KR101699278B1 - 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트폰에 기본적으로 내장된 방향 센서를 이용하여 속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정할 수 있는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법{The apparatus and method for detecting fall direction by using a velocity vector in android smartphone environment}

본 발명은 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트폰에 기본적으로 내장된 방향 센서를 이용하여 속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정할 수 있는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

넘어짐(falling)은 일상생활에서 흔히 발생하는 사고이며 산업현장에서 6중 이상의 장기 입원이 필요한 재해 중 하나가 넘어짐으로 인한 것으로 알려져 있다.

Hung와 Tuan의 연구에서 인용한 바에 의하면, 미국의 전체 노인 중 1/3이 넘어짐 사고를 경험하며 이중 1/2은 다시 넘어진다고 한다.

또한, WHO(World Health Organization)의 보고서에 의하면 사망에 이르는 사고 중 약 6%가 넘어짐에 의한 사고라고 한다.

도 1은 우리나라의 안전보건공단에서 일상생활과 산업현장에서 넘어짐의 사고를 예방하기 위해 안전보건공단에서 배포한 내용의 일부이다.

가속도 센서는 물체의 움직임의 가속도 값을 시간별로 추출할 수 있는 센서 이기 때문에 넘어짐, 걷기, 뛰기와 같은 인간의 행위를 분석하기 위해 많이 사용된다.

스마트폰의 보급이 일반화되기 전에는 가속도 센서를 내장한 장치를 사람의 몸에 부착하는 방법을 사용하였으나, 스마트폰의 보급이 확대되면서 스마트폰에 내장된 가속도 센서를 사용하여 행위를 분석하는 방법이 활발히 진행되고 있다.

신체 부착형 가속도센서를 사용하는 경우 신체에 고정시켜 일상생활을 할 수 있기 때문에 24시간 사람의 행위를 모니터링할 수 있으며, 특정부위에 고정시킬 수 있기 때문에 비교적 정확한 가속도벡터 값을 추출할 수 있는 장점이 있다.

한편 스마트폰의 센서를 사용하는 경우 신체에 24시간 부착할 수 없을 뿐만 아니라 일정한 가속도 벡터값을 얻기 힘든 문제가 있지만 특별한 장치의 구입 없이도 거의 모든 사람이 소지하고 있으며, 스마트폰에 내장된 다양한 센서(GPS, 방향센서)를 사용할 수 있는 장점이 있다.

가속도 센서를 사용하여 인간의 행동을 파악하거나 넘어짐을 판단하는 기존의 연구들은 일반적으로 가속도 벡터의 크기(magnitude of acceleration vector) 변화를 표준편차(Standard Deviation)로 사용하였다.

인간의 행동 중 걷기, 뛰기, 앉기, 넘어짐의 경우 가속도 벡터의 크기가 다르게 나타나기 때문에 가속도 벡터의 크기를 분석함으로서 행동을 판단할 수 있다.

가속도 벡터는 일반적으로 물체가 움직이는 가속도의 크기를 나타내지만, 물체가 움직이는 방향을 나타내지 않는다.

종래에는 넘어지는 방향을 판단하기 위해 2개의 센서를 몸에 부착하고, 넘어진 후 2개의 센서가 감지한 값을 이용하여 넘어지는 방향을 판단하였다.

스마트폰을 2개씩 소지하는 경우는 일반적이지 않기 때문에 2개의 센서를 사용하는 방법은 스마트폰 환경에는 적합하지 않다.

센서의 방향으로 판단하는 경우는 신체 부착형 센서와 같이 센서가 몸에 단단히 고정된 상태를 가정해야함으로 스마트폰 환경에 적합하다고 볼 수 없다.

따라서, 본 발명에서는 넘어지는 것이 일정한 방향으로 발생하는 행동이기 때문에 가속도의 성분이 특정 축에 많이 발생한다는 현상을 반영한 것이다.

1개의 센서로 넘어지는 방향을 판단할 수 있는 장점을 제공하며, 가속도 벡터의 크기의 변화를 분석하는 방법은 몸무게나 신장(키)에 영향을 받지만 가속도 벡터의 성분을 이용하게 되면 일반적으로 적용 가능한 방법이다.

