KR20020001257A - Positioning module and navigation method for personal navigation system using gps and inertial sensors - Google Patents
Positioning module and navigation method for personal navigation system using gps and inertial sensors Download PDFInfo
- Publication number
- KR20020001257A KR20020001257A KR1020000035695A KR20000035695A KR20020001257A KR 20020001257 A KR20020001257 A KR 20020001257A KR 1020000035695 A KR1020000035695 A KR 1020000035695A KR 20000035695 A KR20000035695 A KR 20000035695A KR 20020001257 A KR20020001257 A KR 20020001257A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gps
- speed
- filter
- information
- gyro
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
- G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/42—Determining position
- G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
- G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/13—Receivers
- G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
- G01S19/26—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system involving a sensor measurement for aiding acquisition or tracking
Abstract
Description
본 발명은 GPS(Global Positioning System)와 관성센서를 이용한 개인 위치측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 사람이 도보로 이동하면서 사용할 수 있는 걸음 계수 방식의 새로운 추측항법을 이용하여 GPS와 결합한 형태의 새로운 개인 휴대 항법 시스템으로 군사작전, 등산, 실내보행 등 언제 어디서나 이동하는 사람의 위치를 추적할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a personal positioning device and method using a GPS (Global Positioning System) and an inertial sensor, and in particular, a new form of combined with GPS using a new dead reckoning of a step counting method that can be used by a person walking. It is a personal portable navigation system that can track the location of people moving anywhere anytime, including military operations, mountaineering and indoor walking.
종래에 사용되어 온 항법기술은 통합위치시스템(GPS), 관성항법(INS:Inertial Navigation System), 추측항법(DR:Dead Reckoning) 등이 있다.Navigation techniques that have been conventionally used include GPS, Inertial Navigation System (INS), Dead Reckoning (DR), and the like.
GPS는 어디서나 손쉽게 사용자의 위치와 속도 정보를 얻을 수 있고 시간에 따른 오차 누적이 없지만 위성신호를 수신할 수 없는 상황, 즉 도심이나 숲, 터널, 실내에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다. 관성항법의 경우에는 고가의 센서를 사용하지 않는 한 시간에 따라 누적되는 오차로 인해 원하는 항법성능을 기대할 수 없다. 그리고 추측항법을 도보로 이동하는 사람에게 적용할 경우 차량과는 달리 이동거리를 알아내는 주행거리계(Odometer)를 부착할 수 없고 또한 저가의 센서를 이용하여 관성항법과 같은 방식으로 속도를 구해서는 큰 속도오차로 인하여 사용할 수 없는 문제점이 있다.GPS can easily obtain the user's location and speed information anywhere, there is no error accumulation over time, but there is a problem that can not be used in the situation that can not receive satellite signal, that is, in the city, forest, tunnel, indoors. In the case of inertial navigation, it is impossible to expect the desired navigation performance due to the accumulated error over time unless expensive sensors are used. And if you apply the dead reckoning to a person traveling on foot, unlike a vehicle, you can't attach an odometer to find out the moving distance, and if you use a low-cost sensor to find the speed in the same way as inertial navigation, There is a problem that can not be used due to speed error.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사람이 도보로 이동하면서 사용할 수 있는 걸음 계수 방식의 새로운 추측항법을 이용하여 GPS와 결합한 형태의 새로운 개인 휴대 항법 시스템을 개발, 사용자에게 위치 정보를 항상 제공할 수 있도록 한 GPS와 관성센서를 이용한 개인 위치측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art, to develop a new personal hand-held navigation system combined with GPS by using a new dead reckoning of the step count method that can be used while walking by a person, location information to the user The purpose of the present invention is to provide a personal positioning device and method using a GPS and an inertial sensor that can provide always.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 위성신호를 수신받아 개인의 절대위치와 방향, 속도에 대한 정보를 제공받는 GPS 수신기와, 걸음 검출과 보폭 결정을 얻을 수 있는 가속도계 및 피치 자이로와, 절대 방위각을 얻을 수 있는 자력계와, 각속도를 얻을 수 있는 헤딩 자이로와, 상기 GPS 수신기에서 얻은 속도 정보와 가속도계 및 피치 자이로로부터 검출된 걸음 및 보폭을 결합하여 속도를 보정하는 속도필터와, 상기 GPS 수신기로부터 얻은 방향 정보와 자력계 및 헤딩 자이로로부터 얻은 정보를 이용하여 개인의 방향을 보정하는 방향필터와, 상기 GPS 수신기의 위치정보와 속도필터 및 방향필터로부터 얻어진 정보를 이용하여 개인의 위치를 보정하는 위치필터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a GPS receiver receiving information about the absolute position, direction, and velocity of the individual receiving a satellite signal, an accelerometer and pitch gyro to obtain a step detection and stride determination, and an absolute azimuth angle A speed filter that corrects the speed by combining the magnetometer obtainable, the heading gyro obtaining angular velocity, the speed information obtained from the GPS receiver with the steps and strides detected from the accelerometer and the pitch gyro, and the direction obtained from the GPS receiver. A direction filter for correcting an individual's direction using information and information obtained from a magnetometer and a heading gyro, and a position filter for correcting an individual's location using the location information of the GPS receiver and information obtained from a speed filter and a direction filter. Characterized in that the configuration.
