KR101301462B1 - Pedestiran dead-reckoning apparatus using low cost inertial measurement unit and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 보행자 관성 항법 장치 및 그 항법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치 및 그 항법에 관한 것이다.The present invention relates to a pedestrian inertial navigation device and its navigation, and more particularly, to a pedestrian inertial navigation device using a low-cost inertial sensor and its navigation.
보행자를 위한 위치 인식 기술은 일반적으로 GPS(global positioning system)이 주로 이용된다. GPS는 위성 기반의 전파 항법 장치로서, 비교적 정확하고 절대적인 위치를 제공하는 장점이 있다.Location-aware technology for pedestrians generally uses a global positioning system (GPS). GPS is a satellite-based radionavigation device, and has the advantage of providing a relatively accurate and absolute position.
그러나, GPS는 건물 안, 실내, 터널 등의 신호 음영지역에서는 단독으로 사용이 불가능하다. 이를 해결하기 위해 WLAN, UWB, 초음파, PDR을 융합한 위치 인식 시스템이 연구되고 있다.However, GPS cannot be used alone in signal shadow areas such as inside buildings, indoors, and tunnels. In order to solve this problem, a location recognition system incorporating WLAN, UWB, ultrasound, and PDR has been studied.
WLAN이나 UWB의 경우 GPS 음영 지역에서 절대적인 위치를 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 추가적인 인프라를 구축하여야 한다는 단점이 있다. 이에, 추가적인 인프라의 구축이 없는 PDR(pedestrian dead-reckoning) 방식에 의한 보행자 위치 추정이 많이 연구되고 있다.WLAN and UWB have the advantage of being able to measure absolute position in the GPS shadow area, but have the disadvantage of building additional infrastructure. For this reason, pedestrian dead-reckoning (PDR) method without the construction of additional infrastructure has been studied a lot.
PDR은 보행자가 걸음에 의해 위치를 변화시킨다는 것에 기반하여 개발된 추측 항법 시스템이다. 보행자가 이동하면서 발생하는 걸음 정보를 이용하여 거리와 이동 방향을 측정하여 처음의 위치로부터 이동한 위치를 알 수 있다. 이때, 걸음 정보는 관성 측정 장치(inertial measurement unit, IMU)가 이용된다.PDR is a dead reckoning system developed on the basis that pedestrians change their position by walking. By using the step information generated while the pedestrian moves, the distance and the direction of movement can be measured to know the position moved from the initial position. In this case, an inertial measurement unit (IMU) is used as the step information.
관성 센서는 보행자의 보폭을 얻는 구성으로서, 가속도의 이중 적분을 통해 구하거나 보행자의 걸음 모델을 기반으로 구하는 두 가지 방법이 있다. 이중 적분을 통한 보폭 추정의 경우 정확한 가속도를 얻기 위하여 주로 발에 센서가 장착되고, 가속도 센서로부터 걸음을 걷는 동안의 가속도를 측정하여 거리 값을 구한다. 이때, 발생하는 누적 오차를 최소화하기 위하여 주로 영속도 보정(zero velocity update, ZUPT) 기법을 이용한다.The inertial sensor is configured to obtain the pedestrian's stride length. There are two methods of obtaining the inertial sensor through double integration of acceleration or based on the pedestrian's step model. In the case of stride length estimation through double integration, the sensor is mainly mounted on the foot to obtain accurate acceleration, and the distance value is obtained by measuring the acceleration while walking from the acceleration sensor. In this case, a zero velocity update (ZUPT) technique is mainly used to minimize the accumulated error.
이러한 걸음 모델 기반 기법은 주로 허리에 장착되며 보행자의 이동 중 발생하는 특성 모델링을 통하여 보폭을 추정한다. 걸음 모델 기반의 기법은 모델 파라미터를 구해야 한다는 단점이 있지만 보다 실용적이라는 장점이 있다.The gait model-based technique is mainly mounted on the waist and estimates the stride length through the characteristic modeling that occurs during the movement of pedestrians. The step model-based technique has the disadvantage of requiring model parameters, but it is more practical.
걸음 모델 기반 기법의 경우 허리에 장착할 경우 많은 누적 오차에 대한 보정을 어떻게 하느냐에 따라 정확한 위치 추적이 가능해진다. 이러한 누적 오차 보상 기법은 위치 추적의 중요한 이슈이다.In the case of the step model-based technique, when the waist is mounted, accurate position tracking is possible depending on how to correct a large cumulative error. This cumulative error compensation technique is an important issue of position tracking.
본 발명의 목적은 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a pedestrian inertial navigation device using a low-cost inertial sensor.
본 발명의 다른 목적은 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a pedestrian inertial navigation using a low-cost inertial sensor.
