KR20190120638A

KR20190120638A - 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20190120638A
Application number: KR1020180044064A
Authority: KR
Inventors: 이소연; 박찬국; 주호진; 박상준; 조은영
Original assignee: 한국전자통신연구원; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-10-24
Also published as: KR102581198B1

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 신발에 부착된 관성 센서로부터 사용자의 보행에 상응하는 측정 가속도와 측정 각속도를 포함하는 센서 데이터를 수집하는 센서 데이터 수집부; 상기 센서 데이터에 대하여 적분을 통해 상기 관성 센서에 상응하는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세를 포함하는 항법 정보를 계산하는 항법 정보 계산부; 상기 신발에 상응하는 신발 모델을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 센서 움직임 추정부; 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 항법 정보 보정부; 및 상기 센서 위치, 상기 센서 속도 및 상기 센서 자세 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 사용자의 보행 궤적을 계산하는 보행 궤적 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 통한 보행 항법 장치를 제공한다.

Description

신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법 {APPARATUS FOR PEDESTRIAN DEAD RECKONING USING SHOE MODEL AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 상세히 신발 모델을 이용하여 높은 정확도로 입각기와 입각기 동안의 속도를 추정하고, 이를 이용하여 보행 속도를 보정하여 보행 항법 기능을 제공하는 보행 항법 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

GPS를 이용한 차량 내비게이션이 활성화되고 유럽의 Galileo, 일본의 QZSS 위성도 속속 자리를 잡고 있어 가까운 미래에는 실외에서 수 미터급 오차를 보장하는 정밀한 위성 항법이 가능할 것으로 기대하고 있다. 그러나, 차량과 달리 보행자의 실시간 위치 인식은 여러가지 원인(GPS 음영에 따른 위치 오차, 걷는 속도나 이동거리 대비 큰 위치오차, 실내외 연속 보행 등)에 의해 서비스에서 요구되는 위치 정확도를 상시적으로 유지하기 어려워 현재까지도 상용화된 서비스를 찾기 어렵다.

최근 들어 가장 활발히 기술개발이 이루어진 분야는 스마트폰을 이용한 일반 보행자의 위치인식 시스템으로, 실외에서는 GPS를 이용하여 위치를 추정하고, 실내에서는 WiFi, BLE 와 같은 무선통신 신호 정보를 이용해 추정된 위치값과 스마트폰 내부의 가속도, 자이로, 지자기 센서값을 이용한 보행 항법에 의해 추정된 위치값을 복합하여 최종 위치를 계산하는 방법이 주로 제안되어 왔다. 최근에는 구글(Google) 이나 인도어스(indoors) 등에서 점진적으로 실내 위치인식 서비스를 제공하기 시작했으나, 상용화 수준으로 가기엔 여전히 많은 제약사항(측위 인프라 구축 및 유지보수, WiFi AP 나 BLE 비콘 등의 신호 수집 등)이 존재한다.

동시에 위치 인식 기술의 한 축으로, 앞서 설명된 GPS 신호를 이용하여 지구상에서 절대위경도 좌표를 추정하는 방법인 '절대측위 (Absolute Positioning)'가 아닌, 가속도와 자이로 신호 분석을 통해 원점으로부터 보행자의 물리적인 이동방향과 거리를 추정하는 '관성 항법(Inertial Navigation)' 기반의 '상대 측위(Relative Positioning)' 기술인 보행 항법이 발전되어 왔다. 보행 항법 시스템은 사용자가 들고 다니거나 바디의 특정 부위에 장착하는 관성 센서 장치에서 측정하는 가속도, 자이로, 지자기 신호와 보행 특성을 이용하여 보행자의 위치를 추정하는 시스템이다. 종래의 기술은 입각중기(mid-stance phase) 동안의 이동 속도가 0이라고 가정하여 확장칼만필터(EKF: Extended Kalman Filter)를 적용한다. 하지만, 실제 움직임에서는 입각중기가 매우 짧거나 부정확하게 검출되는 경우가 많고, 특히 입각중기에서의 이동 속도가 0이 아닌 경우가 많아 상대적으로 큰 오차가 누적되는 문제점이 있다.