또한, 상기 본 발명의 목적은 피치 자이로 각속도, 초기 기울기, 가속도를 통해 기본 걸음 주파수, 평균보폭, 평균속도 등의 기본 변수값을 계산하는 파라미터 결정 단계와; 가속도계에서 얻은 가속도의 절대값이 임계값 이상이고 걸음주기가 설정된 시간 이상일 때 걸음으로 판단한 후 걸음을 상승부분과 하강부분으로 구분하여 이루어진 펄스를 세어 걸음을 검출하며, 중력의 영향이 제거된 가속도의 보정을 한 후 매 걸음마다 보정된 속도를 적분하여 보폭을 결정하는 보폭 결정 단계와; GPS에서 제공하는 속도와 걸음 검출, 보폭 결정에 의한 속도 정보를 결합하여 개인의 속도를 추정하는 속도 추정 단계와; GPS와 자력계, 헤딩 자이로를 선택 조합하여 개인의 방향을 추정하는 방향 추정 단계와; 속도필터에서 추측항법에 필요한 속도 정보를 얻어 이동 거리를 계산한 후, 상기 추정된 방향과 더불어 GPS의 위치 정보와 결합하여 개인의 위치를 추정하는 위치 추정 단계를 거침으로써 달성된다.In addition, the object of the present invention includes a parameter determining step of calculating the basic variable values such as the basic step frequency, average stride length, average speed, etc. through the pitch gyro angular velocity, initial slope, acceleration; When the absolute value of the acceleration obtained from the accelerometer is above the threshold and the step period is over the set time, the step is judged as a step and counts the pulse made by dividing the step into the rising part and the falling part, and detecting the step. A stride length determining step of determining a stride length by integrating the corrected speed every step after the correction; A speed estimating step of estimating the speed of the individual by combining the speed information provided by the GPS with the speed information by the step detection and the stride length determination; A direction estimating step of estimating an individual's direction by selecting and combining a GPS, a magnetometer, and a heading gyro; A speed filter obtains speed information necessary for dead reckoning and calculates a moving distance, and then performs a location estimation step of estimating a person's location by combining the estimated direction with GPS location information.
도 1은 본 발명에 적용되는 개인휴대 항법 시스템의 개략적인 블록도.1 is a schematic block diagram of a personal portable navigation system applied to the present invention.
도 2는 걸음 검출과 보폭 보정을 하기 위한 보정(Calibration)과정을 나타낸 계통도.2 is a schematic diagram illustrating a calibration process for step detection and stride length correction.
도 3은 관성센서를 사용하여 걸음을 검출하는 방법과 보행 특징을 이용한 보폭 결정 알고리즘의 계통도.3 is a schematic diagram of a stride determination algorithm using a walking feature and a method of detecting a step using an inertial sensor;
도 4는 피치각(pitch angle)과 전진 방향 속도 결정에 적용되는 피치 각속도와 전진 방향 가속도의 최대값(peak to peak) 검출 알고리즘 계통도.4 is a schematic diagram of a peak to peak detection algorithm of pitch angular velocity and forward directional acceleration applied to pitch angle and forward direction velocity determination.
도 5는 GPS가 제공하는 속도와 추측항법 결과에서 얻어지는 속도를 GPS를 사용할 수 있는 경우에 따라 결합하는 속도 필터.5 is a speed filter for combining the speed provided by the GPS and the speed obtained from the dead reckoning result according to the case where GPS can be used.
도 6은 위치 결정에 필요한 방향을 GPS 사용 가능 여부와 주변 자장의 왜곡을 고려하여 3가지의 모드를 설정하고 방향을 추정하는 계통도.FIG. 6 is a schematic diagram of setting three modes and estimating directions in consideration of whether GPS is available and a distortion of a surrounding magnetic field.
도 7은 칼만 필터를 이용한 GPS/DR 결합방식의 항법 알고리즘 계통도.7 is a navigation algorithm system diagram of a GPS / DR combining method using a Kalman filter.
< 도면의 주요부분에 대한 설명><Description of Main Parts of Drawing>
1 ; GPS 수신기 2 ; 가속도계One ; GPS receiver 2; Accelerometer
3 ; 피치 자이로 4 ; 자력계3; Pitch gyro 4; Magnetometer
5 ; 헤딩 자이로 6 ; 속도필터5; Heading gyro 6; Speed filter
7a,7b,7c ; 방향필터 8 ; 위치필터7a, 7b, 7c; Directional filter 8; Position filter
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 개략적인 블록도로서, 본 발명의 개인휴대 항법 시스템은 GPS 수신기(1), 가속도계(2), 피치 자이로(pitch gyro)(3), 자력계(4), 헤딩 자이로(heading gyro)(5)로 구성되어 있으며 GPS, 자력계 데이터 획득은 RS232직렬통신을 사용하고 관성센서인 가속도계(2), 자이로는 A/D 컨버터(Analog/Digital converter)를 사용한다. 이때, GPS 수신기(1)에서 절대 위치와 방향, 속도를 얻을 수 있다.1 is a schematic block diagram of the present invention, in which the personal portable navigation system of the present invention is a GPS receiver (1), an accelerometer (2), a pitch gyro (3), a magnetometer (4), a heading gyro (heading) GPS, magnetometer data acquisition uses RS232 serial communication, inertial sensor accelerometer (2), gyro (Analog / Digital converter). At this time, the absolute position, direction, and speed can be obtained from the GPS receiver 1.
추측항법에서의 속도는 가속도계(2)와 피치 자이로(3)로부터 걸음을 검출과 보폭 결정을 통해 얻을 수 있다. 방향은 자력계(4)의 절대 방위각과, 헤딩자이로(5)의 각속도를 결합한 형태의 방향 필터(7)를 통해 결정할 수 있다.The speed in dead reckoning can be obtained by detecting the steps from the accelerometer 2 and the pitch gyro 3 and determining the stride length. The direction may be determined through the direction filter 7 in which the absolute azimuth angle of the magnetometer 4 and the angular velocity of the heading gyro 5 are combined.
