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KR100896320B1 - Device and method for purchasing location - Google Patents

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Publication number
KR100896320B1
KR100896320B1 KR1020070083477A KR20070083477A KR100896320B1 KR 100896320 B1 KR100896320 B1 KR 100896320B1 KR 1020070083477 A KR1020070083477 A KR 1020070083477A KR 20070083477 A KR20070083477 A KR 20070083477A KR 100896320 B1 KR100896320 B1 KR 100896320B1
Authority
KR
South Korea
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inertial measurement
wireless sensor
sensor network
equation
tracking
Prior art date
Application number
KR1020070083477A
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Korean (ko)
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KR20080050987A (en
Inventor
유원필
안효성
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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Publication of KR20080050987A publication Critical patent/KR20080050987A/en
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • H04W64/006Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management with additional information processing, e.g. for direction or speed determination
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
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  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
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Abstract

본 발명은 위치 추적 장치 및 방법에 관한 것으로서, 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 하나의 시스템으로 구성하여, 무선 센서네트워크에서 관측이 일정하지 않을 경우 관성측정장치에 기반하여 위치를 추적하고, 역으로 관성측정장치의 관측 신호의 신뢰성이 떨어질 경우 무선 센서네트워크만을 기반으로 위치를 추적하며, 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 선택적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 칼만 필터에 의하여 위치 예측을 수행할 수 있도록 함으로써, 움직이는 표적물의 위치를 정밀하고 신뢰성 있게 추적할 수 있다.The present invention relates to a location tracking device and method, comprising an inertial measurement device and a wireless sensor network as one system, and if the observation is not constant in the wireless sensor network, the location is tracked based on the inertial measurement device, and vice versa. If the inertial measurement device's reliability is low, it tracks the location based only on the wireless sensor network, and can selectively use the inertial measurement device and the wireless sensor network as well as perform position prediction by Kalman filter. The position of the moving target can be precisely and reliably tracked.

무선 센서네트워크, 관성측정장치, 칼만 필터 Wireless Sensor Networks, Inertial Measurement Units, Kalman Filters

Description

위치 추적 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PURCHASING LOCATION}Location tracking device and method {DEVICE AND METHOD FOR PURCHASING LOCATION}

본 발명은 위치 추적 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관성측정장치 및 무선 센서네트워크를 기반으로 표적물의 위치를 추적하는 위치 추적 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a location tracking technology, and more particularly to a location tracking device and method for tracking the location of a target based on an inertial measurement device and a wireless sensor network.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2005-S-092-02, 과제명: USB 기반 Ubiquitous Robotic Space 기술 개발].The present invention is derived from the research conducted as part of the IT new growth engine core technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development. [Task Management Number: 2005-S-092-02, Title: USB-based Ubiquitous Robotic Space Technology] Development].

무선 센서네트워크(wireless sensor network) 기반 위치결정 시스템은, 관성측정 시스템, 관성항법 시스템, 센서 결합 등의 여러 분야에서 응용되고 있다. 구체적으로, 이동형 로봇의 주행 기술, 생산 및 공정 자동화, 가정 자동화, 자동차 및 항공우주 항법, 측위 시스템 등에 응용되고 있다.Positioning system based on a wireless sensor network has been applied in various fields such as an inertial measurement system, an inertial navigation system, and a sensor coupling. Specifically, it is applied to the traveling technology of mobile robots, production and process automation, home automation, automobile and aerospace navigation, positioning system, and the like.

그러나, 무선 센서 네트워트 중 지그비(ZigBee) 기반 측위 시스템은 느린 반응성으로 인해 움직이는 물체(사물)에 태그를 부착하여 실시간으로 추적하기는 어렵고, UWB 기반 측위 시스템은 짧은 거리 이동 시 결정된 위치가 한동안 변하지 않는 단점을 가지고 있다.However, ZigBee-based positioning systems in wireless sensor networks are difficult to track in real time by tagging moving objects (objects) due to slow responsiveness, while UWB-based positioning systems do not change their position for short distances. It has a disadvantage.

또한, 종래에는 GPS(global positioning system)와 관성측정장치의 결합하여 위치를 추적하는 방안이 제안된 바 있다. 그러나, GPS와 관성측정장치의 결합은 주로 실외에 적용되는 경우에만 효과적이고, 실내에 적용할 경우에는 표적물의 위치를 신속하고 정확하게 인식하는 것이 어려웠다.In addition, in the related art, a method of tracking a position by combining a global positioning system (GPS) and an inertial measurement apparatus has been proposed. However, the combination of GPS and inertial measurement devices is effective only when applied outdoors, and it is difficult to recognize the position of a target quickly and accurately when applied indoors.