또한, 스마트폰은 일반적으로 몸에 부착하지 않기 때문에 일반적으로 소지한 상태에서 스마트폰의 움직임을 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 적용하여 스마트폰을 소지한 방향에 관계없이 넘어지는 방향을 감지하는 기술을 제안한 것이다.

대한민국공개특허공보 10-2014-0131251호(2014.11.12)

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 스마트폰에 기본적으로 내장된 방향 센서를 이용하여 속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정하도록 하는데 있다.

즉, 속도 벡터를 이용하여 넘어지는 방향이 전방, 후방, 측면 인지를 분석할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치는,

방향값을 센싱하기 위한 방향센서수단(100)과;

상기 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 수행하기 위한 가속도벡터정규화수단(200)과;

상기 정규화 과정을 거친 후, 지구좌표계와 일치된 상태의 가속도 벡터를 추출하고, 추출된 가속도 벡터를 적분하여 속도 벡터를 추출한 후, 속도 벡터가 이루는 각을 참조하여 넘어지는 방향을 판단하기 위한 넘어짐방향판단수단(300);을 포함한다.

이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법은,

스마트폰에 기본적으로 내장된 방향 센서를 이용하여 속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정할 수 있도록 함으로써, 기본적으로 소지하는 스마트폰을 통해 넘어지는 방향이 전방, 후방, 측면인지를 편리하게 분석할 수 있는 효과를 발휘한다.

도 1은 안전보건공단에서 배포한 넘어짐 예시도이며, 도 2는 안드로이드 스마트폰 회전축과 지구좌표계를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 구성 블록도이다.
도 4는 정규화 전에 스마트폰에서 추출된 가속도 벡터 그래프이고, 도 5는 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터를 나타낸 그래프이다.
도 6은 속도 벡터의 회전각을 나타낸 예시도이며, 도 7은 앞으로 넘어짐의 속도벡터의 회전각을, 도 8은 뒤로 넘어짐의 속도벡터의 회전각을, 도 9는 오른쪽 넘어짐의 속도벡터의 회전각을, 도 10은 왼쪽 넘어짐의 속도벡터의 회전각을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 방법 흐름도이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다.

또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들 뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블록도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다.

프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.

또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.

이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 의한 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

가속도센서를 사용하여 사람의 행동을 분석하고자 하는 연구는 오래전부터 활발히 연구되는 분야이며 다양한 시도가 있었다.

즉, 신체부착형 센서와 스마트폰 센서를 이용하여 넘어짐을 판단하는 기존 연구를 소개한다. 신체부착형 가속도센서와 압력센서를 사용하여 넘어짐의 방향을 판단하는 방법을 제시하였다.

넘어짐의 판단은 가속도센서의 크기를 이용한 표준편차를 사용하였으며 넘어지는 방향을 판단하는 것은 가속도센서의 크기와 Z축의 방향 코사인을 사용하여 넘어지는 방향을 구한 것이 특징이며, 넘어지는 방향을 앞뒤와 옆 측으로 구별하는 방법을 제시하였다.

몸의 일부인 다리와 가슴에 두 개의 센서를 부착하는 방법을 사용하여 두 개의 센서간의 센싱값 차이를 이용한 방법을 사용하여 일반적인 행동과 넘어지는 행동을 구하였다.

넘어짐의 판단은 방향을 고려하지 않고 단순 넘어짐만 판단하는 방법을 사용하였다.

한편, 신체부착형 가속도센서와 자이로스코프 센서에서 추출되는 값의 패턴을 분석하여 일반적인 행동인 걷기 뛰기를 분석하였고 넘어지는 경우를 판단하는 방법을 제시한 연구도 있었다.

이는 넘어지는 경우 방향을 판단하지 않고 단순 넘어짐으로 분류하여 판단하는 방법을 제시하였다.

한편, 스마트폰을 이용한 넘어짐 판단 방법을 제시한 방식이 있으나, 넘어짐 판단은 가속도 벡터의 크기를 사용하여 판단하였고 넘어진 방향은 스마트폰이 넘어진 후에 놓인 방향으로 추출하는 방법을 제시하였다.

상기한 바와 같이, 종래의 넘어짐을 판단하는 방법으로 대부분 가속도벡터의 크기를 사용하거나 패턴을 분석하는 방법을 사용하고 있었다.