한편, 개인휴대 항법 시스템은 크게 속도필터(6)와 방향필터(7) 그리고 항법 해를 구하는 위치필터(8)로 구분할 수 있는데, 속도는 도 5에서와 같이 도 2의 캘리브레이션(Calibration), 도 3의 걸음검출/보폭결정을 통해 결정되고, 방향필터(7)는 도 6의 GPS/자력계 결합 방식, 자력계/자이로 결합방식, 제한보행 방식을 주변 상황에 맞게 선택하게 되며, 위치필터(8)는 도 7에서와 같이 GPS의 절대위치와 추측항법의 상대위치를 결합하는 방법을 적용한다.On the other hand, the personal portable navigation system can be largely divided into a speed filter 6, a direction filter 7 and a position filter 8 for obtaining a navigation solution. The speed is calibrated in FIG. 3, the direction filter 7 selects the GPS / magnet coupling method, the magnetometer / gyro coupling method, and the restricted walking method according to the surrounding conditions, and the position filter 8 7 applies a method of combining the absolute position of the GPS and the relative position of the dead reckoning.
도 2는 보폭 결정을 위한 속도계산 캘리브레이션 알고리즘의 계통도이다. 가속도를 적분하는 일반적인 방법으로 보폭을 계산하는 것은 많은 오차로 인해 적용하기 힘들다. 이러한 오차를 보정하기 위한 속도필터(6)에 앞서 기본적인 파라미터 값을 다음과 같은 순서에 의해 계산한다.2 is a schematic diagram of a speed calculation calibration algorithm for stride length determination. Calculating the stride in the usual way of integrating acceleration is difficult to apply due to many errors. Prior to the speed filter 6 for correcting such an error, the basic parameter values are calculated in the following order.
우선, 피치 자이로(3) 각속도를 측정하고(101), 초기 기울기(θ0=arcsin(y0/g))를 계산(102)한 후, 가속도 FFT를 통해 peak 주파수, 즉 기본 걸음 주파수(f0)를 계산한다(103).First, the pitch gyro (3) measures the angular velocity (101), calculates the initial slope (θ 0 = arcsin (y 0 / g)) (102), and then uses the acceleration FFT to determine the peak frequency, that is, the fundamental step frequency (f). 0 ) is calculated (103).
그후, 실험에 의한 평균보폭을 계산하고(평균보폭 l0=거리/걸음 수)(104), 이 평균보폭을 이용하여 평균 속도 계산한다(평균속도 v0=f0*l0)(105).Then, calculate the average stride length by experiment (average stride length l 0 = distance / steps) (104), and calculate the average speed using the average stride length (average speed v 0 = f 0 * l 0 ) (105). .
도 3은 관성센서를 사용하여 걸음을 검출하는 방법과 보행 특징을 이용한 보폭 결정 방법 계통도로서, 개인휴대 항법은 GPS와 함께 걸음 계수 방식의 추측항법을 같이 결합하는 형태의 시스템으로 걸음은 수직방향 가속도를 이용하여 걸음을상승과 하강으로 구분하여 검출하는 방법을 사용한다. 걸음 검출은 도 3의 (208)에서 (213)까지이며 각 부분은 다음과 같다.3 is a schematic diagram of a method for detecting a step using an inertial sensor and a step determination method using a walking feature. The personal portable navigation system is a system in which a step counting method using a step counting method is combined with a GPS. Using the method to detect the step divided into rising and falling. Step detection is from (208) to (213) in Fig. 3 and each part is as follows.
수직 방향 가속도계(2)에서 A/D 컨버터를 통해 가속도를 획득하고(201), 걸음 검출 성능 향상을 위해 저역통과 필터링을 한다(208). 이때, 가속도계(2)는 중력의 영향을 받기 때문에 원하는 가속도를 얻기 위해 바이어스를 재귀평균식에 의해 보정한다(209).In the vertical accelerometer 2, acceleration is obtained through the A / D converter (201), and low pass filtering is performed to improve the step detection performance (208). At this time, since the accelerometer 2 is affected by gravity, the bias is corrected by a recursive average equation to obtain a desired acceleration (209).
가속도의 절대값이 임계값 이상일 때 걸음 구분 조건으로 판단하고(210), 걸음 주기가 최소 시간 이상일 때 걸음으로 판단하며(211), 걸음을 상승부분과 하강부분으로 구분하여 펄스형태로 만든다(212). 그후, 펄스를 세어 걸음을 센다(213).When the absolute value of the acceleration is greater than or equal to the threshold value, it is determined as a step division condition (210), and when the step period is more than the minimum time, the step is determined as step (211), and the step is divided into a rising part and a falling part to form a pulse (212). ). The pulse is then counted and counted (213).
이때, 걸음 검출만으로 보행인의 속도를 결정한다면 역동적인 걸음 특성상 고정 보폭으로 인해 오차가 누적된다. 그러므로 매 걸음마다 보폭을 결정하여 오차를 최소화할 수 있다. 즉, 보폭결정은 보정된 피치 앵글(pitch angle)을 이용한 중력 보상하는 과정과 보행특징을 이용한 전진방향 가속도 보정으로 구성된다. 아래 과정은 피치 앵글 보정과 전진 방향 가속도 중력보상이다.At this time, if the speed of the pedestrian is determined only by the step detection, an error accumulates due to the fixed step length due to the dynamic step characteristics. Therefore, the stride length can be determined at every step to minimize the error. That is, the stride determination is composed of a process of gravitational compensation using a corrected pitch angle and a correction of acceleration in a forward direction using a walking feature. The procedure below is pitch angle correction and forward acceleration gravity compensation.
