KR20180079215A - Position recognition system and method for moving object based on geomagnetic sensor - Google Patents

Position recognition system and method for moving object based on geomagnetic sensor Download PDF

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KR20180079215A
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국태용
김태경
양선제
박경희
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Abstract

The present invention relates to a position recognition system and method for locating a moving object based on an indoor magnetic field, more particularly, an earth′s magnetic field, without having to construct other infrastructures. The position recognition system includes a geomagnetic sensor generating geomagnetic information having three-dimensional (3D) directional components in a 3D space by measuring the indoor magnetic field, a content addressable memory (CAM) storing information about measurement positions related to a geomagnetic map previously drawn using the geomagnetic information, the 3D geomagnetic information generated by the geomagnetic sensor, and structure information including information about north to the magnetic field, and a calculator estimating a position of the moving object, based on the geomagnetic information generated by the geomagnetic sensor, the structure information including information obtained from the memory, and information about movement of the moving object, using an extended Kalman filter.

Description

지자기 센서 기반 이동체의 위치 인식 시스템 및 방법{POSITION RECOGNITION SYSTEM AND METHOD FOR MOVING OBJECT BASED ON GEOMAGNETIC SENSOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a position recognition system and method for a moving object based on a geomagnetic sensor,

본 발명은 지자기 센서 기반 이동체의 위치 인식 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a position recognition system and method of a geomagnetic sensor-based moving object.

자율적으로 동작하면서 주어진 임무를 수행하는 이동 로봇의 경우 로봇의 위치를 추정하는 기술이 필요하다. 실외 환경의 경우 로봇의 현재 위치 정보는 GPS (Global Positioning System) 센서에서 얻은 데이터를 사용하여 얻을 수 있다. 실내 환경의 경우는 적외선, RFID, 무선랜 등 다양한 방식을 통해 위치 인식을 하는 연구가 이뤄지고 있으나 인프라 구축 및 정확도 면에서 개선해야 할 부분이 많다.In the case of a mobile robot operating autonomously and performing a given task, a technique for estimating the position of the robot is needed. In the outdoor environment, the current position information of the robot can be obtained by using data obtained from a GPS (Global Positioning System) sensor. In the case of indoor environment, there are researches on location recognition through various methods such as infrared rays, RFID, and wireless LAN, but there are many parts to be improved in terms of infrastructure construction and accuracy.

적외선, RFID, 무선랜을 이용한 실내 위치 인식 방법 중에서 적외선을 이용하는 방법은 비교적 단순한 시스템이며 가격이 낮지만 햇빛과 형광등(내부 조명)으로 인해 간섭이 일어나고, 장애물이 있을 경우 LOS(Line Of Sight)가 유지될 수 없기 때문에 많은 제한이 있다. RFID는 센서 가격이 저렴하다는 장점이 있지만 통신거리가 짧기 때문에 정확성을 높이기 위해 많은 판독기가 필요하다. 무선랜(WLAN)을 사용하는 방법은 무선 인터넷을 통해 이미 구축된 네트워크를 사용할 수 있기 때문에 별도의 인프라가 필요하지 않다는 이점이 있다. 그러나 이 방법은 유리 및 가구와 같은 실내 환경으로 인해 전파가 손실되거나 감쇄되기 때문에 위치 정확도가 낮다.Of the indoor location recognition methods using infrared rays, RFID, and wireless LAN, infrared is a relatively simple system, and although the price is low, interference occurs due to sunlight and fluorescent lamp (internal illumination), and LOS (Line Of Sight) There are many limitations because it can not be maintained. RFID has the advantages of low sensor prices, but because of the short communication distance, many readers are needed to improve accuracy. The advantage of using a wireless LAN (WLAN) is that it does not require a separate infrastructure because it can use an already established network over the wireless Internet. However, this method has low location accuracy because the radio waves are lost or attenuated due to the indoor environment such as glass and furniture.

지자기장을 이용한 위치 인식 방법의 연구와 관련하여 건축 내부의 철근 콘크리트 및 H-beam과 동력 시스템과 같은 강자성 건축 자재는 건물 내부의 지자기장을 왜곡한다. 이러한 왜곡은 나침반이 지자기 왜곡으로 방향을 결정하는 데 어려움을 초래할 수 있지만 이를 이용하여 위치 추정을 위해 지역적 특징으로 사용할 수 있다. Haverinen과 Kemppainen은 자기장 강도 값 모델을 이용한 위치 추정 방법을 제안했다. 그들은 MCL 알고리즘을 사용하여 위치 인식을 수행하였으며 실험을 통해 다른 센서가 없는 지자기 센서만으로 위치 파악이 가능하다는 것을 보여 주었다.Regarding the study of location recognition method using geomagnetic field, ferromagnetic concrete such as internal reinforced concrete and H-beam and power system distort the geomagnetic field inside the building. This distortion can be difficult to determine the direction of the compass due to geomagnetic distortion, but it can be used as a regional feature for location estimation. Haverinen and Kemppainen proposed a position estimation method using a magnetic field intensity value model. They performed location recognition using the MCL algorithm and showed that the experiment was able to locate only with geomagnetic sensors without other sensors.