한편, RFID를 관성항법장치에 결합하려는 시도는 있었으나, 무선 센서네트워크를 결합하여 표적물의 위치를 추적하는 방법은 제시되지 않고 있다.On the other hand, attempts have been made to combine RFID with an inertial navigation system, but a method of combining a wireless sensor network to track the position of a target has not been proposed.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 결합하여 실시간으로 사물의 위치를 추적하는 위치 추적 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a location tracking device and method for tracking the location of things in real time by combining the inertial measurement device and the wireless sensor network. .

한편, 본 발명의 다른 목적은 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 선택적으로 이용하거나, 칼만 필터에 의하여 위치 예측을 수행하는 위치 추적 장치 및 방법을 제공하는데 있다.On the other hand, another object of the present invention is to provide a position tracking device and method for selectively using the inertial measurement device and the wireless sensor network, or performing position prediction by the Kalman filter.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 위치 추적 장치는, 무선통신을 통해 이동체의 현재 위치를 예측하는 무선 센서네트워크; 상기 이동체의 움직임에 대응하여 이동 궤적을 예측하는 관성측정장치; 및 상기 관성측정장치로부터 출력되는 신호로부터 상태 전파 운동 방정식을 생성하고, 상기 무선 센서네트워크 기반 통신장치로부터 예측된 현재 위치 정보를 상기 상태 전파 운동 방정식에 제공하여 보정을 수행하여 위치 변화를 추적하는 위치계산장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.Location tracking device of the present invention for achieving the above object, the wireless sensor network for predicting the current position of the mobile object through wireless communication; An inertial measurement device for predicting a moving trajectory in response to the movement of the moving body; And generating a state propagation equation from the signal output from the inertial measurement device, and providing a current position information predicted from the wireless sensor network based communication device to the state propagation equation and performing correction to track the position change. It characterized in that it comprises a calculation device.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 위치 추적 방법은, (a) 현재 위치에서 관성측정장치를 이용하여 이동체의 움직임 여부를 판단하는 단계; (b) 상기 이동체 정지시 무선 센서네트워크를 기반으로 하여 예측된 현재 위치 정보의 존재여부에 따라 보정여부를 결정하면서, 상기 이동체의 움직임에 대응하여 상기 관성측정장치로부터 전달된 신호를 위치계산장치에서 이동 궤적을 추적하는 단계; 및 (c) 상기 추적된 이동 궤적으로부터 계산된 마지막 위치를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the position tracking method of the present invention for achieving the above object, (a) determining the movement of the moving object using the inertial measurement device at the current position; (b) In the position calculating device, the signal transmitted from the inertial measurement device in response to the movement of the moving object is determined in the position calculating device while determining whether to correct according to the presence of the predicted current position information based on the wireless sensor network when the moving object is stopped. Tracking the movement trajectory; And (c) storing the last position calculated from the tracked movement trajectory.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 위치 추적 장치 및 방법은, 무선 센서네트워크 기반 위치인식 시스템을 관성측정장치와 결합하여 실시간으로 사물의 위치를 측정할 뿐만 아니라, 무선 센서네트워크에서 관측이 일정하지 않을 경우 관성측정장치에 기반하여 위치를 추적하고, 역으로 관성측정장치의 관측 신호의 신뢰성이 떨어질 경우 무선 센서네트워크만을 기반으로 위치를 추적하도록 함으로써, 이동형 로봇의 항법이나 실내에서 자동차나 다른 움직이는 표적물의 위치를 정밀하고 신뢰성 있게 추적할 수 있을 뿐만 아니라, 대형 마트에서 소비자의 이동 경로 추적이나 공항이나 실내 체육관, 빌딩 안에서 사람이나 사물의 위치를 신뢰성 있게 예측할 수 있다.As described above, the apparatus and method for tracking the location according to the present invention combines a wireless sensor network-based location recognition system with an inertial measurement device to measure the position of an object in real time, and the observation in the wireless sensor network may not be constant. In this case, the position is tracked based on the inertial measurement device, and if the reliability of the observation signal of the inertial measurement device decreases, the position is tracked based only on the wireless sensor network. In addition to tracking location precisely and reliably, large marts can reliably track the travel of consumers and predict the location of people or objects in airports, gyms, and buildings.

