BLE를 활용한 실내 위치 측위 (5) - 삼변측량 기법을 활용한 실내 위치 측위

 

이번 글에선 삼변측량 기법을 활용하여 실내에서 사용자의 위치를 계산하는 방법을 알아보겠습니다. 지난 글에서 삼변측량 기법을 사용하기 위한 배경지식을 다루었었습니다. 오늘 내용을 이해하는 데 큰 도움이 되니 못 보신 분들은 아래 링크를 통해 지난 글을 먼저 보시는 것을 추천드립니다.

 

BLE를 활용한 실내 위치 측위 (4) - 삼변측량 기법을 사용하기 위한 예비지식

 

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삼변측량 기법

 

아래 그림과 같은 상황에서 사용자 (Tag)의 위치를 구한다고 가정해봅시다. 

 

 

사용자 (Tag)는 비콘 메시지를 송신하는 송신기의 역할을 하고,  AP는 비콘 메시지를 수신하는 수신기의 역할을 합니다. 각 AP에 대해 반지름 $r_1$, $r_2$, $r_3$를 갖는 원의 방정식은 아래와 같습니다.

 

$$(x-x_1)^2 + (y-y_1)^2 = r_1^2$$

$$(x-x_2)^2 + (y-y_2)^2 = r_2^2$$

$$(x-x_3)^2 + (y-y_3)^2 = r_3^2$$

 

위 식의 제곱을 풀어쓴 원의 방정식은 아래와 같습니다.

 

$$x^2 - 2xx_1 + x_1^2 + y^2 - 2yy_1 + y_1^2 = r_1^2$$

$$x^2 - 2xx_2 + x_2^2 + y^2 - 2yy_2 + y_2^2 = r_2^2$$

$$x^2 - 2xx_3 + x_3^2 + y^2 - 2yy_3 + y_3^2 = r_3^2$$

 

이제 원의 방정식 2개를 연립하여 두 원의 교점을 지나는 방정식을 구해봅시다. AP1과 AP2의 교점을 지나는 방정식은 아래와 같습니다.

 

$$2(x_2 - x_1)x + 2(y_2 - y_1) = r_1^2 - r_2^2 - x_1^2 + x_2^2 - y_1^2 + y_2^2$$

 

그리고 AP2과 AP3의 교점을 지나는 방정식은 아래와 같습니다.

 

$$2(x_3 - x_2)x + 2(y_3 - y_2) = r_2^2 - r_3^2 - x_2^2 + x_3^2 - y_2^2 + y_3^2$$

 

이후의 연산에서 식이 복잡해지므로 각 항을 알파벳으로 치환하겠습니다. 치환된 항은 아래와 같습니다.

 

$$A = 2(x_2 - x_1)$$

$$B = 2(y_2 - y_1)$$

$$C = r_{1}^{2} - r_{2}^{2} - x_{1}^{2} + x_{2}^{2} - y_{1}^{2} + y_{2}^{2}$$

$$D = 2(x_3 - x_2)$$

$$E = 2(y_3 - y_2)$$

$$F = r_{2}^{2} - r_{3}^{2} - x_{2}^{2} + x_{3}^{2} - y_{2}^{2} + y_{3}^{2}$$

 

결과적으로 치환된 두 식은 아래와 같습니다.

 

$$Ax + By = C$$

$$Dx + Ey = F$$

 

우리가 구해야하는 미지수 $x$와 $y$는 각각 사용자 (Tag)의 x좌표, y좌표를 의미합니다. 사용자의 좌표는 위 2개의 방정식을 연립하여 얻을 수 있습니다. AP1과 AP2의 교점을 지나는 방정식을 y에 대한 식으로 이항하면 아래와 같습니다.

 

$$By = C - Ax...(1)$$

$$\therefore y = \frac{C-Ax}{B}$$

 

위 식을 AP2와 AP3의 교점을 지나는 방정식에 대입하여 아래와 같이 $x$를 구할 수 있습니다.

