KR20120006306A - Indoor location measuring device and method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명을 이용한 실내위치 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하는 발광다이오드 조명(10)과; 발광다이오드 조명(10)과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지센서(20,30)와; 듀얼 이미지센서(20,30)로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기(40)로 구성하여, 외부신호의 간섭으로 인한 측정오류를 방지하여 측정 정밀도를 개선시키는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to an indoor position measuring apparatus and method using light emitting diode illumination to which visible light communication is applied, comprising: a light emitting diode illumination (10) receiving a plurality of modulated light emitting diode position signals and converting the light signal into an optical signal; Dual image sensors 20 and 30 installed to be spaced apart from the light emitting diode illumination 10 to convert an optical signal into an electrical signal and output the electrical signal; Receives and modulates the electrical signals output from the dual image sensors 20 and 30 to obtain position information of the plurality of light emitting diodes 11 and uses the obtained position information of the plurality of light emitting diodes 11 to target positions. By configuring the controller 40 to calculate the coordinates of the, characterized in that to improve the measurement accuracy by preventing the measurement error caused by the interference of the external signal.
Description
본 발명은 실내위치 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명을 이용한 실내위치 측정장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an indoor position measuring apparatus and method, and more particularly, to an indoor position measuring apparatus and method using light emitting diode illumination to which visible light communication is applied.
한국 공개특허 제2010-0021325호에는 GPS 신호가 들어오지 않는 실내 및 터널 등의 음영지역에서도 위성신호를 수신가능하게 하여 위치를 확인할 수 있고, 네비게이션 서비스를 할 수 있는 처리과정 및 방법이 개시되어 있다.Korean Unexamined Patent Publication No. 2010-0021325 discloses a process and method for enabling satellite signals to be received in a shaded area such as a tunnel and indoors where a GPS signal is not input, to confirm a location, and to provide a navigation service.
그러나, 이러한 선행기술에서 GPS는 실내 환경에서 다른 라디오 소스로부터 라디오파 전달, 다중경로 사라짐 및 혼선 등으로 인해 큰 위치 에러를 발생하게 되는 문제점이 있다. However, in this prior art, GPS has a problem that a large position error occurs due to radio wave transmission, multipath disappearance and crosstalk from other radio sources in an indoor environment.
또한, WLAN, RFID, 블루투스 및 초음파(Ultrasound)와 같은 종래의 실내 위치측정장치는 시스템 불안정, 긴 응답시간 및 낮은 정확성 및 정밀도로 인한 문제점 등도 내포하고 있다.In addition, conventional indoor positioning devices such as WLAN, RFID, Bluetooth, and Ultrasound also include problems due to system instability, long response time, and low accuracy and precision.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 가시광 통신(VLC:Visible Light Communication)이 적용되는 발광다이오드 조명과 듀얼 이미지센서를 이용한 실내위치 측정장치 및 방법을 제공하는 점에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide an indoor position measuring apparatus and method using a light emitting diode illumination and a dual image sensor to which visible light communication (VLC) is applied.
본 발명의 다른 목적은 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명에서 발광되어 조사되는 광신호를 이용하여 실내위치를 측정함으로써 외부신호의 간섭으로 인한 측정오류를 방지하여 측정 정밀도를 개선시킬 수 있는 실내위치 측정장치 및 방법을 제공하는 점에 있다.Another object of the present invention is to measure the indoor position using the light signal emitted and irradiated from the light emitting diode illumination to which visible light communication is applied to prevent the measurement error due to the interference of the external signal indoor position measurement that can improve the measurement accuracy An apparatus and method are provided.
본 발명의 실내 위치측정장치는 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하는 발광다이오드 조명과; 상기 발광다이오드 조명과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지센서와; 상기 듀얼 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기로 구성되는 것을 특징으로 한다. An indoor position measuring apparatus of the present invention includes: a light emitting diode illumination receiving a plurality of modulated light emitting diode position signals and converting the light signal into an optical signal; A dual image sensor installed to be spaced apart from the light emitting diode illumination to receive an optical signal and convert the light signal into an electrical signal; And receiving and modulating the electrical signals output from the dual image sensors, thereby obtaining position information of a plurality of light emitting diodes, and calculating a coordinate of a target position using the obtained position information of the plurality of light emitting diodes. It features.
본 발명의 실내 위치측정방법은 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈의 초점거리와 광학렌즈 사이의 거리를 저장하는 단계와; 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호에 따른 전기신호를 복조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 저장하는 단계와; 상기 듀얼 이미지센서의 초점거리와 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈 사이의 거리를 이용하여 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 산출하여 저장하는 단계와; 상기 다수개의 발광다이오드의 위치정보와 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 단계로 구성되며, 상기 목표위치의 좌표는 복수의 광학렌즈의 중심을 연결하는 직선의 중간위치인 것을 특징으로 한다. Indoor positioning method of the present invention comprises the steps of storing the distance between the focal length and the optical lens of the optical lens provided in each of the dual image sensor; Demodulating electrical signals according to the modulated plurality of light emitting diode position signals and storing position information of the plurality of light emitting diodes; Calculating and storing distance information between a plurality of light emitting diodes and a target position using a distance between a focal length of the dual image sensor and an optical lens provided in each of the dual image sensors; And calculating coordinates of a target location using location information of the plurality of light emitting diodes and distance information between the plurality of light emitting diodes and a target location, wherein the coordinates of the target location connect the centers of the plurality of optical lenses. It is characterized in that the intermediate position of the straight line.
