KR101725773B1 - 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법 - Google Patents

스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

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

Description

스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법{The apparatus and method for detecting fall direction by using the components of accelation vector and orientation sensor on the smartphone environment}
본 발명은 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트폰에 기본적으로 내장된 방향 센서를 이용하여 가속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정할 수 있는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 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 가속도벡터의 크기(magnitude of acceleration vector) 변화와 표준편차(Standard Deviation)를 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.
종래에 넘어지는 방향을 판단하기 위해 2개의 센서를 몸에 부착하고, 넘어진 후 센서가 측정한 값에 의해 넘어지는 방향을 판단하는 방법을 제시하였다.
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.
또한, 1개의 센서로 넘어지는 방향을 판단할 수 있는 장점을 제공하며, 종래의 가속도 벡터의 크기의 변화를 분석하는 방법은 몸무게나 신장(키)에 영향을 받지만, 가속도 벡터의 성분을 이용하게 되면 몸무게나 신장(키)에 영향을 받지 않고 넘어지는 방향을 판단할 수 있게 된다.
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 가속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정할 수 있도록 하는데 있다.즉, 넘어지는 방향이 전방, 후방, 오른쪽, 왼쪽인지를 분석할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 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 벡터의 성분을 이용하여 넘어지는 방향을 판단하되, 가속도 벡터의 성분 중에서 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 비교하여 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하기 위한 넘어짐방향판단수단(300);을 포함한다.
이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법은,
스마트폰에 기본적으로 내장된 방향 센서를 이용하여 가속도 벡터의 성분을 분석하고 이를 통해 넘어지는 방향을 측정할 수 있도록 함으로써, 기본적으로 소지하는 스마트폰을 통해 넘어지는 방향이 전방, 후방, 오른쪽, 왼쪽인지를 편리하게 분석할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은 안전보건공단에서 배포한 넘어짐 예시도이다.
도 2는 종래의 가속도벡터를 사용하여 분석한 행동과 방법을 나타낸 도표이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치에서 스마트폰의 회전방향 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 구성 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 스마트폰의 가속도 벡터 그래프 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 전후로 넘어진 경우에 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터 그래프 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 좌우로 넘어진 경우에 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터 그래프 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 방법의 흐름도이다.