예를 들어, 뛰어가기, 계단 내려가기, 앉아서 걷기 등의 동작에서는 입각기 검출 자체도 어려울 뿐만이 아니라, 실제로 입각중기 동안의 신발에 장착된 센서의 속도는 0이 아니기 때문이다. 이는 신발이 지면에 닿은 상태에서 발의 회전이 발생하기 때문이며, 이는 실제로는 발이 지면에 닿아 있으므로 변위는 그대로이나 회전에 의한 신발 속도가 검출되므로 해당 값의 적분값만큼 변위차가 발생하게 된다. 이와 같은 문제점 때문에 기존의 보행 항법 시스템의 경우 다양한 동작 및 대상에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라할 수는 없다.

국내 등록특허공보 제10-1250215호

본 발명의 목적은 지면과의 접촉점, 센서의 속도 및 가속도를 추정하여 입각기를 검출하는 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 입각기 동안의 이동 속도를 신발 모델을 이용하여 추정한 센서의 속도를 이용하여 보정하여 보행 항법 기능을 제공하는 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

이때, 상기 신발 모델은 상기 신발에서의 상기 관성 센서의 부착 위치, 상기 신발의 크기 및 상기 신발의 모양에 대한 정보가 반영되어있는 것일 수 있다.

이때, 상기 센서 움직임 추정부는 상기 신발 모델 및 상기 센서 자세를 이용하여 상기 지면 접촉점의 위치와 레버암(lever arm)을 계산하고, 상기 지면 접촉점의 위치, 상기 레버암 및 상기 측정 각속도를 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정할 수 있다.

이때, 상기 추정된 가속도와 상기 측정 가속도를 비교하여 입각기(stance phase)를 검출하는 입각기 검출부를 더 포함하고, 상기 항법 정보 보정부는 상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정할 수 있다.

이때, 상기 입각기 검출부는 상기 측정 가속도에 대하여 중력을 상쇄하는 중력 보상을 수행하고, 상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도를 비교하여 입각기를 검출할 수 있다.

이때, 상기 입각기 검출부는 상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도의 차이가 기설정된 문턱값 이내인 동안을 입각기로 검출할 수 있다.

이때, 상기 센서 움직임 추정부는 상기 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정할 수 있다.

이때, 상기 센서 움직임 추정부는 상기 지면 접촉점의 위치를 상기 신발의 롤(roll)과 피치(pitch)를 이용하여 계산할 수 있다.

이때, 상기 항법 정보 보정부는 칼만확장필터를 이용하여 속도 오차, 자세 오차, 가속도 바이어스, 자이로 바이어스를 상태 변수로 구성하고, 상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정할 수 있다.

이때, 상기 신발 모델은 상기 신발의 밑창의 모양이 타원체이고 강체인 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예는, 신발에 부착된 관성 센서로부터 사용자의 보행에 상응하는 측정 가속도와 측정 각속도를 포함하는 센서 데이터를 수집하는 단계; 상기 센서 데이터에 대하여 적분을 통해 상기 관성 센서에 상응하는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세를 포함하는 항법 정보를 계산하는 단계; 상기 신발에 상응하는 신발 모델을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계; 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 단계; 및 상기 센서 위치, 상기 센서 속도 및 상기 센서 자세 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 사용자의 보행 궤적을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 통한 보행 항법 방법을 제공한다.

이때, 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계는 상기 신발 모델 및 상기 센서 자세를 이용하여 상기 지면 접촉점의 위치와 레버암(lever arm)을 계산하고, 상기 지면 접촉점의 위치, 상기 레버암 및 상기 측정 각속도를 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정할 수 있다.

이때, 상기 추정된 가속도와 상기 측정 가속도를 비교하여 입각기(stance phase)를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 센서 속도를 보정하는 단계는 상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정할 수 있다.

이때, 상기 입각기를 검출하는 단계는 상기 측정 가속도에 대하여 중력을 상쇄하는 중력 보상을 수행하고, 상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도를 비교하여 입각기를 검출할 수 있다.

이때, 상기 입각기를 검출하는 단계는 상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도의 차이가 기설정된 문턱값 이내인 동안을 입각기로 검출할 수 있다.

이때, 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계는 상기 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정할 수 있다.

이때, 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계는 상기 지면 접촉점의 위치를 상기 신발의 롤(roll)과 피치(pitch)를 이용하여 계산할 수 있다.

이때, 상기 센서 속도를 보정하는 단계는 칼만확장필터를 이용하여 속도 오차, 자세 오차, 가속도 바이어스, 자이로 바이어스를 상태 변수로 구성하고, 상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정할 수 있다.

