및 편차 발생을 방지함으로써, 운전자 위치, 차량 위치, 운전자와 차량 사이의 거리를 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 TWR 측위 방식을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치가 키팝과 차량 사이의 상대적 거리를 산출하는데 걸리는 시간을 설명하기 위한 도면.
도 6운 키팝과 차량 사이에 인체 영향이 존재함에 따는 신호 특성을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 안테나 패턴 및 매칭 튜닝에 따른 성능 개선을 설명하기 위한 도면.
도 8은 앵커 및 태그 다이버시트(Tag Diversity) 방식을 통한 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 성능 개선을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 TWR 및 RSSI를 이용한 위치 보상을 설명하기 위한 도면.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치의 신호 라인 분리를 통한 위치 보상을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 참조하면, 일반적으로 UWB(Ultra-Wide Band, 초광대역) 통신을 이용한 위치 측정 기술은 TWR(Two Way Ranging 또는 TOA) 측위 방식을 이용하여 위치 또는 거리를 측정한다.
TWR 측위 방식은 무선 통신 신호의 RTT(Round Trip Time)를 이용하여 두 개의 노드 간 거리를 측정하는 방식이다. TWR 측위 방식은 무선 통신 망의 시각 동기화가 필요 없어서 군집 협업 측위 방식에 적합한 기법이며 양방향 무선통신과 거리 측정이 동시에 가능하다.
하지만, TWR 측위 방식은 측위 신호의 전송 시간 및 측위 신호에 대한 응답 신호의 수신 시간을 이용하여 위치(거리)를 측정하기 때문에 장애물에 의한 측위 오차 및 편차가 발생하는 문제점이 있다.
다시 말해, TWR 측위 방식을 통해 획득되는 측정치는 노드와 노드 간 거리 측정치가 장애물 등의 요인으로 인하여 실제 측정치보다 길게 추정되는 문제가 있다. 장애물로 인한 다중 경로(Multi-Path)가 문제가 되는 실내 환경에서는 수 mili-Seconds의 시간 차이도 100m 이상의 심각한 오차가 발생하거나, 차량 내의 금속부 또는 인체에 대한 신호에 의한 그룹 지연(Group Delay) 또는 경로 손실(Path loss)로 측정 오차 및 편차가 발생할 수 있다.
일례로, 도 2를 참조하면, TWR 측위 방식의 경우, 앵커(Anker) A1 및 A2과 태그(10, 키팝(keyfob)) 사이에서 정상적인 측정이 가능하지만, 태그(10)와 차량 사이에 다른 차량이 존재하는 앵커 A3 및 A4에서는 다른 차량의 금속부에 의한 그룹 지연 또는 경로 손실이 발생하며, 그에 따른 측정 오차 및 편차가 발생한다.
다른 일례로, 도 3을 참조하면, TWR 측위 방식의 경우, 앵커(Anker) A1 및 A2과 태그(10) 사이에서 정상적인 측정이 가능하지만, 앵커 A3 및 A4에서는 차량 내의 금속부에 의한 그룹 지연 또는 경로 손실이 발생하여 태그(10)와 앵커 A3 및 A4 사이의 측정 오차 및 편차가 발생한다.
이처럼, TWR 측위 방식은 사람과 차량 사이 다른 차량이 있을 경우와 같이 특정 방향에서 차량의 금속부, 사람의 뒷주머니에 FOB가 있을 경우와 같이 인체 영향으로 신호의 그룹 지연, 손실 및 멀티패스 페이딩에 의한 측위 오차와 편차가 발생하는 문제점이 있다.
일반적으로, TWR 측위 방식에서 발생하는 오차는 일반 잡음과는 달리 경감되지 않기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 TWR 측위 방식 및 PDOA 측위 방식을 혼합한 측위 방식을 통해 TWR 측위 방식에 의한 측위시 문제점을 해결한다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치는 TWR 측위 방식 및 PDOA 측위 방식을 혼합한 측위 방식을 통해 운전자 위치, 차량 위치, 운전자와 차량 사이의 거리 등을 측정한다.