도 9는 실험시 넘어지는 동안에 표준 편차를 나타낸 예시도이다.
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 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 종래의 가속도벡터를 사용하여 분석한 행동과 방법을 나타낸 도표이다. 가속도 센서를 이용한 행동을 분석하고자 하는 연구는 지난 10여 년간 다양한 방법으로 시도되어 왔다.
센서의 발전과 더불어 전자식센서를 사용하여 허리나 다리와 같이 특정위치에 센서를 부착하여 행동을 파악하는 연구가 진행되었으며, 스마트폰의 보급과 이용이 급속히 증가함에 따라 스마트폰에 내장된 센서를 활용한 행동분석이 이루어지고 있다.
스마트폰의 경우 소지방법이 다양하기 때문에 센서에서 발생하는 가속도의 값을 정확하게 해석하기 위한 노력이 시도되었다.
도 2의 신체 부착형 센서 방식은 가속도센서에서 발생하는 가속도는 스마트폰의 방향에 따라 같은 행위라도 다르게 발생되기 때문에 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 적용한 기술이 필요하다.
즉, 신체부착형 센서가 여러 방향으로 착용되어 있더라도 센서의 방향을 일정하게 유지하도록 하여야 하며, 가속도의 크기(
Figure 112015043294316-pat00001
)의 표준편차를 이용하여 일상적인 행위 즉 앉기 서기 걷기 뛰기에 대한 행위판단 방법을 알 수 있었다.
도 2의 가속도센서 및 압력센서 방식은 가속도센서와 압력 센서를 사용하여 넘어짐을 판단하는 방법이며, 2개의 센서를 사용하여 판단하기 때문에 정확도에서 우수한 기술이며, 정규화와 넘어짐의 각도를 이용하여 넘어짐의 방향을 판단할 수 있지만, 2개의 센서를 가지고 측정해야 하기 때문에 사용상의 제약이 많이 따르게 된다.
또한, 도 2의 스마트폰 방식은 회전방향과 함께 정규화 과정을 거쳐 다양한 동작에 대한 판단이 가능하다.
그러나, 가속도 벡터의 성분의 비율을 이용하지 않아 어느 방향으로 넘어졌는지를 판단할 수는 없었다.
정리하자면, 상기한 방식들은 가속도 벡터의 크기를 분석하거나 자이로스코프 또는 압력센서를 사용하여 넘어짐을 분석하거나 가속도 벡터의 방향을 분석하는 방식으로서, 가속도 벡터의 성분의 비율을 적용하지 않아 정확한 넘어짐 방향을 분석하는 것은 불가능하다.
다음은 가속도 센서의 성분을 고려한 넘어짐 방향 판단에 대하여 설명하도록 하겠다. 스마트폰은 앞, 뒤주머니, 손, 가방 등 소지방법이 다양할 수 있다.
본 발명에서는 일반적으로 많이 소지하는 방법으로 앞주머니에 자연스럽게 넣은 방법을 사용하였다.
스마트폰이 지구좌표계와 정확히 일치하지 않지만 스마트폰의 방향센서를 사용하여 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 거친다.
스마트폰의 회전정보를 사용하여 가속도 벡터의 값을 정규화시켜 주머니 속에서 약간의 움직임이 있거나 넘어지는 과정과 넘어진 후에 스마트폰이 향한 방향이 다르더라도 일정한 방향의 가속도 벡터 값을 추출할 수 있었다.
가속도 벡터추출을 위해 MIT에서 개발한 안드로이드 기반의 앱인벤터(App Inventor) 버전 2를 사용하였으며, 추출된 가속도 벡터는 인터넷을 통해 구글의 퓨전테이블(Google fusion table)로 저장하는 하는 방법을 사용하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치에서 스마트폰의 회전방향 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 구성 블록도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 넘어지는 방향측정 장치(1000)는 방향센서수단(100), 가속도벡터정규화수단(200), 넘어짐방향판단수단(300)을 포함하여 구성된다.
상기 방향센서수단(100)은 방향값을 센싱하기 위한 것이며, 상기 가속도벡터정규화수단(200)는 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 수행하게 된다.
이때, 상기 넘어짐방향판단수단(300)은 정규화 과정을 거친 후, 지구좌표계와 일치된 상태의 가속도 벡터의 성분을 이용하여 넘어지는 방향을 판단하되, 가속도 벡터의 성분 중에서 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 비교하여 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하게 되는 것이다.
일반적으로 주머니 속에 있는 스마트폰은 사람의 움직임에 따라 방향이 변하게 되며, 특히 넘어지는 경우 넘어지는 사람과 같이 스마트폰 역시 움직이며 최초의 위치와 넘어진 후에 스마트폰이 향한 방향은 전혀 다른 방향을 향하게 된다.