우선, 도 2의 보폭 결정을 위한 캘리브레이션 과정을 거쳐 초기 기울기, 기본 걸음 주파수, 평균 보폭, 평균 속도를 계산한다(100).First, an initial slope, a basic step frequency, an average stride length, and an average speed are calculated through a calibration process for determining the stride length of FIG. 2 (100).
그리고 피치 자이로(3) 각속도를 A/D converter를 통해 측정하고(201), pitch angle(경사)(=∫각속도*dt)를 계산한다(202).The pitch gyro 3 measures the angular velocity through the A / D converter (201), and calculates a pitch angle (tilt) (= ∫ angular velocity * dt) (202).
그후, 도 4에 나타낸 것과 같이 피치 앵글의 peak-to-peak을 검출하되(220), 피치 앵글의 저점을 한 걸음으로 판단하고 매 걸음마다 피치 앵글 보정을하며(203), 보정값을 계산한다(보정값=정점과 저점 중간 기울기-초기 기울기(θ0)(204).Thereafter, as shown in FIG. 4, the peak-to-peak of the pitch angle is detected (220), the low point of the pitch angle is determined as one step, the pitch angle is corrected every step (203), and the correction value is calculated. (Compensation value = mid-to-peak slope-initial slope (θ 0 ) (204).
이때, 피치 앵글을 보정하고(보정된 pitch angle = pitch angle - 보정값)(205), 가속도에 대한 중력의 영향을 제거하기 위해 중력 가속도 보상(f=y-g*sin(θ))을 하며(206), 전진 방향 속도(=∫f*dt)를 계산한다(207).At this time, the pitch angle is corrected (corrected pitch angle = pitch angle − correction value) 205, and gravity acceleration compensation (f = yg * sin (θ)) is performed to remove the influence of gravity on acceleration (206). ), Calculate the forward direction velocity (= ∫f * dt) (207).
계산된 전진 방향 속도는 가속도계(2)의 바이어스 오차로 인해 시간에 따라 오차가 누적된다. 이러한 오차를 최소화하기 위해 가감속의 보행 특징을 이용한 보정 알고리즘을 다음과 같이 적용한다.The calculated forward direction velocity accumulates with time due to the bias error of the accelerometer 2. In order to minimize this error, a correction algorithm using the gait feature of acceleration and deceleration is applied as follows.
즉, 계산된 전진방향 속도의 peak-to-peak를 검출하고(220), 전진방향 속도의 저점을 한 걸음으로 판단하고 전진방향 속도 보정은 매 걸음마다 한다(214). 이때의 보정은 다음과 같다.That is, the calculated peak-to-peak of the forward speed is detected (220), the low point of the forward speed is determined as one step, and the forward speed correction is performed every step (214). The correction at this time is as follows.
보정 속도=정점과 저점 중간속도-평균 속도(v0)(215)Compensation Speed = Peak and Low Intermediate Velocity-Average Velocity (v 0 ) (215)
보정된 속도= 전진방향 속도-보정 속도(216)Calibrated Speed = Forward Speed-Calibrated Speed (216)
보폭=∫보정된 속도*dt(217)Stride = ∫Compensated speed * dt (217)
도 4는 피치 앵글, 전진 방향 속도의 peak-to-peak 검출 알고리즘의 계통도로서, 사람의 몸의 경사는 감소와 증가의 반복적인 특징을 가지고 있고, 전진 방향 가속도 또한 가속과 감속의 반복적인 특징을 가지며, 이러한 특징은 일반적인 보행 특징과 일치한다. 가속도의 중력보상에 필요한 보정된 경사, 전진 방향 속도 보정에 필요한 속도 보정은 아래의 peak-to-peak 검출과정을 필요로 한다.4 is a schematic diagram of a peak-to-peak detection algorithm of pitch angle and forward velocity, in which the inclination of the human body has a repetitive feature of decreasing and increasing, and the forward direction acceleration also includes a repetitive feature of acceleration and deceleration. This feature is consistent with the general gait feature. The corrected slope required for gravitational compensation of acceleration and the speed correction required for forward direction speed correction require the following peak-to-peak detection process.
즉, 보정된 피치 앵글 또는 전진 방향 속도 데이터를 획득하고(221), 정점과 저점을 검출하는데(222), 이때 정점은 이전 데이터와 이후 데이터보다 큰 값을 가진 데이터이고, 저점은 작은 값을 가진 데이터이다.That is, the corrected pitch angle or forward velocity data is obtained (221), and the vertex and the low point are detected (222), where the vertex is data having a larger value than the previous data and the subsequent data, and the low point has a small value. Data.
그리고 정점과 저점의 차가 임계값 이상인지 판단하고(223), 다음 정점과 저점을 검출하여(224) 저점을 다음 저점에 저장한다(225).Then, it is determined whether the difference between the peak and the low point is greater than or equal to the threshold (223), the next peak and the low point are detected (224), and the low point is stored at the next low point (225).
그후, 정점이 다음 정점보다 작은지 판단하여(226) 정점이 다음 정점보다 작으면 정점은 다음 정점이 되고(227), 정점의 주기가 일정 시간 이상일 때 정점으로 판단(228)하여 정점을 걸음 주기 정점에 저장한다(229).Then, it is determined whether the vertex is smaller than the next vertex (226) and if the vertex is smaller than the next vertex, the vertex becomes the next vertex (227), when the period of the vertex is longer than a predetermined time (228) to determine the vertex step cycle Store at vertex (229).
