AoA-Based UWB RTLS

Single Anchor + Single Tag 실시간 위치 추적 시스템
DS-TWR 기반 거리(Ranging)와 AoA(Angle of Arrival) 기반 각도(Angle Estimation)를 융합해 저복잡도·실시간 RTLS를 구현

1. 개요

**단일 앵커(Anchor)**와 단일 태그(Tag) 만으로 실시간 위치 추적(Real-Time Locating System, RTLS)을 구현한 프로젝트입니다.
기존 삼각측량 방식이 최소 3개 이상의 앵커를 요구하는 것과 달리, **AoA(Angle of Arrival)**를 도입해 앵커 수를 줄이고 시스템 구조를 단순화했습니다.

2. 시스템 및 신호 흐름 비교

<div align=“center”> <table> <tr> <th align=“center”>삼각측량법 RTLS</th> <th align=“center”>AoA RTLS</th> </tr> <tr> <td align=“center”> <img src=“./imgs/TRI_CAR.png” width=“400” height=“400” alt=“삼각측량 RTLS 시스템”> </td> <td align=“center”> <img src=“./imgs/AOA_CAR.png” width=“400” height=“400” alt=“AoA RTLS 시스템”> </td> </tr> <tr> <td align=“center”> <img src=“./imgs/TRI_MSG.png” width=“400” height=“700” alt=“기존 RTLS 신호 흐름”> </td> <td align=“center”> <img src=“./imgs/AOA_MSG.png” width=“400” height=“700” alt=“AoA RTLS 신호 흐름”> </td> </tr> </table> </div>

3. 핵심 기술 및 구현 방식

거리 측정 (Ranging)
- DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)을 사용하여 태그와 앵커 간의 정밀한 거리® 계산
각도 측정 (Angle Estimation)
- UWB 안테나 배열의 위상차(Phase Difference) 기반 AoA 계산
위치 추정
- 거리 R과 각도 $\theta$를 결합하여 2D 좌표를 실시간 산출
표준: IEEE 802.15.4z HRP UWB
안테나: XR-170 UWB 지향성 안테나

DS-TWR (거리 측정)	AoA (각도 측정)
<img width=“411” height=“147” alt=“AoA Diagram” src=“https://github.com/user-attachments/assets/977d79b8-7ec6-4300-8c58-126f8e606e96”>	<img width=“224” height=“234” alt=“DS-TWR Diagram” src=“https://github.com/user-attachments/assets/e37c7578-ba79-491c-ba59-383611eb9a40”>

</div>

AoA (Angle of Arrival) 추정 원리

안테나 간의 거리($d$)와 수신 신호의 위상차($\Delta\phi$)를 이용하여 입사각($\Theta$)을 계산합니다.

$$ \lambda : 2\pi = \text{전파의 이동거리} : \Delta\phi $$ $$ \lambda : 2\pi = d \cdot \sin\Theta : \Delta\phi $$ $$ \sin\Theta = \frac{\lambda \cdot \Delta\phi}{2\pi \cdot d} $$ $$ \sin\Theta = \frac{\Delta\phi}{\pi} $$ $$ \theta = \arcsin\left(\frac{\Delta\phi}{\pi}\right) $$

4. 하드웨어 구성

<table align=“center” width=“90%”> <tr> <th align=“center”>역할</th> <th align=“center”>모델명 / 칩셋</th> <th align=“center”>설명</th> </tr> <tr> <td align=“center”><strong>Anchor</strong></td> <td align=“center”>Nordic nRF52840 + Qorvo DW3110</td> <td align=“center”>DS-TWR 기반 UWB 통신, AoA 계산용 신호 수집</td> </tr> <tr> <td align=“center”><strong>Tag</strong></td> <td align=“center”>Nordic nRF52840 + Qorvo DW3110</td> <td align=“center”>이동 객체에 부착, UWB 송수신</td> </tr> <tr> <td align=“center”><strong>Antenna</strong></td> <td align=“center”>XR-170 UWB Directional Antenna</td> <td align=“center”>고지향성으로 AoA 추정 성능 향상</td> </tr> <tr> <td align=“center”><strong>시각화</strong></td> <td align=“center”>MATLAB</td> <td align=“center”>UART 데이터 수신 후 실시간 위치 시각화</td> </tr> </table>

</div>

5. 주요 성과 및 분석

✅ 성과

단일 앵커 + 태그 구성으로 DS-TWR + AoA 융합 실시간 RTLS 구현
실험 환경에서 cm 단위 수준의 위치 추적 정확도 확보
MATLAB 기반 실시간 시각화 성공

⚠️ 문제점 및 해결

Y축 오차
- Y축 이동 시 각도 변화폭이 작아 X좌표 분산이 집중되는 현상
- → 칼만 필터(Kalman Filter) 등 가중치 기반 필터 적용으로 정확도 향상 가능
실시간 시각화 문제
- MATLAB UART 통신 시 데이터 누락 → 버퍼 주기적 초기화로 해결

6. 개선 방향

이동 방향 기반 보정 로직 추가로 안정적 추적
앵커 배치 최적화 및 보조 신호 활용으로 Y축 오차 감소
실시간 필터링(EKF, UKF) 적용으로 잡음 및 지터 완화

7. 데모 영상

8. 수상

🏆 한국 전자파 학회 제 4회 대학생 창의설계 경진대회 동상 수상

UWB AoA RTLS