보행자 추측 항법과 맵 매칭 및 무선 신호 기반의 복합 실내 측위 기법 연구 = Hybrid indoor positioning technology research based on pedestrian dead reckoning, map matching and wireless signal

국문 초록 (Abstract)

내비게이션 시스템은 크게 실내·외로 구분되어 있다. 실외 내비게이션 시스템은 GPS를 이용하여 연구가 주로 진행되어 왔지만, 실내의 경우는 GPS 신호의 수신이 어렵기 때문에 센서 기반, RFID, UWB, Blueetooth 등 다양한 방식으로 연구가 진행되고 있으며 스마트 폰, 임베디드 장비 등 다양한 장치를 기반으로 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 최근 수 년 동안 사용자의 수가 급증하고 있는 스마트 폰을 위한 실내 내비게이션 시스템을 고안했으며, 비용적인 측면이 고려된 실제 서비스 가능한 시스템을 고안하기 위해 스마트 폰 내부에 탑재 되어 있는 가속도, 자이로 센서 등을 활용하여 위치를 추적하고, 추가적으로 Bluetooth 비콘을 활용했을 때의 시스템의 성능 보완 정도를 확인한다. 스마트 폰에 내장된 센서는 저가형으로 데이터의 품질이 매우 낮기 때문에 본 연구에서는 센서 데이터의 정확도 향상을 위하여 칼만 필터, 센서 보정, 통계적 기법 등의 다양한 신호처리 기법들을 적용하였으며 추가적인 성능 향상을 위해 실내 지도 정보를 이용한 정확도 향상 기법에 대한 연구를 진행하였다. 시스템 성능 평가를 위해 국내 대형 몰 코엑스와 광운대학교 대학원 건물 내에서 5명의 피실험자를 대상으로 실험을 수행하였고, 실험 결과를 통하여 그 성능을 검증하였다. 추가적으로 외부 인프라를 추가했을 때의 성능 향상 정도를 확인하기 위해 블루투스 비콘을 실내에 설치하여 센서 기반 측위와 무선 신호 기반 측위를 결합하여 실험을 진행함으로, 그 성능을 또한 검증하였다. 본 연구를 기반으로 사용자에게 실내 길안내 애플리케이션 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대 되며 또한, 화재, 테러 등의 사고가 발생하였을 경우 최적 대피 경로 안내 등을 제공해주는 서비스에 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Navigation is categorized into indoor and outdoor and outdoor navigation has been mainly researched by GPS technology. Because it is difficult to get GPS signal in indoor, however, many technologies such as sensor-based, RFID, UWB, wireless signal have been studied for indoor navigation and there are many devices to apply these technologies.
In this paper, the system is operated on smartphone since it is most used recently and Considering realizable service in terms of cost, positioning tracking is implemented by using embedded accelerometer and gyro sensor in smartphone and by using Bluetooth beacon to supplement sensor-based system’s weak point. The embedded sensors in smartphone is very cheap and do not have high accuracy. Thus various methods such as kalman filter, sensor calibration, statistical analysis methods are introduced for high sensor accuracy. Map matching method is also described to fix chronic accumulated error of sensor based positioning method. For verifying the performance of system, experiments for 5 test subjects was done in the COEX which is one of the biggest mall in korea and in Hwado building at KwangWoon University and the result approves the system performance. To test the performance under the condition that additional infrastructure such as Bluetooth beacon is installed, hybrid positioning system fused by sensor and wireless signal is also suggested and verified by some experiments. Based on this paper, it is expected to provide an indoor guide service and to be applicable to optimal evacuation route guide system when a fire or terrors occur in the indoor

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 도입 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 실내 측위 기술의 적용 분야 4
• 1.3 논문 기여도 및 구성 4
• 1.4 명명법 5
• Chapter 2 시스템 개요 및 기존 연구에 관한 고찰 7
• 2.1 시스템 개요 7
• 2.1.1 블록 다이어그램 8
• 2.1.2 시작점 및 맵 초기 방향 설정 8
• 2.1.3 관성 센서 기반 측위 9
• 2.1.4 무선 신호 기반 측위 9
• 2.2 기존 연구의 고찰 및 한계점 10
• 2.2.1 PDR + Map Matching + Particle Filter 10
• Chapter 3 사용된 기술 13
• 3.1 Pedestrian Dead Reckoning(PDR) 13
• 3.1.1 걸음 검출 13
• 3.1.2 동적 보폭 추정 14
• 3.1.2.1 맵 정보를 활용한 동적 보폭 파라미터 추정 17
• 3.1.2.2 파티클 필터를 통한 보폭의 에러 분포 반영 20
• 3.1.3 이동 방향 추정 22
• 3.2 스마트 폰의 자세 추정 24
• 3.2.1 개요 24
• 3.2.2 상보 필터 25
• 3.2.3 칼만 필터 31
• 3.3 센서 보정(캘리브레이션) 35
• 3.3.1 개요 35
• 3.3.2 바이어스 에러 보정 35
• 3.3.3 민감도 에러 보정 39
• 3.3.4 축별 상관도 에러 보정 40
• 3.4 맵 매칭 42
• 3.4.1 개요 42
• 3.4.2 맵 정보를 활용한 각도 보정 43
• 3.4.3 맵 정보를 활용한 위치 보정 45
• 3.4.3.1 맵 매칭과 파티클 필터 45
• 3.4.3.2 실내 위치에 따르는 서로 다른 알고리즘 적용 46
• 3.5 무선 신호 기반의 실내 측위 47
• 3.5.1 개요 47
• 3.5.2 Proximity 기법 48
• 3.6 최단 경로 안내 49
• Chapter 4 실험 및 결과 52
• 4.1 실험 조건 52
• 4.2 실험 결과 – 광운대학교 대학원 건물 52
• 4.3 실험 결과 – 코엑스 53
• Chapter 5 결론 및 향후 과제 58
• 6.1 결론 58
• 6.2 향후 과제 59