본 발명의 실내 위치측정장치 및 방법은 가시광 통신이 적용되는 발광다이오드 조명에서 발광되어 조사되는 광신호를 이용하여 실내위치를 측정함으로써 외부신호의 간섭으로 인한 측정오류를 방지하여 측정 정밀도를 개선시킬 수 있는 이점이 있다. Indoor positioning apparatus and method of the present invention can improve the measurement accuracy by preventing the measurement error due to interference of the external signal by measuring the indoor position by using the light signal emitted and irradiated from the light emitting diode illumination to which visible light communication is applied There is an advantage to that.
도 1은 본 발명의 실내위치 측정장치의 구성을 나타낸 도,
도 2는 본 발명의 실내위치 측정방법을 나타낸 도,
도 3a 및 도 3b는 각각 측정영역의 범위를 나타낸 도,
도 4는 본 발명의 실내위치 측정방법의 최소제곱추정법을 이용한 위치 에러를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실내위치 측정방법의 벡터추정법을 이용한 위치 에러를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 실내위치 측정방법의 최소제곱추정법 및 벡터추정법을 이용하여 얻은 위치 에러를 나타낸 그래프,
도 7a는 본 발명의 실내위치 측정방법에서 렌즈 사이의 거리에 따른 최소제곱추정법 및 벡터추정법에 대한 RMS 위치에러를 나타낸 그래프,
도 7b는 본 발명의 실내위치 측정방법에서 최소제곱추정법 및 벡터추정법에 대한 RMS 에러를 2차 지수 함수의 그래프로 비교한 그래프,
도 8은 본 발명의 실내위치 측정방법의 시뮬레이션 변수에 대한 리스트를 나타낸 표,
도 9는 본 발명의 실내위치 측정방법과 종래의 가시광통신 기반의 위치측정방법과 비교한 표이다. 1 is a view showing the configuration of an indoor position measuring apparatus of the present invention,
2 is a view showing the indoor position measuring method of the present invention,
3A and 3B show the range of the measurement area, respectively;
4 is a graph showing a position error using the least squares estimation method of the indoor position measurement method of the present invention,
5 is a graph showing a position error using a vector estimation method of the indoor position measurement method of the present invention,
6 is a graph showing the position error obtained by using the least-squares estimation and the vector estimation method of the indoor position measurement method of the present invention,
FIG. 7A is a graph showing RMS position errors of the least square estimation method and the vector estimation method according to the distance between lenses in the indoor position measuring method of the present invention; FIG.
7b is a graph comparing the RMS error of the least square estimation method and the vector estimation method in a graph of the quadratic exponential function in the indoor position measuring method of the present invention;
8 is a table showing a list of simulation parameters of the indoor position measuring method of the present invention,
9 is a table comparing the indoor positioning method of the present invention and the conventional visible light communication based position measuring method.
이하, 본 발명의 실내 위치측정장치 및 방법의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of an indoor position measuring apparatus and method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 2에서와 같이 본 발명의 실내 위치측정장치는 발광다이오드 조명(10), 듀얼 이미지센서(20,30) 및 제어기(40)로 구성된다.1 and 2, the indoor positioning apparatus of the present invention includes a light
발광다이오드 조명(10)은 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 광신호로 변환시켜 조사하며, 듀얼 이미지센서(20,30)는 각각 발광다이오드 조명(10)과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력한다. 제어기(40)는 듀얼 이미지센서(20,30)로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보를 이용하여 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 산출한다. The light
상기 구성을 갖는 본 발명의 실내 위치측정장치를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the indoor position measuring apparatus of the present invention having the above configuration will be described in detail.
발광다이오드 조명(10)은 도 1에서와 같이 변조된 4개의 발광다이오드 위치신호를 수신받아 각각을 광신호로 변환시켜 조사하며, 다수개의 발광다이오드 위치신호는 각각 발광다이오드 조명(10)에 설치되는 다수개의 발광다이오드(11)의 설치위치(A,B,C,D)를 나타낸다. 발광다이오드 조명(10)은 실내에 고정설치되며 발광다이오드(11)가 가로와 세로방향으로 각각 다수개가 배열되어 설치된다. 이러한 발광다이오드 조명(10)은 조명원으로도 사용됨과 아울러 가시광통신(VLC: Visible Light Communication)에 사용된다. The light
다수개의 발광다이오드(11)의 설치위치(A,B,C,D)와 같은 정보가 포함되는 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호는 중앙제어기(도시 않음)에서 변조된다. 중앙제어기는 건물(도시 않음)의 통신을 전반적으로 제어하거나 건물(도시 않음)에 설치되는 다수개의 발광다이오드 조명(10)의 점멸을 제어하며, 다수개의 발광다이오드 위치신호를 변조하여 실내위치를 측정하기 위해 기준이 되는 발광다이오드 조명(10)들로 전송된다. The modulated plurality of light emitting diode position signals including information such as the installation positions A, B, C, and D of the plurality of light emitting diodes 11 are modulated by a central controller (not shown). The central controller controls the overall communication of a building (not shown) or controls the blinking of the plurality of light
듀얼 이미지센서(20,30)는 도 1 및 도 2에서와 같이 서로 동일 평면상에서 서로 이격되도록 위치되며, 각각은 광학렌즈(21,31) 및 이미지소자(22,32)로 구성된다. 광학렌즈(21,31)는 각각 발광다이오드 조명(10)으로부터 조사되는 광신호를 조사받아 투과시키며, 이미지소자(22,32)는 각각 광학렌즈(21,31)의 하측에 설치되어 광학렌(21,31)즈를 투과한 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력한다. The
광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 이미지소자(22,32)는 각각 이미지 촬상소자나 다수개의 포토다이오드가 사용된다. 이미지소자(22,32)로 다수개의 포토다이오드의 사용시 각각은 하나의 픽셀로 사용된다. An image pickup device or a plurality of photodiodes are used as the image devices 22 and 32 that receive an optical signal and convert the light signal into an electric signal. When using a plurality of photodiodes as the image elements 22 and 32, each is used as one pixel.