위치 측정 장치는 TWR 측위 방식을 이용하여 제1 거리 측정치를 획득하고, PDOA 측위 방식을 이용하여 제2 거리 측정치를 획득한다. 위치 측정 장치는 제1 거리 측정치 및 제2 거리 측정치를 이용하여 대상물의 위치(거리)를 측정한다.
위치 측정 장치는 TWR 측위 방식을 이용해 측정한 현재 위치(위치 측정 장치의 위치)에서 대상물까지의 거리를 제1 거리 측정치로 획득한다. 위치 측정 장치는 PDOA 측위 방식을 이용해 측정한 현재 위치(위치 측정 장치의 위치)에서 대상물까지의 거리를 제2 거리 측정치로 획득한다.
위치 측정 장치는 TWR 측위 결과 및 PDOA 측위 결과를 이용하여 위치(거리)를 측정한다. 이때, 위치 측정 장치는 주변 환경에 따라 TWR 측위 결과인 제1 거리 측정치 및 PDOA 측위 결과인 제2 거리 측정치 중 하나를 검출하여 위치(거리)를 측정하거나, 제1 거리 측정치 및 제2 거리 측정치의 평균을 이용하여 위치(거리)를 측정한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 측정 장치(100)는 통신 트랜시버(110), 복수의 다이버시티(Diversity) 안테나(120), 마이크로 컨트롤러(130; MCU), 전원 모듈(140)을 포함하여 구성된다.
통신 트랜시버(110)는 일정한 시간 간격으로 측위 신호를 출력한다. 통신 트랜시버(110)는 설정 시간 간격으로 측위 신호를 생성하여 복수의 다이버시티 안테나(120)로 출력한다.
복수의 다이버시티 안테나(120)는 통신 트랜시버(110)에서 출력된 측위 신호를 수신하고, 수신한 측위 신호를 외부로 출력한다. 복수의 다이버시티 안테나(120)는 측위 신호에 대한 응답 신호를 수신하여 마이크로 컨트롤러(130)에게로 전송한다.
복수의 다이버시티 안테나(120)는 인체 영향에 따른 성능 저하를 해소하기 위해서 지향성 안테나(121; Directional Antenna) 및 무지향성(전방향성) 안테나(122; Omni Directional Antenna)로 안테나를 구성된다. 위치 측정 장치(100)는 지향성 안테나(121) 및 무지향성 안테나(122)로 안테나를 구성함으로써, 고성능 안테나(High Gain Antenna)와 방향성에 따른 인체 영향을 최소화할 수 있다.
복수의 다이버시티 안테나(120)는 2개 이상의 지향성 다이버시티 안테나(121) 및 2개 이상의 무지향성 다이버시티 안테나(122)를 포함하며, 한 쌍의 안테나 셋을 구성한다. 이때, 복수의 다이버시티 안테나(120)는 2개 이상의 지향성 다이버시티 안테나로 구성된 제1 안테나 셋(S1)과, 2개 이상의 무지향성 다이버시티 안테나(122)로 구성된 제2 안테나 셋(S2)을 구성한다.
마이크로 컨트롤러(130; MCU)는 복수의 다이버시티 안테나(120)를 통해 송수신한 신호들의 수신 시간 또는 위상을 이용해 차량과 운전자 사이의 거리를 측정한다. 즉, 마이크로 컨트롤러(130)는 측위 신호 및 응답 신호의 수신 시간을 근거로 차량과 운전자 사이의 거리를 측정한다. 마이크로 컨트롤러(130)는 측위 신호 및 응답 신호의 위상을 근거로 차량과 운전자 사이의 거리를 측정할 수도 있다.
마이크로 컨트롤러(130)는 측정된 거리 값을 비교하여 최적의 값을 거리 데이터로 선택한다. 마이크로 컨트롤러(130)는 복수의 측정값 및 환경 조건을 고려하여 분포도로부터 최적의 측정값을 산출한다. 마이크로 컨트롤러(130)는 반복 측정을 통해 정확한 거리 데이터 추출 알고리즘을 적용한다. 이때, 거리 데이터 추출 알고리즘은 보상의 개념으로 측정 결과(거리)에 보상값을 합산 또는 감산하는 과정이다.
