KR20120114005A - Lbs of in-outdoor with gps sensor fusion method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 터널 시공 중 건설 자원(장비, 인력)의 위치인식을 위한 공간연동(실내외 연동) 위치인식 시스템에 관한 것으로서 세부적으로는 실외는 GPS, 실내는 절대 위치를 알고 있는 Anchor로부터 무선통신을 통한 거리 값을 도출하고 이들 정보를 바탕으로 좌표값을 산정하여 위치 데이터를 취득한다. 또한 실내로 진입시 또는 실외로 진출시 가장 먼저 취득되는 GPS 신호를 이벤트로 하여 GPS 데이터 취득시 이를 위치 Data로 정하고 GPS 신호 미취득 시 이를 실내의 Anchor로부터 수신되어 산출된 위치 데이터를 위치 Data로 정하는 실내외 공간연동 위치인식 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a spatial interlocking (indoor and outdoor interlocking) location recognition system for location recognition of construction resources (equipment, manpower) during the tunnel construction, in detail through the wireless communication from the anchor that knows the GPS, the absolute location of the outdoor The position data is obtained by deriving a distance value and calculating a coordinate value based on these information. In addition, indoor and outdoor, which is the first GPS signal acquired when entering indoor or outdoor, is determined as location data when GPS data is acquired, and when the GPS signal is not acquired, the location data received from the indoor anchor is determined as location data. It relates to a spatial linkage position recognition system.
실외의 위치인식 시스템들은 많은 연구가 있었으나 인공위성 기술의 발달로 인해 GPS 기술이 발전 되어 널리 상용화되어 있다. 또한 기존의 미국의 GPS 인공위성보다 인공위성의 수가 더 많은 유럽의 갈릴레오 프로젝트로 인해 좀 더 나은 실외 위치인식 기술로 발전 되고 있다. 하지만 실내의 위치인식 기술들은 여러 가지 기술들(초음파, 레이저, 무선랜, 적외선, 근접센서, RFID Reader, USN, UWB 등)이 연구되고, 상용화되고 있지만 적용할 실내의 환경, 경제성, 설치 및 운용의 용이점들을 감안하여 기술 및 제품을 선정, 활용하고 있는 실정이다.Outdoor location recognition systems have been studied a lot, but due to the development of satellite technology, GPS technology has been widely commercialized. In addition, the Galileo project in Europe, which has more satellites than existing GPS satellites in the United States, is developing better outdoor location technology. However, indoor location technologies are researched and commercialized in various technologies (ultrasound, laser, wireless LAN, infrared, proximity sensor, RFID reader, USN, UWB, etc.). In view of the ease of use, technology and products are selected and utilized.
전 세계적으로 BIM(Building Information Modeling)을 적용한 시공관리기술이 대세가 되고 있으며 BIM을 활용하면 공기 단축 효과, 위험요소 사전에 방지 효과, 생산성 향상 등에 큰 기여를 하게 된다. 이에 BIM 기술은 토목건설현장(여기서는 터널현장으로 국한)에도 확장되고 있으며 BIM을 위한 요소인 건설 자원(장비, 인력, 대표자재)에 대한 위치인식의 필요성이 대두 되고 있다. 이들 건설 자원의 실시간 위치를 기반으로 BIM 과 현장의 동기화를 통해 발주처나 다수의 건설 시공 현장을 보유한 시공사에게 좀 더 객관화된 건설 시공 관리를 할 수 있도록 도와준다. 그리고 국토 해양부에서 추진하고 있는 공간정보(GIS, 실내, 해양, 해저, 지하공간)의 통합을 위해서도 실내외 공간연동 위치인식 기술이 꼭 필요한 실정이다.Construction management technology applying BIM (Building Information Modeling) is becoming the world's most popular. BIM makes a big contribution to the reduction of air, prevention of risks and productivity. As a result, BIM technology is expanding to civil construction sites (here limited to tunnel sites), and the necessity of location recognition for construction resources (equipment, personnel, representative materials), which is an element for BIM, is emerging. Based on the real-time location of these construction resources, the synchronization between BIM and the site helps the contractor who has a large number of construction sites with the client to manage the construction more objectively. In addition, in order to integrate spatial information (GIS, indoor, ocean, seabed, underground space) promoted by the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, indoor and outdoor spatial linkage location recognition technology is essential.