이하, 본 발명의 위치 추적 장치 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a position tracking apparatus and a method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 위치 추적 장치를 장착한 태그의 구성 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a tag equipped with a location tracking device of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 사물, 즉 로봇 등에 부착되는 태그에는 본 발명에서 구현하고자 하는 무선 센서네트워크 기반 위치 추적 장치와 가속도계 기반 위치 추적 장치가 장착되게 된다. 무선 센서네트워크 기반 위치 추적 장치로는 하나의 예로서 ZigBee(10)를 장착하고 있다. 물론 ZigBee를 대신하여 UWB(Ultra Wide Band), Wi-Fi(Wireless Fidelity), RFID(Radio Frequency IDentification) 등이 장착될 수 있다. 또한, 가속도계 기반 위치 추적 장치로는 각가속도와 선형가속도를 측정하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 자이로스코프(Gyroscope)(20)와 MEMS 가속도센서(Accelerometer)(30)를 장착하고 있다.As illustrated in FIG. 1, a tag attached to an object, that is, a robot, may be equipped with a wireless sensor network-based location tracking device and an accelerometer-based location tracking device to be implemented in the present invention. The wireless sensor network-based location tracking device is equipped with a ZigBee 10 as an example. Of course, instead of ZigBee, UWB (Ultra Wide Band), Wi-Fi (Wireless Fidelity), and RFID (Radio Frequency IDentification) may be installed. In addition, the accelerometer-based position tracking device is equipped with a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) gyroscope (20) and an MEMS accelerometer (30) that measure angular acceleration and linear acceleration.

이와 같이, 무선 센서네트워크를 기반으로 한 무선통신을 통해 특정 불확실성 테두리(boundary)를 파악함과 아울러 MEMS Gyroscope(20)와 MEMS Accelerometer(30)를 통해 궤적 연산을 수행하여 위치를 계산하며, 이 위치 계산시 무선 센서네트워크를 통해 파악된 위치를 참고하여 보정함으로써 더욱 정확한 위치를 추적하게 된다.In this way, the specific uncertainty boundary is identified through wireless communication based on the wireless sensor network, and the position is calculated by performing a trajectory calculation through the MEMS Gyroscope (20) and the MEMS Accelerometer (30). In the calculation, the correct position is tracked by referring to the position identified through the wireless sensor network.

도 2는 본 발명의 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 추적 장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a position tracking device using an inertial measurement device and a wireless sensor network of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 위치 추적 장치는 MEMS Gyroscope와 MEMS Accelerometer를 포함하는 관성측정장치(IMU, Inertial Measurement Unit)(40)와, 무선 센서네트워크 기반 위치 추적 장치인 ZigBee(10)와, 관성측정장치(40)와 ZigBee(10)로부터 전달된 신호를 처리하여 위치를 계산하는 칼만 필터(50)로 구성되어 있다. 물론, 상기한 바와 같이 무선 센서네트워크 기반 위치 추적 장치로는 다양한 장비가 이용될 수 있으며, 칼만 필터(50)를 대신하여 다양한 위치 측정 장비가 이용될 수 있음은 주지의 사실이다.As shown in FIG. 2, the position tracking device according to the present invention includes an inertial measurement unit (IMU) 40 including a MEMS gyroscope and a MEMS accelerometer, and a ZigBee 10 which is a wireless sensor network based position tracking device. And an inertial measurement device 40 and a Kalman filter 50 for processing the signal transmitted from the ZigBee 10 to calculate the position. Of course, as described above, a variety of equipment may be used as the wireless sensor network-based location tracking device, and it is well known that various location measurement equipment may be used in place of the Kalman filter 50.

한편, 칼만 필터(50)는, 관성측정장치(40)로부터 전달된 신호를 처리하여 운동 방정식을 산출하는 상태 전파 운동 방정식 획득부(51)와, 무선 센서네트워크로부터 발생된 신호가 있을 경우에 보정을 수행하여 운동 방정식을 전파(Propagation)하는 운동 방정식 보정 및 전파부(52)와, ZigBee(10)로부터 전달된 신호를 처리하여 특정 불확실성 테두리(boundary)를 관측하는 위치 관측부(53)로 구성되어 있다.On the other hand, the Kalman filter 50 corrects when there is a signal generated from the state propagation motion equation obtaining unit 51 which processes the signal transmitted from the inertial measurement apparatus 40 to calculate the motion equation, and the wireless sensor network. A motion equation correction and propagation unit 52 for propagating a motion equation by performing the following, and a position observer 53 for processing a signal transmitted from the ZigBee 10 to observe a specific uncertainty boundary. It is.

이와 같이 구성된 위치 추적 장치는 관성측정장치(40)로부터 전달된 신호를 처리하여 운동 방정식을 산출하여 전파하고, 만약 무선 센서네트워크를 기반으로 한 위치 관측이 있었을 경우에는 상기 운동 방정식에 대한 보정을 수행한 후에 전파를 수행한다. 이에 더욱 정확한 위치 추적이 가능하게 된다.The position tracking device configured as described above processes the signal transmitted from the inertial measurement device 40 to calculate and propagate the equation of motion, and if there is a position observation based on the wireless sensor network, it performs correction on the equation of motion. Then perform the propagation. This enables more accurate location tracking.