특히, 넘어진 후 센서의 방향을 판단한 방식의 경우에는 센서가 고정되어 있지 않고 움직이는 환경에서는 적용하기 곤란한 방법이다.

또한, 종래 방식의 경우들은 정규화 방법을 적용하지 않았기 때문에 센서가 움직이는 경우 일관된 결과를 알아내기 어려우며, 물리적인 현상을 고려하지 하지 않았기 때문에 다양한 환경에 적용하기 곤란하다.

<안드로이드 회전각도 범위>

회전축	증가방향	각도범위
X(Pitch)	Z축이 Y축으로 방향으로 회전	-180 ~ 180
Y(Roll)	시계반대 방향	-90 ~ 90
Z(Azimuth)	북쪽 0, 동쪽 90, 남쪽 180, 서쪽 270	0 ~ 359

상기 표1에 나타냈듯이, 안드로이드 스마트폰의 방향은 지구좌표계를 중심으로 스마트폰이 회전된 방향의 각도를 나타낸다.

지구좌표계를 중심으로 x축의 회전은 Pitch값이 출력되며 시계 방향으로 움직이게 되면 -180에서 180까지의 값을 출력한다.

Y축 회전은 Roll값이 출력되며, 회전각도는 시계반대방향으로 회전할 때 증가한다.

z축 회전은 Azimuth라 하며, 북쪽 방향이 0도이며 동쪽, 남쪽, 서쪽이 각각 90,180,270도의 각도이며, 0에서 359까지 값을 갖는다.

가속도센서에 의해 출력되는 가속도 벡터값은 스마트폰이 회전된 상태에서 발생하는 가속도의 값을 나타내기 때문에 같은 가속도 값을 갖더라도 스마트폰의 회전 상태가 다를 수 있기 때문에 사람 또는 물체의 움직임을 스마트폰이 회전된 상태를 기준으로 나타낸다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 스마트폰이 회전된 상태를 기준으로 출력된 가속도 벡터의 값을 방향센서에 의해 출력된 값을 이용하여 스마트폰의 방향을 지구 좌표계와 일치시켜주는 과정을 거치게 되는데, 이를 정규화(Normalization)라 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 구성 블록도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 넘어지는 방향측정 장치(1000)는 방향센서수단(100), 가속도벡터정규화수단(200), 넘어짐방향판단수단(300)을 포함하여 구성된다. 상기 방향센서수단(100)은 방향값을 센싱하며, 상기 가속도벡터정규화수단(200)은 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 수행하게 된다.

상기 가속도벡터정규화수단(200)의 정규화 과정은 아래식에서 보듯이 3차원 회전변환 행렬을 가속도 값에 적용하여 구하였다.

상기

는 각각 X,Y,Z축을 중심으로 회전하는 것을 의미하며, 안드로이드에서 가속도 벡터를 정규화시키기 위하여 하기의 수식1을 적용하였다.

(수식1)

이때, 도 4는 정규화 전에 스마트폰에서 추출된 가속도 벡터 그래프이고, 도 5는 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터를 나타낸 그래프이다.

도 4는 넘어지기 전에 움직임이 거의 없는 상태에서도 Y값이 10에 가까운 값을 보여주고 있음을 보여주고 있다.

이것은 스마트폰이 거의 수직으로 서 있기 때문에 중력가속도가 Y축 방향으로 작용하고 있음을 나타내고 있는 것이다.

정규화 이후의 그래프인 도 5는 Z축에 중력가속도가 작용하고 있으며, 다른 축은 움직임이 거의 없음을 보여주고 있다.

상기와 같이, 정규화 과정을 거친 후, 넘어짐방향판단수단(300)를 통해 지구좌표계와 일치된 상태의 가속도 벡터를 추출하고, 추출된 가속도 벡터를 적분하여 속도 벡터를 추출한 후, 속도 벡터가 이루는 각을 참조하여 넘어지는 방향을 판단하게 된다.

즉, 상기 넘어짐방향판단수단(300)은,

가속도벡터를 추출한 후, 추출된 가속도 벡터를 하기의 수식2를 이용하여 적분하여(근사식을 사용함) 속도 벡터를 추출하기 위한 속도벡터추출부(310)와, 상기 속도 벡터의 X,Y 성분이 이루는 각을 하기의 수식3를 이용하여 계산하여 넘어지는 방향을 판단하기 위한 넘어짐방향판단부(320)를 포함하게 된다.