하지만 종래의 기술인 초음파, 레이저, 무선랜, 적외선, 근접센서, RFID Reader, USN, UWB 등을 이용한 실내 측위 기술은 단순히 실내 측위만을 제공하면서도 터널 시공현장에 적용하기에는 경제성, 효율성이 떨어져 실내 위치인식뿐만이 아니라 실외 위치인식까지 연동하는 공간연동 위치인식 기술에 대한 대책 마련이 필요한 실정이다.However, indoor positioning technology using conventional technologies such as ultrasonic wave, laser, wireless LAN, infrared ray, proximity sensor, RFID reader, USN, and UWB provides only indoor positioning, but it is not economical and efficient to apply to the tunnel construction site. In addition, it is necessary to prepare countermeasures for spatial interlocking position recognition technology that interlocks with outdoor location recognition.
본 발명은 터널 시공 현장에서 상기 종래 위치인식 기술들의 경제성 및 효율성 측면의 문제점과 실내 위치인식이라는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시공 중 터널의 특수 환경에 적합한 무선통신(ISM 밴드, 2.4GHz 대역), 측위 Zone 100m, GPS 센서 퓨전 실내외 공간연동, 소형의 측위 시스템을 통해 오차를 최소화시키면서도 터널 내부와 외부를 연동하여 위치데이터를 전송할 수 있도록 하는 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공 현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 제공을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems of the economics and efficiency aspects of the conventional location recognition technology and indoor location recognition in the tunnel construction site, wireless communication (ISM band, 2.4GHz band), suitable for the special environment of the tunnel during construction, Provides location recognition system for indoor and outdoor tunnels using GPS sensor fusion to transmit location data by interlocking the inside and outside of the tunnel while minimizing errors through positioning zone 100m, GPS sensor fusion indoor and outdoor space interlocking, and small positioning system For the purpose.
시공 중 터널의 경우 유선통신 인프라 구축은 한국형에서 가장 많이 사용되는 터널 시공 공법 중 NATM 공법에 있어서나 세계적으로 많이 사용되는 TBM 공법의 경우에도 거의 불가능한 실정이다. 따라서 무선통신이 그 대안이 되며 무선통신의 경우 소출력 기기에 한해 ISM 밴드가 법적 규제 상으로 이용 가능한 대역이 된다. 이에 본 발명에서는 측위하고자 하는 대상(Tag)과 절대 좌표를 알고 설치한 Anchor 간의 ISM 밴드 중 2.4GHz 대역의 무선통신을 통해 거리 값을 도출(TOA방식)하고 이를 삼각법을 포함한 알고리즘을 통해 좌표값으로 산출하며 GPS 센서 퓨전을 통해 실내외 공간연동 위치데이터 취득을 하게 된다. In case of tunnel construction, wired communication infrastructure construction is almost impossible even in NATM construction method, which is the most widely used tunnel construction method in Korea, and TBM construction method, which is widely used in the world. Therefore, wireless communication is an alternative, and in the case of wireless communication, ISM band becomes a band that can be used under the legal regulations only for low power devices. Accordingly, in the present invention, the distance value is derived through wireless communication in the 2.4 GHz band of the ISM band between the target (Tag) and the anchor installed by knowing the absolute coordinates (TOA method) and the coordinate value is obtained through an algorithm including a trigonometric method. GPS sensor fusion acquires indoor and outdoor spatial interlocking position data.