도 3은 본 발명의 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 추적 방법을 나타낸 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a location tracking method using an inertial measurement device and a wireless sensor network according to the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 로봇 등의 사물에 부착된 태그는 최초 위치 또는 현재 위치를 확인하고(S1), 이 상태에서의 무선 센서네트워크를 기반으로 하여 특정 불확실성 테두리 이내로 위치를 추적 및 확인한다(S2). 이와 함께 관성측정장치(IMU)의 초기화가 이루어지게 된다(S3). 이후 사물의 움직임이 있는가를 판별하여(S4), 움직임이 있을 경우에 관성측정장치를 이용하여 위치를 추적 및 확인하게 된다(S5). 물론, 관성측정장치를 이용한 위치 추적은 무선 센서네트워크를 기반으로 한 위치 관측이 있었는가를 바탕으로 보정을 수행하면서 위치 추적을 수행한다. 한편, 사물의 움직임에 대응하여 위치 추적을 계속하고 있던 중에 사물이 정지되었을 경우에(S6) 리턴(S7)을 통해 현재 위치를 확인하고, 이어서 단계 S2 내지 단계 S7을 계속적으로 리턴하면서 반복되게 된다.As shown in FIG. 3, a tag attached to an object such as a robot identifies an initial position or a current position (S1), and tracks and confirms a position within a specific uncertainty border based on a wireless sensor network in this state. (S2). With this, the inertia measuring device IMU is initialized (S3). Thereafter, the motion of the object is determined (S4), and if there is motion, the position is tracked and confirmed using the inertial measurement device (S5). Of course, the position tracking using the inertial measurement device performs the position tracking while performing the correction based on whether there is a position observation based on the wireless sensor network. On the other hand, when the object is stopped while tracking the position in response to the movement of the object (S6), the current position is confirmed through the return (S7), and then repeated steps S2 to S7 are continuously returned. .

상기한 단계 S2에서 관성측정장치의 초기화가 이루어지는 것은, 관성측정장치는 시간이 지남에 따라 바이어스 잡음(bias noise)이 축적(accumulated)되는 현상으로 인해 오랜 시간 이용할 수 없기 때문이다. 이에, 사물이 정지해 있을 때, 관성측정장치를 초기화(reset)시키게 된다. 즉, 관성측정장치 초기화에 따라 무선 센서네트워크를 기반으로 한 위치로 재설정되며, 사물이 다시 움직일 경우에 무선 센서네트워크를 기반으로 파악된 현재 위치를 기점으로 하여 관성측정장치로부터 출력되는 각속도와 선형 가속도를 적분하여 사물의 위치 궤적을 연속적으로 추적한다.The inertia measuring device is initialized in step S2, because the inertial measuring device cannot be used for a long time due to a phenomenon in which bias noise is accumulated over time. Thus, when the object is stationary, the inertial measurement unit is reset. That is, it is reset to the position based on the wireless sensor network according to the initialization of the inertial measurement device, and when the object moves again, the angular velocity and linear acceleration output from the inertial measurement device based on the current position identified based on the wireless sensor network. Integrate to continuously track the position trajectory of the object.

도 4는 본 발명의 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 계산 과정을 나타낸 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a position calculation process using an inertial measurement device and a wireless sensor network according to the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 관성측정장치를 이용한 위치 계산을 수행함에 있어, ZigBee에 의하여 사물의 위치 관측이 어느 정도 일정한 속도로 나올 경우에, 관성측정장치로부터 전달된 신호를 바탕으로 하여 상태 전파 운동 방정식을 구한다(S51). 이때, 구해진 운동 방정식을 전파하기 이전에, 무선 센서네트워크부터 관측된 위치 정보가 있는가를 파악하여(S52), 위치 정보가 있을 경우에는 상태 변수(states) 보정(correction)을 수행한 후(S53), 운동 방정식을 전파하게 된 다(S54). 물론, 무선 센서네트워크부터 관측된 위치 정보가 없을 경우에는 보정을 수행하지 않고 운동 방정식을 전파하게 된다. 이 운동 방정식을 이용하여 위치 궤적을 추적하여 현재 위치를 계산하여 저장하게 된다(S55).As shown in Figure 4, in performing the position calculation using the inertial measurement device, when the position observation of the object by ZigBee comes out at a certain speed, the state propagation based on the signal transmitted from the inertial measurement device The equation of motion is obtained (S51). At this time, before propagating the obtained equation of motion, it is determined whether there is position information observed from the wireless sensor network (S52), and if there is position information, after performing state variables (states) correction (S53), The equation of motion is propagated (S54). Of course, if there is no position information observed from the wireless sensor network, the equation of motion is propagated without performing correction. Using the motion equation, the position trajectory is tracked to calculate and store the current position (S55).