단일 센서의 한계를 극복하고 정확한 위치 파악을 위해 지자기 센서와 다른 센서를 결합한 방법이 연구되었다. 또 다른 연구에서는 스마트폰에 내장된 지자기 센서를 사용하여 지자기장을 측정하고 그 결과를 위치 인식을 위해 사전에 만든 지자기 지도와 비교하였다. 파티클 필터의 이동 거리와 방향 같은 제어 입력을 계산하기 위해 스마트폰에 내장된 관성 측정 장비(IMU)를 이용하였다. 지자기 센서와 다른 센서 정보를 융합하기 위해 사용된 파티클 필터는 입자의 개수가 많아 계산량이 증가하여 시스템에 부담을 주고 처리 속도가 늦는 단점이 있다.In order to overcome the limitation of a single sensor and to grasp the exact position, a method combining a geomagnetic sensor and another sensor has been studied. Another study measured the geomagnetic field using a geomagnetic sensor embedded in a smartphone and compared the results with geomagnetism maps made for location recognition in advance. We used inertial measurement equipment (IMU) embedded in the smartphone to calculate control inputs such as the moving distance and direction of the particle filter. The particle filter used for fusion of geomagnetic sensor and other sensor information has a disadvantage in that the number of particles increases and the calculation amount increases, which burdens the system and slows the processing speed.

위치 추정을 위해 지자기 정보를 사용하기 위해서는 데이터베이스를 작성하고 관리하여야 한다. Dries Vandermeulen는 실내에서 지자기장을 이용한 위치 추정이 가능한지 실험하기 위해 핑거 프린트 지자기 맵을 작성하였다. 핑거 프린트 방식은 패턴 매칭 방법으로 패턴의 요소가 너무 적으면 높은 정밀도를 기대할 수 없다.To use geomagnetic information for location estimation, a database should be created and managed. Dries Vandermeulen created a fingerprint geomagnetism map in order to test whether the geomagnetic field can be estimated indoors. The fingerprint method is a pattern matching method. If the elements of the pattern are too small, high precision can not be expected.

핑거 프린트 지자기 맵의 패턴을 증가시키기 위해 Chung, et al.은 4개의 지자기 센서를 배열하여 만든 장비를 사용하여 위치를 추정하였다. 측정 지점에서 0.05m 떨어진 위치를 120도 마다 측정하여 맵을 작성하였다. 하지만 핑거 프린트 방식은 미리 만든 데이터베이스와 측정한 정보와 패턴을 비교하여 존재할 위치에 대한 가능성을 찾기 때문에 정확성이 떨어진다.In order to increase the pattern of the fingerprint geomagnetism map, Chung, et al. Estimated location using the equipment made by arranging four geomagnetic sensors. A map was created by measuring the position at 0.05 m from the measurement point every 120 degrees. However, the fingerprint method is less accurate because it compares the pre-made database with the measured information and patterns and finds possibilities for the location to exist.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위치 인식을 하기 위해 다른 인프라의 구축이 필요 없고, 실내외 환경에서 모두 사용 가능한 지구 자기장을 통해 이동체의 위치를 인식하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a system and method for recognizing the position of a moving object through a geomagnetic field usable in both indoor and outdoor environments, without needing to construct other infrastructures for location recognition.

본 발명의 실시예에 따른 실내 자기장을 이용한 이동체의 위치 인식 시스템은, 상기 실내 자기장을 측정하여 3차원 공간 속에서 3차원의 방향 성분을 가지는 지자기 정보를 생성하는 지자기 센서, 상기 지자기 정보를 이용하여 사전에 작성된 지구 자기장 맵과 관련하여 각 측정 위치에 대한 정보, 상기 3차원의 관측 정보, 그리고 자기장의 북쪽 방향에 대한 정보를 가지는 구조체 정보를 기억하며, CAM(Content Addressable Memory) 방식을 사용하는 메모리, 그리고 상기 지자기 센서로부터의 지자기 정보, 상기 메모리에 접근하여 얻은 상기 구조체 정보 및 상기 이동체의 이동 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치를 추정하되 확장 칼만 필터를 사용하는 연산부를 포함한다.A position recognition system for a moving object using an indoor magnetic field according to an embodiment of the present invention includes a geomagnetism sensor for generating the geomagnetism information having a three-dimensional direction component in a three-dimensional space by measuring the indoor magnetic field, Dimensional space, information on each measurement position, the three-dimensional observation information, and structure information having information on the north direction of the magnetic field in association with a previously prepared geomagnetic field map, and stores the structure information in a memory using a CAM (Content Addressable Memory) And an operation unit for estimating the position of the moving object by using the geomagnetism information from the geomagnetic sensor, the structure information obtained by accessing the memory, and the movement information of the moving object, and using the extended Kalman filter.