본 발명은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법에 의해, 지면과의 접촉점, 센서의 속도 및 가속도를 추정하여 입각기를 검출함으로써, 보행자가 불규칙적인 보행을 하거나 입각기가 짧은 움직임에 대하여도 정확도 높게 입각기를 검출하여 보행 항법 기능을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치 및 그 방법에 의해, 입각기 동안의 이동 속도를 신발 모델을 이용하여 추정한 센서의 속도를 이용하여 보정함으로써, 입각중기을 포함하는 입각기 동안에 보다 정확하게 속도가 보정되어 정확도 높은 보행 항법 기능을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치의 일 예를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 지면의 한 점을 중심으로 회전하는 신발을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 신발의 밑창의 모양이 타원체로 모델링된 신발 모델의 예시를 나타낸 도면이다.
도 7 및 8은 신발 밑창의 모양이 타원체로 모델링된 신발 모델에 있어서 신발의 롤과 피치를 나타낸 도면들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적과 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적을 비교한 도면이다.
도 11 및 12는 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적에서 발생한 오차와 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적에서 발생한 오차를 나타낸 도면들이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성되어 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는한 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 불규칙한 보행 상황에서도 오차를 최소화할 수 있도록 신발 형태를 모델링하고, 신발 모델을 이용하여 입각기(stance phase)를 보다 정확하게 검출하며, 입각기 동안에 영속도 보정이 아닌 실제 속도를 최대한 반영하여 보정함으로써, 다양한 동작 상황(예컨대, 걷기, 뛰기, 기어가기 등)이나 다양한 보행자의 타입(예컨대, 남성, 여성, 어른, 아이 등)에 대하여도 오차의 발산 없이 보다 정확한 위치 추정을 수행할 수 있는 보행 항법 기술을 제안한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 시스템(100)의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 시스템(100)에서 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 센서 부착 신발(120)과 상호 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 신발에 부착된 관성 센서로부터 사용자의 보행에 상응하는 측정 가속도와 측정 각속도를 포함하는 센서 데이터를 수집하고, 센서 데이터에 대하여 적분을 통해 상기 관성 센서에 상응하는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세를 포함하는 항법 정보를 계산하고, 신발에 상응하는 신발 모델을 이용하여 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하고, 추정된 속도를 이용하여 센서 속도를 보정하고, 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 사용자의 보행 궤적을 계산하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 연산이 가능한 장치로 구현될 수 있다. 예컨대, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 범용 컴퓨터, 노트북, 스마트폰, 전용 단말기 등을 의미할 수 있다.

이때, 센서 데이터에는 3축 가속도 데이터와 3축 각속도 데이터가 포함될 수 있다.

이때, 신발 모델은 신발에서의 관성 센서의 부착 위치, 신발의 크기, 신발의 모양 등에 대한 정보가 반영된 것일 수 있다.

이때, 신발 모델은 신발의 밑창이 타원체인 것일 수 있다.

이때, 신발 모델은 신발의 밑창이 강체(rigid body)인 것일 수 있다.

이때, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 신발 모델 및 센서 자세를 이용하여 지면 접촉점의 위치와 레버 암(lever arm)을 계산하고, 지면 접촉점의 위치, 레버암 및 측정 각속도를 이용하여 관성 센서의 속도와 가속도를 추정할 수 있다. 특히, 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건(kinematic constraint)을 이용할 수 있다. 이는 관성 센서로부터 측정한 가속도와 별개로 신발 모델과 관성 센서로부터 측정한 각속도를 이용하여 관성 센서의 가속도를 추정하는 것이다.

이때, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 관성 센서에 대하여 추정된 가속도와 관성 센서로부터 측정된 가속도(측정 가속도)를 비교하여 입각기(stance phase)를 검출할 수 있다. 여기서, 측정 가속도에 대하여는 중력을 상쇄하는 중력 보상이 수행될 수 있다.