스마트폰의 회전방향은 스마트폰에 내장된 방향센서수단에 의해 추출되기 때문에 스마트폰의 방향센서수단을 사용하여 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 거치게 되는 것이다.
일반적인 안드로이드는 스마트폰의 회전을 roll(Y축회전), pitch(X축회전), azimuth 또는 yaw(Z축 회전)값을 제공하고 있다.
본 발명에서 사용한 앱 인벤터(App Inventor)의 경우, roll(-90~+90), Pitch(-90~+90), Azitmuth(0~359)까지 범위를 갖고 있으며 증가 방향은 표1과 같다.
Axis range Direction of increasing
pitch(x) -90 ~ 90 top into down
roll(y) -90 ~ 90 left down
Azitmuth(z) 0 ~ 359 north 0, east 90 south 180 west 270
상기 가속도벡터정규화수단(200)은 가속도 벡터의 값을 정규화시키기 위해서 3차원 회전공식을 적용하였다.
스마트폰이 위로 향한 경우와 아래로 향한 경우로 나누어지기 때문에 일반적인 오일러 공식(Euler formula)을 적용하여 정규화과정을 실행한다.
도 3은 안드로이드 스마트폰의 회전방향을 나타낸 것이며, 스마트폰이 위로 향한 경우의 정규화 과정은 다음과 같다.
Roll, Pitch, Azimuth가 각각 φ,θ,Ψ인 경우에 각축을 기준으로 회전변환 행렬은 다음과 같다.
Figure 112015043294316-pat00002
스마트폰이 위로 향한 경우의 회전변환은 Y축, X축, Z축 순으로 회전변환하는 과정으로 회전 변환을 실시하였다.
Figure 112015043294316-pat00003
스마트폰이 아래로 향한 경우는 가속도 벡터의 Z값 즉, 중력가속도가 음의 방향인 경우로 판정하였으며 회전변환 행렬은 다음 식 (5) 내지 (8)과 같다.
스마트폰이 아래로 향한 경우는 가속도 벡터를 위로 향하게 하기 위해서 먼저 위로 향하게 한 후 회전 변환을 실시하였다.
Figure 112015043294316-pat00004
스마트폰이 아래로 향한 경우 회전변환은 Y축을 중심으로 180도 회전 후 Y축, X축, Z축 순으로 회전변환하는 과정으로 회전변환을 실시하였다.
Figure 112015043294316-pat00005
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 스마트폰의 가속도 벡터 그래프 예시도이다.
도 5의 (a)와 (b)는 스마트폰을 고정시켰을 때의 가속도 벡터그래프이다.
(a)는 스마트폰이 위로 향하고 있기 때문에 Z축 방향으로 중력가속도가 많이 작용하고 있지만, X, Y축의 가속도 벡터 역시 발생하고 있음을 보여 주고 있다.
(b)의 경우 정규화 과정을 거친 후의 그래프로 X,Y축의 가속도 벡터는 0에 있으며 Z축의 중력 가속도 벡터값이 중력가속도인 9.8근처에 있음을 보여 주고 있다.
스마트폰이 고정되어 있는 경우 정규화 과정이 잘되었음을 보여 주고 있다.
도5의 (c)는 넘어지는 경우의 스마트폰에서 출력되는 중력가속도 벡터의 그래프이다.
넘어지기 전 스마트폰이 주머니에 있기 때문에 중력가속도로 인해서 Y축 방향의 가속도가 다른 축의 가속도 벡터보다 크게 추출됨을 보여 주고 있으며, 넘어지는 경우 Y축의 가속도가 빠르게 감소하고 다른 축의 가속도 역시 크게 흔들리고 있음을 보여 주고 있다.
(d)는 경우 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터의 그래프이다.
넘어지기 전에 Z 방향의 중력가속도 벡터가 9.8 근처에 있으며, X,Y 방향의 중력가속도 벡터 성분이 0에 있음을 보여 주고 있으며, 넘어지는 과정에서 가속도 벡터가 어떻게 변화하는지 보여주고 있다.
한편, 본 발명의 넘어짐방향판단수단(300)은 정규화 과정을 거친 후, 지구좌표계와 일치된 상태의 가속도 벡터의 성분을 이용하여 넘어지는 방향을 판단하되, 가속도 벡터의 성분 중에서 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 비교하여 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하게 된다.
즉, 스마트폰을 주머니 속에 자연스럽게 휴대하고 넘어진 과정의 가속도 벡터는 스마트폰이 향한 방향으로 가속도 벡터가 발생한다.
정규화 과정을 거치게 되면 스마트폰이 지구좌표계와 일치된 상태의 가속도 벡터를 얻을 수 있기 때문에 가속도 벡터의 성분을 사용하면 넘어지는 방향을 판단 할 수 있다.
