UWB 통신 기반 실시간 3-D 위치추적 시스템 구현

Abstract

위치 트래킹 시스템은 위치 정보가 포함되는 복합적인 서비스의 발달과 수요로 인해 기술의 고도화 이루어졌으며, UWB통신의 위치 추정 방법은 타 방법에 비해 환경적인 성능제약을 받지 않는다. 시스템의 구성요소인 UWB 단말은 태그와 앵커로 구성되어있고, 각 태그와 앵커는 Decawave사의 MDEK1001모듈이 사용되었다. 본 논문은 칼만 필터 (Kalman filter)를 사용한 UWB(Ultra Wide Band)센서 기반 3D 트래킹 시스템을 제안한다. 트래킹 시스템에서 위치 좌표는 물체의 속도와 가속도를 구하는데 사용할 수 있으며, 속도의의 정확도는 초당 측정 횟수에 비례하고, 위치 좌표의 정확도는 위치 추정 알고리즘의 거리 측정 정확도와 비례한다. 따라서 초당 측정 횟수와 거리 측정 정확도를 적절하게 조절할 수 있는 알고리즘이 시스템에 필요하다. SS-TWR (Single- Side Two Way Ranging) 거리측정 방법은 속도가 빠르고 안테나 보정이 이루어졌을 때 높은 정확도를 보이며, 센서 제조사에서 제공한 안테나 보정기법에 재귀함수를 더한 방법을 사용해서 종래의 방법보다 거리 측정의 정확도를 올렸다. LS(Least- Squares)방식은 추정된 위치 정확도가 다른 방법에 비해 낮지만 통계적 특성에 구애받지 않고 사용할 수 있으며, 상대적으로 시스템 구성이 복잡하지 않은 알고리즘이다. 추정된 위치 좌표는 클러터와 같은 원인으로 인해 센티미터 급의 오차가 발생한다. 제안하는 트래킹 시스템에서는 3차원 위치좌표를 추정하고 발생한 오차를 보정하기 위해 칼만 필터와 이동평균 필터 등을 사용해서 보정을 수행한다. 추정된 위치 좌표와 보정이 이루어지고 난 뒤 3D 트래킹을 했을 때 레퍼런스 값(동영상)과 좌표계의 비교를 통해 빠른 측정 속도와 정밀도 높은 실시간 3D 트래킹 시스템이 구현된 것을 확인할 수 있다.| The location tracking system has been advanced due to the development and demand of complex services including location information, and the location estimation method of the UWB sensor is not limited in environmental performance compared to other methods. The component UWB terminal of the system consists of tags and anchors, and each tag and anchor uses Decawave's MDEK1001 module. This paper proposes a 3D tracking system based on an ultra wide band (UWB) sensor using a Kalman filter. In a tracking system, the position coordinates can be used to find the velocity and acceleration of an object, the accuracy of the velocity is proportional to the number of measurements per second, and the accuracy of the position coordinates is proportional to the distance measurement accuracy of the position estimation algorithm. Therefore, the system needs an algorithm that can appropriately adjust the number of measurements per second and the accuracy of distance measurement. The single-side two-way ranging (SS-TWR) distance measurement method is fast and shows high accuracy when antenna calibration is performed, and uses a method of adding recursive functions to antenna calibration techniques provided by sensor manufacturers to increase the accuracy of distance measurement compared to conventional methods. The Last-Squares (LS) method has lower estimated location accuracy than other methods, but can be used regardless of statistical characteristics, and is an algorithm with relatively complex system configuration. The estimated position coordinates cause a centimeter-class error due to the same cause as the clutter. In the proposed tracking system, calibration is performed using Kalman filters and moving average filters to estimate 3D position coordinates and correct errors that occur. When 3D tracking was performed after correction with the estimated position coordinates, it can be confirmed that a real-time 3D tracking system with high measurement speed and precision was implemented through comparison of reference values (video) and coordinate systems.