"5조-오늘제빵소"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 18일 (토) 05:48 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 시각 장애인을 위한 실내 길 안내 서비스

영문 : Indoor navigation system for people with visual impairments

과제 팀명

오늘제빵소

지도교수

황면중 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 이*재(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 김*호

서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 김*민

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 노*하

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

시각장애인들이 실내에서 원하는 목적지로의 길을 찾기 어려운 문제를 해결하기 위해 백화점이나 공항 같은 대형 건물의 실내 길안내를 도와주는 웨어러블 디바이스를 이용한 길 안내 서비스를 설계한다. 지도 작성 및 위치추정 기술을 사용하여 사용자에게 위치 정보를 제공하고, 추정된 위치로부터 목적지까지의 경로계획을 통해 사용자에게 경로 또한 제시한다. 사용자의 특수성을 고려하여 사용자 가 GUI를 통해 목적지를 입력하면, 디바이스는 음성 메시지 방식을 통해 위치 및 경로 정보를 제공하도록 한다.

개발 과제의 배경

시각 장애인의 독립 보행이란 특정환경 속에서 자신의 잔존시각을 포함한 잔존 감각을 활용하여 자신의 현재 위치를 파악하고 주변 환경과 관계하여 자신이 원하는 목적지까지 이동하는 행동으로 정의내릴 수 있다. 독립 보행능력 보유 여부는 시각장애인의 자기존중감에 긍정적 영향을 미치며, 신체적 능력 향상과 사회활동 참여 증진, 고용기회의 확대까지 이어진다는 점에서 시각장애인 교육 및 재활 분야의 핵심으로 간주되고 있다.

최근 들어 GPS기반 장비와 각종 표지판, 이정표와 같은 랜드마크들이 늘어남에 따라 실외에서의 길찾기 작업 점점 수월해지고 있다. 하지만 실내 공간의 길 찾기의 경우 실내공간의 대형화, 전자지도 구축미비, GPS 기반 도구의 기능적 한계 등의 문제로 인해 이전에 비해 점점 어려워지고 있으며, 이는 시각장애인 또한 해당되는 흐름이다.

「시각장애인 실내보행용 앱 개발을 위한 욕구 및 선호 연구」 에 따르면 조성재는 시각장애인을 대상으로 한 실내 공간 이용시 느끼는 주관적 어려움정도를 조사한 결과에서 “어려운 편이다”~”어렵다” 의 경우가 적게는 66%, 많게는 80%까지 나타나는 사실을 지적하고 있다.

특히 백화점이나 공항의 경우는 그 비율이 더 높은 것으로 확인되었다. 이렇듯 현재 시각장애인들은 실내 공간에서 길을 찾기 어려운 현실을 마주하고 있다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 우리나라의 경우, 위와 같은 몇몇 장소들은 점자블록, 음성안내 단말기, 음향신호기 수신기 등을 설치하여 시각장애인들이 위치에 대한 정보를 얻을 수 있게끔 시행하고 있다. 하지만 그러한 노력들에도 불구하고 여전히 시각장애인들에 대한 위 기관들의 접근성은 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 이는 「시각장애인의 실내안내시설 설치 이용만족도 조사 (김인배, 2020)」 에서 나타나는데, 모든 연령대에서 낮은 만족도를 보여준다. 때문에 결국 흰 지팡이나 안내견, 행인에게 묻기 등의 수단으로 이동하는 것이 보통이다.

우리는 이러한 문제를 개선하기 위해 웨어러블 기기를 이용하여 시각장애인이 원하는 목적지지까지의 길을 안내해주는 서비스를 설계및 제작할 것이다. 이를 통해 시각장애인들이 백화점이나 공항과 같은 길찾기가 어렵고 복잡한 건물에서 목적지까지 쉽게 도착할 수 있게 하여, 실내외 어느 곳에서도 불편함을 느끼지 않게 독립보행 능력을 실현하는 데 도움을 줄 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

우리들은 백화점이나 공항 등 규모가 크고 내부 구조가 복잡한 건물에서 길을 찾아주는 웨어러블 디바이스를 제작하고 이를 통해 실질적으로 길찾기에 도움을 주는 것을 목표로 한다. 우리가 설계할 장치에는 가급적 실제 사용자들이 중요시하는 부분을 구현하는 것을 목표로 하였다. 「시각장애인 실내보행용 앱 개발을 위한 욕구 및 선호 연구」에 따르면 조성재는 시각장애인들은 실내 보행 및 길찾기를 도와주는 어플리케이션에 바라는 항목들로 현재 위치에서 가고자 하는 목적지까지의 거리와 방향, 자신의 현재 위치, 목적지에 도착하거나 지나칠 경우 자동도착 알림 기능 3가지가 핵심적인 요구 기능으로 선호되고 있다고 하였다.