전후/좌우 넘어짐의 경우, X축을 중심으로 한 회전운동이 주로 발생하기 때문에 X축 방향의 가속도 벡터의 성분의 변화보다 Y축 방향의 가속도 벡터 성분이 크게 나타난다.
좌우의 경우, Y축 방향의 운동이 주로 일어나기 때문에 y축의 가속도 벡터 성분이 x축에 비해 크다는 성질을 사용하여 넘어짐 방향을 판단하였다.
X,Y축에 발생하는 가속도의 변화의 크기는 표준편차를 사용하였다.
각 축에
Figure 112015043294316-pat00006
는 x축 방향의 가속도벡터 성분의 표준 편차이고,
Figure 112015043294316-pat00007
는 Y 방향의 가속도벡터 성분의 표준 편차이다.
가속도 벡터는 100ms 간격으로 추출하였으며, 넘어지는 경우 가속도 벡터를 30개를 추출하여 사용하였다.
Figure 112015043294316-pat00008
여기서, n:추출횟수,
Figure 112015043294316-pat00009
: k번째 추출 가속도벡터 x성분,
Figure 112015043294316-pat00010
:추출 가속도벡터 x성분 평균
Figure 112015043294316-pat00011
: k번째 추출 가속도벡터 y성분,
Figure 112015043294316-pat00012
:추출 가속도 벡터 y성분 평균
전후와 좌우의 판단은 가속도 벡터의 성분 중에서 X축 성분과 Y축 성분의 표준편차를 비교하였으며, 다음 식(11)의
Figure 112016118222805-pat00013
값이 1보다 큰 경우는 Y축 방향의 가속도 벡터성분이 X축의 가속도 벡터의 성분보다 크다는 것을 의미하기 때문에 전후 넘어짐으로 판단하고, 1보다 작은 경우는 좌우 넘어짐으로 판단하였다.
즉, 전후/좌우넘어짐구분부(310)에 의해 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하기 위하여 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 계산하고, 계산된
Figure 112015043294316-pat00014
값이 1보다 큰 경우에 전후 넘어짐으로 판단하며, 계산된
Figure 112015043294316-pat00015
값이 1보다 작은 경우에 좌우 넘어짐으로 판단하는 것이다.
Figure 112015043294316-pat00016
또한, 전후 넘어짐으로 판단된 경우에, 전후의 판단은 x축의 가속도 벡터 성분 중 양의 방향인 것과 음의 방향인 것을 구별하여 판단하는 방법을 사용하였다.
즉, 전후 넘어짐의 판단은 X축이 고정인 상태에서 Y축과 Z축이 움직이는 형태에 의해 판단된다.
따라서, Y축과 X축의 가속도 표준 편차값을 확인 후 Y값이 크다면 전후 넘어짐 중 하나라는 것을 알 수 있다.
좀 더 구체적으로 전방과 후방을 구별하기 위해서는 식 (12)와 같이, 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 가지고 비교해야 되는데, 이 경우 Y의 양의 편차값이 큰 경우, 전방으로 넘어짐, 음의 편차값이 크면 후방으로 넘어짐을 판단할 수 있다.
식 (13)의 값이 1보다 크면 앞(전방)으로 넘어진 경우이며, 1보다 작으면 뒤(후방)으로 넘어진 경우로 판단하였다.
Figure 112015043294316-pat00017
여기서,
Figure 112015043294316-pat00018
: k번째 추출 가속도벡터 y성분,
Figure 112015043294316-pat00019
:추출 가속도 벡터 y성분 평균
즉, 전후넘어짐구분부(320)에 의해, 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 계산하며, 계산된
Figure 112016118222805-pat00020
값이 1보다 크면 전방으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 후방으로 넘어진 것으로 판단하는 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 전후로 넘어진 경우에 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터 그래프 예시도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, Y축 성분보다 X축의 변화가 크며, 앞으로 넘어진 경우 X축 성분 중 양수분의 변화가 음수 부분의 변화보다 많으며, 뒤로 넘어진 경우 음수 쪽의 변화가 많음을 보여주고 있다.
다음은 좌우 넘어짐을 판단하는 과정을 설명하도록 하겠다.
좌우 넘어짐의 경우, 전후 넘어짐과는 다르게 Y축은 고정인 상태에서 X축과 Z축이 움직이는 특징을 가지고 있다.
따라서, 전후방 넘어짐 판단과 비슷하게 식 (14)와 같이, 양의 방향과 음의 방향의 벡터 성분의 크기를 비교하면 된다.