그후, 다음 정점과 저점을 검출하고(230), 정점을 다음 정점으로 저장하며(231), 정점과 저점의 차가 임계값 이상인지 판단하여(232) 다음 정점과 저점을 검출함과 아울러(233) 다음 정점을 정점에 저장한다(234).After that, the next vertex and the low point are detected (230), the vertex is stored as the next vertex (231), and the difference between the vertex and the low point is determined to be greater than or equal to the threshold (232) and the next vertex and the low point are detected (233). The next vertex is stored at the vertex (234).
저점과 다음 저점을 비교하여(235) 저점이 다음 저점보다 작을 때 다음 저점을 저점으로 하고(236), 저점 주기가 최소 시간 이상일 때 저점으로 판단하여(237) 저점을 걸음 주기 저점에 저장한다(238).The low point is compared with the next low point (235) and when the low point is smaller than the next low point as the low point (236), when the low period is more than the minimum time is determined as the low point (237) and the low point is stored in the step cycle low ( 238).
도 5는 추측 항법에 필요한 속도 정보를 얻는 알고리즘에 관한 계통도로서, GPS 수신기(1)에서 제공하는 속도와 걸음검출/보폭결정 방법에 의한 속도 정보를 칼만 필터(Kalman filter)를 사용하여 결합하면 안정적이면서 연속적으로 사용자의 속도를 추정할 수 있다.FIG. 5 is a schematic diagram of an algorithm for obtaining velocity information necessary for dead reckoning. When the velocity information provided by the GPS receiver 1 and the velocity information by the step detection / strate determination method are combined using a Kalman filter, FIG. In addition, the speed of the user can be estimated continuously.
이에 따르면, GPS 속도 정보를 사용할 수 있는지 판단한 후(301), GPS속도(VGPS) 정보를 획득한다(302). 보행 방식에 의한 속도(VDR)를 계산하고(207), 칼만 필터를 사용하여 두 속도 정보(VGPS,VDR)를 결합한다. 이때, 측정 방정식은 Z=VGPS-VDR+w 이다(303).According to this, after determining whether the GPS speed information is available (301), GPS speed (V GPS ) information is obtained (302). The walking speed V DR is calculated (207), and the Kalman filter is used to combine the two speed information (V GPS, V DR ). In this case, the measurement equation is Z = V GPS -V DR + w (303).
도 6은 추측 항법에 필요한 방향 정보를 얻는 알고리즘에 관한 계통도로서, 도 1에서와 같이 방향은 GPS 수신기(1), 자력계(4), 헤딩 자이로(5)로부터 얻을 수 있으며 주변 상황에 맞게 방향필터(7)의 모드를 선택하여 방향을 결정한다. GPS를 사용할 수 있는 실외에서는 GPS 수신기(1)와 자력계(4)를 결합한 제1방향필터(7a)를, GPS를 사용할 수 없고 주변 자장의 왜곡이 심하지 않은 실내에서는 자력계(4)와 헤딩 자이로(5)를 결합한 제2방향필터(7b)를, 주변 자장의 왜곡이 심한 실내에서는 헤딩 자이로(5)를 사용하는 제한 보행 방식의 제3방향필터(7c)를 사용하게 된다.FIG. 6 is a schematic diagram of an algorithm for obtaining direction information necessary for dead reckoning. As shown in FIG. 1, a direction is obtained from a GPS receiver 1, a magnetometer 4, and a heading gyro 5, and a direction filter according to a surrounding situation. Select the mode (7) to determine the direction. In the outdoor where GPS can be used, the first direction filter 7a combining the GPS receiver 1 and the magnetometer 4 is used.In a room where GPS cannot be used and the distortion of the surrounding magnetic field is not severe, the magnetometer 4 and the heading gyro ( The second direction filter 7b combined with the 5) is used, and the third direction filter 7c of the limited walking type using the heading gyro 5 is used in a room where the distortion of the surrounding magnetic field is severe.
우선, GPS를 사용할 수 있는지 판단하는데(401), 실내, 도심, 터널, 숲 등에서는 GPS 신호를 수신할 수 없으므로 방향을 결정하기 위해서는 자력계(4)나 헤딩 자이로(5) 등을 사용한다.First, in determining whether the GPS can be used (401), since the GPS signal cannot be received in indoors, downtowns, tunnels, forests, etc., the magnetometer 4 or the heading gyro 5 is used to determine the direction.
제1방향필터(7a)는 실외에서 GPS를 사용할 수 있을 때 칼만 필터를 사용하여 GPS/자력계 결합 방식을 적용하여 방향을 추정한다(402).When the GPS can be used outdoors, the first direction filter 7a estimates the direction by applying the GPS / magnet coupling method using the Kalman filter (402).
그후, 실외 모드에서 GPS를 사용 가능한지 판단하고(403), GPS 방향(404) 및 자력계 방향을 측정하며(405), 칼만 필터를 사용하여 방향을 추정한다(406). 측정방정식은 Z=HGPS- HDR+ w 이다.Then, it is determined whether GPS is available in the outdoor mode (403), the GPS direction 404 and the magnetometer direction are measured (405), and the direction is estimated using the Kalman filter (406). The measurement equation is Z = H GPS -H DR + w.