상술한 본 발명의 목적에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치는, 보행자의 허리에 장착되는 가속도 센서와, 상기 보행자의 허리 장착되는 자이로스코프와, 상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 걸음(step)을 검출하는 걸음 검출 모듈과, 상기 검출된 걸음을 이용하여 상기 보행자의 보폭(step length)을 추정하는 보폭 추정 모듈과, 상기 자이로스코프의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하는 자세 및 방향각 추정 모듈과, 상기 보폭 추정 모듈에서 추정된 보폭 및 상기 자세 및 방향각 추정 모듈에서 추정된 자세 및 방향각을 이용하여 상기 보행자의 이동 경로를 산출하는 보행자 관성 항법 모듈을 포함하고, 상기 자세 및 방향각 추정 모듈은 상기 자이로스코프의 측정값에 대한 누적 오차를 보상하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 가속도 센서는 아날로그 디바이스(Analog Device) 사의 MEMS(microelectro-mechanical system) 형 3축 가속도 센서인 ADXL 345이고, 상기 자이로스코프는 인벤센스(InvenSense) 사의 ITG3200을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 걸음 검출 모듈 또는 상기 자세 및 방향각 추정 모듈은, 상기 가속도 센서의 측정값 또는 상기 자이로스코프의 측정값에 대하여 각각 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 걸음 검출 모듈은, 이동 평균 필터(moving average filter) 방식에 따라 걸음을 검출하도록 구성될 수 있다.The pedestrian inertial navigation device using the low-cost inertial sensor according to the object of the present invention, the acceleration sensor mounted on the waist of the pedestrian, the gyroscope mounted on the waist of the pedestrian, and the measured value of the acceleration sensor A step detection module for detecting a step of the step; a step estimation module for estimating a step length of the pedestrian using the detected step; and a posture of the pedestrian using the measured value of the gyroscope ( movement of the pedestrian using the attitude and direction angle estimation module for estimating attitude and heading angle, the stride estimated at the stride length estimation module, and the attitude and direction angle estimated at the attitude and direction angle estimation module. And a pedestrian inertial navigation module for calculating a path, wherein the attitude and direction angle estimation module is configured for the measured value of the gyroscope. It may be configured to compensate for the error ever. In this case, the acceleration sensor is an ADXL 345, which is a microelectro-mechanical system (MEMS) type 3-axis acceleration sensor of Analog Device, and the gyroscope is preferably ITG3200 of InvenSense. The step detection module or the attitude and direction angle estimation module may be configured to perform temperature compensation of a polynominal curver fitting method on the measured value of the acceleration sensor or the measured value of the gyroscope, respectively. . The step detection module may be configured to detect a step according to a moving average filter scheme.
상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법은, 보행자의 허리에 장착되는 가속도 센서에 의해 측정하는 단계와, 상기 보행자의 허리에 장착되는 자이로스코프에 의해 측정하는 단계와, 상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 걸음(step)을 검출하는 단계와, 상기 검출된 걸음을 이용하여 상기 보행자의 보폭(step length)을 추정하는 단계와, 상기 자이로스코프의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하는 단계와, 상기 추정된 보폭 및 상기 자세 및 방향각 추정 모듈에서 추정된 자세 및 방향각을 이용하여 상기 보행자의 이동 경로를 산출하는 단계와, 상기 가속도 센서의 측정 값을 이용하여 상기 자이로스코프의 측정값에 대한 누적 오차를 보상하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 가속도 센서는 아날로그 디바이스(Analog Device) 사의 MEMS(microelectro-mechanical system) 형 3축 가속도 센서인 ADXL 345이고, 상기 자이로스코프는 인벤센스(InvenSense) 사의 ITG3200을 이용하도록 구성될 수 있다. 그리고 상기 보행자의 허리에 장착되는 가속도 센서에 의해 측정하는 단계는, 상기 가속도 센서의 측정값에 대하여 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하고, 상기 자이로스코프의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하는 단계는, 상기 자이로스코프의 측정값에 대하여 다항곡선 적합 방식의 온도 보상을 수행하도록 구성될 수 있다. 한편, 상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 걸음(step)을 검출하는 단계는, 이동 평균 필터(moving average filter) 방식에 따라 걸음을 검출하도록 구성될 수 있다.Pedestrian inertial navigation using a low-cost inertial sensor according to another object of the present invention, the step of measuring by the acceleration sensor mounted on the waist of the pedestrian, the step of measuring by the gyroscope mounted on the waist of the pedestrian; Detecting a step of the pedestrian using the measured value of the acceleration sensor, estimating a step length of the pedestrian using the detected step, and measuring the measured value of the gyroscope. Estimating the attitude and heading angle of the pedestrian using the estimated stride length and the attitude and direction angle estimated by the attitude and direction angle estimation module. Calculating and using the measured value of the acceleration sensor, compensating for a cumulative error of the measured value of the gyroscope; . In this case, the acceleration sensor is an ADXL 345, which is a microelectro-mechanical system (MEMS) type 3-axis acceleration sensor of an analog device, and the gyroscope may be configured to use the ITG3200 of InvenSense. The measuring by the acceleration sensor mounted on the waist of the pedestrian may be performed by performing a temperature compensation of a polynominal curver fitting method on the measured value of the accelerometer and using the measured value of the gyroscope. The estimating the attitude and heading angle of the pedestrian may be configured to perform temperature compensation in a polynomial curve fitting method on the measured value of the gyroscope. Meanwhile, the detecting of the step of the pedestrian using the measured value of the acceleration sensor may be configured to detect the step according to a moving average filter method.
상기와 같은 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치 및 그 항법에 의하면, 저가의 가속도 센서 및 자이로스코프를 이용하여 보행자의 위치를 추적하되, 센서 보정 및 온도 보상 등을 통해 보행자의 정확한 위치 추정을 가능하게 하는 효과가 있다. 보행자 관성 항법 장치의 보급을 확대하고 단가를 절감할 수 있는 장점이 있다.According to the pedestrian inertial navigation apparatus using the low-cost inertial sensor as described above and its navigation, the position of the pedestrian can be tracked using a low-cost acceleration sensor and gyroscope, but accurate estimation of the pedestrian can be performed through sensor compensation and temperature compensation. It's effective. There is an advantage that can increase the spread of pedestrian inertial navigation system and reduce the unit price.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서 및 자이로스코프의 사양을 나타내는 표이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 보정 전후의 비교 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 필터링된 가속도 신호의 검출 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 검출된 걸음 검출 및 보폭 추정의 결과 표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험을 통해 나타난 위치 추정 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 실험을 통해 나타난 위치 추정 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법의 흐름도이다.1 is a block diagram of a pedestrian inertial navigation apparatus using a low-cost inertial sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a table showing specifications of an acceleration sensor and a gyroscope according to an embodiment of the present invention.