 

$$Dx + E(\frac{C-Ax}{B}) = F...(1)$$

$$(BD-EA)x = FB - EC...(2)$$

$$\therefore x = \frac{FB-EC}{BD-EA}$$

 

같은 방식으로 $y$도 구해보겠습니다. AP1과 AP2의 교점을 지나는 방정식을 $x$에 대한 식으로 이항하면 아래와 같습니다.

 

$$Ax = C - By...(1)$$

$$\therefore x = \frac{C-By}{A}$$

 

위 식을 AP2와 AP3의 교점을 지나는 방정식에 대입하여 $y$를 구해봅시다.

 

$$D(\frac{C-Bx}{A}) + Ey = F...(1)$$

$$(AE-DB)y = FA - DC...(2)$$

$$\therefore y = \frac{FA-DC}{AE-DB}$$

 

위에서 구한 사용자 (tag)의 좌표 $x$와 $y$를 다시 수식으로 치환하여 식을 완성합니다.

 

$$x = \frac{(r_2^2-r_3^2-x_2^2+x_3^2-y_2^2+y_3^2)(2(y_2 - y_1)-(2(y_3 - y_2))(r_{1}^{2} - r_{2}^{2} - x_{1}^{2} + x_{2}^{2} - y_{1}^{2} + y_{2}^{2})}{(2(y_2 - y_1))(2(x_3 - x_2))-(2(y_3 - y_2))(2(x_2 - x_1))}$$

$$y = \frac{(r_{2}^{2} - r_{3}^{2} - x_{2}^{2} + x_{3}^{2} - y_{2}^{2} + y_{3}^{2})(2(x_2 - x_1)) - (2(x_3 - x_2))(r_{1}^{2} - r_{2}^{2} - x_{1}^{2} + x_{2}^{2} - y_{1}^{2} + y_{2}^{2})}{(2(x_2 - x_1))(2(y_3 - y_2))-(2(x_3 - x_2))(2(y_2 - y_1))}$$

 

식은 매우 복잡한 듯 보이지만 위의 과정을 천천히 따라오셨다면 이해하는 데 큰 어려움은 없으셨을 거라 생각합니다. 이제 위 수식을 바탕으로 실내에서의 사용자 (Tag)의 위치를 측위해보겠습니다.

 

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사용 코드

class AP:
    def __init__(self, x, y, distance):
        self.x = x
        self.y = y
        self.distance = distance

class Trilateration:
    def __init__(self, AP1, AP2, AP3):
        self.AP1 = AP1
        self.AP2 = AP2
        self.AP3 = AP3
    
    def calcUserLocation(self):
        A = 2 * (self.AP2.x - self.AP1.x)
        B = 2 * (self.AP2.y - self.AP1.y)
        C = self.AP1.distance**2 - self.AP2.distance**2 - self.AP1.x**2 + self.AP2.x**2 - self.AP1.y**2 + self.AP2.y**2
        D = 2 * (self.AP3.x - self.AP2.x)
        E = 2 * (self.AP3.y - self.AP2.y)
        F = self.AP2.distance**2 - self.AP3.distance**2 - self.AP2.x**2 + self.AP3.x**2 - self.AP2.y**2 + self.AP3.y**2
        
        user_x = ( (F * B) - (E * C) ) / ( (B * D) - (E * A))
        user_y = ( (F * A) - (D * C) ) / ( (A * E) - (D * B))
        return user_x, user_y

 

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실험 가정

 

 

위 그림과 같이 좌푯값이 주어진 세 개의 AP를 사용하여 Tag의 위치를 계산해봅시다. AP별 Tag의 거리는 비콘 메시지의 RSSI를 활용하여 계산된 거리입니다. 따라서 실험 가정을 기반의 실행 코드는 아래와 같습니다.

 

if __name__ == "__main__":
    ap1 = AP(4, 4, np.sqrt(32))
    ap2 = AP(12, 4, np.sqrt(32))
    ap3 = AP(8, 12, 4)

    tril = Trilateration(ap1, ap2, ap3)
    x, y = tril.calcUserLocation()
    print(x)
    print(y)

 

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결과

 

 

8.0
8.0