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 추적 과정을 나타낸 도면이다.5 is a view showing a location tracking process using an inertial measurement device and a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 사물이 정지해 있을 경우 ZigBee를 이용하여 사물의 위치(305, 315, 325)를 추적한다. 여기서, 도 5에서는 ZigBee로 제한하였으나, UWB나 Wi-Fi, RFID 등이 ZigBee 대신 이용될 수 있다. 하지만, ZigBee 역시 위치 추적에 오차를 포함하기 때문에 실제 위치(300, 310, 320)와 추정된 위치는 다르게 된다. 추정된 위치로부터 IMU 출력값을 적분하여 궤적을 예측(305', 315', 325')하고, 다시 사물이 정지해 있을 경우 IMU를 리셋(Reset)하여 축적된 바이어스 잡음을 제거해 준다. 결국 이런 과정을 반복하여 비록 월등히 향상된 정밀도를 제공하지는 못한다 하여도 어느 정도 불확실성 테두리 이내에서 사물의 궤적 및 위치를 추적할 수 있는 효과를 얻게 되고, 실시간으로 움직이는 사물의 궤적을 안정적으로 추적할 수 있게 되는 것이다.As shown in FIG. 5, when the object is stationary, the location 305, 315, and 325 of the object is tracked using the ZigBee. Here, although limited to ZigBee in FIG. 5, UWB, Wi-Fi, RFID, etc. may be used instead of ZigBee. However, since ZigBee also includes an error in the position tracking, the estimated position is different from the actual position (300, 310, 320). The locus is estimated by integrating the IMU output value from the estimated position (305 ', 315', 325 '), and when the object is stopped again, the IMU is reset to remove accumulated bias noise. Eventually, this process can be repeated so that the trajectory and position of the object can be tracked within the bounds of uncertainty to some extent, even if it does not provide much improved accuracy. Will be.

즉, ZigBee를 이용하여 사물의 위치를 추적하고, MEMS Gyroscope와 MEMS Accelerometer로 사물의 각가속도와 선형가속도를 측정한다. 이 때, ZigBee에 의하여 사물의 위치 관측이 어느 정도 일정한 속도로 나올 경우, ZigBee와 IMU를 칼만 필터로 센서 출력값을 결합(integration)하여 위치를 계산하면 잡음 효과를 제거할 수 있다. 그리고, IMU를 이용한 항법 방정식을 사물의 동력학식으로 이용하고, ZigBee로부터 위치를 관측값으로 이용하여 칼만 필터를 설계할 수 있다. 칼만 필터 설계를 위해서 IMU로부터 [수학식 1]로 표시되는 상태 전파 운동 방정식을 구한다.In other words, ZigBee is used to track the location of objects and MEMS Gyroscope and MEMS Accelerometer to measure the angular and linear acceleration of objects. At this time, when the position observation of an object is output at a certain speed by ZigBee, noise can be removed by calculating the position by integrating the sensor output value with ZigBee and IMU using a Kalman filter. The Kalman filter can be designed using the navigation equation using the IMU as the dynamic equation of the object and using the position as the observation value from ZigBee. For the Kalman filter design, the state propagation motion equation expressed by Equation 1 is obtained from the IMU.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112007059993253-pat00001
Figure 112007059993253-pat00001

여기서 x, y, z는 3차원 공간에서 위치를 나타내며, θ는 사물이 움직이는 방향각(heading) 각을 나타낸다. [수학식 1]은, 이들 상태 변수가 가속도계에서 나오는 x, y, z 축에서 관측된 가속도 fx, fy, fz와 3축을 중심으로 회전한 각가속도 p,q,r의 함수임을 나타낸다. 운동 방정식은 본 발명이 속하는 분야에서 당업자에게 자명하므로, 상세한 유도를 생략한다.Here, x, y, and z represent positions in three-dimensional space, and θ represents a heading angle in which an object moves. Equation 1 indicates that these state variables are a function of the accelerations f x , f y , f z and the angular accelerations p, q, r rotated about the three axes, which are observed on the x, y, and z axes from the accelerometer. Since the equation of motion is apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains, detailed derivation is omitted.

그리고, [수학식 1]의 복잡할 경우, 아래의 수학식으로 주어지는 위치와 속도의 다음의 관계([수학식 2], [수학식 3])에 의하여 [수학식 1]을 단순화한 [수학식 4]를 구할 수 있다.And, if the complexity of [Equation 1], [mathematical formula 1] by simplifying [Equation 1] by the following relationship between the position and the speed given by the following equation (Equation 2], [Equation 3] Equation 4 can be obtained.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112007059993253-pat00002
Figure 112007059993253-pat00002

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112007059993253-pat00003
Figure 112007059993253-pat00003

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112007059993253-pat00004
Figure 112007059993253-pat00004

(여기서, P(t)는 시간 t에 위치 벡터, V(t)는 시간 t에 속도 벡터, a(t)는 가속도 벡터, Δt는 샘플링 간격을 나타낸다.)(P (t) is the position vector at time t, V (t) is the velocity vector at time t, a (t) is the acceleration vector, and Δt is the sampling interval.)