(수식2)

(수식3)

여기서, k는 x,y,z를 의미하고

이다

가속도 벡터는 물체가 특정 방향으로 얼마나 가속되었는가를 나타낸다.

가속도 벡터는 물체의 움직임의 방향과 상관없이 발생하는 것이 일반적이며, 원운동을 하는 물체의 경우 가속도 벡터의 방향은 중심을 향하게 된다.

그러나, 속도 벡터는 물체가 움직이는 접선 방향으로 항상 나타나기 때문에 물체의 움직임의 방향을 해석하는 데는 가속도벡터보다 속도벡터를 사용하는 것이 보다 의미가 있다고 할 수 있다.

순간 속도의 경우, 특정 시간 t에서 물체가 향하는 방향과 속도를 나타낸다.

안드로이드 스마트폰의 가속도센서에서 얻어지는 가속도 벡터는 스마트폰의 움직임에 대한 가속도 벡터를 발생시키게 되는데, 가속도벡터를 적분하면 속도벡터를 얻을 수 있다.

상기 수식2는 가속도 함수가 연속인 경우에 일반적인 가속도를 사용하여 속도를 얻을 수 있는 공식이다.

안드로이드의 경우에 연속적인 값이 아니며, 설정한 시간 간격으로 가속도벡터가 추출된다.

연속이 아닌 값을 사용하기 때문에 수치 해석학에서 사용하는 적분 방법을 사용하여 속도벡터를 추출하였다.

본 발명은 실험을 위하여 가속도 벡터의 성분은 0.01초 간격으로 수집하였기 때문에 각성분의 높이의 평균과 시간 간격인 0.01를 누적하여 구하였다.

정적분은 다음과 같이 사각형의 넓이로 근사하는 수식4를 사용하였다.

(수식4)

시간 t에서의 속도

를 구하기 위하여 상기한 수식4를 사용하여 계산하였으며, 여기서, k는 x,y,z를 의미하고

이다

넘어지는 방향을 판단하기 위하여 속도벡터가 X,Y 평면상에서 어떻게 변화하는지 속도 벡터의 방향을 추적하였다.

넘어짐방향판단부(320)는 속도벡터의 X,Y 성분이 이루는 각을 수식3과 같이, arctan함수를 사용하여 계산하였다.

도 6은 속도 벡터의 회전각을 나타낸 예시도이며, 도 7은 앞으로 넘어짐의 속도벡터의 회전각을, 도 8은 뒤로 넘어짐의 속도벡터의 회전각을, 도 9는 오른쪽 넘어짐의 속도벡터의 회전각을, 도 10은 왼쪽 넘어짐의 속도벡터의 회전각을 나타낸 그래프이다.

도 6은 가속도벡터를 사용하여 구한 속도벡터가 X,Y 평면에서 이루는 각의 변화를 보여주고 있는데, 넘어지는 방향에 따라 속도벡터가 이루는 각이 다름을 보여주고 있다.

또한, 도 7 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 속도벡터의 회전각이 넘어지는 방향에 따라 달리 나타나는 것을 알 수 있었다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 방법 흐름도이다.

도 11에 도시한 바와 같이, 방향센서수단(100)가 방향값을 센싱(S100)하게 되며, 가속도벡터정규화수단(200)에 의해 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키게 되며, 가속도벡터를 정규화시키는 과정을 수행(S200)하게 되는 것이다.

이후, 넘어짐방향판단수단(300)이 가속도벡터를 추출한 후, 추출된 가속도 벡터를 적분하여 속도 벡터를 추출하고, 추출된 속도 벡터의 X,Y 성분이 이루는 각을 이용하여 넘어지는 방향을 판단(S300)하게 되는 것이다.

즉, 가속도 벡터로부터 속도벡터를 구하고 X,Y평면상에서 속도벡터가 이루는 각을 추적하여 일정범위에 따라 넘어지는 방향을 판단한 것이다.

이때, 넘어짐방향판단수단의 넘어짐방향판단부(320)는 계산된 각이 -20도 내지 53도 사이일 경우에는 앞으로 넘어짐으로 판단(S400)하며, 계산된 각이 100도 내지 180도 사이일 경우에는 뒤로 넘어짐으로 판단(S500)하며, 계산된 각이 100도 미만이거나, 180도 초과일 경우에는 측면으로 넘어짐으로 판단(S600)하게 된다.