일반적으로 사람이 보행하는 경우, 보행 주기(gait cycle)란 한쪽 발뒤꿈치가 땅에 닿는 시기부터 동측발 뒤꿈치가 땅에 닿는 시기를 말하며, 이는 크게 유각기(swing phase)와 입각기(stance phase)의 두 단계로 나눌 수 있다. 유각기는 발이 땅에서 떨어져 공중에 있는 상태를 말하며, 입각기는 발이 땅에 닿고 있는 상태를 의미하며, 1 보행 주기의 60%를 차지한다. 특히, 입각중기(mid-stance phase)는 신체의 무게 중심이 발 바닥의 중심을 지나는 시기로, 입각기의 일부에 속한다. 따라서, 입각중기보다 긴 입각기 동안에 보다 정확하게 속도 보정이 이루어지게 되면 보다 정확하게 보행 궤적을 계산할 수 있다.

이때, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 추정된 가속도와 중력 보상된 측정 가속도의 차이가 기설정된 문턱값(threshold) 이내인 동안을 입각기로 검출할 수 있다.

이때, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 입각기 동안에 관성 센서에 대하여 추정된 속도를 이용하여 센서 속도를 보정할 수 있다. 즉, 입각기 동안에 영속도 보정 대신 기구학적 구속 조건에 의하여 추정한 속도값을 이용하여 센서 속도를 보정함으로써, 보다 정확한 보행 궤적을 계산할 수 있다.

이때, 센서 속도의 보정은 확장칼만필터(EKF)를 이용하여 수행될 수 있다. 여기서, 확장칼만필터가 추정해야할 상태 변수가 속도 오차, 자세 오차, 가속도 바이어스, 자이로 바이어스로 구성될 수 있다. 확장칼만필터는 각 상태 변수들에 대해 시간 전파(time propagation)에 의한 업데이트를 적용하고, 관측값 업데이트(measurement update)를 적용하여 추정된 오차를 제거할 수 있다.

신발 부착 센서(120)는 신발에 부착된 센서 또는 신발에 내장된 센서를 의미할 수 있다.

여기서, 센서는 관성 센서를 의미하며, 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 포함할 수 있다.

이때, 센서 데이터에는 3축 가속도 정보와 3축 각속도 정보가 포함될 수 있다.

이때, 신발 부착 센서(120)는 통신 기능을 구비하여 센서 데이터를 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)로 전송할 수 있다.

이때, 신발 부착 센서(120)는 수집되는 센서 데이터를 시간 동기화를 통해 실시간으로 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)로 전송할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)의 일 예를 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)는 제어부(210), 통신부(220), 메모리(230), 센서 데이터 수집부(240), 항법 정보 계산부(250), 센서 움직임 추정부(260), 항법 정보 보정부(270), 보행 궤적 계산부(280) 및 입각기 검출부(290) 등을 포함한다.

상세히, 제어부(210)는 일종의 중앙처리장치로서 신발 모델을 이용한 보행 항법 기능을 제공하는 전체 과정을 제어한다. 즉, 제어부(210)는 센서 데이터 수집부(240), 항법 정보 계산부(250), 센서 움직임 추정부(260), 항법 정보 보정부(270), 보행 궤적 계산부(280) 및 입각기 검출부(290) 등을 제어하여 다양한 기능을 제공할 수 있다.

여기서, 제어부(210)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

통신부(220)는 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(110)와 신발 부착 센서(도 1의 120 참조) 간의 송수신 신호를 전송하는데 필요한 통신 인터페이스를 제공한다.

여기서, 통신부(220)는 다른 네트워크 장치와 유무선 연결을 통해 제어 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 장치일 수 있다.

메모리(230)는 제어부(210)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행한다. 여기서, 메모리(230)는 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

센서 데이터 수집부(240)는 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에서 측정된 센서 데이터를 수집한다.

항법 정보 계산부(250)는 센서 데이터에 대하여 적분을 통하여 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 항법 정보를 계산한다.

이때, 항법 정보에는 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 센서 속도는 측정된 가속도를 시간에 대하여 적분함으로써 계산할 수 있다.

센서 움직임 추정부(260)는 신발 모델을 이용하여 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)의 속도와 가속도를 추정한다. 즉, 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에서 측정된 가속도 데이터를 이용하지 않고, 신발 모델을 이용하여 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 가속도와 속도를 추정한다.

이때, 신발 모델은 신발에서의 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)의 위치, 신발의 크기 및 신발 밑창의 모양 등에 대한 정보가 반영된 것일 수 있다.

이때, 센서 움직임 추정부(260)는 신발 모델 및 센서 자세를 이용하여 상기 지면 접촉점의 위치와 레버암(lever arm)을 계산하고, 지면 접촉점의 위치, 상기 레버암 및 측정 각속도를 이용하여 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 속도와 가속도를 추정할 수 있다.