좌우 넘어짐의 경우는 Y축의 양의 값이 크면 좌로 넘어짐, 음의 값이 크면 우로 넘어지는 것으로 판단된다.
이런 값은 스마트폰 기계의 특성에 따라 달라질 수 있음에 주목해야 된다.
기계에 따라 음의 방향과 양의 방향이 정규화 과정을 거쳐도 칩의 방향에 따라 달라질 수 있기 때문이다.
식(15)의 값이 1보다 크면 오른쪽으로 넘어진 경우이며, 1보다 작으면 왼쪽으로 넘어진 경우로 판단한다.
Figure 112015043294316-pat00021
여기서,
Figure 112015043294316-pat00022
: k번째 추출 가속도벡터 x성분,
Figure 112015043294316-pat00023
:추출 가속도벡터 x성분 평균
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치의 좌우로 넘어진 경우에 정규화 과정을 거친 후의 가속도 벡터 그래프 예시도이다.
도 7은 정규화 과정을 거친 후에 좌우로 넘어지는 경우의 가속도 벡터를 나타내고 있다.
상기와 같은 과정을 좌우넘어짐구분부(330)에서 수행하는데, 구체적으로 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 계산하며,
Figure 112016118222805-pat00024
값이 1보다 크면 오른쪽으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 왼쪽으로 넘어진 것으로 판단하는 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 방법의 흐름도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 방향측정 방법은, 방향값센싱단계(S100), 정규화과정수행단계(S200), 넘어짐방향판단단계(S300), 전방넘어짐판단단계(S400), 좌측넘어짐판단단계(S500)를 포함하여 이루어진다.
상기 방향값센싱단계(S100)는 방향센서수단(100)에 의해 방향값을 센싱하게 되며, 이후, 정규화과정수행단계(S200)에서는 가속도벡터정규화수단(200)에 의해 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 수행하게 되는 것이다.
이후, 넘어짐방향판단단계(S300)를 수행하게 되는데, 상기 넘어짐방향판단수단(300)에 의해 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하게 되는데, 구체적으로 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 계산하고,
Figure 112015043294316-pat00025
값을 계산하게 되는 것이다.
이후, 전방넘어짐판단단계(S400)를 수행하게 되는데, 상기 넘어짐방향판단수단(300)에 의하여, 구체적으로는 전후넘어짐구분부(320)의 처리에 의하여, 계산된
Figure 112015043294316-pat00026
값이 1보다 큰 경우에 Y축과 X축의 가속도 표준 편차값을 확인하여 Y값이 클 경우에 한하여 Y값의 양의 편차값이 큰 경우에는 전방으로 넘어진 것으로 판단하게 되고, Y값의 음의 편차값이 큰 경우에는 후방으로 넘어진 것으로 판단하는 것이다.
이후, 좌측넘어짐판단단계(S500)를 수행하게 되는데, 상기 넘어짐방향판단수단(300)에 의하여, 구체적으로는 좌우넘어짐구분부(330)의 처리에 의하여, 계산된
Figure 112015043294316-pat00027
값이 1보다 작은 경우에 Y축과 X축의 가속도 표준 편차값을 확인하여 X값이 클 경우에 한하여 Y값의 양의 편차값이 큰 경우에는 좌(왼쪽)로 넘어진 것으로 판단하고, Y값의 음의 편차값이 큰 경우에는 우로 넘어진 것으로 판단하는 것이다.
이때, 스마트폰의 특성에 따라 음의 방향과 양의 방향이 정규화 과정을 거쳐도 칩의 방향에 따라 달라질 수 있기 때문에 좌우넘어짐구분부(330)는 계산된
Figure 112015043294316-pat00028
값이 1보다 크면 오른쪽으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 왼쪽으로 넘어진 것으로 판단하게 되는 것이다.
한편, 실험을 위해 MIT에서 개발한 안드로이드기반 앱 인벤터를 사용하여 가속도 벡터와 방향센서 값을 추출하였으며, 추출된 값은 웹DB인 퓨전 테이블에 저장하였다.
인터넷 접속과 퓨전테이블 간의 실시간 데이터 전송의 오류를 방지하기 위해서 내장메모리에 일정 값을 저장한 후 퓨전테이블로 전송하였다.
넘어짐의 경우, 짧은 순간에 발생하기 때문에 측정주기를 100ms로 하여 넘어지는 경우의 가속도 벡터값을 저장하여 사용하였다.
측정에 사용된 기기는 Galaxy S3이며, 여기에 탑재된 가속도 센서를 사용하였다.