제어기(40)는 복수의 광학렌즈(21,31)의 중심을 연결하는 직선(L)의 중간위치를 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)로 산출한다. 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)로 산출하는 제어기(40)는 미리 알고 있는 거리 정보(f, L) 등을 저장하거나 입력하기 위한 메모리(도시 않음)나 키보드와 같은 입력장치(도시 않음)가 구비된다. The controller 40 calculates the intermediate position of the straight line L connecting the centers of the plurality of optical lenses 21 and 31 as coordinates (x, y, z) of the target position U. The controller 40, which calculates the coordinates (x, y, z) of the target position U, is an input device such as a memory (not shown) or a keyboard for storing or inputting the distance information f, L, etc., which are known in advance. (Not shown) is provided.
상기 구성을 갖는 본 발명의 실내위치 측정장치를 이용한 실내위치 측정방법을 설명하면 다음과 같다. The indoor position measuring method using the indoor position measuring apparatus of the present invention having the above configuration is as follows.
먼저, 제어기(40)는 도 2에 도시된 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈(21,31)의 초점거리(f)와 광학렌즈 사이의 거리(L)를 저장한다. 광학렌즈(21,31)의 초점거리(f)와 광학렌즈 사이의 거리(L)가 저장되면 제어기(40)는 변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호에 따른 전기신호를 복조하여 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)를 저장한다. First, the controller 40 stores the focal length f of the optical lenses 21 and 31 and the distance L between the optical lenses provided in the
다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)는 도 1에서와 같이 발광다이오드 조명(10)에서 각각 모서리에 배치됨으로써 서로 충분히 이격된 4개의 발광다이오드(11)의 위치정보이고 이는 미리 측정하여 발광다이오드 조명(10)의 점멸을 제어하는 중앙제어기(도시 않음)나 발광다이오드 조명(10)에 별도의 점열제어기(도시 않음)에 저장된다. The position information A, B, C, and D of the plurality of light emitting diodes 11 are disposed at corners of the light
다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)가 저장되면 제어기(40)는 듀얼 이미지센서(20,30)의 초점거리(f)와 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈 사이(21,31)의 거리(L)를 이용하여 다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이의 거리정보를 산출하여 저장한다. When the position information A, B, C, and D of the plurality of light emitting diodes 11 are stored, the controller 40 may control the focal length f of the
다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이의 거리정보가 저장되면 제어기(40)는 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D)와 다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이의 거리정보(d1,d2,d3,d4)를 이용하여 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 산출한다. 여기서, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)는 복수의 광학렌즈(21,31)의 중심을 연결하는 직선(L)의 중간위치가 되며, 이러한 중간위치를 측정함으로써 본 발명의 실내위치 측정장치의 중앙을 측정위치로 선정하여 측정할 수 있게 된다. When the distance information between the plurality of light emitting diodes 11 and the target position U is stored, the controller 40 may determine the position information A, B, C, and D of the plurality of light emitting diodes 11 and the plurality of light emitting diodes ( 11) and the coordinates (x, y, z) of the target position (U) are calculated using the distance information (d 1 , d 2 , d 3 , d 4 ) between the target position (U). Here, the coordinates (x, y, z) of the target position (U) is the intermediate position of the straight line L connecting the centers of the plurality of optical lenses (21, 31), by measuring the intermediate position of the present invention The center of the indoor position measuring device can be selected as the measuring position and measured.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 실내위치 측정방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. When explaining the indoor position measuring method of the present invention having such a configuration in more detail as follows.
본 발명의 실내위치 측정방법에 사용되는 다수개의 발광다이오드(11)의 선택시 발광다이오드 조명(10)에서 동일선상이 배열되어 설치되는 것이 아니라 도 1에서와 같은 위치정보(A, B, C 및 D)를 갖는 것을 선택한다. 즉, 발광다이오드 조명(10)의 모서리 부분에 설치되는 발광다이오드(11)를 선택하여 사용되며, 각각은 미리 측정되어 공지된 3차원좌표 정보들 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3) 및 D(x4,y4,z4)를 갖는다. When selecting a plurality of light emitting diodes 11 used in the indoor position measuring method of the present invention, the same information is arranged in the light
3차원좌표 정보를 갖는 위치정보들 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3) 및 D(x4,y4,z4)가 광신호로 변환되면 듀얼 이미지센서(20,30)에서 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하면 이를 제어기(40)에 수신받아 발광다이오드(11)의 3차원 축 정보 즉, 위치정보(A, B, C 및 D)로 복조하여 저장하게 된다. 듀얼 이미지센서(20,30)는 2개의 분리된 광학렌즈(21,31)를 이용하여 공간적으로 이격된 4개의 발광다이오드(11)로부터 빛의 세기로 변조된 광신호를 수신받아 전기신호로 변환하여 출력한다. 이러한 듀얼 이미지센서(20,30)는 동일 라인 pp'에서 주축으로 공지된 측방 거리로 동일면상에 설치된다. 동일한 특성 및 초점거리를 갖는 광학렌즈(21,31)는 각 이미지센서(20,30)의 중앙 위에 설치된다.When position information A (x1, y1, z1), B (x2, y2, z2), C (x3, y3, z3) and D (x4, y4, z4) having three-dimensional coordinate information are converted into an optical signal, When irradiated by the
