[논문 리뷰] Autocalibration of a Mobile UWB Localization System for Ad-Hoc Multi-Robot Deployments in GNSS-Denied Environments

Carmen Martínez Almansa, Wang Shule외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 14.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 21인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 이동 가능한 앵커를 사용하는 모바일 초광대역(UWB) 위치 측정 시스템을 위한 협업형 온라인 자동교정 알고리즘을 제안한다. Decawave DWM1001 모듈을 활용하여 위성항법시스템(GNSS)이 제공되지 않는 환경에서도 정확한 위치 측정을 가능하게 하며, 이는 이동 가능한 앵커를 포함한다. Decawave의 내장된 방법에 비해 교정 지연을 줄이고 정확도를 향상시켜, 동적 앵커 이동 조건에서도 하위미터 수준의 위치 오차를 유지한다. 시뮬레이션과 실제 거리 측정을 통한 검증을 통해 입증되었다.

ABSTRACT

Ultra-wideband (UWB) wireless technology has seen an increased penetration in the robotics field as a robust localization method in recent years. UWB enables high accuracy distance estimation from time-of-flight measurements of wireless signals, even in non-line-of-sight measurements. UWB-based localization systems have been utilized in various types of GNSS-denied environments for ground or aerial autonomous robots. However, most of the existing solutions rely on a fixed and well-calibrated set of UWB nodes, or anchors, to estimate accurately the position of other mobile nodes, or tags, through multilateration. This limits the applicability of such systems for dynamic and ad-hoc deployments, such as post-disaster scenarios where the UWB anchors could be mounted on mobile robots to aid the navigation of UAVs or other robots. We introduce a collaborative algorithm for online autocalibration of anchor positions, enabling not only ad-hoc deployments but also movable anchors, based on Decawave's DWM1001 UWB module. Compared to the built-in autocalibration process from Decawave, we drastically reduce the amount of calibration time and increase the accuracy at the same time. We provide both experimental measurements and simulation results to demonstrate the usability of this algorithm.

연구 동기 및 목표

• 고정된 앵커 위치가 불가능한 GNSS가 제공되지 않는 환경에서 즉각적이고 동적 다중 로봇 배치를 가능하게 하기 위해.
• 기존 UWB 시스템이 정확한 다중거리측정을 위해 사전 교정된 고정 앵커가 필요하다는 한계를 극복하기 위해.
• 앵커의 이동성과 위치 추정 오차의 영향에도 불구하고 위치 측정 정확도를 유지할 수 있는 자가교정 메커니즘을 개발하기 위해.
• Decawave의 내장된 자동교정 펌웨어에 비해 교정 지연을 줄이고 정확도를 향상시키기 위해.
• 이동식 앵커 및 태그의 배치를 위한 실제 거리 측정과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 주기적인 교정 단계 동안 앵커 간 거리 측정 측정치를 사용하여 상대적 앵커 위치를 추정한다.
• 최소 제곱 추정기(least squares estimator)를 통해 앵커 간 거리 측정치 기반으로 앵커 위치를 계산하며, 외부 기준이 없이도 자가교정이 가능하다.
• 앵커 위치 오차는 랜덤 가우시안 노이즈(각 단계당 ±0.1 m)로 모델링하여 교정 간의 내장된 오odom계 트랙킹 오차를 시뮬레이션한다.
• 교정된 앵커 위치와 태그로의 UWB 거리 측정치를 기반으로 다중거리측정을 통해 태그의 위치를 산정한다.
• 자동교정 프로세스는 매 10개의 시뮬레이션 단계마다 촉발되어 축적된 위치 오차를 줄인다.
• 실제 DWM1001 모듈의 UWB 거리 측정 데이터를 사용하여 측정 오차를 특성화하고 시뮬레이션 파rameter를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 가능한 앵커를 가진 이동식 UWB 위치 측정 시스템은 동적이고 GNSS가 제공되지 않는 환경에서도 정확한 위치 측정을 유지할 수 있는가?
• RQ2 제안된 자동교정 알고리즘이 Decawave의 내장된 펌웨어에 비해 교정 지연을 얼마나 줄이고 정확도를 향상시키는가?
• RQ3 오직 앵커 간 거리 측정치만을 사용할 때, 이동식 앵커의 위치 오차를 얼마나 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ4 실제 운동 및 거리 측정 오차 조건 하에서 앵커와 태그의 위치 측정 정확도는 어느 정도인가?
• RQ5 반복적인 교정 사이클을 포함한 장기 시뮬레이션에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 자동교정 알고리즘은 Decawave의 내장된 펌웨어에 비해 교정 지연을 줄이고 정확도를 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 각 교정 사이클 이후 앵커 위치 오차가 크게 감소하며, 오차가 누적되더라도 하위미터 수준의 정확도를 유지한다.
• 앵커와 태그의 변환 오차 분포가 좁게 군집되어 있으며, X 및 Y 방향의 중앙값 오차가 모두 0.1 m 이하이다.
• 앵커 간 거리가 충분할 경우 회전 오차는 낮게 유지되며(0.05 rad 이하), 안정적인 방향 추정이 가능하다.
• 수백 개의 시뮬레이션 단계에 걸쳐도 위치 측정 정확도를 유지하여 累積 위치 오차에 대한 강건성을 입증한다.
• DWM1001 모듈을 사용한 실제 거리 측정 결과는 일관된 오차 특성을 보이며, 시뮬레이션 가정의 타당성을 검증한다.