총 5명의 피 실험자가 참여하여 각 넘어짐 방향으로 넘어지는 실험을 실시하였다.
FRONT BACK LEFT RIGHT
SUB1 O O O X
SUB2 O O O O
SUB3 O O O O
SUB4 O O O O
SUB5 O O X X
FRONT BACK LEFT RIGHT
FRONT 5 0 0 0
BACK 0 5 0 0
LEFT 0 0 4 1
RIGHT 0 0 2 3
상기 표 2는 테스트 결과이며, 표 3은 confusion matrix 테이블이다.
넘어짐의 방향을 전후 넘어짐과 측면 넘어짐으로만 분류한다면 100% 성공적인 실험 결과를 보였다.
좌우 판단의 경우, 좌측을 우측으로 판단한 경우가 2번, 우측을 좌측으로 판단한 경우가 1번 발생하여 총 20번의 실험 중 3번(15%)이 잘못 판단되어 총 85%의 정확성을 보였다.
앞뒤와 좌우의 구분은 넘어짐이 확연히 다른데 비해 좌우의 넘어짐은 넘어지는 과정에서 몸의 흔들림이 많기 때문에 가속도 벡터의 성분이 혼합적으로 발생하는 경우가 있는 것으로 판단된다.
문헌1의 가속도센서와 압력센서를 사용하여 넘어지는 방향을 판단하는 방식은 넘어짐 방향은 앞, 뒤와 좌우를 측방 넘어짐으로 분석하여 성공률이 86.97%이다.
반면에 넘어진 후의 센서의 방향으로 판단한 문헌2의 경우에는 94%의 성공률을 보였으나, 문헌2의 경우에는 스마트폰을 일정한 방향으로 소지한 상태에서 판단한 것으로 스마트폰이 다른 방향으로 있게 되면 적용하기 곤란한 방법이다.
한편, 문헌3의 가속도센서와 자이로스코프가 탑재된 두 개의 기기를 사용한 방식의 경우에는 넘어짐 방향 성공률은 100%를 보였다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 장치의 경우에는 속도센서와 자이로스코프가 탑재된 두 개의 기기를 사용한 문헌3의 방식에 비해 성공률은 높지 않지만 1개만을 사용한 문헌1과 문헌2의 방식들보다는 우수하거나 비슷한 성공률을 보였다.
(문헌1 : M. Tolkiehn, L. atallah, B. Lo, and G.Z. Yand, Direction Sensitive Detection using a Triaxial Accelerometer and a Barometric Pressure Sensor, Proceedings of the 33rd IEEE Annual International Conference of the EMBS, pp. 369-372, 2011.
문헌2 : Y.W.Bai, S.C. Wu, and C.H. Yu, ecognition of direction of fall by smartphone,in Proceeding of the Electrical and Computer Engineering(CCECE) and 2013 26th Annual IEEE Canadian Conference, pp. 1-6, 2013.
문헌3 : 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, Proceeding of Wearable and Implantable Body Sensor Networks, pp. 138-143, 2009.)
결론적으로 가속도 센서를 사용하여 인간의 행동을 파악하고 분석함으로써 사고예방, 행동분석 및 치료 등 다양하게 적용되고 있다.
특히, 넘어짐은 심각한 부상의 원인이 될 수 있기 때문에 센서를 사용하여 넘어짐을 판단하는 다양한 방법이 시도되었다.
가속도 벡터는 움직임의 크기를 나타내기 때문에 넘어짐과 행동을 분석하는데 많이 사용되는 방법이다.
그러나, 넘어짐의 방향은 가속도 벡터의 크기로 판단하기 곤란하다.
기존의 문헌1 내지 3들은 여러개의 센서를 사용하거나 특정 방향으로 고정된 상태에서 센서의 방향을 분석하는 방법을 제안하였다.
본 발명의 경우에는 넘어짐은 한쪽 방향으로의 운동이 주로 발생하기 때문에 가속도 벡터의 성분을 분석하는 방법을 제공하였다.
본 발명은 1 개의 센서를 사용하여 판단하기 때문에 여러 개의 센서를 사용하는 방법보다 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
최근 광범위하게 사용되고 있는 스마트폰은 기본적으로 가속도 센서를 내장하고 있기 때문에 추가적인 장비의 구입이나 설치 과정 없이 스마트폰에 내장된 가속도 센서를 사용할 수 있는 장점이 있다.
가속도벡터의 크기의 표준편차를 분석하여 인간의 행동을 분석하는 방법이 주로 사용되는 방법이지만 특정한 방향의 운동을 예측하는 것은 가속도 벡터의 성분벡터를 사용하는 것이 효과적인 방법이다.
가속도 벡터의 성분을 이용한 방법은 현재까지 제시되지 않은 방법으로서, 많은 응용 분야에서 적용 가능할 것이다.
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 (8)