위치정보(A, B, C 및 D)를 이용하여 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 측정하는 방법은 도 1로부터 충분히 산출할 수 있을 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 "U"는 2개의 광학렌즈(21,31)의 중앙을 연결한 직선(L)의 중간위치를 나타낸다. 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)인 U(x,y,z)의 미지의 3차원 좌표는 이러한 체계로부터 측정하게 된다. 위치정보(A, B, C 및 D)를 각각 갖는 4개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U) 사이를 각각 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)로 나타내며, 각각의 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)는 2개의 이미지센서(20,30)상에 각각 수용된 발광다이오드 이미지의 차이에 의한 기하학적 관계로부터 산출된다.It will be appreciated that the method of measuring the coordinates (x, y, z) of the target position U using the position information A, B, C and D will be sufficiently calculated from FIG. "U" shown in FIG. 1 represents the intermediate position of the straight line L connecting the centers of the two optical lenses 21 and 31. The unknown three-dimensional coordinates of U (x, y, z), which are the coordinates (x, y, z) of the target position U, are measured from this system. The distance information d1, d2, d3 and d4 are respectively represented between the four light emitting diodes 11 having the positional information A, B, C and D and the target position U, respectively. , d2, d3, and d4 are calculated from the geometrical relationship due to the difference in the light emitting diode images accommodated on the two
본 발명의 실내위치 측정방법에서 제안된 위치 구조의 기하학적 관계는 도2에 상세히 나타나 있다. 도 2는 발광소자(11)로부터 목표위치(U)까지의 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)는 하기의 수학식1 내지 8을 통해 산출하게 된다. The geometric relationship of the position structure proposed in the indoor position measuring method of the present invention is shown in detail in FIG. 2 shows distance information d1, d2, d3, and d4 from the light emitting element 11 to the target position U through
상기 수학식1 내지 8에서 di는 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,yz) 사이의 거리이고, di의 i는 1 내지 4이며, i1과 i2는 각각 듀얼 이미지센서(20,30)의 이미지소자(22,32)의 중심에서 광신호 이미지의 중심까지의 거리이며, Pi1 및 Pi2는 각각 이미지소자(22,32)의 주축에 상기 i1 및 i2가 투영된 거리이며, f는 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈(21,31)의 초점거리이며, L은 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 구비되는 광학렌즈(21,31) 사이의 거리를 나타낸다.
In
상기 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)가 산출되면 제어기(40)는 산출된 거리정보(d1, d2, d3 및 d4)와 발광다이오드 조명(10)에서 기준이되는 되는 다수개의 발광다이오드(11)의 위치정보(A,B,C,D) 즉, 3차원좌표 정보들 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3) 및 D(x4,y4,z4)를 이용하여 다음 수학식9 내지 12와 같이 4개의 2차 방정식을 구성할 수 있으며, 이러한 4개의 2차방정식을 풀어 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 산출하게 된다. When the distance information (d1, d2, d3 and d4) is calculated, the controller 40 determines the distance information (d1, d2, d3 and d4) and the plurality of light emitting diodes (reference) in the light emitting diode illumination (10). 11) position information A, B, C, D, that is, three-dimensional coordinate information A (x1, y1, z1), B (x2, y2, z2), C (x3, y3, z3) and D ( x4, y4, z4) can be used to construct four quadratic equations as shown in
상기 수학식9 내지 12에서, (x,y,z)는 목표위치(U)의 좌표이고, (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3) 및 (x4,y4,z4)는 각각 다수개의 발광다이오드(11)의 설치위치의 좌표를 나타내며, d1, d2, d3, 및 d4는 각각 다수개의 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,y,z) 사이의 거리정보를 나타낸다. In
이러한 본 발명의 실내위치 측정방법을 이용해 산출된 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)의 오차를 보정하는 방법을 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The method of correcting the error of the coordinates (x, y, z) of the target position U calculated using the indoor position measuring method of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 as follows.
목표위치(U)의 좌표(x,y,z)의 오차를 보정하는 방법은 먼저 최소제곱추정법(LSE: Least Square Estimation)을 이용하여 보정한 후 보정이 완료되면 다시 z축 값을 추정하기 위하여 벡터추정법(Vector Estimation)을 이용하여 보정하게 된다. The method of correcting the error of the coordinates (x, y, z) of the target position (U) is first corrected by using Least Square Estimation (LSE). The correction is performed by using vector estimation.
먼저, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)가 산출되면 이를 보정하기 위해 최소제곱추정법으로 보정을 실시한다. First, when the coordinates (x, y, z) of the target position U is calculated, the correction is performed by the least squares estimation method.
3차원의 공지되지 않은 위치 즉, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 추정하기 위하여, 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,y,z) 사이의 거리가 정확하게 추정된다면 상기 4개의 2차방정식 중 3개의 식만으로도 충분하다. 그러나, 듀얼 이미지센서(20,30)의 화소에서 양자화 에러의 영향으로 발광다이오드(11)와 목표위치(U)의 좌표(x,y,z) 사이의 정확한 거리를 추정할 수 없다. In order to estimate the three-dimensional unknown position, that is, the coordinates (x, y, z) of the target position (U), between the light emitting diodes 11 and the coordinates (x, y, z) of the target position (U). If the distance is estimated correctly, three of the four quadratic equations are sufficient. However, due to the influence of the quantization error in the pixels of the
이러한 문제에 대한 직관적인 해결책은 하기 3개의 발광다이오드(11)를 보다 더 많이 이용하는 것이다. 수학적으로는 3개의 발광다이오드(11)를 이용하는 방정식을 오버-디터민드 시스템(over-determined system) 방정식으로 전환하면, 이것은 선형 최소제곱의 문제가 된다. 따라서 X에 대한 다음 수학식13 내지 16에 기재된 방정식을 풀어서 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)의 위치를 추정하여 보정하게 된다.An intuitive solution to this problem is to use more of the following three light emitting diodes 11. Mathematically, when converting an equation using three light emitting diodes 11 into an over-determined system equation, this becomes a problem of linear least squares. Therefore, by solving the equations described in the following equations (13) to (16) for X, the position of the coordinates (x, y, z) of the target position (U) is estimated and corrected.