3 is a comparison graph before and after correction of an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a detection graph of a filtered acceleration signal according to an embodiment of the present invention.
5 is a result table of step detection and stride length detection detected according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph of a position estimation result shown through an experiment according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph of position estimation results shown through experiments according to another embodiment of the present invention.
8 is a flowchart of a pedestrian inertial navigation using a low-cost inertial sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a pedestrian inertial navigation apparatus using a low-cost inertial sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치(100)(이하, '보행자 관성 항법 장치'라 함)는 가속도 센서(110), 걸음 검출 모듈(120), 보폭 추정 모듈(130), 자이로스코프(140), 자세 및 방향각 추정 모듈(150) 및 보행자 관성 항법 모듈(160)을 포함하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the pedestrian inertial navigation apparatus 100 (hereinafter, referred to as a pedestrian inertial navigation apparatus) using a low-cost inertial sensor according to an embodiment of the present invention may include an
보행자 관성 항법 장치(100)는 저가의 가속도 센서(110) 및 자이로스코프(140)를 이용하여 보행자의 위치를 추적하되, 센서 보정 및 온도 보상 등을 통해 보행자의 정확한 위치 추정을 가능하게 한다. 여기에서, 가속도 센서(110)는 아날로그 디바이스(Analog Device) 사의 MEMS(microelectro-mechanical system) 형 3축 가속도 센서인 ADXL 345이고, 자이로스코프(140)는 인벤센스(InvenSense) 사의 ITG3200을 이용하는 것이 바람직하다.The pedestrian
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서 및 자이로스코프의 사양을 나타내는 표이다.2 is a table showing specifications of an acceleration sensor and a gyroscope according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, MEM형 3축 가속도 센서인 ADXL 345와 3축 자이로스코프인 ITG3200의 세부 사양이 나타나 있다.Referring to FIG. 2, detailed specifications of the ADXL 345, a MEM type three-axis acceleration sensor, and the ITG3200, a three-axis gyroscope, are shown.
다시 도 1을 참조하여 세부적인 구성에 대하여 설명한다.A detailed configuration will be described with reference to FIG. 1 again.
가속도 센서(110)는 보행자의 허리에 장착되어 보행자의 3축 가속도를 측정한다.
걸음 검출 모듈(120)은 가속도 센서(110)의 측정값을 이용하여 보행자의 걸음(step)을 검출하도록 구성된다. 이때, 걸음 검출 모듈(120)은 여러 기법 중에서 이동 평균 필터(moving average filter) 방식에 따라 걸음을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 걸음 검출 모듈(120)은 가속도 센서(110)의 측정값 또는 자이로스코프(140)의 측정값에 대하여 각각 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하는 것이 바람직하다.The
보폭 추정 모듈(130)은 걸음 검출 모듈(120)에서 검출된 걸음을 이용하여 보행자의 보폭(step length)을 추정하도록 구성된다.The stride
자이로스코프(140)는 보행자의 허리 장착되어 피치, 롤, 요의 3축 가속도를 측정한다.The
자세 및 방향각 추정 모듈(150)은 자이로스코프(140)의 측정값을 이용하여 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하도록 구성된다. 이때, 자세 및 방향각 추정 모듈(150)은 자이로스코프(140)의 측정값에 대한 누적 오차를 보상하도록 구성될 수 있다. 이하, 오차 보상에 대하여 좀 더 설명한다.The attitude and direction
그리고 자세 및 방향각 추정 모듈(150)은 가속도 센서(110)의 측정값 또는 자이로스코프(140)의 측정값에 대하여 각각 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하는 것이 바람직하다. In addition, the attitude and direction
보행자 관성 항법 모듈(160)은 보폭 추정 모듈(130)에서 추정된 보폭 및 자세 및 방향각 추정 모듈(150)에서 추정된 자세 및 방향각을 이용하여 보행자의 이동 경로를 산출하도록 구성된다.The pedestrian
이하, 센서를 모델링하여 온도 바이어스 보상을 하는 기법, 가속도 센서 보정하는 기법, 자이로스코프 보정하는 기법, 걸음 검출, 보폭 추정, 자세 및 방향각 추정에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a technique of modeling a sensor to compensate for temperature bias, an acceleration sensor correction technique, a gyroscope correction technique, step detection, stride length estimation, posture and direction angle estimation will be described in more detail.
먼저 센서 보정은 센서의 출력 값이 데이터시트 상에 명시된 값과 동일한 값이 나오도록 보정을 하는 것이다. 이때, 발생하는 오차는 각 센서마다 다르기 때문에 정확한 성능을 얻기 위해서는 각 센서마다 개별적인 보정을 통해서 오차 값을 제거해야 한다. 특히, 저가형 센서를 이용하는 경우 이런 오차가 큰 위치 오차를 유발하므로, 보정이 매우 중요하다.First, sensor calibration is to calibrate the sensor's output to the same value specified on the datasheet. At this time, since the error is different for each sensor, it is necessary to remove the error value through the individual correction for each sensor in order to obtain accurate performance. In particular, when using a low-cost sensor, such an error causes a large position error, so correction is very important.
일반적으로 3축 MEMS 관성센서는 다음 수학식 1과 같은 선형모델식으로 나타낼 수 있다.In general, the 3-axis MEMS inertial sensor can be represented by a linear model equation as shown in
여기서, 는 센서의 측정값이고, 는 오차가 없는 센서의 실제값이고, 는 센서의 바이어스 오차값이고, 은 센서의 비정렬 오차(misalignment error)와 비직교 오차(non-orthogonal error)이다. 그리고 는 환산 계수(scale factor)를 나타낸다.here, Is the measured value of the sensor, Is the actual value of the sensor without error, Is the bias error of the sensor, Are misalignment and non-orthogonal errors of the sensor. And Denotes a scale factor.