그리고 실외 모드에서 GPS를 사용할 수 없을 때에는 자력계(4) 방향만으로 방향을 결정하며(407), 실내에서는 주변 자장의 왜곡여부를 자력계(4)를 통해서 판단한다(408).When the GPS cannot be used in the outdoor mode, the direction is determined only by the direction of the magnetometer 4 (407), and in the room, the magnetometer 4 determines whether or not the surrounding magnetic field is distorted (408).
제2방향필터(7b)는 실내에서 주변 자장이 일정 값 이상으로 왜곡되지 않았을 때 칼만 필터를 사용하여 자력계(4)와 헤딩 자이로(5)를 결합하여 방향을 추정하고(409), 헤딩 자이로(5) 출력, 즉 각속도를 적분하여 방향(HGyro)을 계산하며(410), 자력계 방향(HMag)을 측정한다(411).The second direction filter 7b estimates the direction by combining the magnetometer 4 and the heading gyro 5 using the Kalman filter when the surrounding magnetic field is not distorted more than a predetermined value indoors (409), and the heading gyro ( 5) The direction (H Gyro ) is calculated by integrating the output, that is, the angular velocity (410), and the magnetometer direction (H Mag ) is measured (411).
그후, 칼만 필터를 사용하여 두 방향 정보를 결합한다(412). 측정방정식은 Z = HMag- HGyro+ w 이다.The Kalman filter is then used to combine the two directions of information (412). The measurement equation is Z = H Mag -H Gyro + w.
제3방향필터(7c)는 실내에서 주변 자장이 일정 값 이상으로 왜곡되었을 때 헤딩 자이로(5)만을 이용하여 직진과 회전으로 구성된 제한 보행 방식을 적용하여 방향을 추정한다(413).When the surrounding magnetic field is distorted to a predetermined value or more in the room, the third direction filter 7c estimates the direction by applying a limited walking method composed of straight and rotation using only the heading gyro 5 (413).
자력계 방향을 측정하여 초기 방향 설정을 하고(414), 헤딩 자이로 각속도를 측정하여(415) 각속도가 임계값 이상이면 회전 구간의 제1조건으로 판단하고 그 이하일 때는 직진 구간으로 판단한다(416).The direction of the magnetometer is measured to set an initial direction (414), and the heading gyro angular velocity is measured (415). If the angular velocity is greater than or equal to the threshold, it is determined as the first condition of the rotation section.
회전 구간의 제1조건을 만족할 때 회전 연속 시간이 0.2초 이상이면 회전 구간의 제2조건으로 판단하고(417), 회전 구간이 끝나면 회전 구간 동안의 각속도를 적분하여 회전각을 계산하며(418), 방향을 누적시킨다(419).When the continuous rotation time is 0.2 seconds or more when the first condition of the rotation section is satisfied, it is determined as the second condition of the rotation section (417), and when the rotation section ends, the rotation angle is calculated by integrating the angular velocity during the rotation section (418). , Accumulate direction (419).
그후, 연속 직진 시간이 2초 이상인지 판단하고(421), 재귀 평균식을 이용하여 자이로 바이어스(gyro bias)를 추정하며(422), 선택된 모드에서 추정된 방향을 결정한다(423).Thereafter, it is determined whether the continuous straight time is 2 seconds or more (421), a gyro bias is estimated using the recursive average equation (422), and the direction estimated in the selected mode is determined (423).
도 7은 칼만 필터를 사용하여 걸음 계수 방식에 의한 추측항법의 위치와 GPS의 위치 정보를 결합하는 위치필터(8)이다.7 is a position filter 8 which combines the position of the dead reckoning by the step counting method and the GPS positional information by using the Kalman filter.
우선, 도 5의 속도필터(6)에서 추측항법에 필요한 속도 정보를 획득한다(300).First, speed information necessary for dead reckoning is obtained from the speed filter 6 of FIG. 5 (300).
그리고 추측항법에서의 이동 거리를 속도와 시간의 곱으로 계산하고(501), 도 6의 방향필터(7)에서 (401), (408)의 조건을 고려하여 방향 모드를 판단한다(502).The movement distance in the dead reckoning is calculated by multiplying the speed and the time (501), and the direction mode is determined in consideration of the conditions (401) and (408) in the direction filter (7) of FIG.
그후, 제1방향필터(7a) 모드가 선택되었을 때 GPS/자력계 결합된 방향을 추정하고(503), 추측항법에 의해 추정된 위치를 계산한다. 위치(PDR)는 x=s*sin(H), y=s*cos(H) 이다(504).Then, when the first direction filter 7a mode is selected, the GPS / magnetometer combined direction is estimated 503, and the estimated position is estimated by dead reckoning. Position P DR is x = s * sin (H), y = s * cos (H) (504).
그후, GPS의 위치 정보(PGPS)를 획득하고(505), 칼만 필터를 사용하여 두 위치 정보를 결합한다(506). 측정 방정식은 z = PDR+ PGPS+ w이다.Thereafter, GPS position information (P GPS ) is obtained (505), and the two position information are combined (506) using a Kalman filter. The measurement equation is z = P DR + P GPS + w.
한편, GPS를 사용할 수 없는 제2방향필터(7b) 모드가 선택되었을 때 자력계/자이로 결합된 방향을 추정하고(508), GPS를 사용할 수 없는 제3방향필터(7c) 모드가 선택되었을 때 자이로만을 이용하여 직진과 회전으로 구성된 제한 보행 방식을 적용하여 방향을 추정한다(509).On the other hand, when the second direction filter 7b mode in which GPS cannot be used is selected, the magnetometer / gyro is estimated in a combined direction (508), and the gyro is selected when the third direction filter 7c mode in which GPS cannot be used is selected. The direction is estimated by applying the limited walking method consisting of straight and rotation using only the bay (509).