여기서, here,
및 And
상기 수학식13 내지 16을 이용하는 선형 최소제곱추정법의 해결책에 대한 조건은 매트릭스(M)이 전체 열(full rank)을 가져야 한다. 그러나 발광다이오드 조명(10)에서 기준이 되는 즉, 위치정보(A,B,C,D)를 각각 갖는 다수개의 발광다이오드(11)는 동일 평면(즉, 모든 것은 동일 z좌표 값을 가짐)에 있으므로 이러한 조건은 만족하지 않는다. 따라서 4번째 기준 즉, 위치정보(D)를 갖는 발광다이오드(11)의 z축 값에 작은 값을 추가해 줘야 한다. 이러한 방법은 매트릭스(M)의 특이한 문제를 푸는 것이나 오류를 갖는 z축 추정 값을 얻게 된다. z축 값을 추정하기 위하여 벡터추정법(Vector Estimation)을 사용하며, 이러한 추정을 위해 3개의 기준 즉, 위치정보(A,B,C)를 갖는 발광다이오드(11)를 이용한다.The condition for the solution of the linear least squares estimation method using Equations 13 to 16 above is that the matrix M must have a full rank. However, a plurality of light emitting diodes 11, each of which has position information A, B, C, and D, which are reference in the light emitting
z축 보정을 위한 벡터추정법은 먼저, 만일 벡터 , 및가 각기 A, B 및 C의 좌표축에 상응한 벡터로 나타나면, 2개의 교차지점은 다음 수학식17 내지 26의 방정식을 이용하여 산출하게 된다. The vector estimation method for z-axis correction is, , And If is represented as a vector corresponding to the coordinate axes of A, B and C, respectively, the two intersection points are calculated using the equations of Equations 17 to 26.
z축 값으로 두개의 교차점으로 나타나는 벡터 , 중 실내 천장 의 기학적인 관계와 연관되는 하나를 선택하여 보정하게 된다.Vectors appear as two intersections as z-axis values , One of them is related to the geometrical relationship of the indoor ceiling.
본 발명의 실내위치 측정방법의 성능을 맷랩(MATLAB)을 이용하여 시물레이션을 실시하여 평가하였다. The performance of the indoor position measuring method of the present invention was evaluated by simulating using a MATLAB.
맷랩(MATLAB)을 이용한 시뮬레이션에 의한 평가 결과, 본 발명의 실내위치 측정장치의 구조의 한 가지 중요한 점은 발광다이오드 조명(10)의 면적에 의해 측정할 수 있는 위치의 면적이 결정된다는 것이다. 4개의 발광다이오드(11)가 듀얼 이미지센서(20,30)에 각각 보일 수 있다면, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)는 본 발명의 실내위치 측정장치에 의해 추정될 수 있다. 위치 측정 면적은 듀얼 이미지센서(20,30)가 발광다이오드 조명(10)과 평행일 때 최소로 줄어들게 된다.As a result of evaluation by simulation using MATLAB, one important point of the structure of the indoor position measuring apparatus of the present invention is that the area of the position that can be measured is determined by the area of the light emitting
도 3a 및 도 3b는 각각 위치 측정 면적을 계산하기 위한 기하학적 치수를 도시한 도면으로, 도 3a는 발광다이오드 조명(10)을 측면에서 바라본 도이며, 도 3b는 발광다이오드 조명(10)을 상측에서 바라본 도이다. 도 3a 및 도 3b에 각각 도시된 바와 같이 이미지 센서(20,30)가 발광다이오드 조명(10)에 평행이라고 가정하면 위치 측정 면적은 다음 수학식27 및 28의 방정식에 의해 계산할 수 있다.3A and 3B show geometric dimensions for calculating a location measurement area, respectively, FIG. 3A is a side view of the
여기서, φ는 이미지센서의 FOV(Field Of View)의 반(half)이고, q는 발광다이오드 조명(10)의 측면 길이이며, h는 발광다이오드 조명(10)과 듀얼 이미지센서(20,30) 사이의 수직거리이며, r은 위치 측정 면적의 측면의 길이이다.Here, φ is half of the field of view (FOV) of the image sensor, q is the side length of the light emitting
맷랩(MATLAB)의 시뮬레이션 모델에서, 발광다이오드 조명(10)의 표면적이 1×1 m2 이라고 가정하고, 듀얼 이미지센서(20,30)의 FOV는 45°이며, 발광다이오드 조명(10)과 듀얼 이미지센서(20,30) 사이의 수직거리를 3.5m 이라 한다. 따라서, 본 발명의 실내 위치 측정장치는 발광다이오드 조명(10)이 3.5m 거리를 가질 때, 1.8x1.8 m2의 면적의 추정위치를 가지게 되며, 본 발명의 맷랩(MATLAB)의 시뮬레이션의 파라메터의 리스트가 도 8에 도시되어 있다.In the MATLAB simulation model, assuming that the surface area of the light emitting
본 발명의 맷랩(MATLAB)의 시뮬레이션은 듀얼 이미지센서(20,30)의 주축이 위치 측정 면적의 x축에 평행하다고 가정한다. 그리고 듀얼 이미지센서(20,30)는 니콘 카메라 D40, D50, D70, D100 및 팬탁스 K100D 등에서 사용하는 APS-C 타입 6메가 화소 이미지 센서를 적용하게 된다. 그리고 시뮬레이션 변수는 도 8에 도시된 표에 상세히 나타나 있다.Simulation of the MATLAB of the present invention assumes that the major axes of the
듀얼 이미지센서(20,30)의 화소는 2차원으로 배열되도록 정렬되어 발광다이오드(11)의 이미지 즉, 광신호 이미지는 다수개의 화소로 구성된다. 이러한 이유에서 다른 측정을 하기 전에 각 광신호 이미지의 중심을 결정할 필요가 있다.The pixels of the
N개의 화소가 특정 발광다이오드(11)의 이미지를 구성한다면, 이미지의 중심은 다음 수학식29를 이용하여 산출된다. If N pixels constitute an image of a specific light emitting diode 11, the center of the image is calculated using the following equation (29).