전원 모듈(140)은 트랜시버(110), 복수의 다이버시티 안테나(120), 마이크로 컨트롤러(130)로 전원을 공급한다.
위치 측정 장치(100)는 RSSI 측정 방식을 혼용하여 위치(거리)를 측정할 수도 있다. 즉, 위치 측정 장치(100)는 위치 측정 정확성을 확보하기 위해서 TWR 측위 및 PDOA 측위와 함께 RSSI 측정 방식을 혼용하여 위치(거리)를 측정한다.
이를 위해, 위치 측정 장치(100)는 임피던스 감지회로(150)를 더 포함할 수 있다. 임피던스 감지회로(150)는 임피던스 변화량을 감지한다. 마이크로 컨트롤러(130)는 인피던스 감지회로에서 감지한 임피던스 변화량을 근거로 측정값을 보상한다.
일례로, 태그(10; 즉, 키팝, 안테나)를 손으로 감싸거나, 차량 내 운전자의 엉덩이 부분에 스마트폰을 깔고 않는 경우에 임피던스의 변화가 발생하여 거리 값에 오차가 발생할 수 있다. 이에, 위치 측정 장치(100)는 임피던스 감지회로(150)를 통해 임피던스 변화를 감지하고, 감지한 임피던스 변화량에 따라 거리 값을 보상한다.
위치 측정 장치(100)는 안테나 스위치(160)더 포함하고, 임피던스 변화량에 따라 안테나 스위치(160)를 스위칭하여 안테나 매칭값을 스위칭할 수 있다.
안테나 스위치(160)는 서로 다른 특성(LC)을 갖는 복수의 매칭 회로를 구성한다. 안테나 스위치(160)는 임피던스 감지회로(150)에서 감지한 임피던스 변화량에 따라 안테나를 적절한 매칭 회로로 스위칭한다.
한편, 위치 측정 장치(100)는 키팝(KeyFob)에 설치된 경우, 운전자가 키팝을 감싼 것을 감지하는 센서를 포함할 수도 있다. 위치 측정 장치(100)는 센서의 감지 결과를 근거로 운전자가 키를 감싼 것으로 판단하면 거리 값을 보상하거나, 출력 파워를 조정한다.
도 5를 참조하면, 키팝과 앵커(anchor) 및 인증제어기(BLE main module) 사이의 통신 상태 변경 롤(COMMON_STATUS_CHANGE_ROLE) 부분 제외한 거리 데이터 수신 소요시간은 대략 171ms 정도이고, 인증제어기의 위치 측위 연산 소요 예상 시간은 대략 150~250ms 정도이다.
따라서, 위치 측정 장치(100)의 마이크로 컨트롤러(130; MCU 또는 BLE)에서 키팝과 차량 사이의 상대적 거리를 산출하는데 걸리는 시간은 거리 측정 시간(171ms)과 위치 측위 연산 소요 예상 시간(150~250ms)을 합산하여 산출할 수 있다. 이때, 거리 측정 시간은 171ms이고, 위치 측위 연산 소요 예상 시간은 150~250ms이므로, 키팝과 차량 사이의 상대적 거리를 산출하는데 걸리는 시간은 대략 320~420ms 정도인 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 위치 측정 장치(100)는 키팝과 차량 사이에 인체 영향이 존재하는 경우 그룹 딜레이(Group Delay(Passive))와 거리(Distance(Active))의 증가 폭이 비례하는 경향을 보인다. 즉, 사람이 키팝을 손에 파지하거나 뒷주머니에 넣어둔 상태이면 키팝과 차량 사이에 인체영향이 존재하지 않는 경우에 비해 수신 신호 강도(RSSI)가 감소하여 그룹 딜레이 및 거리가 증가한다.
도 7을 참조하면, 위치 측정 장치(100)는 안테나 및 매칭 튜닝을 통해 그룹 딜레이를 개선할 수 있다. 이때, 위치 측정 장치(100)는 안테나 및 매치 튜닝을 위해 트리머 커패시터(trimmer capacitor) 등을 통해 커패시턴스값을 조정하여 그룹 딜레이를 개선한다.