또한 웨어러블 디바이스인만큼 너무 거추장스럽거나 무거우면 오히려 불편함을 초래할 것이다. 따라서 휴대성과 사용성 또한 고려하여야 한다. 일반적인 웨어러블 기기나 어플리케이션과는 달리 장치의 조작방법과 피드백을 받는 방식 또한 사용자에 맞추어 디자인하여야 한다. 같은 연구에서 실내보행용 스마트폰 app으로 정보 수용 시 선호하는 방식으로 음성 메시지 단독 사용과, 음향 신호와 진동음 병용이 주로 꼽혔다.

이에 따라 가장 높게 선호되는 음성 메시지 방식으로 사용자에게 정보를 전달하는 것을 목표로 한다. 따라서 우리의 개발 목표치는 다음과 같다. 1. 원하는 목적지까지 길을 정확하게 안내하는 것 2. 시스템이 현재 위치를 정확히 파악하는 것 3. 목적지에 도착할 경우 도착 알림을 하는 것 4. 휴대하기 편안한 것 5. 시각장애자가 조작하고 피드백을 받기에 편리한 것 시각장애인을 위한 길안내 서비스는 수익을 내기 위함이라기보다는 공익을 위한 서비스이므로, 가격 경쟁력을 갖추기 보다는 정확한 서비스를 제공하는 제품을 설계하고, 백화점이나 공항 등 특정 공간에 정부 또는 지자체 지원을 받아 구비하는것을 목표로 한다. 이렇게 구비된 제품을 안내데스크에서 대여해주는 방식으로 사용자가 이용한다. 기기의 이용은 전맹 사용자보다는 저시력자와 시야장애자를 대상으로 하고, 전맹 사용자는 안내데스크에서 기기의 조작을 도와주는 것을 목표로 한다.

세부 개발 내용

웨어러블 디바이스

임베디드 컴퓨터가 장착된 디바이스를 사용자가 착용하는 형태를 목표로 한다. 디바이스는 카메라가 상향된 전방을 확인할 수 있도록 전면으로 멜 수 있는 슬링백 형태로 제작하도록 한다. 휴대하기 용이하도록 무게가 무겁지 않게 하고, 디바이스의 통기성을 높여 발열 또한 고려해야 한다.

디바이스 내에는 임베디드 컴퓨터, RGBD 카메라, 충전형 배터리, 터치스크린 디스플레이가 하우징 되어 장착된다. 장착된 컴퓨터에 맞게 배터리 형태로 전원을 공급하고, 다른 기기와의 통신 없이 장착된 컴퓨터 내에서 목표한 기능을 수행한다. 생성된 경로와 위치 정보는 골전도 이어폰을 통해 사용자가 주변 소리를 듣지 못하는 단점을 극복하고 사용자에게 음성 피드백 형태로 제공할 수 있도록 설계한다.

소프트웨어

RGBD 카메라를 이용해 지도를 작성하고, 완성된 지도를 바탕으로 목표한 기능들을 수행한다. 지점마다의 마커를 제외하면 별도의 통신설비가 필요 없고, 지속적인 지도 업데이트를 통해 장소의 변형이나 교체에 유연하게 대처 가능하도록 설계한다. 사용자의 특수성을 고려하여 정보 입력, 전달의 편의성 또한 목표치에 추가하여 설계하도록 한다.