본 발명의 다른 실시예에 따른 실내 자기장을 이용한 이동체의 위치 인식 방법은, 지자기 센서가 상기 실내 자기장을 측정하여 3차원 공간 속에서 3차원의 방향 성분을 가지는 지자기 정보를 생성하는 단계, 상기 지자기 정보를 이용하여 사전에 작성된 지구 자기장 맵과 관련하여 각 측정 위치에 대한 정보, 상기 3차원의 관측 정보, 그리고 자기장의 북쪽 방향에 대한 정보를 가지는 구조체 정보를 메모리에 기억하는 단계, 그리고 상기 지자기 정보, 상기 메모리에 접근하여 얻은 상기 구조체 정보 및 상기 이동체의 이동 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계를 포함하며, 상기 기억 단계는 CAM(Content Addressable Memory) 방식을 사용하여 상기 구조체 정보를 기억하는 단계를 포함하고, 상기 위치 추정 단계는 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of recognizing a moving object using an indoor magnetic field, comprising the steps of: generating a geomagnetism information having a three-dimensional directional component in a three-dimensional space by measuring the indoor magnetic field, Storing the information on each measurement position, the three-dimensional observation information, and the structure information having information on the north direction of the magnetic field in association with the previously created geomagnetic field map, using the geomagnetic information, And estimating a position of the moving object by using the structure information obtained by approaching the memory and the movement information of the moving object, wherein the storing step stores the structure information using a CAM (Content Addressable Memory) Wherein the step of estimating the position comprises using an extended Kalman filter, And a step of estimating the position of the moving body.

본 발명에 의하면 이동체의 위치 인식을 위해 별도의 다른 인프라의 구축이 필요 없고, 실내외 환경에서 모두 사용 가능한 지구 자기장을 통해 이동체의 위치를 인식하는 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a system and method for recognizing the position of a moving object through a geomagnetic field that can be used in indoor and outdoor environments, without needing another separate infrastructure for recognizing the position of the moving object.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이동 로봇의 실물을 도시한 도면이다.
도 3은 자기장 벡터를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 실내에서 측정된 지구 자기장 맵을 도시한 도면이다.
도 5는 다양한 지구 자기장 방향을 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시한 지구 자기장 맵에 특이 사항을 부가한 도면이다.
도 7은 이동 로봇의 좌표와 지구 자기장 맵을 도시한 도면이다.
도 8은 지구 자기장 맵 메모리 접근 순서도를 도시한 도면이다.
도 9는 지구 자기장의 값을 계산하기 위하여 도시한 도면이다.
1 is a block diagram illustrating a mobile robot according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a view showing the actual body of the mobile robot shown in Fig. 1. Fig.
3 is a schematic diagram for explaining a magnetic field vector.
4 is a diagram showing a geomagnetic field map measured in a room.
5 is a view showing various directions of the geomagnetic field.
FIG. 6 is a diagram showing specificities added to the geomagnetic field map shown in FIG.
FIG. 7 is a diagram showing coordinates of a mobile robot and a map of a geomagnetic field.
8 is a diagram showing a flow chart of the approach to the geomagnetic field map memory.
Fig. 9 is a view for calculating the value of the earth's magnetic field.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents And variations are possible.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 지구의 고유 자원인 실내 자기장을 이용하여 이동체의 위치를 인식하는 방법에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이동 로봇을 이동체의 한 예로서 설명하나 이에 한정되지 않는다.Hereinafter, a method of recognizing the position of a moving object using an indoor magnetic field, which is a unique resource of the earth, will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can readily carry out the present invention. The mobile robot will be described as an example of a moving body, but is not limited thereto.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이동 로봇의 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시한 이동 로봇을 구현한 실물을 도시한 도면이며, 도 3은 자기장 벡터를 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 1 is a block diagram of a mobile robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a realization of the mobile robot shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a magnetic field vector.

도 1을 참고하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 이동 로봇(100)은 연산부(110), 지자기 센서(120), 메모리(130), 그리고 구동 장치(140)를 포함하며, 실내 자기장을 이용하여 자신의 위치를 파악할 수 있다.1, a mobile robot 100 according to an embodiment of the present invention includes an operation unit 110, a geomagnetic sensor 120, a memory 130, and a drive unit 140, So that it can grasp its position.

사전에 이동 로봇(100)이 위치하는 실내의 지구 자기장이 가진 3차원 요소와 위치 정보를 이용하여 지자기 맵을 작성하고, 이를 메모리(130)에 데이터베이스화 하여 기억해 둔다. 메모리(130)는 빠르게 접근하고 효율적으로 관리하기 위해 CAM(Content Addressable Memory) 방식을 사용한다.The geomagnetism map is created by using the three-dimensional element and the location information of the geomagnetic field of the room where the mobile robot 100 is located in advance and stored in the memory 130 in a database. The memory 130 uses a CAM (Content Addressable Memory) method for quick access and efficient management.

구동 장치(140)는 이동 로봇(100)이 이동할 수 있도록 바퀴, 모터, 모터 구동부 등으로 이루어질 수 있으며,The driving unit 140 may be a wheel, a motor, a motor driving unit or the like so that the mobile robot 100 can move,

연산부(110)는 이동 로봇(100)의 이동 정보와 지자기 정보를 이용해 이동 로봇(100)의 위치를 추정한다. 이를 위해 연산부(110)는 처리 속도가 비교적 빠르고 강인한 확장 칼만 필터를 사용한다. 또한 연산부(110)는 시스템 모델을 이용하여 이동 로봇(100)의 위치와 방향을 예측하고, 전역 센서인 지자기 센서(120)를 이용하여 위치를 보정한다.The operation unit 110 estimates the position of the mobile robot 100 using the movement information of the mobile robot 100 and the geomagnetism information. For this, the operation unit 110 uses an extended Kalman filter with a relatively fast and robust processing speed. The operation unit 110 estimates the position and direction of the mobile robot 100 using the system model, and corrects the position using the geomagnetic sensor 120, which is a global sensor.

