DE102017103607A1 - Method for determining the stride length of a pedestrian - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Schrittlänge eines Fußgängers anhand der Detektion eines Schrittes, z. B. in Abhängigkeit von der Größe des sich beim Gehen oder Laufen ergebenden Beinschwenkwinkels seiner Beine, wobei bei dem Verfahrena) ein Schritt des Fußgängers, z. B. die Größe des Beinschwenkwinkels, mittels einer Haupt-Trägheitsmesseinheit ermittelt wird, die von dem Fußgänger an einer Stelle seines Körpers oberhalb der Fußgelenke getragen wird,b) ein mathematisches Modell zur Beschreibung des Zusammenhangs eines Schritts eines Fußgängers, z. B. anhand der Größe des Beinschwenkwinkels und der sich ergebenden Schrittlänge in Abhängigkeit von der Größe und/oder der Bewegung des Körpers beim Gehen oder Laufen bereitgestellt oder entwickelt wird,c) das mathematische Modell und/oder die Haupt-Trägheitsmesseinheit mittels einer zeitweise vom Fußgänger an zumindest einem seiner Füße oder Fußgelenke zu tragenden Hilfs-Trägheitsmesseinheit kalibriert wird,d) Messdaten der Haupt-Trägheitsmesseinheit in das mathematische Modell eingegeben werden unde) die Schrittlänge mittels des kalibrierten Modells bzw. der kalibrierten Haupt-Trägheitsmesseinheit anhand der von dieser gelieferten Messdaten beim Gehen oder Laufen des Fußgängers geschätzt wird.The invention relates to a method for determining the stride length of a pedestrian based on the detection of a step, for. As a function of the size of the resulting during walking or running Beinschwenkwinkels his legs, wherein the method a) a step of the pedestrian, z. B) a mathematical model describing the context of a pedestrian's step, e.g. Provided or developed based on the size of the leg swing angle and the resulting stride length depending on the size and / or movement of the body when walking or running, c) the mathematical model and / or the main moment of inertia measurement unit by a pedestrian at times d) measurement data of the main inertia measurement unit are input to the mathematical model ande) the step length by means of the calibrated model or the calibrated main inertial measurement unit based on the measurement data provided by the latter Walking or running the pedestrian is appreciated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Schrittlänge eines Fußgängers anhand der Detektion eines Schritts. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Methode zur verbesserten und genaueren Schätzung der Schrittlänge eines Fußgängers aufgrund der Schrittdetektion durch ein vom Fußgänger getragenes „Wearable Device“ mit integrierter Trägheitsmesseinheit.The invention relates to a method for determining the stride length of a pedestrian based on the detection of a step. In particular, the invention relates to a method for improved and more accurate estimation of the stride length of a pedestrian due to step detection by a pedestrian-carried "wearable device" with integrated inertial measurement unit.
Wearable Devices finden zahlreiche verschiedene Anwendungen, zu denen die Fußgänger-Navigation zählt. In diesem Fall ist die Trägheitsmesseinheit (IMU - inertial measurement unit) in die Wearable Device eingebettet. Bei Trägheitsnavigationssystemen (INS - inertial navigation system), die auf IMUs basieren, welche nicht am Fuß angebracht sind, wird der Ansatz der Schrittlängen- und Bewegungsrichtungs-Schätzung angewandt. Dieser Ansatz erfordert das Kalibrieren des empirischen Modells, um die Schrittlänge zu schätzen. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren empirischer Modelle für die Schrittlängenschätzung vorgeschlagen. Es werden zwei IMUs verwendet. Eine dieser IMUs ist an einem von den Füßen oder den Fußknöcheln entfernt gelegenen Körperteil des Benutzers, z.B. dem Oberschenkel, angeordnet und wird zum Zweck der Trägheitsnavigation verwendet. Die zweite IMU ist in den Schuh eingebettet und wird zum Kalibrieren des empirischen Modells der ersten IMU verwendet. Es werden zwei Hauptergebnisse erzielt. Erstens ist die Kalibrierung nur während der ersten zwei Minuten erforderlich. Zweitens wird durch die automatische Kalibrierung der Abstandsfehler hinsichtlich der mittleren Abweichung als auch der Standardabweichung reduziert.Wearable Devices find many different applications, including pedestrian navigation. In this case, the inertial measurement unit (IMU) is embedded in the wearable device. In inertial navigation systems (INS) based on IMUs that are not attached to the foot, the approach of the step length and movement direction estimation is used. This approach requires calibrating the empirical model to estimate the stride length. The present invention proposes a method for automatically calibrating empirical models for step length estimation. Two IMUs are used. One of these IMUs is at a user's body part remote from the feet or ankles, e.g. the thigh, and is used for the purpose of inertial navigation. The second IMU is embedded in the shoe and used to calibrate the empirical model of the first IMU. Two main results are achieved. First, calibration is only required during the first two minutes. Secondly, the automatic calibration reduces the mean error distance error as well as the standard deviation.