• Mapping

단안, 양안 카메라에 비해 깊이를 직접 계산할 필요가 없는 RGBD 카메라를 사용한다. 사용자에게 길을 안내하는 서비스를 수행하기 이전에 디바이스는 지도를 작성하고, 지도 데이터를 저장한다. 저장된 지도 내에는 목적지로 설정 가능한 지점마다의 마커가 있으며, 각 마커에는 지점의 정보가 포함된다. 목표한 기능을 수행할 수 있을 만큼의 밀도를 갖춘 포인트 클라우드 지도를 작성하도록 한다.

• Localization

지도 작성 또는 길 안내 서비스 도중에 수행하며, 저장된 지도를 바탕으로 특징점 기반 visual localization을 실시한다. 키 프레임마다 현재의 위치를 추정한 후 지도 작성중에는 지도를 최적화 하는 역할을 수행하고, 길안내 서비스 중에는 목적지 도착 여부를 판별 하거나 경로 이탈의 경우 경로를 재설정하도록 한다.

• Path Planning

현재 상용 네비게이션에서 사용되고 있는 다익스트라 알고리즘을 이용한다. 실내 건물은 실제로 3D이지만, 같은 층 내에서는 실질적으로 2D인 점에서 실내 길찾기에도 동일한 알고리즘을 적용 가능하다. 벽면에 가중치를 높게 두면 최대한 안전한 경로를 찾는 등 적용범위가 넓다.

• 정보 전달

「시각장애인 실내보행용 앱 개발을 위한 욕구 및 선호 연구」 에 따르면 시각장애인들은 정보 수용 시 음성메시지를 가장 높게 선호하는 경향을 보여주었다. 이에 따라 본 시스템에서도 TTS API를 통해 사용자에게 음성 메시지를 출력하는 방식으로 설계한다. 또한 입력의 경우 본 시스템은 저시력자와 시야 장애자를 주 대상으로 하므로 GUI 사용이 어느정도 가능함을 상정하고 있다. 따라서 사용자 입력은 디스플레이를 사용하고, 직관성을 높인 터치 GUI를 통해 목적지를 입력하도록 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1. 실내 측위 기술

내비게이션의 정확도는 자기 위치의 정확도에 직결된다. 이를 인지한 많은 사람들이 다양한 방식을 통해 자신의 위치를 측정하는 방법을 연구 및 개발하였고, 현재 GPS를 기반으로 한 측위 시스템은 이러한 기술의 중심에 서 있다. 하지만 실내의 경우 수신되는 GPS 신호에 문제가 있기 때문에 대신에 다른 신호 혹은 센서를 통해 위치를 측정해야 한다. 근거리 무선통신을 이용하는 신호기반 측위와 센서자체를 사용하는 센서 기반 측위가 있다. 하나의 방법을 사용하기도 하지만, 정확도 향상을 위해 복수의 방법을 혼합하여 측위를 하는 경우 또한 있다.

• 무선 근거리 통신 기반

Indoor Positioning System (IPS) 라고도 한다. GPS와 유사하게 실내에 송신기를 두어 각 위치에서 신호를 발신하고, 수신기가 신호의 패턴, 강도 등을 분석하여 자신의 위치를 측정한다. 현재의 실내 위치 측정에 많은 부분을 차지하고 있으며, 2000년대 중반 RFID, WiFi, Bluetooth를 사용한 기술들로부터 시작하여 최근의 BLE, UWB, LTE 등 다양한 신호를 기반으로 한 기술들이 개발되어 왔다. 송신기의 비용은 비교적 저렴하지만, 대형 인프라를 구축하기 위해서는 복수의 송신기가 필요하며, 신호가 측정의 기준이기 때문에 간섭에 취약하다. 따라서 설비 원가 절감과 타 신호 간섭에 대해 강건한 측위방법이 연구되고 있다.

• • 저전력 블루투스(BLE)

최근 사용되는 BLE 비콘은 기존 블루투스 프로토콜에 비해 배터리소모가 적은 것을 최대 장점으로 가진다. 또한 이용자가 별도의 행동을 취하지 않더라도 삼각측량법 또는 핑거프린트 방법을 통해 자동으로 이용자의 위치를 파악하고, 관련 서비스를 제공 가능하다. 측정 범위가 50m정도로 넓고, RSS를 사용하여 근접 정보까지 이용 가능하다. 현재는 측정된 위치의 정확도가 떨어져 넓게 상용화되지는 않았지만, 앞서 서술한 강점들 덕분에 스마트 모바일 기기 환경과 융합도가 높고 비용면의 큰 이점을 통해 향후 실내 측위를 위한 가장 주목받는 기술 중 하나이다.