  1. 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 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 벡터의 성분을 이용하여 넘어지는 방향을 판단하되, 가속도 벡터의 성분 중에서 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 비교하여 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하기 위한 넘어짐방향판단수단(300);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 넘어짐방향판단수단(300)은,
    전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하기 위하여 하기의 수학식1을 이용하여 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 계산하고, 하기의 수학식2를 이용하여 계산된
    Figure 112016118222805-pat00076
    값이 1보다 큰 경우에 전후 넘어짐으로 판단하며, 계산된
    Figure 112016118222805-pat00077
    값이 1보다 작은 경우에 좌우 넘어짐으로 판단하는 전후/좌우넘어짐구분부(310)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
    (수학식1)
    Figure 112016118222805-pat00078


    (수학식2)
    Figure 112016118222805-pat00079

    (여기서,
    Figure 112016118222805-pat00080
    는 X축 방향의 가속도 벡터 성분의 표준 편차,
    Figure 112016118222805-pat00081
    는 Y축 방향의 가속도 벡터 성분의 표준 편차, n:추출횟수,
    Figure 112016118222805-pat00082
    : k번째 추출 가속도벡터 x성분,
    Figure 112016118222805-pat00083
    :추출 가속도벡터 x성분 평균
    Figure 112016118222805-pat00084
    : k번째 추출 가속도벡터 y성분,
    Figure 112016118222805-pat00085
    :추출 가속도 벡터 y성분 평균)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가속도벡터정규화수단(200)은,
    오일러 공식을 적용하여 정규화 과정을 실행하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 넘어짐방향판단수단(300)은,
    전후/좌우넘어짐구분부(310)의 판단 결과, 전후 넘어짐으로 판단될 경우에 Y축과 X축의 가속도 표준 편차값을 확인하여 Y값이 클 경우에 한하여 Y값의 양의 편차값이 큰 경우에는 전방으로 넘어진 것으로, 음의 편차값이 큰 경우에는 후방으로 넘어진 것으로 구분하기 위한 전후넘어짐구분부(320)와,
    전후/좌우넘어짐구분부(310)의 판단 결과, 좌우 넘어짐으로 판단될 경우에 Y축과 X축의 가속도 표준 편차값을 확인하여 X값이 클 경우에 한하여 X값의 양의 편차값이 큰 경우에는 좌로 넘어진 것으로, 음의 편차값이 큰 경우에는 우로 넘어진 것으로 구분하기 위한 좌우넘어짐구분부(330)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전후넘어짐구분부(320)는,
    하기의 수학식3에 의해 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 계산하며,
    하기의 수학식4에 의해 계산된
    Figure 112016118222805-pat00039
    값이 1보다 크면 전방으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 후방으로 넘어진 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
    (수학식3)
    Figure 112016118222805-pat00040