상기 수학식29에서 j=1,2,3 …, N이고, (Nr, Nc)는 이미지 매트릭스의 열 및 행에 따른 이미지 중심이고, (Nrj, Ncj)는 발광다이오드 이미지와 일치하는 화소의 열-행 번호이며, j는 화소의 개수이다.In Equation 29, j = 1, 2, 3... , N, (Nr, Nc) is the image center along the columns and rows of the image matrix, (Nrj, Ncj) is the column-row number of the pixel that matches the light emitting diode image, and j is the number of pixels.
본 발명의 실내 측정방법 중 최소제곱추정법에 따른 맷랩(MATLAB) 시뮬레이션 결과는 다음과 같다. The MATLAB simulation results according to the least squares estimation method of the indoor measurement method of the present invention are as follows.
본 발명의 실내 측정방법 중 최소제곱추정법의 시물레이션은 고정된 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)에 대하여 먼저 평가하고, 다른 요소들은 일정하게 유지하며, 듀얼 이미지센서(20,30)의 라인당 화소의 수는 20화소의 스텝으로 500에서 3008로 증가시키면서 실시한다. Simulation of the least squares estimation method of the indoor measurement method of the present invention first evaluates the coordinates (x, y, z) of the fixed target position (U), and keeps the other elements constant, and the dual image sensor (20,30) The number of pixels per line is increased while increasing from 500 to 3008 in steps of 20 pixels.
상기 시뮬레이션 결과는 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서, 수평축은 라인당 화소(pixel)를 나타내고, 수직축은 미터(m)로 위치에러를 나타낸다. 위치에러는 화소수가 증가하므로 감소하게 된다. 에러는 화소의 양자에러에 기인하여 발생한 변동상태를 나타낸다. 그 이유는 이미지 중심은 상기 수학식29를 이용한 이미지 중심 추정으로부터 얻어진 화소의 중심이다. 그러나, 발광다이오드의 이미지의 실제 중심은 항상 화소 중심은 아니다. 그 결과, 양자화 에러를 얻게 된다. 도 4로부터 추정에러는 라인당 화소가 2948일 때 각기 x, y 및 z축을 따라서 0.156, 0.007 및 0.867m이다. 이 경우 전체에러는 0.88m 이다. x축 및 y축을 따른 에러는 z축을 따른 에러보다 훨씬 작다.The simulation results are shown in FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents pixels per line, and the vertical axis represents position errors in meters (m). The position error decreases as the number of pixels increases. An error represents a fluctuation state caused by quantum errors of pixels. The reason is that the image center is the center of the pixel obtained from the image center estimation using the above equation (29). However, the actual center of the image of the light emitting diode is not always the pixel center. As a result, a quantization error is obtained. The estimation errors from FIG. 4 are 0.156, 0.007 and 0.867 m along the x, y and z axes, respectively, when the pixel per line is 2948. FIG. In this case, the total error is 0.88m. The error along the x and y axes is much smaller than the error along the z axis.
최소제곱추정법에서, 위에 언급한 것과 같이 계산을 위하여 'D' 기준 발광다이오드(11)의 z축에 작은 길이를 추가하였다. 그 결과, z축 추정에러는 증가하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 3개의 기준 즉 위치정보(A,B,C)를 각각 갖는 발광다이오드(11)로부터 벡터추정법을 이용한 미지의 z축을 추정하게 된다.In the least squares estimation method, as mentioned above, a small length was added to the z-axis of the 'D' reference light emitting diode 11 for calculation. As a result, the z-axis estimation error increased. In order to solve this problem, the unknown z-axis using the vector estimation method is estimated from the light emitting diodes 11 having three criteria, namely, position information A, B, and C, respectively.
벡터추정법에 따른 맷랩(MATLAB) 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.The MATLAB simulation results according to the vector estimation method are as follows.
3차원 미지위치의 벡터추정법에 대하여 3개의 기준 발광다이오드(11)를 필요로 하고, 기준 발광다이오드(11)에 상응한 데이터를 사용하게 된다. 라인당 화소는 추정 에러 상 화소 크기의 영향을 이해하도록 500으로부터 3008로 증가시키게 된다. 모든 다른 변수는 전술한 LSE와 마찬가지로 변하지 않게 유지하게 된다. 벡터추정법의 결과는 도 5에 도시된 바와 같고, 수평 및 수직축은 라인당 화소의 수와 추정 에러를 각기 나타낸다.Three reference light emitting diodes 11 are required for the three-dimensional unknown position vector estimation method, and data corresponding to the reference light emitting diodes 11 is used. The pixel per line is increased from 500 to 3008 to understand the effect of pixel size on estimation error. All other variables remain unchanged as with the LSE described above. The results of the vector estimation method are as shown in Fig. 5, and the horizontal and vertical axes represent the number of pixels per line and the estimation error, respectively.