• • Wi-Fi

Wi-Fi기반 AP는 오늘날 대부분의 실내 환경에 비치되어 있고 소비자용 장치들 대다수가 Wi-Fi를 지원하고 있다. 근거리 네트워크를 위해 개발되었지만, 이러한 특징을 통해 별도의 단말기 보급 없이 Wi-Fi를 이용한 실내 측위 연구가 활발히 진행되어 왔다. 블루투스와 마찬가지로 AP로부터 정보를 수집해 삼각측량법 혹은 핑거프린트 방법으로 이용자의 위치를 측위 한다.

• • UWB(Ultra-WideBand)

UWB는 500MHz 이상의 대역폭을 가지거나 점유 대역폭이 중심 주파수의 20% 이상인 무선 기술로 정의된다. UWB는 저전력의 광대역 신호를 사용하여 높은 에너지 효율성과 다중경로 페이딩에 강하며, IR-UWB의 경우 매우 짧은 펄스 신호를 사용하여 수 센티미터 이내의 정확도를 갖는다. 이러한 특성은 실내 환경에서 활용하기 매우 적합한 측위 기술로 평가되고 있지만, UWB 활용 가능 주파수 대역이 대부분의 국가에서 이미 다른 용도의 시스템에 할당되어 운용되고 있기 때문에 간섭 회피 기술이 요구되며, 기존 실내 환경에 이미 보급되어 사용되고 있는 Wi-Fi, BLE 방식에 비해 비용 효율 측면에서는 여전히 불리함을 지니고 있다.

• 센서 기반

수신기의 역할이 더 확대되어 장착된 센서를 통해 직접 정보를 스캔하고 분석하여 위치를 추정한다. 경우에 따라 기지국이 필요하지 않을 수도 있으며, 카메라, 초음파 센서, 라이다 등 다양한 센서가 사용된다. 실제로 측정이 아닌 센서값에 따른 추정이기 때문에 정확한 알고리즘, 필터링, 상대적으로 높은 성능의 하드웨어가 필요하며, 이를 보완하기 위해 두 개 이상의 센서를 융합하거나 인공지능 기반의 필터를 통해 추정 오차를 보완하는 방향으로 연구되고 있다.

• • Visual Localization

Visual Localization 기술은 실내/실외에서 이미지만으로 현재 위치를 추정하는 기술이다. 지도가 필요하지 않은 인공지능 기반의 기술 또한 존재하지만, 많은 경우 3D 지도를 이용하여 이용자의 위치를 추정한다. 이는 기존의 Visual-SLAM 시스템에서의 Relocalization 기능과 유사한데, Relocalization은 미리 Visulal-SLAM으로 작성된 3D 지도 데이터에서 특징점을 연결 짓거나 Bags of Words 사전을 이용하여 루프를 탐지하고 자신의 위치를 구하는 SLAM 모듈 이다. 즉 실질적으로 기존 지도가 없는 상황에서는 Visual-SLAM을 통해 3D지도를 작성해야 하며, 만들어진 포인트 클라우드 지도가 Visual Localization의 시작점이 된다.

• • Pedestrian Dead Reckoning

Pedestrian Dead Reckoning은 IMU센서를 이용하여 보행자의 가속도와 각속도를 측정하고, 이를 통해 보행자의 속도와 방향, 거리를 계산하는 기법이다. PDR 시스템은 구축비용이 비교적 적고, 환경의 제약이 없다는 장점을 가진다. 자이로스코프, 가속도계, 지자기센서가 측정하는 각각의 값을 통해 초기위치로부터 dx, dy, dz를 더해나가면서 이동경로를 추정한다. 이때 오차가 계속 쌓이기 때문에 필터의 사용이 필수적이다. 지도 혹은 다른 실내 측위 방법 없이는 절대적 위치를 파악할 수 없지만, 앞서 서술한 강점들 덕분에 현재 소방관들의 이동 경로 파악 시스템 개발에 이용되고 있다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

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특허 출원 내용

내용