고정밀 위치 모니터링을 위한 초광대역 통신 기반 측위 알고리즘 연구

Abstract

최근 작업 구역 내 인명 안전 및 작업 생산량 관리 등의 목적으로 위치 정보를 이용한 모니터링에 관해 관심도가 높아지면서 실내외 정확한 위치 및 이동경로 파악 등이 주요 해결 과제로 부상하고 있다. 이를 위해서는 유선이 아닌 무선 통신 환경을 구축하여야 하는데 실제 접목시키고자 하는 중공업 내 대부분의 작업 환경 여건 상 이와 같은 통신 환경을 구축하기는 어려운 실정이며, 주변 작업 환경이 주로 철판 격벽 및 철골 구조 등으로 이루어진 환경으로 인해 전파의 회절 및 굴절에 의한 레인징 오차가 발생해 정확한 위치 파악이 어려운 상황이다. 본 논문에서는 이러한 열악한 작업 환경 내에서 다중경로에 비교적 강인하고 자유공간에서 수 센티미터 오차를 가지는 정밀도가 높은 초광대역 통신 기술을 이용한 측위 알고리즘 연구를 진행하였다. 초광대역 통신 방식은 매우 짧은 펄스 폭을 가진 임펄스 신호를 이용한 방식이며, 송수신된 전파 신호의 도달 시간을 이용하여 거리를 계산하게 된다. 이 거리 정보를 이용하여 좌표를 추정하는데 사용되는 측위 알고리즘은 기본적으로 ToA(Time of Arrival)방식을 적용하였다. 또한 초광대역 통신은 다른 통신 방식에 비해 저전력이며 별도의 반송파(Carrier)를 사용하지 않아 송수신 시 신호 구별이 뚜렷하며 정확한 측위가 가능한 장점이 있다. 이를 응용하면 목표물의 거리, 목표물의 존재 파악, 목표물의 움직임 파악(속도 등), 여러 목표물의 정보 파악 등 다양한 정보를 취득하여 이용할 수 있다. 본 논문에서 사용한 하드웨어는 상업적으로 초광대역 통신 기술을 이용 가능하도록 출시된 여러 하드웨어들의 정밀도 측면에서 비교 과정을 통해 아일랜드 업체인 Decawave® 사의 DWM1001 모듈을 선정하였으며, 이 모듈을 사용하여 임의의 초광대역 통신 네트워크 시스템을 구축한 후, 각종 환경에서의 실험 및 보정 연구를 통해 위치 정밀도를 개선하고자 하였다. 마지막 부분에서는 각종 실험 분석 결과에 따라 제안하고자 하는 측위 알고리즘에 대해 설명하고 적용하였다. 제안하는 측위 알고리즘의 목적은 장애물 존재 여부에 따른 거리 차이를 감지한 뒤 이를 개선하기 위함이며 보정 방법으로는 스플라인 근사(Spline Approximation)법을 접목시켰다. 단, 보정된 측위 알고리즘은 성능 실험을 통한 ranging 실험 결과 및 실제 거리보다 큰 거리 오차에 대한 보정에 초점을 두었다. |Recently, as interest in monitoring by using location information for the purpose of safety of people in the work area and management of production of work is increasing, identifying the exact location and moving path indoors and outdoors has emerged as a major challenge. For this purpose, it is necessary to establish a wireless communication environment, not wired, but it is difficult to establish such a communication environment due to most working environment conditions in the heavy industry to be applied. Due to the environment, ranging errors due to diffraction and refraction of radio waves are difficult to accurately locate. In this paper, we studied the positioning algorithm using high-precision ultra-wideband communication technology that is relatively robust to multipath in such a harsh working environment and has a few centimeters error in free space. The Ultra Wide Band communication method uses an impulse signal having a very short pulse width, and calculates a distance using the arrival time of the transmitted and received radio signal. The positioning algorithm used to estimate the coordinates using this distance information basically adopts the ToA(Time of Arrival) method. In addition, ultra-wideband communication has the advantages of low power and no distinction of signals when transmitting and receiving, and accurate positioning is possible because it does not use a separate carrier. This application can be used to obtain a variety of information, such as the distance of the target, the existence of the target, the movement of the target (speed, etc.), the information of the various targets. In this paper, the DWM1001 module of Decawave®, an Irish company, was selected through comparison process in terms of the precision of several hardware released to use commercially available ultra-wideband communication technology. After constructing the system, we tried to improve the position accuracy through experiments and calibration studies in various environments. In the last part, we describe and apply the proposed positioning algorithm according to the experimental results. The purpose of the proposed positioning algorithm is to detect the distance difference according to the presence of obstacles and to improve it. The correction method is spline approximation. In particular, the corrected positioning algorithm focuses on the results of ranging experiments through performance experiments and corrections for distance errors larger than the actual distance.