실험에 사용된 기기는 갤럭시 S5에 내장된 가속도센서를 사용하였으며, 안드로이드 버전 4.4.2를 사용하였다.

개발 환경은 이클립스(Eclipse) 기반으로 구글에서 제공하는 안드로이드 개발 툴 킷을 사용하였다.

넘어짐은 1초 내외의 빠른 시간에 일어나기 때문에 가속도센서의 추출 주기를 100ms로 하여 가속도센서의 값을 추출하였다.

2명의 실험자가 전후좌우 방향으로로 넘어지는 실험을 수행하였으며, 전후로 넘어지는 경우로 분류하였을 경우는 100% 넘어지는 방향을 판단할 수 있었다.

하지만, 측방을 측정하는 경우에는 전후방으로 잘못 예측하는 경우가 한번 발생하여 87.5%의 정확성으로 판단하였으며, 전체 실험 성공율은 93.75%이다.

앞뒤로 넘어지는 경우에는 넘어지는 방향이 상이하여 정확하게 판단할 수 있었지만, 측면으로 넘어지는 경우에는 사람에 따라 넘어지는 특성이 있고, 넘어지면서 몸을 회전하는 경우가 많이 발생하여 약간의 정확도가 낮은 것을 알 수 있었다.

하지만 대부분의 경우는 속도 벡터를 가지고 정확한 넘어지는 방향을 예측 가능하다는 것을 실험을 통해 알 수 있었다.

<실험결과표>

구 분	Front	Back	Side	성공율
성공횟수	4	4	7	93.75

<실험결과 분석표>

구분	Front	Back	Side
Front	4	0	0
Back	0	4	0
Side	0	1	7

전후방 측방 판단을 위해서 넘어지는 순간의 30개의 샘플의 평균값을 활용하였다.

전방으로 판단되는 경우에는 -20 ~ 53 범위에 들어가는 값으로 판단하고, 후방의 경우에는 100 ~ 180 범위에 들어가는 값으로 설정하였고, 나머지는 모두 측방으로 판단을 하였다.

<실험결과 비교표>

구분	(1)	(2)	(3)
분석방법	2개의 가속도벡터,가속도벡터 변화량	스마트폰의 방향	가속도벡터의 Z성분 방향	본발명의 속도벡터의 방향
성공률	91.4%	94%	83.33%	93.75%

(1) Q. Li, J.A.Stankovic, M.A. Hanson,A.T. Barth, J. Lach, and Z. Zhou, "accurate, fast fall detection using gyroscopes and accelerometer-derived posture information",in Proceeding of Wearable and Implantable Body Sensor Networks, 2009, pp. 138-143, 2009. 의 연구자료

(2) S.Wang, J. Yang, N. Chen, X. Chen, and Q. Zhang, "human activity recognition with user-free accelerometers in the sensor networks," in Proceeding of the Neural Networks and Brain, 2005, vol.2, pp. 1212-1217, 2005.의 연구자료

(3) S. Abbate, M. Avvenuti, F. Bonatesta, G. Cola, P. Corsini, and A. Vecchio, "a smartphone-based fall detection system,"Pervasive and Mobile Computing, vol. 8, no. 6, pp. 883-899, 2012. 의 연구자료

본 발명과 기존 연구의 실험 및 방법이 달라 직접 비교하기 어렵지만 기존 연구논문에서 제시한 성공률과 제안 기법의 성공률은 표 4와 같다.

표 4에서 도시한 바와 같이 본 발명의 방법이 기존 방법과 유사하거나 높은 인식성공률을 보인 것을 알 수 있다.

2개의 가속도벡터를 사용하여 넘어짐과 넘어지는 방향을 판단한 (1)의 경우 평균 91.4%의 판단 성공률을 보였으며, 넘어진 후의 스마트폰의 방향으로 판단한 (2)의 경우 94% 인식 성공률로 본 발명의 방법보다 약간 높은 성공률을 보였다.

가속도 벡터의 Z성분의 방향으로 판단한 (3)의 경우 83.33%의 성공률을 보였다.

결론적으로 가속도센서를 사용하여 인간의 행동을 분석하고 해석하고자 하는 시도는 오래된 연구 분야이다.