상기 [수학식 4]에서 가속도 벡터 a(t)는 관성측정장치의 출력값이고 n는 공정 잡음이다. 무선 센서네트워크에서는 기준 관측값으로서 x, y, z를 제공하기 때문에 이들 성분이 관측 차(Measurement residual)를 위해서 이용된다. 따라서, 관측 방정식은 다음과 같이 간단히 유도된다.In Equation 4, the acceleration vector a (t) is an output value of the inertial measurement device and n is process noise. Since wireless sensor networks provide x, y, and z as reference observations, these components are used for the measurement residual. Therefore, the observation equation is simply derived as follows.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112007059993253-pat00005
Figure 112007059993253-pat00005

여기서 w는 관측 잡음이다. 그리고, heading 각이 자기장 센서나 또는 ZigBee로부터 관측된다면, 위의 관측식에는 θ도 관측값으로 이용될 수 있고, 이러한 경우 시스템 성능은 향상된다.Where w is the observed noise. And, if the heading angle is observed from a magnetic field sensor or ZigBee, θ can also be used as an observation in the above equation, in which case the system performance is improved.

단, [수학식 1]에서 관측은 IMU의 출력 주기보다 훨씬 느릴 수 있기 때문에 특별한 고려가 필요하다. 이 문제는 IMU 출력 데이터를 관측 주기에 맞추어서 선택 적으로 이용하여 해결한다. 예를 들어 ZigBee로부터 관측이 T1, T2, T3, T4,...로 이루어지고, IMU로부터 관측이 이보다 더 빠른 속도인 t01, t02, t03,..., t0n, T1, t11, t12,...,t1n, T2, t21, t22,...,t2n, T3...으로 주어진다면, Kalman filter의 업데이트율을 ZigBee 관측 주기인 T1, T2, T3,...로 맞추어 주고, T1 시점에 IMU의 관측값은 t0n-1, t0n, T1 등을 평균하여 이용하고, T2 시점에서 IMU 관측값은 t1n-1, t1n. T2 등을 평균하여 이용한다. T1, T2, T3, 사이에서 위치 추적은, 즉 IMU의 출력값을 이용한 위치 추적은 IMU 출력값을 적분하여 계산한다.However, in Equation 1, observations may be much slower than the output period of the IMU, so special consideration is required. This problem is solved by selectively using the IMU output data in accordance with the observation period. For example, observations from ZigBee consist of T1, T2, T3, T4, ... and observations from the IMU are faster than this: t01, t02, t03, ..., t0n, T1, t11, t12 ,. Given .., t1n, T2, t21, t22, ..., t2n, T3 ..., set the update rate of the Kalman filter to the ZigBee observation periods T1, T2, T3, ... The IMU observations are used by averaging t0n-1, t0n, T1, etc., and the IMU observations at t2n are t1n-1, t1n. T2 and the like are used on average. Position tracking between T1, T2, and T3, that is, position tracking using the output of the IMU, is calculated by integrating the IMU output.

그리고, 관성측정장치에서 나온 신호를 이용하여 운동 방정식 전파(propagation)한다. 이 때, 무선 센서네트워크부터 관측된 위치 정보를 이용하여 상태 변수(states)를 보정(correction)한다. 만일, 무선 센서네트워크부터 관측 정보가 없을 경우 칼만 필터(Kalman filtering)에서 상태 보정 (state correction, or state update) 과정을 생략하고(즉,

Figure 112007059993253-pat00006
를 생략하고), 상태 전파 (state propagation)만을 수행하다가, 관측이 발생하였을 경우 상태 보정 및 상태 전파 과정에 의하여 상태 변수를 예측한다. 그리고, 무선 센서네트워크부터 위치 정보가 비주기적으로 나올 경우, 칼만 필터에서 관측을 통한 상태 변수(states) 보정 단계를 생략하고, 단지 상태 변수 전파(state propagation) 만을 이용하여 위치를 계산한다.Then, the motion equation propagates using the signal from the inertial measurement device. At this time, the state variables are corrected using the location information observed from the wireless sensor network. If there is no observation information from the wireless sensor network, the state correction or state update process is omitted from the Kalman filtering (ie,
Figure 112007059993253-pat00006
O), only state propagation is performed, and when observation occurs, the state variable is predicted by state correction and state propagation. When the location information is aperiodic from the wireless sensor network, the Kalman filter omits the step of correcting the state variables through observation, and calculates the position using only state propagation.