이때, 센서 움직임 추정부(260)는 자세 변화율을 이용하여 레버암 변화율을 계산할 수 있다. 여기서, 자세 변화율은 각속도를 이용하여 계산할 수 있다.

이때, 센서 움직임 추정부(260)는 레버암, 레버암 변화율, 각속도, 각가속도 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 가속도를 추정하고, 각속도와 레버암을 외적하여 속도를 추정할 수 있다.

이때, 센서 움직임 추정부(260)는 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건을 이용하여 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 속도와 가속도를 추정할 수 있다.

이때, 센서 움직임 추정부(260)는 신발의 롤(roll)과 피치(pitch)를 이용하여 지면 접촉점의 위치를 계산할 수 있다. 예컨대, 지면 접촉점의 위치는 신발의 롤과 피치에 대한 함수로써 표현할 수 있고, 이를 이용하여 지면 접촉점의 위치를 계산할 수 있다.

항법 정보 보정부(270)는 추정된 속도를 이용하여 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 센서 속도를 보정한다.

이때, 항법 정보 보정부(270)는 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 상응하는 추정된 속도를 이용하여 센서 속도를 보정할 수 있다.

이때, 항법 정보 보정부(270)는 확장칼만필터(EKF)를 이용하여 센서 속도를 보정할 수 있다. 확장칼만필터를 통하여 누적된 오차들을 추정하여 제거할 수 있다.

이때, 항법 정보 보정부(270)는 입각기 동안에 대하여 추정된 속도를 이용하여 센서 속도를 보정할 수 있다.

보행 궤적 계산부(280)는 항법 정보를 이용하여 보행 궤적을 계산한다.

이때, 보행 궤적 계산부(280)는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세 중 적어도 하나 이상을 이용하여 보행 궤적을 계산할 수 있다.

입각기 검출부(290)는 센서 데이터와 신발 모델을 이용하여 입각기를 검출한다.

이때, 입각기 검출부(290)는 신발 부착 센서(도 1의 120 참조)에 대하여 추정된 가속도와 측정 가속도를 비교하여 입각기를 검출할 수 있다. 이는 입각기 동안에는 신발이 지면과 접촉하고 있으므로 측정 가속도와 추정된 가속도가 유사한 값을 가지기 때문이다.

이때, 입각기 검출부(290)는 측정 가속도에 대하여 중력을 상쇄하는 중력 보상을 수행하고, 추정된 가속도와 중력 보상된 측정 가속도를 비교하여 입각기를 검출할 수 있다.

이때, 입각기 검출부(290)는 추정된 가속도와 중력 보상된 측정 가속도의 차이가 기설정된 한계값 이내인 동안을 입각기로 검출할 수 있다. 또는, 입각기 검출부(290)는 추정된 가속도와 측정 가속도의 차이가 기설정된 한계값 이내인 동안을 입각기로 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 장치는 기존 방식의 보행 항법 시스템과 달리 신발 모델을 이용하여 위치 인식에 요구되는 상태 변수를 보다 정확하게 추정함으로써, 오차 누적이 최소화되는 정밀 위치 기반 서비스를 제공할 수 있다. 특히, 입각기를 높은 정확도로 검출함에 따라 일반적인 걷기 상황이 아닌 다양한 동작 상황에서 활용 가능하며, 미끄러짐이 발생하더라도 안정적인 위치 추정 성능을 보일 수 있다.

이는 기존 보행항법 시스템의 한계점을 극복함으로써 다양한 대상자들(예: 노인, 어린이, 시각장애인 등)에게 활용될 수 있으며 가상현실 시스템의 주요 요소인 훈련자의 모션 추적 시스템과 같은 분야에서도 적용하여 매우 높은 정확도로 위치 추정이 가능하다. 또한, 동작에 제약이 적기 때문에 소방관, 병사 등과 같이 다양한 동작 상황에서 정확한 위치 추정이 필요한 경우에 활용될 수 있으며, 스포츠나 헬스케어 분야에서도 걸음 분석에 활용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법은, 신발에 부착된 센서로부터 센서 데이터를 수집한다(301).