Einführung: Einer der Faktoren, welche die Popularität von Trägheitssensoren ausgelöst haben, besteht in der Miniaturisierung dieser Sensoren. Trägheitssensoren finden sich nicht nur in Smartphones, sondern auch in Wearable Devices wie z.B. in Smart Watches. In der Tat lässt sich voraussagen, dass diese Sensoren zukünftig auch in die Bekleidung integriert sein werden. Dies erhöht die Motivation zur weiteren Entwicklung von Applikationen auf Trägheitssensor-Basis. Bei der vorliegenden Erfindung liegt der Fokus auf der Trägheitsnavigation.Introduction: One of the factors that has triggered the popularity of inertial sensors is the miniaturization of these sensors. Inertia sensors are found not only in smartphones, but also in wearable devices such as smartphones. in smart watches. In fact, it can be predicted that these sensors will also be integrated into clothing in the future. This increases the motivation for the further development of applications based on inertial sensors. In the present invention, the focus is on inertial navigation.
Bei der Trägheitsnavigation mittels nicht am Fuß angebrachter IMUs wird der Ansatz der Schrittlängen- und Bewegungsrichtungs-Schätzung verwendet, um die Position des Fußgängers iterativ nachzuverfolgen. Gemäß diesem Ansatz erfolgt das Schätzen der Schrittlänge des Benutzers in zwei Haupt-Verfahrensschritten. Bei dem ersten Schritt handelt es sich um die Richtungsschätzung, die üblicherweise mittels der Turn-Rate-Messungen erfolgt. Der zweite Schritt besteht in der Schrittlängen-Schätzung, die mittels eines empirischen Modells erfolgt. Das letztere verlangt eine Kalibrierung, die zeitaufwändig und fehleranfällig ist, falls der Benutzer mit der Prozedur nicht vertraut ist.In-motion navigation using non-foot-mounted IMUs uses the step-length and moving-direction estimation approach to iteratively track the position of the pedestrian. According to this approach, estimating the stride length of the user is done in two main process steps. The first step is the direction estimate, which is usually done using the turn rate measurements. The second step is the step length estimation, which is done using an empirical model. The latter requires a calibration that is time consuming and error prone if the user is unfamiliar with the procedure.
Dieser Nachteil, d.h. die Notwendigkeit einer Kalibrierung, wird beim Stand der Technik hauptsächlich auf drei Arten gehandhabt. Erstens können die Modellparameter auf vorbestimmte Werte gesetzt werden [1]. Zweitens kann eine manuelle Kalibrierung erfolgen, z.B. durch Gehen über eine vorbestimmte Strecke [2]. Drittens können Karten verwendet werden [3]. Dennoch können diese Nachteile dank der Wearable Devices reduziert werden. Da IMUs in der Zukunft in Bekeidung und Schuhen integriert werden, sind dann Trägheitsdaten von verschiedenen Teilen des Körpers verfügbar, ohne dass ein zusätzlicher Kostenaufwand entsteht. Somit können IMUs zur Vereinfachung oder Automatisierung des Kalibrierungsvorgangs verwendet werden.This disadvantage, i. the need for calibration is handled in the prior art primarily in three ways. First, the model parameters can be set to predetermined values [1]. Second, a manual calibration can be done, e.g. by walking over a predetermined distance [2]. Third, cards can be used [3]. Nevertheless, these disadvantages can be reduced thanks to the wearable devices. Since IMUs will be integrated into footwear and shoes in the future, inertial data from various parts of the body will be available without incurring additional costs. Thus, IMUs can be used to simplify or automate the calibration process.
Die Nachteile des Standes der Technik in diesem Zusammenhang sind folgende:
- • Bei einigen der Kalibrierungs-Ansätze ist ein a-priori-Wissen über die Länge des Wegs erforderlich.
- • Bei den Kalibrierungs-Ansätzen wird die mittlere Schrittlänge über eine bestimmte Strecke verwendet, statt die tatsächliche Länge des Schritts zu verwenden.
- • Der Ansatz, bei dem eine Landkarte verwendet wird, erfordert, dass die Landkarte verfügbar ist. Diese ist jedoch nicht stets verfügbar oder könnte Fehler enthalten.
- • Some of the calibration approaches require a priori knowledge of the length of the path.
- • The calibration approaches use the average stride length over a certain distance instead of using the actual length of the step.