그러나, 관성측정장치의 성능이 저하되거나 신뢰성이 훼손될 경우 [수학식 4]에서 a(t)를 확보할 수 없다. 이러한 경우, a(t)와 잡음 n을 다음과 같이 외부 섭동(external disturbance) d로 간주하고, However, if the performance of the inertial measurement device is degraded or the reliability is impaired, it is not possible to secure a (t) in [Equation 4]. In this case, consider a (t) and noise n as external disturbance d as

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112007059993253-pat00007
Figure 112007059993253-pat00007

[수학식 4]를 다음과 같이 바꾸어 준다.Replace [Equation 4] as follows.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112007059993253-pat00008
Figure 112007059993253-pat00008

이러한 경우, 관성측정장치에서 가속도 및 각가속도 신호를 관측할 필요가 없으며, 사물(또는 사람)의 운동을 외부 섭동으로 간주하여 칼만 필터를 설계한다. 관측식은 [수학식 5]에서 주어진 식과 동일하다.In this case, it is not necessary to observe the acceleration and angular acceleration signals in the inertial measurement device, and the Kalman filter is designed by considering the motion of the object (or person) as external perturbation. The observation is the same as given in [Equation 5].

결과적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 무선 센서네트워크로부터 위치를 예측하고, IMU로부터 표적물의 궤적을 예측한 후, 실제 위치를 파악하고 이를 수정한다. 이러한 과정을 계속 거치면서, 표적물의 예측된 위치와 실제 위치가 점차 비슷해진다.As a result, as shown in FIG. 5, the position is predicted from the wireless sensor network, the trajectory of the target is predicted from the IMU, and the actual position is identified and corrected. Throughout this process, the predicted and actual position of the target gradually becomes similar.

상술한 실시예들에서, 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 결합하여 움직이는 표적물의 궤적을 추적하는 개념을 제시하였다. 본 발명은 움직이는 표적물의 궤적을 실시간 추적이 가능하도록 하기 때문에, 이동형 로봇의 항법이나 실내에서 자동차나 다른 움직이는 표적물의 위치를 정밀하고 신뢰성 있게 추적하도록 해 준다. 그리고, 대형 마트에서 소비자의 이동 경로 추적이나 공항이나 실내 체육관, 빌딩 안에서 사람이나 사물의 위치를 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 해 준다.In the above-described embodiments, the concept of tracking the trajectory of a moving target by integrating the inertial measurement device and the wireless sensor network has been proposed. Since the present invention enables tracking of a moving target in real time, the present invention enables accurate and reliable tracking of the location of a vehicle or other moving target in the navigation of a mobile robot or indoors. It also allows customers to reliably track the movement of consumers in large marts and to predict the location of people or objects in airports, indoor gyms, and buildings.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.Although the present invention has been described in more detail with reference to some embodiments, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

도 1은 본 발명의 위치 추적 장치를 장착한 태그의 구성 개념도,1 is a conceptual diagram of a configuration of a tag equipped with a location tracking device of the present invention;

도 2는 본 발명의 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 추적 장치의 구성도,2 is a configuration diagram of a position tracking device using an inertial measurement device and a wireless sensor network of the present invention;

도 3은 본 발명의 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 추적 방법을 나타낸 흐름도,3 is a flowchart illustrating a location tracking method using an inertial measurement device and a wireless sensor network according to the present invention;

도 4는 본 발명의 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 계산 과정을 나타낸 흐름도,4 is a flowchart illustrating a position calculation process using an inertial measurement device and a wireless sensor network according to the present invention;

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 관성측정장치와 무선 센서네트워크를 이용한 위치 추적 과정을 나타낸 도면이다.5 is a view showing a location tracking process using an inertial measurement device and a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : ZigBee10: ZigBee

20 : MEMS Gyroscope20: MEMS Gyroscope

30 : MEMS Accelerometer30: MEMS Accelerometer

40 : 관성측정장치40: inertial measurement unit

50 : 칼만 필터50: Kalman Filter

51 : 상태 전파 운동 방정식 획득부51: state propagation motion equation acquisition unit

52 : 운동 방정식 보정 및 전파부52: motion equation correction and propagation unit

53 : 위치 관측부53: position observation unit

Claims (10)