지자기 센서(120)는 가속도 센서와 같이 3차원 공간 속에서 3차원의 방향 성분을 측정할 수 있다. 3차원의 방향 성분은 X, Y, Z의 3축으로 표시되며 각 축은 센서의 방향에 따라 직교하는 출력을 가진다. 도 3에 도시한 자기장 벡터의 각 명칭의 정의는 다음과 같다.The geomagnetic sensor 120 can measure three-dimensional direction components in a three-dimensional space like an acceleration sensor. The three-dimensional direction component is represented by three axes of X, Y, and Z, and each axis has an output orthogonal to the direction of the sensor. The definition of each name of the magnetic field vector shown in FIG. 3 is as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

그러면 연산부(110)가 지구 자기장 정보를 사용하여 위치를 추정하는 방법에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다. 위치 추정 방법은 자기장의 각 축의 출력 패턴을 이용하는 방법과 자기장의 세기를 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 지구 자기장 모델을 설계하기 위해 세기 정보를 사용한다. 자기장의 전체 세기 정보만 사용하면 센서 관측 모델의 정보가 적어 정확도가 떨어지기 때문에 특성을 추가할 필요가 있다.Hereinafter, a method of estimating the position using the geomagnetic field information will be described in more detail. The position estimation method can be divided into a method using the output pattern of each axis of the magnetic field and a method using the intensity of the magnetic field. In the embodiment of the present invention, intensity information is used to design a geomagnetic field model. If only the whole intensity information of the magnetic field is used, it is necessary to add the characteristic because the information of the sensor observation model is small and the accuracy is low.

지구 자기장을 이용하여 사람의 위치를 추정할 경우에는 사람에게 부착하거나 소유하고 있는 자기장 센서의 위치와 방향이 고정적이지 못하여 높이와 방향이 변할 수 있다. 그러나 도 2에 도시한 이동 로봇(100)은 바닥에 밀착한 상태로 이동하며 부착된 지자기 센서(120)의 높이는 바닥으로부터 항상 일정하고 이동 로봇(100)과 지자기 센서(120)의 방향이 일정하여 같은 위치에서 방향만 변함을 알 수 있다.When estimating the position of a person using the earth's magnetic field, the position and direction of the magnetic field sensor attached or possessed by a person may not be fixed, and the height and direction may be changed. However, since the mobile robot 100 shown in FIG. 2 moves in a state of close contact with the floor, the height of the attached geomagnetic sensor 120 is always constant from the bottom and the directions of the mobile robot 100 and the geomagnetic sensor 120 are constant It can be seen that only the direction changes at the same position.

[표 1]은 지구 자기장 측정표로 같은 위치에서 이동 로봇(100)을 30도씩 회전시키며 지구 자기장을 측정한 결과다. 이동 로봇(100)의 방향이 달라지더라도 지구 자기장의 세기값, 수평 방향의 세기값, 그리고 수직 방향의 크기값은 달라지지 않는다.[Table 1] shows the result of measuring the geomagnetic field by rotating the mobile robot 100 by 30 degrees at the same position with the geomagnetic field measurement table. Even if the direction of the mobile robot 100 changes, the magnitude value of the earth's magnetic field, the magnitude value of the horizontal direction, and the magnitude of the vertical direction do not change.

[표 1][Table 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

[수학식 1]과 같이 로봇의 방향과 상관없이 일정한 3개의 성분을 관측 모델의 상태 벡터로 설정한다.As shown in Equation (1), three constant components are set as the state vector of the observation model regardless of the direction of the robot.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00003
Figure pat00003

도 4는 실험이 진행된 실내 지도와 그곳에서 측정된 지구 자기장 맵을 도시한 도면이다. 지자기 센서(120)의 좌표축을 전역 좌표계의 축과 일치시킨 후 지구 자기장을 측정하고 지구 자기장 맵을 작성한다. 지구 자기장 맵은 다음과 같은 구조체를 배열로 가진 형태로 메모리(130)에 기억된다. 각 위치에서의 구조체 정보는 측정한 위치에 대한 정보와 3개의 관측 벡터 정보 그리고 자기장의 북쪽 방향에 대한 정보를 가지고 있다.FIG. 4 is a diagram showing an indoor map on which experiments are performed and a geomagnetic field map measured there. After the coordinate axis of the geomagnetic sensor 120 is aligned with the axis of the global coordinate system, the geomagnetic field is measured and a geomagnetic field map is created. The geomagnetic field map is stored in the memory 130 in the form of an array of the following structures. The structure information at each position has information on the measured position, three observation vector information, and information on the north direction of the magnetic field.