수학식 1은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, 는 환산 계수, 비정렬 오차, 비직교 오차가 결합된 3X3 행렬이다. 최종적으로 구하고자 하는 보정된 센서의 는 다음 수학식 3과 같다.From here, Is a 3X3 matrix that combines the conversion coefficients, the misalignment error, and the non-orthogonal error. Of the calibrated sensor Is as shown in
다음으로, 온도 보상 기법에 대하여 설명한다. Next, the temperature compensation technique will be described.
관성 센서를 이용한 관성 항법에서 오차의 주된 원인 중 하나는 바이어스 오차에 의한 누적 오차이다. 바이어스 오차는 온도에 영향을 크게 받기 때문에 온도 보상이 필요하다.One of the main causes of errors in inertial navigation using inertial sensors is the cumulative error due to bias error. Bias error is highly temperature dependent and requires temperature compensation.
본 발명에서는 가속도 센서(110)와 자이로스코프(140)에 온도 바이어스 보상을 먼저 한 후 수학식 3의 파라미터를 구한다. 온도 보상 기법에는 3점 보상, 선형 적합(linear fitting), 다항곡선 적합(polynomial curve fitting) 등이 사용된다. 3점 보상이나 선형 적합은 간단한 계산을 통해 보상이 가능하지만 온도와 센서 출력 값이 항상 선형일 때만 정확한 보정이 가능하다. 다항곡선 적합은 둘 사이의 관계가 비선형이어도 정밀한 보상이 가능하지만 보다 정밀한 보상을 위해서는 고차 다항식이 요구되어 계산 시간이 증가된다는 단점이 있다.In the present invention, temperature bias compensation is first performed on the
본 발명에서는 비선형에도 가능하고 계산량이 적은 2차 다항곡선 적합을 이용한다. 온도 바이어스가 보상된 센서 값 는 다음 수학식 4와 같다.The present invention utilizes a second order polynomial curve fit that is also possible for nonlinearity and has a small amount of computation. Sensor value compensated for temperature bias Is as shown in
여기에서,이고, From here, ego,
이다. to be.
수학식 3에 대신에 를 대입하면 온도 바이어스를 보상한 수학식 5가 된다.In equation (3) Instead of Substituting into
다음은 가속도 센서(110)의 보정에 대하여 설명한다.Next, correction of the
일반적으로 가속도 센서(110)는 움직임이 없는 정지 상태에서 는 중력가속도, g 값만을 가진다. 이를 바탕으로 가속도 센서(110)의 보정에 이용할 수 있다. 3축 가속도 센서는 지구의 중력 방향과 수직인 6개의 자세에서 가속도 값이 각각 ±1g 값을 가지게 된다. 6개의 자세에서 가속도 센서(110)를 수평으로 놓고 그때의 각각의 가속도 값을 수집한 후 최소자승법을 통해 과 를 구한다.In general, the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가속도 센서의 보정 전후의 비교 그래프이다.3 is a comparison graph before and after correction of an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 보정 전후의 가속도 신호를 나타낸 것으로 z 축을 1g 상태에서 회전시켜 -1g로 두었다가 다시 원래 위치로 두었을 때의 신호의 모습이다.Referring to FIG. 3, the acceleration signal before and after correction is shown, and the signal is obtained when the z axis is rotated in a state of 1 g and left at −1 g and then returned to its original position.
다음은 자이로스코프(140)의 보정에 대하여 설명한다.Next, correction of the
자이로스코프(140)의 오차 파라미터 추정은 기준 값을 알고 있다는 가정 하에서 측정된 각속도 값과의 오차 정보를 이용하여 오차 파라미터들을 추정하므로 가속도센서(110)와는 다르게 레이트 테이블(rate table)과 같은 회전 측정 장치가 있어야 가능하다. 자이로스코프(140)의 바이어스 오차는 자이로스코프(140)가 정지상태에 있을 때 자이로스코프(140)의 각축의 센서 데이터의 출력의 평균을 통해 구한다. 이 값은 온도 바이어스 보상을 통해 구한 값과 동일하기 때문에 자이로스코프(140)의 바이어스 는 무시한다. 따라서 수학식 5는 다음 수학식 6으로 표현될 수 있다.The error parameter estimation of the
값의 추정은 레이트 테 이블(rate table)에서 나오는 각속도 실제 값, 와 각각의 자이로 축의 측정값, 를 이용하여 최소자승법을 사용한다. The estimate of the value is the actual value of the angular velocity from the rate table, And measurements of each gyro axis, Use the least-square method using.
이하, 걸음 검출 기법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a step detection technique will be described.