무선통신을 통해 이동체의 현재 위치를 예측하는 무선 센서네트워크;A wireless sensor network for predicting a current position of a mobile object through wireless communication; 상기 이동체의 움직임에 대응하여 이동 궤적을 예측하는 관성측정장치; 및An inertial measurement device for predicting a moving trajectory in response to the movement of the moving body; And 상기 관성측정장치로부터 출력되는 신호로부터 상태 전파 운동 방정식을 생성하고, 상기 무선 센서네트워크 기반 통신장치로부터 예측된 현재 위치 정보를 상기 상태 전파 운동 방정식에 제공하여 보정을 수행하여 위치 변화를 추적하는 위치계산장치Generates a state propagation equation from the signal output from the inertial measurement device, calculates the position by tracking the change of position by providing the current position information predicted from the wireless sensor network based communication device to the state propagation equation and performing correction Device 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추적 장치.Position tracking device comprising a. 제1항에 있어서, 상기 위치계산장치는,According to claim 1, wherein the position calculating device, 상기 무선 센서네트워크로부터 발생된 신호를 처리하여 상기 현재 위치 정보를 관측하는 위치 관측부;A position observer configured to process the signal generated from the wireless sensor network and observe the current position information; 상기 관성측정장치로부터 전달된 신호를 처리하여 상태 전파 운동 방정식을 산출하는 상태 전파 운동 방정식 획득부; 및A state propagation motion equation obtaining unit configured to process a signal transmitted from the inertial measurement device to calculate a state propagation motion equation; And 상기 위치 관측부로부터 전달된 현재 위치 정보를 상기 상태 전파 운동 방정식에 제공하여 보정한 후 전파시키는 운동 방정식 보정 및 전파부Motion equation correction and propagation unit for propagating after providing current position information transmitted from the position observation unit to the state propagation motion equation 로 이루어진 것을 특징으로 하는 위치 추적 장치.Position tracking device, characterized in that consisting of. 제2항에 있어서, 상기 위치계산장치는 칼만 필터인 것을 특징으로 하는 위치 추적 장치.The position tracking device according to claim 2, wherein the position calculating device is a Kalman filter. 제2항에 있어서, 상기 현재 위치 정보는 특정 불확실성 테두리(boundary) 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 위치 추적 장치.3. The apparatus of claim 2, wherein the current location information is determined within a certain uncertainty boundary. 제1항에 있어서, 상기 무선 센서네트워크에 이용되는 통신방식은 ZigBee, UWB(Ultra Wide Band), Wi-Fi(Wireless Fidelity), RFID(Radio Frequency IDentification) 중에서 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 위치 추적 장치.The method of claim 1, wherein the communication method used for the wireless sensor network uses any one selected from ZigBee, Ultra Wide Band (UWB), Wireless Fidelity (Wi-Fi), and Radio Frequency IDentification (RFID). Tracking device. 제1항에 있어서, 상기 관성측정장치는 각가속도와 선형가속도를 측정하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 자이로스코프와 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 가속도센서인 것을 특징으로 하는 위치 추적 장치.The apparatus of claim 1, wherein the inertial measurement device is a micro electro mechanical systems (MEMS) gyroscope and a micro electro mechanical systems (MEMS) acceleration sensor for measuring angular acceleration and linear acceleration. (a) 현재 위치에서 관성측정장치를 이용하여 이동체의 움직임 여부를 판단하는 단계;(a) determining whether a moving object is moved by using an inertial measurement unit at a current position; (b) 상기 이동체 정지시 무선 센서네트워크를 기반으로 하여 예측된 현재 위치 정보의 존재여부에 따라 보정여부를 결정하면서, 상기 이동체의 움직임에 대응 하여 상기 관성측정장치로부터 전달된 신호를 위치계산장치에서 이동 궤적을 추적하는 단계; 및(b) In the position calculating device, the signal transmitted from the inertial measurement device in response to the movement of the moving object is determined in the position calculating device while determining whether to correct the movement according to the presence of the predicted current position information based on the wireless sensor network when the moving object is stopped. Tracking the movement trajectory; And (c) 상기 추적된 이동 궤적으로부터 계산된 마지막 위치를 저장하는 단계(c) storing the last position calculated from the tracked movement trajectory 를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 추적 방법.Position tracking method comprising a. 제7항에 있어서, 상기 관성측정장치로부터 측정되는 값은 각가속도 및 선형가속도인 것을 특징으로 하는 위치 추적 방법.8. The position tracking method according to claim 7, wherein the values measured from the inertial measurement apparatus are angular acceleration and linear acceleration. 제7항에 있어서, 상기 (b) 단계는,The method of claim 7, wherein step (b), 상기 관성측정장치로부터 전달된 신호를 바탕으로 하여 상태 전파 운동 방정식을 산출하는 단계;Calculating a state propagation motion equation based on the signal transmitted from the inertial measurement unit; 상기 무선 센서네트워크를 기반으로 하여 예측된 현재 위치 정보가 있을 경우에 상태 변수의 보정을 수행하는 단계; 및Correcting a state variable when there is a predicted current position information based on the wireless sensor network; And 상기 상태 변수가 보정된 상태 전파 운동 방정식을 전파하여 현재 위치를 계산하는 단계Calculating a current position by propagating a state propagation motion equation with the state variable corrected 로 이루어진 것을 특징으로 하는 위치 추적 방법.Position tracking method, characterized in that consisting of. 제7항에 있어서, 상기 이동체 정지시 관성측정장치를 리셋(Reset)시키는 것을 특징으로 하는 위치 추적 방법.The position tracking method according to claim 7, wherein the inertial measurement unit is reset when the moving object is stopped.
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