Figure pat00004
Figure pat00004

메모리(130)는 빠른 연산을 위하여 CAM(Content Addressable Memory) 방식을 사용한다. CAM은 내용 주소화 기억 장치라고 하며 매우 빠른 속도를 요하는 탐색 프로그램에서 주로 사용되는 방식이다. 메모리(130)에 지구 자기장 좌표의 ID 정보를 기준으로 데이터를 저장하고 읽을 수 있도록 한다. 이와 같이 정보가 저장되어 있는 주소를 바로 알 경우 해당 주소의 정보를 한 번에 접근할 수 있다. 이와 반대로 주소를 모를 경우 처음부터 순차적으로 접근하여 내용을 읽고, 찾고자 하는 정보와 비교하는 작업을 계속 반복하여야 하며, 이러한 작업은 기억 장치 사이클을 소모하게 되므로 매우 비효율적이다. 연산부(110)가 확장 칼만 필터 연산을 하므로 지구 자기장 맵의 메모리(130)에 접근하여 예측된 위치에서의 관측 벡터와 방향 정보를 얻어 연산하는 경우가 많이 발생한다. 따라서 CAM 방식의 메모리(130)를 사용함으로써 필터 전체의 계산 속도를 빠르게 할 수 있다.The memory 130 uses a CAM (Content Addressable Memory) method for fast operation. CAM is called content addressable memory, and is the main method used in very fast search programs. And stores and reads data on the basis of the ID information of the geomagnetic field coordinates in the memory 130. If you know the address where information is stored in this way, you can access the information of that address at once. On the other hand, if the address is not known, it is necessary to sequentially access from the beginning, read the contents, and compare with the information to be searched repeatedly. This operation is very inefficient because it consumes a memory cycle. Since the arithmetic unit 110 performs the extended Kalman filter operation, it often accesses the memory 130 of the geomagnetic field map and obtains the observation vector and direction information at the predicted position. Therefore, by using the CAM memory 130, the calculation speed of the entire filter can be increased.

본 발명의 실시예에 따른 알고리즘을 검증하기 위해 실험실(가로 9.0m x 세로 6.6m)을 모델링하고 지구 자기장 맵을 작성하였다. 도 4는 모델링한 실험실 모습과 지구 자기장을 측정한 위치를 나타내고 있다. [표 1]과 같이 실험실 내부를 0.45m 간격으로 가로 12지점, 세로 10지점, 총 120지점에서 지구 자기장을 측정하여 지구 자기장 맵을 작성하였다. 지자기장의 북쪽 방향을 기록한 결과 측정한 지점 마다 다른 방향을 나타냄을 알 수 있다.In order to verify the algorithm according to the embodiment of the present invention, a laboratory (9.0 m long x 6.6 m long) was modeled and a geomagnetic field map was created. Fig. 4 shows the modeled laboratory view and the position where the geomagnetic field is measured. As shown in [Table 1], a geomagnetic field map was created by measuring the geomagnetic field at 12 points in a horizontal direction, 10 points in a vertical direction, and 120 points in a total of 0.45m intervals inside the laboratory. As a result of recording the north direction of the geomagnetic field, it can be seen that the measured direction indicates different directions.

[표 1][Table 1]

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Figure pat00005

[표 2][Table 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

[표 2]는 모델링한 실험실 환경의 지구 자기장의 세기 정보를 분석한 표이다. 지구 자기장의 크기값은 가장 큰 지역이 106.3μT, 가장 낮은 지역은 8.8μT로 다양한 값들이 존재함을 알 수 있다. 지구 자기장의 평균값은 55.6μT으로 나타났다.[Table 2] is a table that analyzes the intensity of the earth's magnetic field in the modeled laboratory environment. The magnitude of the earth's magnetic field is 106.3 μT in the largest region and 8.8 μT in the lowest region. The average value of the earth's magnetic field was 55.6 μT.

측정된 위치 사이의 자기장 세기를 비교했을 때 변화가 가장 큰 구간은 31.7μT로 나타났고 가장 적은 구간은 0.08μT로 나타났다. 변화에 대한 RMS 평균은 10.4μT로 나타났다. 측정한 구간의 간격은 0.45m로 구간에서의 지구 자기장의 변화가 선형적으로 변한다고 가정하면 평균적으로 0.01m 당 0.023μT가 변한다고 할 수 있다.When the intensity of the magnetic field between the measured positions was compared, the largest change was found to be 31.7 μT and the smallest change was 0.08 μT. The RMS average for change was 10.4 μT. Assuming that the measured interval is 0.45m, and the global magnetic field changes linearly in the interval, it can be said that 0.023μT per 0.01m varies on average.

도 5(a) 내지 도 5(d)는 다양한 지구 자기장 방향을 도시한 도면이다. 도 5(a)와 같이 실외에서는 지구 자기장의 모습으로 나침반의 바늘이 북극 부근의 방향으로 일정하게 향하는 것을 알 수 있다. 하지만 도 5(b)와 같이 실내에서는 자기장 교란이 발생하여 위치에 따라 나침반의 방향이 북극 방향과 일치하지 않는다. 하지만 전체적으로는 다양한 방향을 가리킬 수 있지만 지역적으로는 왜곡된 방향으로 일정하게 가리킴을 알 수 있다.5 (a) to 5 (d) are views showing various directions of the geomagnetic field. As shown in Fig. 5 (a), it is seen that the compass needle is constantly directed in the direction of the north pole in the form of a geomagnetic field outdoors. However, as shown in FIG. 5 (b), the magnetic field disturbance occurs in the room, and the direction of the compass does not coincide with the polar direction according to the position. However, it can be pointed in various directions as a whole, but it is locally pointed in a distorted direction constantly.