보행자 관성 항법 시스템은 사람의 걸음을 기반으로 위치를 추정하므로 걸음 검출이 정확하게 구현되어야 한다. 주로 걸음 검출 기법은 피크치 검출 기법, 일정 구간 검출 기법, 영교차점 검출 기법 등이 있다. 일정 구간 검출 기법은 센서가 발에 장착되었을 때에나 사용이 가능하다. 본 발명과 같이 허리에 장착된 경우에는 대부분 가속도 센서(110)의 패턴을 이용해서 걸음을 검출한다.Since the pedestrian inertial navigation system estimates the position based on human's walking, step detection must be accurately implemented. Step detection methods mainly include peak value detection, constant range detection, and zero crossing detection. The range detection technique can be used only when the sensor is mounted on the foot. When mounted on the waist as in the present invention, a foot is detected using a pattern of the
본 발명에서는 걸음 검출을 위하여 피크치 검출 기법과 영교차점 검출 기법을 결합하여 이용한다. 가속도 센서(110)는 중력 가속도의 영향을 받기 때문에 자세에 따라 값이 달라진다. 자세에 강인한 걸음 검출을 위해 보정된 3축 가속도 값 의 크기 값인 를 사용한다.In the present invention, a peak value detection technique and a zero crossing detection technique are used in combination to detect a step. Since the
피크치 검출 기법과 영교차점 검출 기법은 가속도 센서(110)의 노이즈에 민감하다. 가속도 센서(100)의 값의 노이즈로 인해 순간적인 에러 값이 발생하게 되면 잘못된 걸음을 검출할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 걸음 검출의 성능을 개선시키기 위하여 값에 이동평균 필터(moving average filter)를 적용한다. 도 4는 이동평균 필터의 적용 전후의 데이터를 나타낸다. 도 4를 통해 좀 더 설명한다.The peak value detection technique and the zero crossing detection technique are sensitive to noise of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 필터링된 가속도 신호의 검출 그래프이다.4 is a detection graph of a filtered acceleration signal according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 이동평균 필터를 적용하기 전에는 노이즈로 인해 걸음 검출 알고리즘을 적용하기가 어렵지만 이동평균 필터를 적용한 후에는 피크 값과 영교차점의 검출이 용이한 신호의 형태로 바뀌게 되어 정확한 걸음 검출이 가능해진다. 걸음 검출 알고리즘의 조건은 다음과 같다.Referring to FIG. 4, it is difficult to apply a step detection algorithm due to noise before applying the moving average filter. However, after applying the moving average filter, the step is changed into a signal form in which peak values and zero crossings are easily detected. This becomes possible. The conditions of the step detection algorithm are as follows.
1) 최대 피크치 > 최대 임계치 & 최소 피크치 < 최소 임계치1) Maximum Peak Value> Maximum Threshold & Minimum Peak Value <Minimum Threshold
2) 현재 최대/최소 피크치와 이전 최대/최소 피크치 사이의 시간이 시간 임계치보다 작으면 더 크거나/작은 최대/최소 피크치로 업데이트2) If the time between the current maximum / minimum peak and the previous maximum / minimum peak is less than the time threshold, update to the larger / smaller maximum / minimum peak.
3) 최대 피크치와 최소 피크치 발생 후 영교차점 검출3) Zero crossing detection after maximum peak and minimum peak
두 번째 조건은 가속도 센서(110)의 신호가 여러 개의 피크치를 가질 경우에도 정확한 최대/최소 피크치를 찾기 위한 조건으로 정확한 보폭 추정을 위해 꼭 필요하다. 위 조건이 모두 만족되면 영교차점에서 걸음 검출이 된다. 도 4에서는 최대/최소 임계치, 최대/최소 피크치, 영교차점을 통한 걸음 검출의 예가 나타나 있다. 영교차점을 중력가속도 값인 1g로 두고 검출하였다.The second condition is a condition for finding an accurate maximum / minimum peak even when the signal of the
이하, 보폭 추정에 대하여 설명한다.Hereinafter, the stride length estimation will be described.
보폭이란 걸음을 걸을 때 앞발 뒤축에서 뒷발 뒤축까지의 거리이다. 걸음 검출 후, 각 걸음과 걸음 사이의 보폭 추정을 통한 이동 거리를 구해야 한다. 가속도 센서(110)를 이용한 보폭 추정 기법은 선형 모델, 역진자형 모델, 비선형 모델(경험적 모델), 인공 신경망 모델과 같이 다양한 기법이 존재한다. 네 가지 방식의 보폭 추정에 있어서 비슷한 성능을 보여주기 때문에 본 발명에서는 구현이 쉽고 보폭 추정 파라미터가 하나인 비선형 모델을 적용하여 보폭을 추정하였다. 보폭 추정을 위한 비선현 모델의 식은 다음 수학식 8과 같다.The stride length is the distance from the front heel to the hind heel when you walk. After the steps are detected, the distance traveled by the stride length estimation between each step and the steps must be obtained. The stride length estimation technique using the
은 보폭, 는 보폭 결정 상수, 는 한 걸음에서 발생하는 최대 가속도, 은 최소 가속도 값이다. 보폭 결정 상수는 미리 실험을 통하여 구하여야 하는 값으로서 보행자의 다리 길이에 따라 달라지나 그 영향이 크지 않다. 그 최대/최소 가속도 값은 걸음 검출에서의 최대/최소 피크치를 사용한다. Silver stride, Is the stride determination constant, Is the maximum acceleration in one step, Is the minimum acceleration value. The stride length constant is a value that must be obtained through experiments, but it depends on the length of the pedestrian's legs, but its effect is not significant. The maximum / minimum acceleration value uses the maximum / minimum peak value in the step detection.
이하, 자세 추정에 대하여 설명한다.The posture estimation will be described below.
가속도 센서(110) 및 자이로스코프(140)로부터 자세 및 방향각을 추정하는 가장 간단한 방법은 자이로스코프(140)의 각속도 값의 적분이다. 자이로스코프(140)는 동체의 각속도를 측정하는 장치이기 때문에, 가속도 센서(110) 및 자이로스코프(14)의 움직임에 따라 동체 좌표계가 변화한다. 가속도 센서(110) 및 자이로스코프(140)의 항법 좌표계(navigation frame)와 동체 좌표계(body frame) 사이의 회전에 대한 좌표 변환이 필요하다. 좌표 변환 행렬을 구하기 위한 자세 계산 알고리즘으로 오일러 각(Euler angle)을 이용한다. 오일러 각은 3차원 공간에서 물체의 방위를 표시하기 위한 3개 각도인 롤 , 피치 , 요 의 조합으로 물리적으로 이해하기 쉽게 때문에 자세 계산에 많이 이용되고 있다. 각속도를 오일러 각으로 변환하는 변환 행렬은 다음의 수학식 9와 같다.The simplest method of estimating the attitude and direction angle from the
여기에서,From here,
이다. to be.