본 발명에 따르면 터널 시공 현장에 있어 건설자원(자재, 장비, 인력)에 대한 터널 내/외부 모두에 대해 실시간 위치 인식이 가능하다. 또한 이를 기반으로 BIM 과 연동하여 효율적인 시공관리를 할 수 있다. 예를 들어 다수의 현장을 보유한 시공사에게 있어 덤프트럭과 같은 장비들은 그 작업 진행경로에 대한 DB, 실시간 위치 등을 고려하여 재계약 및 계약 조항 변경 등을 통해 좀 더 나은 자원을 사용할 수 있는 기반을 제공하게 되며 이를 통해 공기 단축 및 예산 절감 효과를 볼 수 있다.According to the present invention, in the tunnel construction site, real-time location recognition is possible for both inside and outside the tunnel for construction resources (materials, equipment, and personnel). Based on this, it can be linked with BIM for efficient construction management. For example, for a contractor with a large number of sites, equipment such as dump trucks provide a better base for using more resources through re-contracts and contract clauses, taking into account the DB, real-time location, and so on. This will result in air shortening and budget savings.
또한 실내외 거리 값을 토대로 안전관리 시스템으로의 활용도 가능하다. 그리고 국토 해양부에서 추진하는 공간정보 통합에 있어서도 위치 인식 요소 기술로 활용이 가능하다.It can also be used as a safety management system based on indoor and outdoor distance values. In addition, it can be used as a location recognition element technology in the integration of spatial information promoted by the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs.
도 1은 터널 시공 중 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템의 설치 및 운용 개념도를 보여준다.
도 2는 절대좌표를 알고 설치된 기준시스템과 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말간의 무선 통신을 통해 도출된 거리 정보를 이용하여 위치 데이터를 도출해 내는 알고리즘(삼각법)에 대한 수학적 근거를 보여준다.
도 3은 기준시스템과 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말의 하드웨어 블록도를 보여준다.1 is a conceptual diagram showing the installation and operation of the indoor and outdoor spatial interlocking position recognition system in the tunnel construction site using the GPS sensor fusion during the tunnel construction.
FIG. 2 is a mathematical diagram of an algorithm (triangulation) for deriving position data using distance information derived from wireless communication between a reference system installed in an absolute coordinate system and an indoor / outdoor spatial interlocking position recognition system using GPS sensor fusion. Show the evidence.
Figure 3 shows a hardware block diagram of the indoor and outdoor spatial link position recognition system terminal in the tunnel construction site using the reference system and the GPS sensor fusion.
세계적으로 터널 시공 공법 중 가장 많이 사용되는 공법은 TBM 공법과 NATM 공법이다. 이에 한국 건설 현장에서는 NATM 공법이 전체 공사의 80% 이상을 차지한다. 이에 본 발명은 NATM 공법에 적용하기 위한 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템에 관한 것이다.The most widely used tunnel construction methods in the world are the TBM method and the NATM method. At the construction site in Korea, NATM construction method accounts for more than 80% of the construction work. Accordingly, the present invention relates to a indoor and outdoor spatial linkage position recognition system for tunnel construction sites using GPS sensor fusion for the NATM method.
NATM 공법의 시공은 천공, 장약, 버럭처리, 숏크리트 타설, 록볼트 설치, 방수 처리, 라이닝 설치의 순으로 진행되며 이 중 건설 자원(자재, 장비, 인력) 중 장비 및 인력에 대한 실시간 위치 인식은 시공관리 기술에 중요한 요소이다.The construction of the NATM method is performed in the following order: drilling, refilling, buffing, shotcrete, rock bolt installation, waterproofing, lining installation. Among them, real-time location recognition of equipment and manpower among construction resources (materials, equipment, personnel) It is an important factor in construction management technology.
도 1에서 보는 바와 같이 터널 굴진 시작점에서부터 기준시스템(Anchor)인 A1, A2를 설치하고 터널 굴진 속도에 맞게 100m 간격으로 기준 시스템 A3을 설치한다. GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말 T1을 건설자원인 장비 또는 인력에 부착하여 0.2초마다 1회씩 기준 시스템들과 무선통신을 진행한다. 이때 기준시스템(A1,A2,A3)과 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말(T1)에는 도 3에서 보는 바와 같이 RF Module 이 탑재되어 있는데 이는 기성품을 사용한 2.4GHz 대역의 ISM 밴드 무선통신이 이루어진다. As shown in Figure 1 from the starting point of tunnel excavation to install the reference system (Anchor) A1, A2 and to install the reference system A3 at intervals of 100m in accordance with the tunnel excavation speed. Tunnel construction site using GPS sensor fusion Indoor and outdoor space interlocking position recognition system terminal T1 is attached to equipment or manpower, which is a construction resource, and performs wireless communication with reference systems once every 0.2 seconds. At this time, the reference system (A1, A2, A3) and the tunnel construction site using the GPS sensor fusion indoor and outdoor spatial interworking position recognition system terminal (T1) is equipped with an RF module as shown in Figure 3, which is a 2.4GHz band using off-the-shelf ISM band wireless communication takes place.
