Indoor Position Estimation Using Stereo Image Sensor and LEDs

In recent year, along with the rapid development of LED technology, many applications using LEDs with Visible Light Communication(VLC) have been researched. Since it is easy to provide LOS communication environment along with cheap deployment cost, the indoor positioning system based on VLC has been actively studied. In this paper, we propose an accurate indoor positioning algorithm using a stereo image sensor and white-light LEDs with the visible light communication. Indoor white-light LEDs are located at the ceiling of a room and broadcast their position information by VLC technology. Mobile receiver with stereo image sensor receives LED position information by VLC and estimates its position and angle information. Simulation results are given to show the efficiency of proposed indoor positioning algorithm. ※ 이 논문은 2013년도 전남대 학술연구비 지원에 의하여 연구되었음. First Author : Chonnam National University, School of Electronics and Computer Engineering, ordvkdl@naver.com, 학생회원 ° Corresponding Author : Chonnam National University, School of Electronics and Computer Engineering, sichoi@jnu.ac.kr, 정회원 논문번호:KICS2014-07-274, Received July 22, 2014; Revised september 27, 2014; Accepted October 7, 2014 I. 서 론 최근 많은 종류의 스마트 디바이스의 보급과 무선 통신 기술의 발전으로 위치정보기반 서비스(LBS, Location Based Service) 시장은 점점 범위를 넓혀가 고 있다. 위치정보기반 서비스란 사용자의 신원을 식 별하며 사물의 위치 정보를 제공하는 서비스이며 사 용자 간의 위치, 날씨나 건강을 확인하거나 엔터테인 먼트와 같은 애플리케이션에 활용된다. 위치 추정 시스템은 지난 20년 동안 GPS, IR, RFID, 블루투스, The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '14-11 Vol.39B No.11 756 그림 1. 실내 룸 모델 Fig. 1. The model room Wi-fi등의 형태로 연구가 활발하게 되고 있다. 그중 위성 기반 항법 장치(GPS, Global Positioning System)는 자동차 내비게이션, 모바일장비, 선박, 비 행기 등에서 널리 사용되고 있다 . 그러나 GPS 시스 템은 다중경로 페이딩 전파방해, 주파수 간섭 등 오차 를 크게 발생시키는 요인으로 아직 3~10m 정도에 오 차율을 가지고 있어 실내위치추적 시스템에 사용하기 는 적절하지 못하다. 가시광 무선통신 기술은 디지털 제어가 가능한 LED의 ON/OFF를 디지털 신호로 사용하며, 수광 소 자인 PD(Photo Diode) 또는 이미지 센서(image sensor)를 이용하여 송출된 빛 신호를 인식하는 차세 대 무선통신 기술이다 . 가시광 통신은 LOS(Line of Sight)환경에서 장애물로 인한 페이딩, 전파방해, 간섭 등의 영향을 적게 받아 기존의 방법들에 비해 고성능 의 위치 추정이 용이하므로, 이를 이용한 측위 시스템 연구가 활발히 이루어지고 있다. 먼저 [1]에서는 제안한 LED 핑거프린팅 (fingerprinting) 시스템에서 K-NN(K-Nearest Neighbor) 알고리즘으로 데이터베이스 내부의 수집된 LED-ID와 비교하는 방법으로 실내 위치를 추정하였 다. 더불어 기존의 Wi-fi 핑거프린팅을 사용하는 시스 템보다 성능이 8.6%가 개선됨을 보였다. [2]는 LSM(Least Square Method)과 VEM(Vector Estimation Method)을 기반으로 4개의 LED와 스테 레오 이미지센서를 이용하는 알고리즘을 제안했다. 여 기서 LSM을 사용하는 경우, 4개의 LED가 같은 평면 에 있으면 불안정한식이 되므로 4번째 LED 축에 작 은 값을 더해줌으로써 실내위치를 추정한다. 따라서 LSM은 축 오차가 크게 나타나고 VEM을 사용하는 경우가 보다 고성능의 알고리즘임을 시뮬레이션을 통 해 보였다. [4]는 가시광 무선통신 시스템을 기반으로 3개의 LED와 이미지 센서를 이용하여 모바일의 위치 를 판단하는 알고리즘을 보였다. 이 경우는 LED의 위 치좌표와 이미지 센서에 맺히는 상의 공선조건 (collinearity condition)을 이용해 방정식을 세웠고, 주 어진 수신기의 회전 각도와 측정을 통해 이미지 센서 에 맺히는 상 좌표를 대입해 위치를 계산한다. 이미지 센서는 양자화 때문에 실제 값과 정확하게 일치하지 않아, 오차는 해상도가 증가함에 따라 증가와 감소의 모양으로 0에 수렴함을 보였다. 마지막으로 [5]는 4-DOF(Degrees of Freedom) 환경에서 단일 이미지 센서에 맺히는 상을 이용하는 벡터와 비콘(beacon) 벡 터를 이용해 축 방위각을 계산하고, 실내 위치를 측정 하는 시스템을 개발하였다. 본 논문에서는 3차원 Linear Equation과 VLC를 기 반으로 스테레오 이미지센서를 사용하는 실내 측위 알고리즘을 제안한다. 그리고 [2]에서 4개의 LED를 이용하는 실내 측위 알고리즘을 2개의 LED를 이용해 축 방위각 정보와 실내 위치를 추정하는 방법으로 알 고리즘을 개선했다. 더불어 시뮬레이션을 통하여 해상 도의 변화에 따른 위치 측위 오차가 기존의 VEM를 기반으로 하는 시스템보다 우수함 보인다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서는 위치 추 정 모델을 제시하고, 2개의 LED와 스테레오 이미지 센서를 이용해 이동체의 축 회전성분인 방위각과 3차 원 실내 위치 정보를 제공하는 알고리즘을 제안한다. III장에서는 시뮬레이션을 통해 제안한 알고리즘과 기 존 방안의 3차원 위치좌표의 오차정보를 비교하였으 며, 제안한 알고리즘의 방위각 정보의 성능을 보이며, IV장에서 결론을 맺는다.