추정 에러는 라인당 화소가 2948일 때 각기 x, y 및 z축을 따라서 0.212, 0.078 및 0.013m이다. 전체 에러는 0.226m 이다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 벡터추정법은 최소제곱추정법보다 z축을 따른 더 작은 에러를 준다. 이와 반대로, x 및 y축을 따른 에러는 최소제곱추정법 보다 더 크게 된다. 또한 x축을 따른 에러가 y축을 따른 에러보다 더 크게 나오는데, 시뮬레이션에서, 듀얼 이미지센서(20,30)의 주축은 x축에 평행이고, 그 이유로 x축을 따른 에러는 y축을 따른 에러 보다 크기 때문이다. Estimation errors are 0.212, 0.078 and 0.013 m along the x, y and z axes, respectively, when the pixel per line is 2948. The total error is 0.226m. Also, as shown in Fig. 5, the vector estimation method gives a smaller error along the z-axis than the least square estimation method. In contrast, the errors along the x and y axes are larger than the least squares estimation method. Also, the error along the x-axis is larger than the error along the y-axis, since in the simulation, the major axes of the
상기 2개의 결과를 요약하면, 목표위치(U)의 좌표(x,y,z)를 전체적으로 양호한 추정을 얻기 위하여 x축 및 y축에 대하여는 최소제곱추정법이 사용되고, z축에 대하여는 벡터추정법이 사용되어야 한다. 다른 축에 따른 최소제곱추정법 및 벡터추정법의 조합으로부터 추정 에러와 전체 추정에러는 도 6에 도시되어 있다. 특정위치에 따른 전체 추정에러는 라인당 화소의 수가 2948일 때 0.156m 이다.In summary, the least squares estimation is used for the x-axis and the y-axis, and the vector estimation for the z-axis in order to obtain a good estimate of the coordinates (x, y, z) of the target position U as a whole. Should be. Estimation errors and overall estimation errors from the combination of least squares estimation and vector estimation along different axes are shown in FIG. 6. The total estimation error according to the specific position is 0.156m when the number of pixels per line is 2948.
한편, 본 발명에서 광학렌즈(21,31)의 거리(L)와 위치에러 사이의 관계는 다음과 같다.In the present invention, the relationship between the distance L and the position error of the optical lenses 21 and 31 is as follows.
본 발명에서는 광학렌즈(21,31)의 거리(L)와 위치에러 사이의 관계를 찾기 위하여 2cm 스텝으로 4cm부터 20cm로 렌즈의 중심사이의 거리를 가변하고, 다음 수학식30을 이용하여 32761 실험위치의 에러위치(Erms)의 RMS(root mean square)을 계산한다.In the present invention, in order to find the relationship between the distance (L) of the optical lens (21, 31) and the position error, the distance between the center of the lens from 4cm to 20cm in 2cm steps, the 32761 experiment using the following
여기서, n은 추정될 위치의 수이고, Errn은 n번째 위치의 추정 에러이다. 그의 결과는 도 7a에 도시되고, RMS 위치에러는 2개의 광학렌즈(21,31) 사이의 거리(L)가 증가함에 따라 벡터추정법과 최소제곱추정법-벡터추정법에서 모두 감소하게 된다. 위치 성능의 개선은 10cm 거리까지 중요하다. 10cm에서, 벡터 및 최소제곱추정법-벡터추정법은 각기 0.1239 및 0.09333이다. 렌즈 거리가 7.2cm보다 증가한다면, 최소제곱추정법-벡터 추정법의 RMS 에러가 벡터추정법의 에러보다 작게 된다. 위치추정면적과 듀얼 이미지센서(20,30)의 거리 사이에 트레이드오프가 있으므로 센서(20,30) 간 거리를 가능한 적게 유지하면서 잘 정해야 한다. RMS 에러와 광학렌즈(21,31) 거리사이의 관계를 설정하기 위하여 도 7b에 나타난 바와 같이, 최소제곱추정법-벡터추정법에 대한 RMS 에러를 2차 지수 함수의 그래프로 비교하였다. 이와 같은 관계는 다음의 수학식31과 같다.Where n is the number of positions to be estimated and Err n is an estimation error of the nth position. The result is shown in Fig. 7A, and the RMS position error decreases in both the vector estimation method and the least-squares estimation method as the distance L between the two optical lenses 21 and 31 increases. Improvements in location performance are important up to 10 cm distance. At 10 cm, the vector and least squares estimation-vector estimation are 0.1239 and 0.09333, respectively. If the lens distance increases more than 7.2 cm, the RMS error of the least squares estimation-vector estimation becomes smaller than the error of the vector estimation. Since there is a trade-off between the location estimate area and the distance between the
따라서, 본 발명은 발광다이오드 조명(10) 및 듀얼 이미지센서(20,30)를 이용한 실내위치 측정방법은 위치에러를 몇 센티미터의 범위내에서 최소화할 수 있어 도 9에서와 같이 종래의 실내위치 측정장치와 비교하여 보다 정밀하게 위치측정을 수행할 수 있으며, 경박단소화시킬 수 있는 이점이 있다. Therefore, in the present invention, the indoor position measuring method using the light emitting
10: 발광다이오드 조명 11: 발광다이오드
20,30: 듀얼 이미지센서 21,31: 광학렌즈
22,23: 이미지소자 40: 제어기10: light emitting diode illumination 11: light emitting diode
20,30: Dual image sensor 21,31: Optical lens
22,23: image element 40: controller
Claims (14)
상기 발광다이오드 조명과 이격되도록 설치되어 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 듀얼 이미지센서와;
상기 듀얼 이미지센서로부터 각각 출력되는 전기신호를 수신받아 변조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 획득하고, 획득된 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 위치측정장치.A light emitting diode illumination configured to receive a plurality of modulated light emitting diode position signals and convert the light emitting diode into an optical signal;
A dual image sensor installed to be spaced apart from the light emitting diode illumination to receive an optical signal and convert the light signal into an electrical signal;
And receiving and modulating the electrical signals output from the dual image sensors, thereby obtaining position information of a plurality of light emitting diodes, and calculating a coordinate of a target position using the obtained position information of the plurality of light emitting diodes. Indoor positioning device characterized in that.