은 오일러 각 변화량이고, 은 각속도를 오일러 각으로 변환하기 위한 행렬이고, 은 자이로스코프(140)에서 측정한 각속도를 나타낸다. Is the Euler angle change, Is a matrix for converting angular velocity into Euler angles, Denotes the angular velocity measured by the
자이로스코프(140)만을 이용한 자세 측정은 시간에 따라 누적 오차가 발생하는데, 롤과 피치의 경우 가속도 센서(110)와 자이로스코프(140)의 융합을 통하여 누적 오차를 제거할 수 있다. 가속도 센서(110)의 출력 값과 오일러 각과의 관계는 다음과 같다.In the posture measurement using only the
여기에서, 와 는 가속도 센서(110)로부터 측정된 롤과 피치의 각이다. 가속도 센서(110)와 자이로스코프(140)의 롤과 피치축 융합 알고리즘은 1차 상보 필터를 이용하였다. 1차 상보 필터는 그 구현이 간단하면서도 우수한 성능을 나타내며, 가속도 센서(110)에 저역 통과 필터를 사용하고 자이로스코프(140)에는 고역 통과 필터를 사용한다. 각도를 얻는데 있어서 가속도 센서(110)는 스테디 상태(steady state)일 때 특성이 좋고, 자이로스코프(140)는 고주파 특성에 우수한 특성을 가지기 때문에 두 센서를 융합하면 누적 오차가 없고 정확한 각도가 얻어진다.From here, Wow Is the angle of the roll and pitch measured from the
이하, 방향각 추정에 대하여 설명한다.Hereinafter, the direction angle estimation will be described.
일반적으로 요 각은 지자기 센서와 융합을 통하여 자이로스코프(140)의 누적 오차를 제거한다. 그러나, 실내 환경에서는 외부 자계의 영향을 많이 받기 때문에 지자기 센서의 사용이 어렵다. 자이로스코프(140)만을 사용한 요 각 측정은 지속적인 누적 오차를 발생시키기 때문에 이를 보정해주어야 한다. 따라서 본 발명에서는 자이로스코프(140)의 누적 오차를 최소화하기 위해 온도 보상과 센서 보정을 통해 자이로 바이어스의 오차를 최소화한다. 또한, 자이로스코프(140)의 크기 값을 이용하여 누적화 오차를 최소화시키는 방법을 제안한다. 수학식 11은 자이로스코프(140)의 크기 값 을 나타낸다.In general, the yaw angle eliminates the cumulative error of the
자이로스코프(140)은 움직임이 없는 상태에서는 각속도 값이 0이다. 그러나, 노이즈와 바이어스에 의해 0이 아닌 값을 가지게 된다. 정지 상태에서 값이 특정 임계치보다 낮을 경우 이를 정지 상태로 가정하면 이때 발생하는 노이즈로 인한 누적 오차와 보정되지 못한 추가적인 바이어스를 제거할 수 있다. 정지 상태에 대한 조건을 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.The
여기서, 는 정지 상태에서의 의 임계치이고, 는 앞 조건이 참일 때부터 경과한 시간이고, 는 시간 임계치이다. 3D 각속도 값이 임계치보다 작고, 시간 경과가 보다 크면 정지 상태로 가정한다. 이때 발생하는 각속도 값은 0으로 만들고, 그 시간 동안의 각속도의 평균값을 바이어스로 두고 이동 상태에서 제거해 준다.here, In the stopped state Is the threshold of, Is the time elapsed since the preceding condition was true, Is the time threshold. The 3D angular velocity value is less than the threshold, If greater than, it is assumed to be stopped. At this time, the angular velocity value is set to 0, and the average value of the angular velocity during the time is biased and removed from the moving state.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 실험 결과를 설명한다.Hereinafter, the experimental results according to the embodiment of the present invention.
실험을 위해 보행자 관성 항법 장치(100)는 허리 뒤 중앙에 위치하게 장착하였다. 경량화를 위해 배터리는 독립적으로 분리하여 따로 장착이 가능하도록 설계하였다. 실험은 실내에서 수행되었고 걸음 검출 성능과 보폭 추정 정확도를 측정하기 위한 실험과 위치 오차 측정을 위한 실험을 하였다. 보폭 추정에 사용된 보폭 추정 파라미터는 사전에 학습된 값을 사용하였다. 걸음은 일반적인 정상 보행 형태로 가정하였다.For the experiment, the pedestrian
걸음 측정 및 보폭 추정을 위해 직선 경로 20 m를 10회, 100 m를 5회 실험하였다. 가속도 센서(110)로부터 획득된 데이터를 수학식 7과 8의 걸음 검출 조건을 통하여 각각의 걸음수와 보폭을 구하였고 결과를 도 5에 나타내었다.For the measurement of steps and the estimation of the stride length, the linear paths 20 m and 10 m were tested 10 times. The data obtained from the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 검출된 걸음 검출 및 보폭 추정의 결과 표이다.5 is a result table of step detection and stride length detection detected according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 20m 실험에서는 걸음이 100 % 검출되었고, 100 m 실험에서는 걸음 검출 오차가 최대 0.8 %로 나타났다. 거리 오차의 경우 20 m에서는 평균 -0.138 m의 오차가 나타났고, 100 m에서는 평균 2.62 m의 오차가 나타났다. 보폭 추정 오차율이 2 % 이내인 우수한 성능이 나타나는 것을 확인 할 수 있다. Referring to FIG. 5, the step was detected at 100% in the 20m experiment, and the maximum step detection error was 0.8% in the 100m experiment. In the case of the distance error, the average error was -0.138 m at 20 m, and the average error was 2.62 m at 100 m. It can be seen that the excellent performance with the stepped estimation error rate is within 2%.