위치 측정 장치(100)는 앵커(anchor) 및 태그 다이버시티(Tag Diversity) 방식을 통해 거리 측정 성능을 개선할 수 있다. 일례로, 도 8을 참조하면, 차량에는 앵커 A1 내지 A4가 설치되고, 각 앵커에는 한 쌍의 안테나(즉, 제1 안테나(n-1), 제2 안테나(n-2))를 상호 영향이 없도록 일정 간격으로 이격 시켜 배치한다. 위치 측정 장치(100)는 차량 내에 설치된 앵커들의 제1 안테나들(1-1,2-1,3-1,4-1)을 이용하여 거리를 1차 측정한 후, 차량 내에 설치된 앵커들의 제2 안테나들(1-2,2-2,3-2,4-2)을 이용하여 거리를 2차 측정한다. 위치 측정 장치(100)는 1차 측정 및 2차 측정을 복수회(예를 들면, 20회 정도) 반복한 후, 평균값 또는 가우시안 분포 계산을 통해 태그 좌표와 거리값을 검출한다.
도 9를 참조하면, 위치 측정 장치(100)는 안테나 매칭 스위치(170)를 더 포함하고, TWR 측위 방식 및 RSSI 측위 방식을 통해 위치를 보상할 수 있다.
위치 측정 장치(100)는 두개의 다이버시티 안테나를 통해 측정된 측정값을 비교하여 최적의 값을 거리 측정값으로 선택한다. 이때, 위치 측정 장치(100)는 시간 다이버시티 안테나 및 RF 스위치를 이용해 거리 측정값을 산출하거나, 공간 다이버시티 안테나 및 컴바이너(Combiner)를 통해 측정된 측정값을 이용하여 거리 측정값을 산출할 수 있다. 위치 측정 장치(100)는 다수의 측정 및 환경 조건을 고려한 분포도로부터 최적의 값을 산출한다.
위치 측정 장치(100)는 반복 측정을 통한 정확한 거리 측정값 검출, 지향성 안테나(121) 및 무지향성 안테나(122)를 혼용한 거리 측정값 검출, 안테나 스위치(160) 및 안테나 매칭 스위치(170)를 이용한 최적 안테나 매칭값 조정을 통한 거리 측정값 검출을 통해 정확한 위치를 검출한다.
도 10를 참조하면, 위치 측정 장치(100)는 RF 수신(RX) 신호 경로 및 RF 전송(TX) 신호 경로를 분리한 후, 신호 MCU가 내장된 ADC 포트를 통해 신호를 분석 및 처리할 수 있다.
즉, 위치 측정 장치(100)는 제1 트랜시버(111) 및 제1 안테나 스위치(161)를 통해 측위 신호를 출력하는 RF 전송(TX) 신호 경로를 생성하고, 제2 트랜시버(112) 및 제2 안테나 스위치(162)를 통해 측위 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 RF 수신(RX) 신호 경로를 생성한다.
이때, 위치 측정 장치(100)는 RF 전송 신호 경로를 구성하는 제1 트랜시버(111)와 제1 안테나 스위치(161) 사이에 파워 증폭기(180; PA; Power Amplifier)를 연결하고, RF 수신 신호 경로를 구성하는 제2 트랜시버(112)와 제2 안테나 스위치(162) 사이에 저잡음 증폭기(190; LNA)를 연결한다. 이를 통해, 위치 측정 장치(100)는 RF 신호인 측위 신호 및 응답 신호를 보상한다.
하기 수학식 1은 위치 측정시 대상물과 위치 측정 장치(100) 사이에 매질이 존재하는 경우의 매질 손실 계산식이다.
Figure PCTKR2020005463-appb-img-000001
여기서, Pr은 수신 전력이고, Pt는 송신 전력이고, G는 안테나 게인이고, L은 전력 손실이고, Fc는 중심주파수이고, d1 및 d2는 송수신 안테나와 안테나 사이 거리(d1은 안테나 1과 중간 매체 거리, d2는 안테나 2와 중간 매체 거리)이고, Lmaterial는 안테나와 안테나 사이 중간 매질의 전력 손실이다.