또한 도 5(c) 및 도 5(d)와 같이 자기장의 방향이 일정하여 방향을 결정하기 쉬운 실외에서도 나침반으로 방향을 결정하기 어려운 지역이 있다. 북극이나 남극은 지구 자기장의 극이 발산하거나 수렴하는 지역으로 자기장의 방향이 땅과 수직이 되어 나침반의 N극이 하늘로 향하거나 땅을 바라보게 되는 현상이 발생한다. 도 6은 이렇게 실내에서 나침반의 방향이 왜곡되거나 자기장의 극이 발산하거나 수렴하는 영역을 함께 표시하여 도시한 지구 자기장 맵이다.As shown in Figs. 5 (c) and 5 (d), there is an area where the direction of the magnetic field is constant, and it is difficult to determine the direction by the compass even in the outdoors where the direction is easily determined. An Arctic or Antarctic is a region where the pole of the Earth's magnetic field emits or converges. The direction of the magnetic field is perpendicular to the ground, and the N pole of the compass is directed toward the sky or the earth. Fig. 6 is a map of a geomagnetic field in which the direction of the compass is distorted in the indoor space or the region where the pole of the magnetic field diverges or converges.

이동 로봇(100)의 이전 위치(

Figure pat00007
)에서 시스템 모델에 의하여 예측된 이동 로봇(100)의 좌표(
Figure pat00008
)가 도 7에 표시되어 있다. 해당 좌표 정보를 변환하여 지구 자기장 맵에서 예측된 관측 정보를 읽어온다.The previous position of the mobile robot 100 (
Figure pat00007
) Coordinates of the mobile robot 100 predicted by the system model (
Figure pat00008
Is shown in Fig. And converts the coordinate information to read the observation information predicted from the geomagnetic field map.

도 8은 CAM 에 접근하는 순서도이다. 이동 로봇(100)의 좌표(전역 좌표계)를 다음 [수학식 2]를 이용한 함수를 이용하여 지구 자기장 맵의 좌표계 ID로 변환한다.8 is a flow chart for accessing the CAM. The coordinate (global coordinate system) of the mobile robot 100 is converted into the coordinate system ID of the geomagnetic field map by using the function using the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00009
Figure pat00009

변환된 x 방향, y 방향 ID를 [수학식 2]를 사용하여 하나의 값으로 만든다. CAM 함수를 통해 해당 ID의 접근 주소를 반환받고 다음 [표 3]의 정보를 읽는다.The converted x-direction and y-direction ID are converted into one value by using (2). The access address of the corresponding ID is returned through the CAM function, and then the information shown in [Table 3] is read.

[표 3][Table 3]

Figure pat00010
Figure pat00010

도 9는 지구 자기장의 값을 계산하기 위하여 도시한 도면으로, 실험을 위해 작성한 지구 자기장 맵이다. 일정한 거리

Figure pat00011
만큼 떨어진 위치마다 지구 자기장을 측정하였다. 지도 속의 점(
Figure pat00012
)은 시스템 모델에 의하여 예측된 이동 로봇(100)의 위치이다. 센서 관측 모델 함수
Figure pat00013
는 이동 로봇의 예상 위치에서 관측 모델의 예측값을 구하는 비선형 함수이다.FIG. 9 is a diagram showing a value of a geomagnetic field and is a geomagnetic field map prepared for an experiment. Constant distance
Figure pat00011
Of the Earth's magnetic field. Point in Map (
Figure pat00012
Is the position of the mobile robot 100 predicted by the system model. Sensor Observation Model Functions
Figure pat00013
Is a nonlinear function for obtaining the predicted value of the observation model at the expected position of the mobile robot.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00014
Figure pat00014

맵의 경계에서의 오차를 줄이기 위해 먼저 예상 위치에서

Figure pat00015
만큼 떨어진 거리에서의
Figure pat00016
네 점에서의 관측 벡터값을 [수학식 4]와 같이 선형 보간법을 이용하여 구하고 평균값을 이용하여 예측된 이동 로봇(100)의 위치에서의 관측 벡터의 값을 구한다.In order to reduce the error at the boundary of the map,
Figure pat00015
At a distance of
Figure pat00016
Observation vector values at four points are obtained using linear interpolation as shown in Equation (4), and the value of the observation vector at the position of the mobile robot 100 predicted using the average value is obtained.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

행렬 H는 지구 자기장 비선형 모델 함수를 상태 벡터에 대해 선형화한 행렬이다. 이 행렬은 상태 벡터에 대한 관측 벡터의 변화량을 의미한다. 각 성분은

Figure pat00019
네 지점의 변화량을 이용하여 구한다. 방향에 대한 변화량은 구할 수가 없기 때문에 각도에 의한 변화량은 0이 된다. 앞에서 설명한 과정을 통해 확장 칼만 필터의 결과로 이동 로봇(100)의 위치를 추정할 수 있게 된다. 하지만 이동 로봇(100)의 방향을 알 수 없기 때문에 이동 로봇(100)의 방향을 새롭게 결정해주어야 한다.The matrix H is a matrix that linearizes the geomagnetic nonlinear model function with respect to the state vector. This matrix represents the variation of the observation vector with respect to the state vector. Each component
Figure pat00019
It is obtained by using the variation of four points. Since the amount of change with respect to the direction can not be obtained, the amount of change due to the angle becomes zero. The position of the mobile robot 100 can be estimated as a result of the extended Kalman filter through the process described above. However, since the direction of the mobile robot 100 can not be determined, the direction of the mobile robot 100 must be newly determined.