보행자 관성 항법 시스템(100)의 위치 성능을 확인하기위하여 2가지 형태의 보행 실험을 수행하였다. 각각의 실험은 최초 시작 위치에서 끝나는 위치 사이의 RMS(root mean square) 오차를 분석하였다. 2가지 실험 모두 동일한 형태로 10회 수행하였다. 실험 1은 25m x 7.24m의 사각형 형태의 보행 실험을 하였다. 도 6은 실험 1의 위치 추정 결과와 위치 추정 오차를 나타낸다. 10번 실험결과 평균 거리 오차가 1% 이내 위치 오차가 2% 이내로 매우 우수한 성능을 보였다.Two types of walking tests were performed to confirm the positional performance of the pedestrian
실험 2는 실험 1에서 새로운 직선과 회전 경로를 추가한 실험을 하였다. 도 7은 실험 2의 위치 추정 결과를 나타낸다. 실험 2 또한 실험 1에 비해 오차가 증가하였지만 거리 오차가 2% 이내이고, 평균 RMS 오차가 3% 이내로 매우 우수한 성능을 보임을 재 확인할 수 있다. 상대적으로 고가의 센서를 쓴 기존 방식들과 비교하였을 때, 저가의 센서를 사용하였음에도 고가 센서와 비슷한 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.In
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법의 흐름도이다.8 is a flowchart of a pedestrian inertial navigation using a low-cost inertial sensor according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 보행자의 허리에 장착되는 가속도 센서(110)에 의해 측정한다(S110). 이때, 가속도 센서(110)의 측정값에 대하여 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하도록 구성될 수 있다. 그리고 가속도 센서(110)는 아날로그 디바이스(Analog Device) 사의 MEMS(microelectro-mechanical system) 형 3축 가속도 센서인 ADXL 345로 구성될 수 있다.Referring to Figure 8, it is measured by the
그리고 보행자의 허리에 장착되는 자이로스코프(140)에 측정한다(S120). 이때, 자이로스코프(140)에 대하여 다항곡선 적합 방식의 온도 보상을 수행하도록 구성될 수 있다. 그리고 자이로스코프(140)는 인벤센스(InvenSense) 사의 ITG3200로 구성될 수 있다.And it is measured on the
그리고 걸음 검출 모듈(120)이 가속도 센서(110)의 측정값을 이용하여 보행자의 걸음(step)을 검출한다(S130). 이때, 이동 평균 필터(moving average filter) 방식에 따라 걸음을 검출하는 것이 바람직하다.The
그리고 보폭 추정 모듈(130)이 앞서 검출된 걸음을 이용하여 보행자의 보폭(step length)을 추정한다(S140).The stride
그리고 자세 및 방향각 추정 모듈(150)이 자이로스코프(140)의 측정값을 이용하여 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정한다(S150).The attitude and direction
그리고 보행자 관성 항법 모듈(160)이 보폭 추정 모듈(130)에서 추정된 보폭 및 자세 및 방향각 추정 모듈(150)에서 추정된 자세 및 방향각을 이용하여 보행자의 이동 경로를 산출한다(S160).The pedestrian
또한, 보행자 관성 항법 모듈(160)은 가속도 센서(110)의 측정 값을 이용하여 자이로스코프(140)의 측정값에 대한 누적 오차를 보상한다(S170).In addition, the pedestrian
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.
Claims (8)
상기 보행자의 허리에 장착되는 자이로스코프;
상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 걸음(step)을 검출하는 걸음 검출 모듈;
상기 검출된 걸음을 이용하여 상기 보행자의 보폭(step length)을 추정하는 보폭 추정 모듈;
상기 자이로스코프의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하는 자세 및 방향각 추정 모듈;
상기 보폭 추정 모듈에서 추정된 보폭 및 상기 자세 및 방향각 추정 모듈에서 추정된 자세 및 방향각을 이용하여 상기 보행자의 이동 경로를 산출하는 보행자 관성 항법 모듈을 포함하고,
상기 자세 및 방향각 추정 모듈은,
상기 자이로스코프의 측정값에 대한 누적 오차를 보상하고,
상기 걸음 검출 모듈 또는 상기 자세 및 방향각 추정 모듈은,
상기 가속도 센서의 측정값 또는 상기 자이로스코프의 측정값에 대하여 각각 2차 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하며, 상기 온도 보상이 수행된 후 상기 가속도 센서의 측정값 는 다음 수학식으로 산출하며,
여기에서,이고,
이고,
상기 온도 보상을 수행한 후 센서의 실제값은 다음 수학식으로 산출되며,
여기에서, 상기 는 환산 계수, 비정렬 오차, 비직교 오차가 결합된 3X3 행렬이고, 상기 는 센서의 바이어스 오차값이고, 상기 및 는 가속도 값이 각각 ±1g 값을 갖는 지구의 중력 방향과 수직인 6개의 자세에서 상기 가속도 센서를 수평으로 놓고 각각의 가속도 값을 수집한 후 최소자승법을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치.An acceleration sensor mounted on the waist of the pedestrian;
A gyroscope mounted on the waist of the pedestrian;
A step detection module for detecting a step of the pedestrian using the measured value of the acceleration sensor;
A stride length estimation module for estimating a step length of the pedestrian using the detected stride;
An attitude and direction angle estimation module for estimating an attitude and a heading angle of the pedestrian using the measured value of the gyroscope;
And a pedestrian inertial navigation module configured to calculate a moving path of the pedestrian by using the stride length estimated by the stride length estimation module and the posture and direction angle estimated by the posture and direction angle estimation module.