그후, 추측항법에 의해 추정된 위치를 계산한다(510). 위치(PDR)는 x =s*sin(H), y = s*cos(H) 이다.Then, the position estimated by dead reckoning is calculated (510). The position P DR is x = s * sin (H), y = s * cos (H).
따라서, 이와 같은 위치추적장치 및 방법은 실내 및 도심과 같은 GPS의 수신이 불량한 곳에서도 연속적인 위치정보를 제공할 수 있으므로 레저, 군사작전, 개인 위치추적, 응급구조 등과 같이 광범위한 용도로 사용할 수 있다.Therefore, such a location tracking device and method can provide a continuous location information even in the poor reception of GPS, such as indoors and downtown can be used for a wide range of applications, such as leisure, military operations, personal location tracking, emergency rescue, etc. .
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 GPS와 추측항법을 결합하여 보행시 발의 움직임에 따라 전진 가속과 수직 가감속, 전후의 기울임, 좌우의 흔들림을 가지는 보행 특징을 관성센서를 사용하여 측정하고 처리함으로써 걸음을 검출하고 보폭을 결정하여 일반적인 관성항법 방식에서 문제가 되는 급격한 오차 증가를 극소화시킬 수 있으므로 GPS 신호를 수신할 수 없는 경우에도 연속적으로 개인의 위치 및 속도정보를 제공할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, the GPS and the dead reckoning are combined to measure and process walking features having forward acceleration, vertical acceleration and deceleration, tilting forward and backward, and left and right shaking according to the movement of the foot when walking. By detecting the steps and determining the stride length, it is possible to minimize the sudden error increase that is a problem in the general inertial navigation method, so that even if a GPS signal cannot be received, the individual's position and speed information can be continuously provided.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020000035695A KR20020001257A (en) | 2000-06-27 | 2000-06-27 | Positioning module and navigation method for personal navigation system using gps and inertial sensors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020000035695A KR20020001257A (en) | 2000-06-27 | 2000-06-27 | Positioning module and navigation method for personal navigation system using gps and inertial sensors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20020001257A true KR20020001257A (en) | 2002-01-09 |
Family
ID=19674215
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020000035695A KR20020001257A (en) | 2000-06-27 | 2000-06-27 | Positioning module and navigation method for personal navigation system using gps and inertial sensors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20020001257A (en) |
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030014772A (en) * | 2001-08-13 | 2003-02-20 | 지규인 | Car accident recording device using global positioning system and micro electro mechanical system and accident moment reproducing method |
EP1732300A2 (en) | 2005-06-09 | 2006-12-13 | Sony Corporation | Method, program and information processing device for sensing called party activity |
KR100742612B1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-07-25 | 한국전자통신연구원 | Apparatus and Method for Complex Navigation Using Dead Reckoning and GPS |
WO2008036325A2 (en) * | 2006-09-20 | 2008-03-27 | Regents Of The University Of Minnesota | Indoor navigation system and method |
WO2008035827A1 (en) * | 2006-09-21 | 2008-03-27 | Jongchul Kim | Pedestrian navigation method and apparatus for using geographic information system |
WO2009088688A2 (en) * | 2008-01-06 | 2009-07-16 | Location Based Technologies, Inc. | Apparatus and method for determining location and tracking coordinates of a tracking device |
KR101105144B1 (en) * | 2004-01-20 | 2012-01-16 | 엘지전자 주식회사 | Method for determining position of vehicle |
WO2012093842A3 (en) * | 2011-01-07 | 2012-11-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for detecting location information using navigation algorithm |
KR101394984B1 (en) * | 2009-12-16 | 2014-05-14 | 에스케이플래닛 주식회사 | In-door positioning apparatus and method based on inertial sensor |
KR101463550B1 (en) * | 2012-02-24 | 2014-11-20 | 브로드콤 코포레이션 | Wireless communication device capable of accurately performing position estimations |
WO2015099955A1 (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-02 | Intel Corporation | Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device |
KR20180019741A (en) * | 2015-06-26 | 2018-02-26 | 인텔 코포레이션 | Pedestrian Guided Navigation Technology |
US10471610B2 (en) | 2015-06-16 | 2019-11-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Robot arm having weight compensation mechanism |
KR20210026795A (en) * | 2019-09-02 | 2021-03-10 | 경북대학교 산학협력단 | System for Positioning Hybrid Indoor Localization Using Inertia Measurement Unit Sensor and Camera |
WO2022092766A1 (en) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | 삼성전자 주식회사 | Electronic device for providing real-time speed on basis of gps signal and/or pedometer information, and method for controlling same |
CN114577206A (en) * | 2022-03-08 | 2022-06-03 | 宁波诺丁汉大学 | Indoor inertial navigation map building method and system based on ultrasonic waves |
-
2000
- 2000-06-27 KR KR1020000035695A patent/KR20020001257A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030014772A (en) * | 2001-08-13 | 2003-02-20 | 지규인 | Car accident recording device using global positioning system and micro electro mechanical system and accident moment reproducing method |
KR101105144B1 (en) * | 2004-01-20 | 2012-01-16 | 엘지전자 주식회사 | Method for determining position of vehicle |
EP1732300A2 (en) | 2005-06-09 | 2006-12-13 | Sony Corporation | Method, program and information processing device for sensing called party activity |
EP1732300B1 (en) * | 2005-06-09 | 2016-11-16 | Sony Corporation | Method, program and information processing device for sensing called party activity |
KR100742612B1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-07-25 | 한국전자통신연구원 | Apparatus and Method for Complex Navigation Using Dead Reckoning and GPS |