도 3에서 보는 바와 같이 Main CPU 에는 TOA(Time of Arrival) 기법을 활용한 거리 계산 알고리즘이 탑재되어 있어 두 통신 기기 사이의 거리 값이 산출된다. 또한 여기에는 전파 반사에 의한 2, 3차 신호들, 그리고 노이즈와 같은 복합 신호들이 같이 들어오게 되므로 본 발명에서의 위치 알고리즘에는 이 부분을 처리하기 위한 Filter 알고리즘도 설계되어 있다. As shown in FIG. 3, the main CPU is equipped with a distance calculation algorithm utilizing a time of arrival (TOA) technique to calculate a distance value between two communication devices. In addition, since the second and third signals due to radio wave reflection and complex signals such as noise are introduced together, the position algorithm of the present invention is also designed a filter algorithm for processing this portion.
Filter 알고리즘은 터널 내의 장비나 인력들의 이동 속도(장비의 경우 시속 20Km 이내, 사람의 경우 시속 4Km 이내로 이동)를 감안하여 근처 값(예를 들어 0.2초마다 1회씩 데이터가 저장되는데 이들 중 5개의 데이터로 계산하면 1초 기준이 됨)에 대한 최대 변동 폭을 제한한다. 장비, 인력 모두의 최대치는 시속 20Km를 기준으로 할 때 초속 6m 이내가 된다. 이는 아래의 변환 방식에 의거한다.The filter algorithm saves the data near the neighboring value (for example, once every 0.2 seconds) in consideration of the moving speed of the equipment or manpower in the tunnel (within 20 km / h for equipment and 4 km / h for human). Calculate to limit the maximum variation for one second). The maximum value for both equipment and manpower is within 6m / sec based on 20km / h. This is based on the following conversion method.
20Km/h = 20000m/h=20000m/3600s=5.56m/s 20Km / h = 20000m / h = 20000m / 3600s = 5.56m / s
따라서 5개의 직전 데이터를 메모리에 저장하여 새로운 거리 데이터가 산출될 때마다 6m 이내인지를 검출하여 6m 이내이면 참값으로 인정하여 거리 값으로 사용하고 6m 이상일 경우에는 거짓 값으로 인정하여 직전 데이터를 그대로 사용한다.Therefore, five previous data are stored in memory, and each time new distance data is calculated, it detects whether it is within 6m and if it is within 6m, it is regarded as a true value and if it is more than 6m, it is recognized as a false value and the previous data is used as it is. do.
이렇게 알고리즘을 통해 최종 산출된 거리 값을 기초 Data로 도 2에서 보는 바와 같이 삼각법을 이용하여 좌표 계산 및 위치 데이터 산출이 이루어진다. 이 삼각법 알고리즘을 수식으로 정의하면 아래와 같다.As shown in FIG. 2, based on the distance value finally calculated through the algorithm, coordinate calculation and position data calculation are performed using a trigonometric method. This trigonometry algorithm is defined by the formula below.
터널 시공 현장에서의 터널 내부에 대한 위치인식 부분은 상기와 같이 이루어진다. The position recognition portion of the inside of the tunnel at the tunnel construction site is made as described above.