The attitude and direction angle estimation module,
Compensating for a cumulative error with respect to the measured value of the gyroscope,
The step detection module or the attitude and direction angle estimation module,
Perform temperature compensation of a second polynominal curver fitting method on the measured value of the acceleration sensor or the measured value of the gyroscope, respectively, and the measured value of the acceleration sensor after the temperature compensation is performed. Is calculated by the following equation,
From here, ego,
ego,
After performing the temperature compensation, the actual value of the sensor is calculated by the following equation,
Where Is a 3X3 matrix that combines conversion factors, unalignment error, and non-orthogonal error. Is the bias error value of the sensor, And Using the low-cost inertial sensor, characterized in that the acceleration sensor is placed in the six postures perpendicular to the earth's gravitational direction, each of which has an acceleration value of ± 1g, and the respective acceleration values are collected and then calculated by the least square method. Pedestrian Inertial Navigation Device.
이동 평균 필터(moving average filter) 방식에 따라 걸음을 검출하는 것을 특징으로 하는 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 장치.The method of claim 1, wherein the step detection module,
Pedestrian inertial navigation system using a low-cost inertial sensor, characterized in that the step of detecting the step according to the moving average filter (moving average filter) method.
상기 보행자의 허리에 장착되는 자이로스코프에 의해 측정하는 단계;
상기 가속도 센서의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 걸음(step)을 검출하는 단계;
상기 검출된 걸음을 이용하여 상기 보행자의 보폭(step length)을 추정하는 단계;
상기 자이로스코프의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하는 단계;
상기 추정된 보폭 및 상기 자세 및 방향각 추정 모듈에서 추정된 자세 및 방향각을 이용하여 상기 보행자의 이동 경로를 산출하는 단계;
상기 가속도 센서의 측정 값을 이용하여 상기 자이로스코프의 측정값에 대한 누적 오차를 보상하는 단계를 포함하고,
상기 보행자의 허리에 장착되는 가속도 센서에 의해 측정하는 단계는,
상기 가속도 센서의 측정값에 대하여 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하고,
상기 자이로스코프의 측정값을 이용하여 상기 보행자의 자세(attitude) 및 방향각(heading angle)을 추정하는 단계는,
상기 자이로스코프의 측정값에 대하여 다항곡선 적합 방식의 온도 보상을 수행하고,
상기 가속도 센서의 측정 값을 이용하여 상기 자이로스코프의 측정값에 대한 누적 오차를 보상하는 단계는,
상기 가속도 센서의 측정값 또는 상기 자이로스코프의 측정값에 대하여 각각 2차 다항곡선 적합(polynominal curver fitting) 방식의 온도 보상을 수행하며, 상기 온도 보상이 수행된 후 상기 가속도 센서의 측정값 는 다음 수학식으로 산출하며,
여기에서,이고,
이고,
상기 온도 보상을 수행한 후 센서의 실제값은 다음 수학식으로 산출되며,
여기에서, 상기 는 환산 계수, 비정렬 오차, 비직교 오차가 결합된 3X3 행렬이고, 상기 는 센서의 바이어스 오차값이고, 상기 및 는 가속도 값이 각각 ±1g 값을 갖는 지구의 중력 방향과 수직인 6개의 자세에서 상기 가속도 센서를 수평으로 놓고 각각의 가속도 값을 수집한 후 최소자승법을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법 방법.Measuring by an acceleration sensor mounted on the waist of the pedestrian;
Measuring by a gyroscope mounted on the waist of the pedestrian;
Detecting a step of the pedestrian using the measured value of the acceleration sensor;
Estimating a step length of the pedestrian using the detected steps;
Estimating the attitude and heading angle of the pedestrian using the measured value of the gyroscope;
Calculating a moving path of the pedestrian using the estimated stride length and the attitude and direction angle estimated by the attitude and direction angle estimation module;
Compensating for a cumulative error with respect to the measured value of the gyroscope using the measured value of the acceleration sensor,
Measuring by the acceleration sensor mounted on the waist of the pedestrian,
Performing temperature compensation of a polynominal curver fitting method on the measured value of the acceleration sensor,
Estimating the attitude and heading angle of the pedestrian using the gyroscope measurements,
Performing temperature compensation in a polynomial curve fitting method on the measured value of the gyroscope,
Compensating the cumulative error for the measured value of the gyroscope using the measured value of the acceleration sensor,
Perform temperature compensation of a second polynominal curver fitting method on the measured value of the acceleration sensor or the measured value of the gyroscope, respectively, and the measured value of the acceleration sensor after the temperature compensation is performed. Is calculated by the following equation,
From here, ego,
ego,
After performing the temperature compensation, the actual value of the sensor is calculated by the following equation,
Where Is a 3X3 matrix that combines conversion factors, unalignment error, and non-orthogonal error. Is the bias error value of the sensor, And Using the low-cost inertial sensor, characterized in that the acceleration sensor is placed horizontally in six postures, each of which is perpendicular to the earth's gravitational direction having an acceleration value of ± 1 g, and is collected through a least square method after collecting the respective acceleration values. Pedestrian Inertial Navigation Method.
이동 평균 필터(moving average filter) 방식에 따라 걸음을 검출하는 것을 특징으로 하는 저가형 관성 센서를 이용한 보행자 관성 항법.The method of claim 5, wherein the detecting of the step of the pedestrian using the measured value of the acceleration sensor comprises:
Pedestrian inertial navigation using low-cost inertial sensors, characterized in that the step of detecting the step according to the moving average filter (moving average filter) method.
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