- • The approach using a map requires the map to be available. However, this is not always available or could contain errors.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Schätzung der Schrittlänge unter Verwendung eines Schrittlängenberechnungsmodells zu verbessern.The object of the invention is to improve the estimation of the stride length using a step length calculation model.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Schrittlänge eines Fußgängers anhand der Detektion eines Schrittes, z. B. in Abhängigkeit von der Größe des sich beim Gehen oder Laufen ergebenden Beinschwenkwinkels seiner Beine vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
- a) ein Schritt des Fußgängers, z. B. die Größe des Beinschwenkwinkels, mittels einer Haupt-Trägheitsmesseinheit ermittelt wird, die von dem Fußgänger an einer Stelle seines Körpers oberhalb der Fußgelenke getragen wird,
- b) ein mathematisches Modell zur Beschreibung des Zusammenhangs eines Schritts eines Fußgängers, z. B. anhand der Größe des Beinschwenkwinkels und der sich ergebenden Schrittlänge in Abhängigkeit von der Größe und/oder der Bewegung des Körpers beim Gehen oder Laufen bereitgestellt oder entwickelt wird,
- c) das mathematische Modell und/oder die Haupt-Trägheitsmesseinheit mittels einer zeitweise vom Fußgänger an zumindest einem seiner Füße oder Fußgelenke zu tragenden Hilfs-Trägheitsmesseinheit kalibriert wird,
- d) Messdaten der Haupt-Trägheitsmesseinheit in das mathematische Modell eingegeben werden und
- e) die Schrittlänge mittels des kalibrierten Modells bzw. der kalibrierten Haupt-Trägheitsmesseinheit anhand der von dieser gelieferten Messdaten beim Gehen oder Laufen des Fußgängers geschätzt wird.
- a) a step of the pedestrian, z. The size of the leg swing angle is determined by means of a main inertial measurement unit carried by the pedestrian at a location of his body above the ankles,
- b) a mathematical model describing the context of a pedestrian's step, e.g. On the basis of the size of the leg swing angle and the resulting stride length as a function of the size and / or or the movement of the body is provided or developed while walking or running,
- c) the mathematical model and / or the main inertial measurement unit is calibrated by means of an auxiliary inertial measurement unit to be temporarily worn by the pedestrian on at least one of his feet or ankles,
- d) measurement data of the main inertial measurement unit are entered into the mathematical model and
- e) the step length is estimated by means of the calibrated model or the calibrated main inertial measuring unit on the basis of the measured data supplied by the latter when the pedestrian walks or runs.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.An advantageous development of the invention is specified in
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine in den Schuh eingebettete IMU zu verwenden, um empirische Modelle für die Schrittlängenschätzung zu kalibrieren. Zur Veranschaulichung des Konzepts wird ein Modell kalibriert, das auf einer in die Tasche eingeführten IMU basiert. Dabei könnte es sich z.B. um ein Smartphone handeln.According to the invention, it is proposed to use an IMU embedded in the shoe to calibrate empirical models for step size estimation. To illustrate the concept, a model based on an IMU inserted into the pocket is calibrated. It could be e.g. to trade a smartphone.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 die Verteilung der Schrittlänge über dem Beinschwenkwinkel für verschiedene Fußgänger, empirisch ermittelt, -
2 die rekursive Schätzung des Offset b (Schnittpunkt der Ausgleichslinien der1 mit der Y-Achse); jede Linie repräsentiert einen anderen Testgang, -
3 eine schematische Darstellung der Schätzung der Schrittlänge auf Basis des Beinschwenkwinkels und -
4 eine Kurve zur Fehlerbetrachtung.
-
1 the distribution of the stride length over the leg pivot angle for different pedestrians, determined empirically, -
2 the recursive estimation of the offset b (intersection of the compensation lines of the1 with the Y-axis); each line represents a different trial, -
3 a schematic representation of the estimation of the stride length based on the Beinschwenkwinkels and -
4 a curve for error consideration.
Problemstellung: Das Fußgänger-Dead-Reckoning unter Verwendung des Ansatz der Schrittlängen- und Bewegungsrichtungs-Schätzung erfordert ein Schätzen der Schrittlänge des Fußgängers (siehe z.B.
Das Modell ist in
Es sei angenommen, dass Trägheitsdaten vom Fuß des Fußgängers verfügbar sind, z.B. weil eine IMU in den Schuh des Fußgängers integriert ist. In diesem Fall lässt sich Information über die Schrittlänge des Fußgängers mittels der Fuß-IMU erhalten [6]. Diese Information kann zum Kalibrieren des Modells (
Somit besteht die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problemstellung darin, wie man den Versatz b in dem Modell (
Automatische Kalibrierung: Mit der erfindungsgemäßen Kalibrierung wird der Versatz b für jedes Individuum geschätzt, indem von dem Wissen über die Schrittlänge seitens der in den Schuh eingebetteten IMU profitiert wird [6]. Automatic calibration: The calibration according to the invention estimates the offset b for each individual by taking advantage of the knowledge of the stride length provided by the IMU embedded in the shoe [6].