    (수학식4)
    Figure 112016118222805-pat00041

    (여기서,
    Figure 112016118222805-pat00042
    : k번째 추출 가속도벡터 y성분,
    Figure 112016118222805-pat00043
    :추출 가속도벡터 y성분 평균.)
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 좌우넘어짐구분부(330)는,
    하기의 수학식5에 의해 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 계산하며,
    하기의 수학식6에 의해 계산된
    Figure 112016118222805-pat00044
    값이 1보다 크면 오른쪽으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 왼쪽으로 넘어진 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치.
    (수학식5)
    Figure 112016118222805-pat00045

    (수학식6)
    Figure 112016118222805-pat00046

    (여기서, n:추출횟수,
    Figure 112016118222805-pat00047
    : k번째 추출 가속도벡터 x성분,
    Figure 112016118222805-pat00048
    :추출 가속도벡터 x성분 평균)
  7. 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 방법에 있어서,
    방향센서수단(100)이 방향값을 센싱하기 위한 방향값센싱단계(S100)와;
    가속도벡터정규화수단(200)이 방향센서수단에 의하여 특정되는 가속도 벡터를 지구좌표계와 일치시키는 정규화 과정을 수행하기 위한 정규화 과정 수행단계 (S200)와;
    넘어짐방향판단수단(300)이 전후 넘어짐 혹은 좌우 넘어짐을 판단하기 위하여 하기의 수학식1을 이용하여 X축 성분과 Y축 성분의 표준 편차를 계산하고, 하기의 수학식2를 이용하여
    Figure 112016118222805-pat00049
    값을 계산하고, 상기
    Figure 112016118222805-pat00050
    값이 1보다 크면 전후넘어짐으로 판단하고, 1보다 작으면 좌우넘어짐으로 판단하는 넘어짐방향판단단계(S300)와;
    상기 넘어짐방향판단단계(S300)에서 계산된
    Figure 112016118222805-pat00051
    값이 1보다 큰 경우에, 하기의 수학식3에 의해 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 계산하며, 하기의 수학식4에 의해 계산된
    Figure 112016118222805-pat00052
    값이 1보다 크면 전방으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 후방으로 넘어진 것으로 판단하는 전후방 넘어짐 판단단계(S400);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 방법.
    (수학식1)
    Figure 112016118222805-pat00053

    (수학식2)
    Figure 112016118222805-pat00054


    (수학식3)
    Figure 112016118222805-pat00055


    (수학식4)
    Figure 112016118222805-pat00056

    (여기서,
    Figure 112016118222805-pat00057
    는 X축 방향의 가속도 벡터 성분의 표준 편차,
    Figure 112016118222805-pat00058
    는 Y축 방향의 가속도 벡터 성분의 표준 편차, n:추출횟수,
    Figure 112016118222805-pat00059
    : k번째 추출 가속도벡터 x성분,
    Figure 112016118222805-pat00060
    :추출 가속도벡터 x성분 평균
    Figure 112016118222805-pat00061
    : k번째 추출 가속도벡터 y성분,
    Figure 112016118222805-pat00062
    :추출 가속도 벡터 y성분 평균)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 넘어짐방향판단단계(S300)에서 계산된
    Figure 112016118222805-pat00063
    값이 1보다 작은 경우에, 하기의 수학식5에 의해 양의 방향의 벡터값과 음의 방향의 벡터값을 계산하며, 하기의 수학식6에 의해 계산된
    Figure 112016118222805-pat00064
    값이 1보다 크면 오른쪽으로 넘어진 것으로, 1보다 작으면 왼쪽으로 넘어진 것으로 판단하는 좌우측 넘어짐 판단단계(S500);를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 방법.
    (수학식5)
    Figure 112016118222805-pat00065


    (수학식6)
    Figure 112016118222805-pat00066
KR1020150062934A 2015-05-06 2015-05-06 스마트폰 환경에서 가속도 벡터의 성분과 방향센서를 이용한 넘어지는 방향측정 장치 및 방법 KR101725773B1 (ko)

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