WO2008036325A2 (en) * | 2006-09-20 | 2008-03-27 | Regents Of The University Of Minnesota | Indoor navigation system and method |
WO2008036325A3 (en) * | 2006-09-20 | 2008-05-08 | Univ Minnesota | Indoor navigation system and method |
US7991576B2 (en) | 2006-09-20 | 2011-08-02 | Regents Of The University Of Minnesota | Indoor navigation system and method |
WO2008035827A1 (en) * | 2006-09-21 | 2008-03-27 | Jongchul Kim | Pedestrian navigation method and apparatus for using geographic information system |
WO2009088688A2 (en) * | 2008-01-06 | 2009-07-16 | Location Based Technologies, Inc. | Apparatus and method for determining location and tracking coordinates of a tracking device |
WO2009088688A3 (en) * | 2008-01-06 | 2009-09-11 | Location Based Technologies, Inc. | Apparatus and method for determining location and tracking coordinates of a tracking device |
KR101394984B1 (en) * | 2009-12-16 | 2014-05-14 | 에스케이플래닛 주식회사 | In-door positioning apparatus and method based on inertial sensor |
CN103299209A (en) * | 2011-01-07 | 2013-09-11 | 三星电子株式会社 | Apparatus and method for detecting location information using navigation algorithm |
WO2012093842A3 (en) * | 2011-01-07 | 2012-11-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for detecting location information using navigation algorithm |
US9410808B2 (en) | 2011-01-07 | 2016-08-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Apparatus and method for detecting location information using navigation algorithm |
KR101463550B1 (en) * | 2012-02-24 | 2014-11-20 | 브로드콤 코포레이션 | Wireless communication device capable of accurately performing position estimations |
US9151823B2 (en) | 2012-02-24 | 2015-10-06 | Broadcom Corporation | Wireless communication device capable of accurately performing position estimations |
WO2015099955A1 (en) * | 2013-12-27 | 2015-07-02 | Intel Corporation | Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device |
CN105934655A (en) * | 2013-12-27 | 2016-09-07 | 英特尔公司 | Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device |
CN105934655B (en) * | 2013-12-27 | 2018-05-18 | 英特尔公司 | The devices, systems, and methods of the orientation of the mobile equipment of estimation |
US10222208B2 (en) | 2013-12-27 | 2019-03-05 | Intel Corporation | Apparatus, system and method of estimating an orientation of a mobile device |
US10471610B2 (en) | 2015-06-16 | 2019-11-12 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Robot arm having weight compensation mechanism |
KR20180019741A (en) * | 2015-06-26 | 2018-02-26 | 인텔 코포레이션 | Pedestrian Guided Navigation Technology |
KR20210026795A (en) * | 2019-09-02 | 2021-03-10 | 경북대학교 산학협력단 | System for Positioning Hybrid Indoor Localization Using Inertia Measurement Unit Sensor and Camera |
WO2022092766A1 (en) * | 2020-10-30 | 2022-05-05 | 삼성전자 주식회사 | Electronic device for providing real-time speed on basis of gps signal and/or pedometer information, and method for controlling same |
CN114577206A (en) * | 2022-03-08 | 2022-06-03 | 宁波诺丁汉大学 | Indoor inertial navigation map building method and system based on ultrasonic waves |
CN114577206B (en) * | 2022-03-08 | 2023-10-31 | 宁波诺丁汉大学 | Indoor inertial navigation map building method and system based on ultrasonic waves |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7561960B2 (en) | Motion classification methods for personal navigation | |
CA2081185C (en) | Vehicle navigation system | |
US5583776A (en) | Dead reckoning navigational system using accelerometer to measure foot impacts | |
KR100977935B1 (en) | Advancing direction measurement device and advancing direction measurement method | |
US7222045B2 (en) | Attitude angle processor and attitude angle processing method | |
KR20020001257A (en) | Positioning module and navigation method for personal navigation system using gps and inertial sensors | |
JP5295016B2 (en) | Global positioning system and dead reckoning (GPS & DR) integrated navigation system, and method for providing navigation information of a moving body | |
JP5344491B2 (en) | Method, apparatus, display unit, and system for measuring the advancement of a moving person | |
EP1134555A1 (en) | Method for determining velocity and travelled distance of a pedestrian | |
JP4205930B2 (en) | Portable autonomous navigation system | |
US11743687B2 (en) | Method and system for determining and tracking an indoor position of an object | |
KR20150106004A (en) | Method and apparatus for handling vertical orientations of devices for constraint free portable navigation | |
JP3851406B2 (en) | Pedestrian speed / direction detector | |
US7400946B2 (en) | Method and apparatus for measuring velocity of land vehicle using accelerometer and route guidance information data | |
JP3404905B2 (en) | Vehicle navigation system | |
TWM439799U (en) | Positioning device for effectively identifying location of global positioning system | |
CN113325455B (en) | Method and system for tracking and determining indoor position of object | |
JP2016206017A (en) | Electronic apparatus and travel speed calculation program | |
TWM439800U (en) | Position estimation device for calibration of distance and direction | |
Collin et al. | MEMS-IMU for personal positioning in a vehicle-a gyro-free approach | |
KR101428992B1 (en) | Device for calculating curvature of the trace of wheels during driving and method for calibrating curvature thereof | |
JP3331865B2 (en) | Navigation device | |
FI127640B (en) | Method and system for determining a direction of movement of an object | |
GB2567889A (en) | Method and system for determining a direction of movement of an object | |
US20210306811A1 (en) | Method and system for determining a direction of movement of an object |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |