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응급구조요원의 정밀한 위치 파악 및 추적을 위한 센서 융합 접근법

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글/밥 스캐널(Bob Scannel), 아나로그디바이스 사업개발팀장

지난 10년 간 화재 안전 및 응급 의료 커뮤니티는 GPS 사용이 불가능한 인프라에서 응급구조요원들의 위치를 정확하게 파악하기 위해 노력해 왔다. 그들의 목표는 수십 분 동안 수 미터 단위의 오차 이내로 응급구조요원의 위치를 정확히 포착하는 것이다. 이는 전술 미사일 유도 시스템이 추구하는 목표와도 거의 일치하는데, 오늘날 이러한 시스템에 선호되는 솔루션은 최소 일만 달러의 가격에 엄청난 크기, 무게 및 전력 소비를 수반한다. 이러한 솔루션은 초기에 응급구조요원용 개념 검증(proof of concept) 시험 장치에도 사용되었었지만, 현장에 도입하기에는 비용과 크기 면에서 부담이 크다고 판단되어 왔다.
위와 같은 이유로, 응급구조요원의 위치 측위(location determination)는 가장 복잡한 위치 어플리케이션 중 하나로 남아 있다. 단 하나의 센서로 위치 측위 어플리케이션이 추구하는 목표를 모두 충족할 수는 없다. 대신 다수의 최첨단 기술 노드를 설치해야 되는 것은 물론, 대규모 센서 융합과 시스템 통합을 통한 접근법이 필요하다.
비용 대비 효과적인 고성능 MEMS 관성 센서는 이러한 솔루션을 설계하는데 기여할 수 있다. 이 글에서는 정교한 알고리즘을 포함하면서 센서와 클라우드를 연결(sensor-to-cloud)하는 완전한 융합 센서 시스템을 고안한다. 주요 접근 방식과 구현에 사용된 기술은 표 1에 정리되어 있다.
시스템 개발자가 주로 마주하는 어려움은 절차적, 환경적, 센서 융합적 측면 등 세 가지로 나누어 볼 수 있다. 다중 센서 솔루션을 설계하는 과정에서 응급구조요원의 임무가 가지는 복잡성은 그들이 마주하는 다양하고 극한 환경과 함께 충분히 고려되어야 한다.

화재 시 수색구조 임무는 고도로 훈련된 과정을 따르는 동시에, 예측 불가능한 실제 상황에 맞추어 조정되어야 한다. 현장에 도입될 정밀 위치 파악 시스템은 기존의 절차 및 장비와 최적화되어야 한다.
이러한 시스템의 요건 중 하나는 고정 또는 임시 인프라 없이도 임무 수행이 가능하도록 하는 것이다. 응급구조요원은 이미 장비의 무게와 비용 측면에서 상당한 부담을 지고 임무를 수행하기 때문에, 시스템을 개발하는 초기 단계에서부터 내장 부품의 소형화와 스마트폰을 기반으로 임무를 수행하는 응급구조요원 1명당 소요 비용을 최소화한다는 목적을 따라야 한다(여기서 현재 스마트폰의 위치 파악 성능은 아직은 많이 부족하여 문제가 된다는 점을 짚고 가야 한다). 그림 1에서는 이상적인 시스템을 구축하는데 가장 핵심적인 1차 및 2차 운영 소요들을 간략히 나타내었다.
환경적 측면
GPS가 연결된 곳이라면 실외 어디서든 위치 확인이 되는 반면, 완전히 실내이거나 실내와 실외가 혼합되어 있는 환경에서는 위치 확인이 훨씬 제한적이다. 일부 실내 환경(예: 쇼핑몰)에서는 기존에 구축된 인프라를 통해 위치 파악이 가능할 수 있지만, 응급구조요원용 시스템의 목표를 달성하기에 정밀하지도, 실용적이지도 않다. 위치 추적 시스템의 설계자가 설계 정의, 부품 선택 및 위험 완화를 위한 접근법을 결정하게 되는 주요 요인은 다음과 같다.
• RF 전파 경로
• 온도/충격이 센서에 미치는 영향
• 인프라가 손상/변형되었을 가능성

센서 융합

앞서 설명한 절차적, 환경적 측면의 문제들은 센서 융합 접근법의 핵심을 이룬다. 1차 센싱 모드는 중요한 작업 모드에서도 성능 저하가 없는 것을 선택하는 동시에, 어플리케이션의 각 단계에서 맞닥뜨릴 수 있는 주요 문제점들을 해결할 수 있는 보조센서를 사용해야 한다(표 2 참조).
미세전자기계시스템(MEMS)은 외부 인프라 없이도 작동이 가능하며 유동적인 환경에서도 정밀하기 때문에 전반적인 솔루션에서 주요한 역할을 수행한다. 이는 물론 MEMS가 극한의 환경에서 작동하고, 적절한 보조 센서를 함께 사용할 때 가능하다...(중략)