예를 들어, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 공기중 유전율(e0), 투자율(u0), 빛의 속도(c) 및 파장(Lamda)이 각각 정의되고, 손의 두께(Thickness)가 대략 20mm 정도이고, 손의 유전율(permittivity) 및 투자율(permeability)이 각각 대략 55.9F/cm정도, 대략 0.999991H/m 정도인 것으로 가정한다.
이때, 태그(키팝)혹은 앵커가 손으로 가려진 경우 사람 손에 의한 손실(Lmaterial)은 수학식1에 상술한 인자들을 각각 대입하여 산출할 수 있으며, 계산결과 대략 약 32dB 정도의 손실이 발생함을 알 수 있다. 이때, 대략 20dB 정도의 저잡음 증폭기를 적용하면 손실을 대략 12dB 정도로 감소시킬수 있어 거리 측정값을 개선(보상)할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (14)

  1. 설정 시간 간격으로 측위 신호를 생성하는 통신 트랜시버;
    상기 통신 트랜시버에서 생성된 측위 신호를 취득하여 출력하고, 상기 측위 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 복수의 다이버시티 안테나; 및
    상기 복수의 다이버시티 안테나에서 각각 송수신한 측위 신호 및 응답 신호를 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정하고, 상기 복수의 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리 측정값을 근거로 상기 대상물과의 거리를 측정하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 다이버시티 안테나는 둘 이상의 지향성 안테나 및 둘 이상의 무지향성 안테나를 포함하는 위치 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 둘 이상의 지향성 안테나는 제1 안테나 셋을 구성하고, 상기 둘 이상의 무지향성 안테나는 제2 안테나 셋을 구성하는 위치 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 측위 신호 및 상기 응답 신호의 수신 시간을 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정하는 위치 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 측위 신호 및 상기 응답 신호의 위상을 근거로 다이버시티 안테나와 대상물 사이의 거리를 측정하는 위치 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    임피던스 변화량을 감지하는 임피던스 감지회로를 더 포함하고,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 임피던스 변화량을 근거로 거리 측정값을 보상하는 위치 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 매칭 회로 중 하나로 스위칭하는 안테나 스위치를 더 포함하고,
    상기 안테나 스위치는 상기 임피던스 변화량을 근거로 상기 복수의 매칭 회로 중 하나로 스위칭하는 위치 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    다이버시티 안테나의 커패시턴스값을 조정하는 트리머 커패시터를 더 포함하는 위치 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 대상물에 설치된 복수의 앵커와 통신하되, 앵커에 연결된 한 쌍의 안테나 중 하나와 통신하여 상기 대상물과의 거리를 1차 측정하고, 앵커에 연결된 한 쌍의 안테나 중 다른 하나와 통신하여 상기 대상물과의 거리를 2차 측정하는 위치 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 1차 측정 및 상기 2차 측정을 복수회 반복한 측정값의 평균을 대상물과의 거리로 검출하는 위치 측정 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 1차 측정 및 상기 2차 측정을 복수회 반복한 후 가우시안 분포 계산을 통해 대상물과의 거리를 검출하는 위치 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 다이버시티 안테나의 안테나 매칭값을 조정하는 안테나 매칭 스위치를 더 포함하는 위치 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 트랜시버는 전송 신호 경로를 구성하는 제1 트랜시버 및 수신 신호 경로를 구성하는 제2 트랜시버를 포함하고,
    상기 안테나 스위치는 전송 신호 경로를 구성하는 제1 안테나 스위치 및 수신 신호 경로를 구성하는 제2 안테나 스위치를 포함하는 위치 측정 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 트랜시버 및 상기 제1 안테나 스위치를 연결하는 파워 증폭기; 및
    상기 제2 트랜시버 및 상기 제2 안테나 스위치를 연결하는 저잡음 증폭기를 더 포함하는 위치 측정 장치.
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