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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김진현
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2017
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본 논문에서는 수중 전자기파 방사특성인 거리에 따른 감쇠효과를 이용하여 실제 3차원 환경에서 위치추정을 위해 수평 축 방향에 대해 동일한 감쇠특성을 나타내는 전방향성 안테나의 감쇠패턴에 대한 연구를 진행하고 이에 따른 결과로 실제 위치와의 비교분석을 통해 3차원 공간의 위치 추정에 대한 검증을 진행하였다. 수중 3차원 공간에서 전방향성(Omni-directional) 안테나를 통해 전자기파가 방사될 때 신호 감쇠 특성을 이용한 거리 추정과 다수의 안테나를 활용하여 수중 3차원 공간에서 위치 인식 시스템을 구성하기 위해 전자기파의 수중 3차원 감쇠 모델을 제안하였다. 수중 환경에서는 주로 초음파의 이동 시간, 위상 차 등을 이용한 초음파 기반 위치 인식 시스템을 구축하여 위치를 추정해 왔으나, 초음파의 전달 특성 상 구조화된 환경과 같이 복잡하고 장애물이 많은 환경에서는 다중경로효과에 의한 위치 추정 정확성이 낮아지는 단점이 있다. 다중경로효과란 송신측에서 방사된 신호가 수신측에 정확하게 도착하지 못하고 주변의 장애물에 반사된 신호들에 의해 원 신호를 구분하지 못하는 효과를 의미한다. 이러한 효과로 인해 송신측에서 방사된 신호의 감쇠 적어 다른 방향에서 반사된 신호의 세기와 실제 목표에 도달해서 반사되는 신호의 세기의 차이가 적어 이를 구분하기 위한 데이터의 처리가 필수적으로 요구된다. 이를 극복하기 위해 전자기파의 신호감쇠를 이용한 위치 추정 방법이 제안되었다. 물체에 반사되어 돌아오는 초음파의 TOA(Time of Arrival) 기법에 비해 신호감쇠를 통한 송신측에서 수신측의 일방적인 전송기법은 감쇠가 심한 전자기파를 이용할 경우 다른 부분에서 반사되어 오는 노이즈신호 대비 송신측에서 오는 신호가 뚜렷하게 수신되기 때문에 다중경로효과가 적게 발생한다. 이러한 장점을 이용하여 전자기파의 감쇠에 의한 거리추정 기법과 모델이 제안되었고, 다수의 거리추정 데이터를 활용하여 구조화된 2차원 평면에서 정밀하게 위치 추정이 가능하다는 것을 보여주었다. 이 논문에서는 기존에 제안된 전자기파 기반 수중 위치 인식 시스템을 3차원으로 확장하기 위해 FRIIS formula, Plane wave equation을 이용하여, 전자기파의 감쇠 특성을 매질, 복사, 안테나의 영향으로 나누어 분석하였고, 이를 종합하여 전자기파의 3차원 공간에서의 신호감쇠 특성을 도출하였다. 또한 송수신 안테나의 상대 위치(R, Θ, Φ)와 자세(?, θ,ψ)를 이용하여 3차원 추정을 위한 좌표시스템을 정의하고, 좌표시스템의 개별 요소에 대한 감쇠 모델을 정의하였다. 최종적으로 전방향성 안테나에 대한 3차원 공간에서의 일반화 감쇠 모델을 제안하였고, 제안된 모델의 타당성을 실험을 통해 입증하였다. 따라서 제안된 모델이 전방향성 안테나에 적용 가능하며, 임의의 안테나 사이의 3차원 위치에 따른 감쇠모델로 확장이 가능함을 보여주었다. 해당 모델을 가지고 수조 환경에서 3차원 위치 추정을 위한 실험을 진행하고 다수의 안테나 패턴에 따른 추정 결과를 얻었으며 이를 통해 전자기파의 감쇠 패턴을 이용한 수중 로봇의 위치추정에 대해 입증을 진행하였다.
목차
I. 서 론 11. 수중 위치 추정 시스템 21) 초음파 시스템 22) 비전 기반 위치 추정 시스템 52. 전자기파를 이용한 위치 추정 시스템 7II. 전자기파의 수중 감쇠 특성 121. 전자기파의 매질에 따른 감쇠 인자 122. 전자기파의 안테나 특성에 따른 감쇠 인자 15III. 전방향성(Omni-directional) 안테나에서의 전자기파 감쇠 패턴 연구 181. 안테나의 위치에 따른 좌표계 정의 182. 위치 감쇠 요소 정의 (Positional Loss Factor) 203. 자세 감쇠 요소 정의 (Postural Loss Factor) 254. 전방향성 안테나의 일반화 감쇠 모델 정의 275. 안테나의 감쇠 패턴에 따른 요소 검증 281) 위치 변화에 따른 신호감쇠 요소 실험 302) 자세 변화에 따른 신호감쇠 요소 실험 36IV. 3차원 신호 감쇠 모델을 이용한 위치 추정 실험 411. 3차원 신호 감쇠 모델 검증 실험 411) 안테나의 3차원 모델 패턴을 이용한 신호 감쇠 데이터 분석 412) 위치각의 변화에 따른 추정 오차 실험 432. 3차원 모델 기반 위치 추정기법 471) 추정 기준점의 설정 방법 472) 3차원 모델기반 위치 추정 기법 523. 수중 환경 3차원 위치 추정 실험 53V. 결 론 56참고문헌 58영문초록(Abstract) 61
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