상기 광학렌즈의 하측에 설치되어 광학렌즈를 투과한 광신호를 조사받아 전기신호로 변환시켜 출력하는 이미지소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 위치측정장치.The optical image sensor of claim 4, wherein the dual image sensor comprises: an optical lens configured to transmit and receive an optical signal;
And an image element installed under the optical lens and configured to irradiate an optical signal transmitted through the optical lens and convert the optical signal into an electrical signal.
변조된 다수개의 발광다이오드 위치신호에 따른 전기신호를 복조하여 다수개의 발광다이오드의 위치정보를 저장하는 단계와;
상기 듀얼 이미지센서의 초점거리와 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈 사이의 거리를 이용하여 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 산출하여 저장하는 단계와;
상기 다수개의 발광다이오드의 위치정보와 다수개의 발광다이오드와 목표위치 사이의 거리정보를 이용하여 목표위치의 좌표를 산출하는 단계와;
상기 목표위치의 좌표가 산출되면 산출된 목표위치의 좌표 오류를 보정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법. Storing a distance between a focal length and an optical lens of the optical lens, each of which is provided in the dual image sensor;
Demodulating electrical signals according to the modulated plurality of light emitting diode position signals and storing position information of the plurality of light emitting diodes;
Calculating and storing distance information between a plurality of light emitting diodes and a target position using a distance between a focal length of the dual image sensor and an optical lens provided in each of the dual image sensors;
Calculating coordinates of a target location using location information of the plurality of light emitting diodes and distance information between the plurality of light emitting diodes and a target location;
And calculating the coordinate error of the calculated target position when the coordinates of the target position are calculated.
여기서, ,
,
,
,
,
,
이며,
di는 발광다이오드와 목표위치의 좌표 사이의 거리이고, di의 i는 1 내지 4이며, i1과 i2는 각각 듀얼 이미지센서의 이미지센서의 중심에서 광신호 이미지의 중심까지의 거리이며, Pi1 및 Pi2는 각각 이미지센서의 주축에 상기 i1 및 i2가 투영된 거리이며, f는 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈의 초점거리이며, L은 듀얼 이미지센서에 각각 구비되는 광학렌즈 사이의 거리를 나타낸다. The method of claim 8, wherein the calculating of the distance information between the plurality of light emitting diodes and the target position is repeated by calculating the following equation according to the number of the plurality of light emitting diodes.
here, ,
,
,
,
,
,
,
d i is the distance between the light emitting diode and the coordinate of the target position, i of i is 1 to 4, i 1 and i 2 are the distance from the center of the image sensor of the dual image sensor to the center of the optical signal image, respectively. , Pi 1 and Pi 2 are the distance the i 1 and i 2 is projected on the main axis of the image sensor, respectively, f is the focal length of the optical lens provided in the dual image sensor, respectively, L is provided in the dual image sensor The distance between the optical lenses is shown.
,
,
,
여기서, (x,y,z)는 목표위치의 좌표이고, (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3) 및 (x4,y4,z4)는 각각 다수개의 발광다이오드의 설치위치의 좌표를 나타내며, d1, d2, d3, 및 d4는 각각 다수개의 발광다이오드의 목표위치의 좌표 사이의 거리를 나타낸다. The method of claim 8, wherein the calculating of the coordinates of the target position is calculated by the following quadratic equations.
,
,
,
Here, (x, y, z) is the coordinate of the target position, (x 1 , y 1 , z 1 ), (x 2 , y 2 , z 2 ), (x 3 , y 3 , z 3 ) and ( x 4 , y 4 , z 4 ) represent coordinates of the installation positions of the plurality of light emitting diodes, respectively, and d 1 , d 2 , d 3 , and d 4 each represent a distance between the coordinates of the target positions of the plurality of light emitting diodes. Indicates.
상기 최소제곱추정법으로 보정된 목표위치의 좌표 중 z축 오차를 벡터추정법으로 보정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 실내 위치 측정방법.The method of claim 8, wherein the correcting of the coordinate error of the target position comprises: correcting an error of the coordinate of the target position by a least squares estimation method when the coordinates of the target position are calculated;
Compensating for the z-axis error of the coordinates of the target position corrected by the least squares estimation method using a vector estimation method.
여기서, ,
및 이 된다.13. The method of claim 12, wherein the correcting by the least squares estimation method uses the following equation.
here, ,
And Becomes
,
여기서, ,
,
,
,
,
,
,
이다.The method of claim 12, wherein the vector estimation method uses the following equation.
,
here, ,
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