Das vorgeschlagene Kalibrierungsverfahren basiert auf dem Verfahren der kleinsten Quadrate. S'k sei die Schrittlänge zum k-ten Zeitpunkt, die aufgrund der am Fuß angebrachten IMU bekannt ist. Der mittlere quadratische Fehler bei der Schrittlängenschätzung, x(b), ist gegeben durch:
Somit führt das Lösen der vorstehenden Gleichung für den Versatz b zu dem Ergebnis:
Das letztere kann als eine tiefpassgefilterte Schätzung des Versatzes b über sämtliche Schritte hinweg gesehen werden. Zusätzlich zur Minimierung des quadratischen Fehlers (
Diese rekursive Gleichung vermeidet das Erfordernis eines Abspeicherns von Information, z. B. des Sets von Werten von S'.This recursive equation avoids the need to store information, e.g. The set of values of S '.
In
Ein interessantes Ergebnis in
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, befasst sich das gemäß der Erfindung vorgesehene Verfahren mit der Notwendigkeit der Kalibrierung der Modelle zur Schrittlängen-Schätzung. Das Verfahren gemäß der Erfindung wird als spezielles Schrittlängen-Schätzverfahren verwendet. Dieses ist in [2] erläutert.As can be seen from the above description, the method according to the invention deals with the necessity of calibrating the models for step length estimation. The method according to the invention is used as a special step length estimation method. This is explained in [2].
Das Modell zur Schrittlängen-Schätzung wird verwendet, um die Länge eines Schritts des Fußgängers zu schätzen, während dieser geht. Es existieren zahlreiche Typen derartiger Modelle, von denen einige in [2], [7], [8] und in Verweisen innerhalb dieser Veröffentlichungen aufgeführt sind. Das Hauptmerkmal dieser Modelle ist, dass sie an jeden Fußgänger angepasst werden müssen.The step size estimation model is used to estimate the length of a pedestrian's step as it goes. There are numerous types of such models, some of which are listed in [2], [7], [8] and in references within these publications. The main feature of these models is that they have to be adapted to each pedestrian.
Das Modell zur Schrittlängen-Schätzung kann geschrieben werden als:
Der aktuelle Stand der Technik folgt zwei Haupt-Ansätzen:
- • Setzen der Parameter des Modells auf vorbestimmte Werte [1]. In diesem Fall wird das Modell zur Schrittlängenschätzung die tatsächliche Schrittlänge des Fußgängers überschätzen oder unterschätzen.
- • Manuelle Kalibrierung [2], z.B. durch Gehen über eine vorbestimmte bekannte Strecke und Zählen der Anzahl von Schritten. Diese beiden Werte erlauben das Schätzen der mittleren Schrittlänge. Dann werden die Parameter des Modells geschätzt, um die mittlere Schrittlänge anzupassen.
- • Kalibrierung mit Hilfe von Landkarten [3]. In diesem Fall geht der Fußgänger über eine vorbestimmte Strecke, deren Länge aufgrund der Landkarte bekannt ist. Dann wird ein Ansatz ähnlich dem zuvor beschriebenen Ansatz verfolgt. Anschließend muss die Anzahl der auf dieser Strecke gegangenen Schritte gezählt werden. Daraufhin wird die mittlere Schrittlänge geschätzt, und anschließend werden die Parameter des Modells geschätzt, um diese mittlere Schrittlänge anzupassen.
- • Set the parameters of the model to predetermined values [1]. In this case, the step size estimation model will overestimate or underestimate the pedestrian's actual stride length.
- • Manual calibration [2], eg by walking over a predetermined known distance and counting the number of steps. These two values allow estimating the average stride length. Then the parameters of the model are estimated to adjust the mean stride length.
- • Calibration using maps [3]. In this case, the pedestrian goes over a predetermined distance, the length of which is known due to the map. Then, an approach similar to the approach described above is followed. Then count the number of steps taken on this route. The average stride length is then estimated, and then the parameters of the model are estimated to adjust this median stride length.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sind keine Benutzerprofile erforderlich. Wie zuvor erwähnt, erfordert das Kalibrieren des Modells (
Dieser Ansatz kann auf sämtlichen Gebieten verwendet werden, auf denen es erforderlich ist, die Länge eines Schritts des Fußgängers mittels eines derartigen Modells zu schätzen, beispielsweise:
- • Gesundheitssektor
- • umgebungsunterstütztes Wohnen
- • Trägheitsnavigation für Massenmarkt-Anwendungen oder Anwendungen für professionelle Benutzer.
- • Health sector
- • Ambient assisted living
- • Inertia navigation for mass market applications or professional user applications.
LITERATURVERZEICHNISBIBLIOGRAPHY
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102015209607 A1 [0012]DE 102015209607 A1 [0012]
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