특히 넘어짐의 경우 노인이나 산업현장에서 부상의 중요한 원인으로 분류되고 있으며, 가속도센서에서 추출되는 가속도 벡터를 사용하면 일반적인 행동과 넘어짐을 어렵지 않게 구별할 수 있다.

그러나 넘어지는 방향의 판단은 가속도 벡터만을 사용하여 판단하기 어렵다.

속도 벡터는 물체의 움직이는 방향의 접선방향으로 나타나기 때문에 본 발명에서는 넘어지는 방향을 속도벡터의 방향을 고려하는 방법을 제시하였다.

넘어지는 방향을 판단하는 방법으로 속도벡터를 사용하는 방법은 개시된 적이 없는 방법이며, 향후 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다.

한편, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CDROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100: 방향센서수단
200:가속도벡터정규화수단
300:넘어짐방향판단수단

Claims (6)

1. 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치에 있어서,
   방향값을 센싱하기 위한 방향센서수단(100)과;
   상기 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 수행하기 위한 가속도벡터정규화수단(200)과;
   상기 정규화 과정을 거친 후, 지구좌표계와 일치된 상태의 가속도 벡터를 추출하고, 추출된 가속도 벡터를 적분하여 속도 벡터를 추출한 후, 속도 벡터가 이루는 각을 참조하여 넘어지는 방향을 판단하기 위한 넘어짐방향판단수단(300);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 가속도벡터정규화수단(200)은,
   하기의 수학식1을 이용하여

   

   을 계산하며, 하기의 수학식2를 이용하여 가속도벡터를 정규화시키는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
   (수학식1)
   

   

   
   
   (수학식2)
   

   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 넘어짐방향판단수단(300)은,
   가속도벡터를 추출한 후, 추출된 가속도 벡터를 하기의 수학식3을 이용하여 적분하여 속도 벡터를 추출하기 위한 속도벡터추출부(310)와,
   상기 속도 벡터의 X,Y 성분이 이루는 각을 하기의 수학식4를 이용하여 계산하여 넘어지는 방향을 판단하기 위한 넘어짐방향판단부(320)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
   (수학식3)
   

   

   
   
   (수학식4)
   

   

   
   (여기서, k는 x,y,z를 의미하고

   

   이다)
4. 제 3항에 있어서,
   상기 넘어짐방향판단부(320)는,
   계산된 각이 -20도 내지 53도 사이일 경우에는 앞으로 넘어짐으로 판단하며,
   계산된 각이 100도 내지 180도 사이일 경우에는 뒤로 넘어짐으로 판단하며,
   계산된 각이 100도 미만이거나, 180도 초과일 경우에는 측면으로 넘어짐으로 판단하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
   
5. 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 방법에 있어서,
   방향센서수단(100)이 방향값을 센싱하기 위한 방향값센싱단계(S100)와;
   가속도벡터정규화수단(200)이 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키기 위하여, 하기의 수학식1을 이용하여

   

   을 계산하며, 하기의 수학식2를 이용하여 가속도벡터를 정규화시키는 과정을 수행하기 위한 정규화과정수행단계(S200)와;
   넘어짐방향판단수단(300)이 가속도벡터를 추출한 후, 추출된 가속도 벡터를 하기의 수학식3을 이용하여 적분하여 속도 벡터를 추출하고, 추출된 속도 벡터의 X,Y 성분이 이루는 각을 하기의 수학식4를 이용하여 계산하여 넘어지는 방향을 판단하기 위한 넘어짐방향판단단계(S300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 방법.
   (수학식1)
   

   

   
   
   (수학식2)
   

   

   
   
   (수학식3)
   

   

   
   
   (수학식4)
   

   

   
   (여기서,k는 x,y,z를 의미하고

   

   이다)
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 넘어짐방향판단단계(S300)에서,
   계산된 각이 -20도 내지 53도 사이일 경우에는 앞으로 넘어짐으로 판단하며,
   계산된 각이 100도 내지 180도 사이일 경우에는 뒤로 넘어짐으로 판단하며,
   계산된 각이 100도 미만이거나, 180도 초과일 경우에는 측면으로 넘어짐으로 판단하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 속도 벡터를 이용한 넘어지는 방향측정 방법.
   

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