앞서 도 5(b)에서 살펴본 바와 같이 지역적으로 왜곡된 방향으로 일정하게 가리키는 특성을 이용하여 지구 자기장 맵을 작성할 때의 측정한 센서(120)의 방향 정보와 이동 로봇(100)의 지구 자기장 센서(120) 정보를 이용하여 전역적 위치에서의 방향을 결정할 수 있다. 함수

Figure pat00020
와 행렬 H를 구할 때 사용했던
Figure pat00021
의 방향 정보를 이용하여 로봇이 측정한 자기장 방향과 비교하여 방향을 결정한다.5 (b), the direction information of the measured sensor 120 when the geomagnetic field map is created using the characteristic pointing in a locally distorted direction and the direction information of the geomagnetic field sensor of the mobile robot 100 120) information can be used to determine the direction at the global location. function
Figure pat00020
And the matrix H
Figure pat00021
The direction is determined by comparing the direction of the magnetic field measured by the robot with the direction information of the robot.

설계한 지구 자기장 모델로는 각도에 대한 자기장의 변화량을 구할 수 없어 이동 로봇(100)의 위치를 추정할 수 있지만 방향을 추정할 수가 없다. 이동 로봇(100)의 방향을 결정하기 위해서는 다른 방법을 사용해야 한다. 이동 로봇이나 사람의 경우 통상적으로 방향을 결정하기 위해서는 나침반을 사용한다. 지구 전역의 위치에서 일반적으로 북극 방향으로 나침반이 향하는 것을 기준으로 방향을 결정한다. 하지만 실내의 경우 자기장의 교란에 의해 방향을 알 수가 없다.In the designed geomagnetic field model, since the amount of change of the magnetic field with respect to the angle can not be obtained, the position of the mobile robot 100 can be estimated, but the direction can not be estimated. In order to determine the direction of the mobile robot 100, another method should be used. For a mobile robot or a person, a compass is normally used to determine the direction. Determines the orientation of the compass relative to the direction of the compass, generally in the direction of the Arctic, at a location throughout the earth. However, the direction of the room is unknown due to the disturbance of the magnetic field.

실내에서는 자기장의 왜곡으로 다양하고 많은 극점이 발생하게 되는데 이러한 영역에서는 정확한 자기장 값을 측정하더라도 방향을 잃어버리게 된다. 그 결과 시스템 모델에 의한 다음 위치에 대한 예측도 의미가 없어져 이동 로봇(100)의 위치를 놓쳐버리는 현상이 발생한다. 이러한 특이점(singualr point)을 찾고 해당 영역에서 방향을 잃어버리지 않기 위한 대책을 강구할 필요가 있다.In the room, there are various pole points due to the distortion of the magnetic field. Even if the accurate magnetic field value is measured in this area, the direction is lost. As a result, prediction of the next position by the system model becomes meaningless, and the position of the mobile robot 100 is missed. There is a need to find a singular point and take measures to avoid losing direction in that area.

극점을 찾기 위해 2가지 방법을 사용한다. 첫 번째는 작성한 지구 자기장 맵을 분석하여 근접한 지점에서의 자기장의 북쪽 방향이 급격하게 변화하는 경우 두 지점 사이에 특이점이 존재한다고 간주한다. 특이점에서는 자기력선의 방향이 수렴하는 S극 형태와 자기력선이 발산하는 N극 형태가 존재한다. 이러한 특이점에서는 극점을 주변의 자기력선 변화가 크기 때문에 해당 영역 근처에 특이점이 존재한다고 판단한다.Two methods are used to find the pole. The first is to analyze the geomagnetic field map and consider that there is a singular point between two points when the north direction of the magnetic field at a close point suddenly changes. In the singular point, there exists an S-pole type in which the direction of the magnetic force lines converge and an N-pole type in which the magnetic force lines diverge. In such a singularity, it is judged that there exists a singular point near the region because the magnetic field line changes around the pole.

두 번째는 측정한 자기장의 수평 방향의 성분의 세기가 일정 크기보다 작을 경우 근처에 특이점이 존재한다고 판단한다. 지구 자기장의 북쪽을 판단하는 요소는 자기장의 x축과 y축 성분으로 다른 값들은 관계가 없다. 극점에서는 자기장의 방향이 하늘이나 땅으로 향하기 때문에 수평 방향의 세기가 존재하지 않는다. 결국 수평 방향의 자기장 세기가 0에 가까우면 근처에 극점이 존재하거나 그 지역이 극점으로 변할 가능성을 가지고 있게 되는 것이다.Second, it is judged that there exists a singular point in the vicinity when the intensity of the horizontal component of the measured magnetic field is smaller than a certain magnitude. The elements that determine the north of the Earth's magnetic field are the x-axis and y-axis components of the magnetic field. At the pole, there is no horizontal strength because the direction of the magnetic field is directed toward the sky or the ground. As a result, if the intensity of the magnetic field in the horizontal direction is close to zero, there is a possibility that the pole exists in the vicinity or the pole changes into the region.