터널 외부는 도 3에서 보는 바와 같이 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말 H/W 블록도 상의 GPS 모듈이 존재한다. 이는 기존 제품을 시리얼통신을 통해 GPS 데이터를 Main CPU가 입력받는다. 기존 GPS 모듈 제품은 도 1의 G1(GPS 위성, 실제로는 4개의 GPS 인공위성)으로부터 위도, 경도와 같은 TM 좌표를 도출해 낸다. Main CPU는 GPS 센서 데이터를 0.1초마다 수신하여 값의 변동 여부를 확인한다. 이때 값이 일정 시간 동안 변동되지 않으면서 기준 시스템으로부터 데이터가 수신되어 지는 경우를 실내로 진입한 경우로 인식하여 GPS 센서 데이터를 최종 위치 데이터로 사용하는 것이 아니라 삼각법에 의한 위치데이터를 최종 위치 데이터로 사용한다. Outside the tunnel, as shown in FIG. 3, there is a GPS module on the terminal H / W block diagram of the indoor / outdoor spatial interlocking position recognition system using the GPS sensor fusion. The main CPU receives GPS data through serial communication of existing products. Existing GPS module products derive TM coordinates, such as latitude and longitude, from G1 (GPS satellites, actually four GPS satellites) in FIG. The main CPU receives the GPS sensor data every 0.1 seconds and checks whether the value has changed. At this time, if the value is not changed for a certain time and the data is received from the reference system, it is recognized as a case of entering the room, and the position data by trigonometry is used as the final position data instead of using the GPS sensor data as the final position data. use.
또한 기준 시스템과 통신을 통해 산출된 위치데이터가 존재하지만 GPS 센서 데이터가 변동되면서 같이 입력될 때는 GPS 센서 데이터 값을 최종 위치 데이터로 사용한다.In addition, although position data calculated through communication with the reference system exists, GPS sensor data values are used as the final position data when GPS sensor data is input together with the change.
이와 같이 터널 내부에서 외부로 진출 시, 터널 외부에서 내부로 진입 시 모두에 대해 신뢰성 있는 위치 데이터를 취득할 수 있는 시스템이 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템이다.As such, a system capable of acquiring reliable position data for both inside and outside the tunnel and entering inside and outside the tunnel is a location recognition system for indoor and outdoor spaces in a tunnel construction site using GPS sensor fusion.
A1, A2, A3 : 터널 내 설치되는 기준 시스템(Anchor) 1, 2, 3
T1 : GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말
G1 : GPS 인공위성 (실제로는 4개의 GPS 인공위성)
A, C : 터널 내 설치되는 기준 시스템 및 이 기준시스템과 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말 간에 생성되는 삼각형의 꼭지점 각도
T : GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말
a : 기준 시스템 C와 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말 간의 거리
c : 기준 시스템 A와 GPS 센서 퓨전을 이용한 터널 시공현장 실내외 공간연동 위치인식 시스템 단말 간의 거리
t : 기준시스템 A와 C 간의 거리A1, A2, A3: Anchor 1, 2, 3 installed in the tunnel
T1: Indoor / Outdoor Interlocking Location Recognition System Terminal of Tunnel Construction Site Using GPS Sensor Fusion
G1: GPS satellites (actually 4 GPS satellites)
A, C: Triangle vertex angle generated between the reference system installed in the tunnel and the location recognition system of indoor and outdoor space interlocking system using this sensor and the GPS sensor fusion
T: Indoor and outdoor space interlocking position recognition system terminal in tunnel construction site using GPS sensor fusion
a: Distance between reference system C and terminal of indoor and outdoor space interlocking system in tunnel construction site using GPS sensor fusion
c: Distance between the reference system A and the terminal of the indoor and outdoor spatial interlocking position recognition system using the GPS sensor fusion
t is the distance between the reference system A and C
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|---|---|---|---|---|
| KR20200079733A (en) | 2018-12-26 | 2020-07-06 | 조선대학교산학협력단 | A method and apparatus for location estimation of terminal in a wireless communication system |
| KR20210017303A (en) | 2019-08-07 | 2021-02-17 | 조선대학교산학협력단 | A method and apparatus for location estimation of terminal in mobile communication system |
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2011
- 2011-04-06 KR KR1020110031734A patent/KR20120114005A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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