[논문 리뷰] Rebooting Ultrasonic Positioning Systems for Ultrasound-incapable Smart Devices

Qiongzheng Lin, Zhenlin An외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 06.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초음파를 감지할 수 없는 스마트 기기에서도 초음파 마이크로폰의 비선형성에 의해 고주파 초음파 신호를 청취 가능한 주파수로 변환함으로써 센티미터 수준의 실내 위치 추적을 가능하게 하는 새로운 초음파 위치 측정 시스템인 UPS+를 제안한다. 이 시스템은 두 종류의 비콘—트리플레테이션을 위한 uBeacon와 주파수 혼합을 위한 cBeacon—을 사용하여 기존 기기의 하드웨어 수정 없이도 밀리미터 수준의 정확도를 달성한다.

ABSTRACT

An ultrasonic Positioning System (UPS) has outperformed RF-based systems in terms of its accuracy for years. However, few of the developed solutions have been deployed in practice to satisfy the localization demand of today's smart devices, which lack ultrasonic sensors and were considered as being `deaf' to ultrasound. A recent finding demonstrates that ultrasound may be audible to the smart devices under certain conditions due to their microphone's nonlinearity. Inspired by this insight, this work revisits the ultrasonic positioning technique and builds a practical UPS, called UPS+ for ultrasound-incapable smart devices. The core concept is to deploy two types of indoor beacon devices, which will advertise ultrasonic beacons at two different ultrasonic frequencies respectively. Their superimposed beacons are shifted to a low-frequency by virtue of the nonlinearity effect at the receiver's microphone. This underlying property functions as an implicit ultrasonic downconverter without throwing harm to the hearing system of humans. We demonstrate UPS+, a fully functional UPS prototype, with centimeter-level localization accuracy using custom-made beacon hardware and well-designed algorithms.

연구 동기 및 목표

• 대부분의 현대 스마트 기기에서 부재한 전용 초음파 센서가 필요로 하는 기존 초음파 위치 측정 시스템(UPS)의 한계를 해결한다.
• 초음파 하드웨어가 탑재되지 않은 기기(초음파에 '맹세다'고 간주되는 기기)에서도 초음파 기반 위치 측정을 가능하게 하는 도전 과제를 해결한다.
• 스마트폰 마이크로폰의 비선형 응답을 활용해 고주파 초음파 신호를 표준 기기에서 처리할 수 있는 청취 가능한 주파수로 변환한다.
• 기존 부품과 최소한의 기기 수정으로도 실현 가능하고 에너지 효율적이며 구현 가능한 실내 위치 측정 시스템을 설계하여 밀리미터 수준의 정확도를 달성한다.
• 실제 응용 사례를 통해 AirPods 위치 추적, iPad 간 짝짓기, Apple Watch를 이용한 손 움직임 추적 등 실생활 적용 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 두 종류의 맞춤형 비콘 장치—트리플레테이션을 위한 배터리 구동 uBeacon와 케이블 구동 cBeacon—을 배치한다.
• uBeacon에서 두 개의 고주파 수준의 초음파 비콘(f₁ 및 f₂ 등)을 방출하고, cBeacon는 다른 주파수에서 두 번째 초음파 톤을 방출한다.
• 스마art폰 마이크로폰의 비선형 혼합 효과를 활용해 |f₁ - f₂| 주파수의 차이 신호 성분을 생성함으로써 초음파 신호를 청취 가능한 범위로 효과적으로 다운컨버트한다.
• 다운컨버트된 신호가 일반 스마트폰 마이크로폰과 오디오 포맷의 샘플링 및 필터링 특성과 호환되도록 2–15 kHz 범위에 들어오도록 보장한다.
• 정확한 왕복 시간-비행 측정을 위해 PTP(Precision Time Protocol)를 통한 정밀 시간 동기화를 구현한다.
• 에너지 소비를 최소화하기 위해 저-duty 사이클 작동 방식을 도입하여, 최적 설정 조건에서 uBeacon의 배터리 수명을 최대 8개월까지 연장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스마트폰 마이크로폰의 비선형성은 하드웨어 수정 없이도 초음파 신호 수신을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 uBeacon와 cBeacon로 구성된 이질적 비콘 아키텍처는 초음파를 감지할 수 없는 기기에서 센티미터 수준의 정확도를 달성하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 인간과 반려동물의 听력에 영향을 주지 않도록 초음파 스펙트럼 전체에서 작동하면서도 높은 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 시스템의 실용적 에너지 효율성은 어떠한가? 그리고 딜레이 시클링을 통해 배터리 구동 uBeacon의 수명을 얼마나 연장할 수 있는가?
• RQ5 AirPods와 같은 소형 기기 위치 추적, 기기 간 짝짓기, 인간의 팔다리 움직임 추적 등 실생활 응용 분야에 효과적으로 구현될 수 있는가?

주요 결과

• UPS+는 하드웨어 수정 없이도 일반 초음파 트랜스듀서와 표준 스마트폰 마이크로폰만으로도 센티미터 수준의 정밀도를 달성한다.
• 시스템은 마이크로폰 비선형성을 성공적으로 활용해 초음파 신호(예: 20–22 kHz)를 청취 가능한 대역(2–15 kHz)으로 다운컨버트함으로써 표준 기기에서 수신이 가능하도록 한다.
• cBeacon와 uBeacon 아키텍처는 통제된 환경과 실제 환경 모두에서 밀리미터 수준의 정밀도를 확보한 안정적인 트리플레테이션을 가능하게 한다.
• 저-duty 사이클 방식을 도입함으로써 에너지 소비가 크게 감소하였으며, PTP 동기화 간격을 1초에서 64초로 늘임으로써 uBeacon의 배터리 수명이 5개월에서 8개월으로 연장되었다.
• 시스템은 AirPods 위치 추적, 10cm 이내의 iPad 짝짓기, Apple Watch를 이용한 손-팔 운동 추적 등 실생활 응용 사례에서 검증되었으며 실용성과 유용성을 입증하였다.
• 다운컨버트된 신호 스펙트럼은 일반 오디오 포맷(M4A 등)이 16 kHz 이상 주파수를 필터링하는 것을 고려해 5–15 kHz 범위로 정밀하게 조정되었다.