이렇게 찾은 특이점에서는 자기장 방향을 이용한 방향 결정을 하지 않고 시스템 모델의 오도메트리 정보를 이용하여 방향을 결정한다.In the singularity found in this way, the direction is determined by using the odometry information of the system model without determining the direction using the direction of the magnetic field.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing detailed description is illustrative of the present invention. It is also to be understood that the foregoing is illustrative and explanatory of preferred embodiments of the invention only, and that the invention may be used in various other combinations, modifications and environments. That is, it is possible to make changes or modifications within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, the disclosure and the equivalents of the disclosure and / or the scope of the art or knowledge of the present invention. The foregoing embodiments are intended to illustrate the best mode contemplated for carrying out the invention and are not intended to limit the scope of the present invention to other modes of operation known in the art for utilizing other inventions such as the present invention, Various changes are possible. Accordingly, the detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. It is also to be understood that the appended claims are intended to cover such other embodiments.

100: 위치인식 시스템
110: 연산부
120: 지자기 센서
130: 메모리
140: 구동 장치
100: Position recognition system
110:
120: Geomagnetic sensor
130: memory
140:

Claims (2)

실내 자기장을 이용한 이동체의 위치 인식 시스템으로서,
상기 실내 자기장을 측정하여 3차원 공간 속에서 3차원의 방향 성분을 가지는 지자기 정보를 생성하는 지자기 센서,
상기 지자기 정보를 이용하여 사전에 작성된 지구 자기장 맵과 관련하여 각 측정 위치에 대한 정보, 상기 3차원의 관측 정보, 그리고 자기장의 북쪽 방향에 대한 정보를 가지는 구조체 정보를 기억하며, CAM(Content Addressable Memory) 방식을 사용하는 메모리, 그리고
상기 지자기 센서로부터의 지자기 정보, 상기 메모리에 접근하여 얻은 상기 구조체 정보 및 상기 이동체의 이동 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치를 추정하되 확장 칼만 필터를 사용하는 연산부
를 포함하는
위치 인식 시스템.
A system for locating a moving object using an indoor magnetic field,
A geomagnetic sensor for measuring the indoor magnetic field to generate geomagnetism information having a three-dimensional directional component in a three-dimensional space,
Dimensional space, and information on each measurement position, the three-dimensional observation information, and information on the north direction of the magnetic field in association with the geomagnetic field map prepared in advance using the geomagnetism information, ) Way of using memory, and
Estimating a position of the moving object by using the geomagnetism information from the geomagnetism sensor, the structure information obtained by accessing the memory, and the moving information of the moving object,
Containing
Location awareness system.
실내 자기장을 이용한 이동체의 위치 인식 방법으로서,
지자기 센서가 상기 실내 자기장을 측정하여 3차원 공간 속에서 3차원의 방향 성분을 가지는 지자기 정보를 생성하는 단계,
상기 지자기 정보를 이용하여 사전에 작성된 지구 자기장 맵과 관련하여 각 측정 위치에 대한 정보, 상기 3차원의 관측 정보, 그리고 자기장의 북쪽 방향에 대한 정보를 가지는 구조체 정보를 메모리에 기억하는 단계, 그리고
상기 지자기 정보, 상기 메모리에 접근하여 얻은 상기 구조체 정보 및 상기 이동체의 이동 정보를 이용하여 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계
를 포함하며,
상기 기억 단계는 CAM(Content Addressable Memory) 방식을 사용하여 상기 구조체 정보를 기억하는 단계를 포함하고,
상기 위치 추정 단계는 확장 칼만 필터를 사용하여 상기 이동체의 위치를 추정하는 단계를 포함하는
위치 인식 방법.
A method of recognizing a position of a moving object using an indoor magnetic field,
The geomagnetic sensor measuring the indoor magnetic field to generate geomagnetism information having a three-dimensional directional component in a three-dimensional space,
Storing the structure information having information on each measurement position, the three-dimensional observation information, and information on the north direction of the magnetic field in association with the previously prepared geomagnetic field map using the geomagnetism information, and
Estimating a position of the moving object using the geomagnetism information, the structure information obtained by accessing the memory, and the movement information of the moving object
/ RTI >
Wherein the storing step includes storing the structure information using a CAM (Content Addressable Memory)
Wherein the estimating includes estimating a position of the moving object using an extended Kalman filter
Location recognition method.
KR1020170184522A 2016-12-30 2017-12-29 Position recognition system and method for moving object based on geomagnetic sensor KR20180079215A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI687650B (en) * 2018-11-14 2020-03-11 財團法人工業技術研究院 Localization and attitude estimation method using magnetic field and system thereof
KR102357109B1 (en) * 2021-02-17 2022-02-08 주식회사 비엘 Tunnel surface mapping system under construction

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