또한, 수집된 센서 데이터를 이용하여 보행 궤적을 계산한다(302). 구체적으로, 센서 데이터에 대하여 적분을 통하여 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세를 포함하는 항법 정보를 연산하고(303), 검출된 입각기 정보와 센서에 대하여 추정된 속도를 이용하여 입각기 동안의 항법 정보를 보정한다(304). 항법 정보의 보정(304)은 확장칼만필터를 통하여 수행될 수 있다. 이에 따라 보정된 항법 정보를 이용하여 보행 궤적을 계산한다. 즉, 기존의 보행 항법 시스템과는 달리 입각기 동안의 센서 속도를 0이 아닌 값으로 보정하여 보다 정확하게 보행 궤적을 계산한다.

또한, 신발 모델과 센서 자세를 이용하여 센서 움직임을 추정한다(305). 즉, 센서에서 측정한 센서 데이터에 포함된 가속도와 가속도를 이용하여 계산한 센서 속도가 아닌, 센서 자세로부터 센서의 속도와 가속도를 추정한다. 여기서, 센서 움직임의 추정(305)는 보행 궤적의 계산(302)와 병렬적으로 수행된다. 구체적으로, 센서 자세와 신발 모델(306)을 이용하여 레버암을 계산한다(307). 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건(308)을 이용하여 센서의 속도와 가속도를 추정한다(309, 310).

또한, 추정된 가속도와 측정 가속도를 이용하여 입각기를 검출한다(311). 여기서, 입각기의 검출은 센서 움직임의 추정(305) 및 보행 궤적의 계산(302)와 병렬적으로 수행된다.

도 4는 지면의 한 점을 중심으로 회전하는 신발을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 신발(401)은 관성 센서(402)가 부착되어있거나 내장하고 있으며, 지면(403)과 맞닿아있다. 그리고, 관성 센서(402)가 신발(401)에 부착된 위치는 점 B이며, 신발(401)이 지면(403)과 맞닿은 위치(지면 접촉점)는 점 A이다.

신발 모델에는 점 B의 위치에 대한 정보가 포함되며, 신발 모델과 관성 센서(402)에서 측정한 센서 데이터를 이용하여 지면 접촉점인 점 A의 위치를 계산할 수 있다. 따라서, 점 A에서 점 B로의 벡터 r을 계산할 수 있고, 변위 벡터 r과 관성 센서(402)에서 측정된 가속도 w를 이용하여 센서 속도를 추정할 수 있다. 또한, 벡터 r을 이용하여 센서의 가속도를 추정할 수 있다.

예컨대, 센서의 가속도는 하기 수학식 1 및 2를 이용하여 계산할 수 있다. 여기서,

는 각가속도를 의미하며 각속도를 미분하여 계산할 수 있다. 그리고,

는 고정된 점이기 때문에

는

와 같다. 여기서,

는 벡터 r의 시간 변화량을 나타낸다.

상기 수학식 1 및 2를 통하여 센서의 가속도를 추정하면, 추정된 가속도와 센서에서 측정된 가속도를 비교하여 입각기를 검출할 수 있다. 만약, 입각기가 아니거나 미끄러짐이 발생한 경우에는 추정된 가속도와 측정 가속도의 차이가 커지게되므로, 추정된 가속도를 이용하여 입각기를 보다 정확하게 검출할 수 있다.

도 5 및 도 6은 신발의 밑창의 모양이 타원체로 모델링된 신발 모델의 예시를 나타낸 도면이다.

도 5 및 6을 참조하면, 신발 모델은 신발의 밑창의 모양이 타원체일 수 있다.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 신발 모델에는 밑창의 단면의 길이(장축)와 폭(단축)에 대한 정보가 포함될 수 있다. 예컨대, 신발 모델에서 밑창의 단면의 길이가 300mm이고 폭이 100mm일 수 있다. 여기서, 타원체의 크기와 형태를 실제로 걸을 때의 신발의 형태와 유사하게 설계할수록 더 좋은 성능을 얻을 수 있다. 또한, 신발 모델에는 센서의 위치에 대한 정보가 포함될 수 있다.

이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 신발의 밑창 모양이 타원체로 모델링된 신발 모델을 이용하는 경우, 신발의 피치와 롤을 이용하여 지면 접촉점인 점 A의 위치를 계산할 수 있다. 그리고, 신발 모델을 통하여 센서가 부착된 위치인 점 B의 위치를 파악할 수 있으므로, 점 A에서 점 B로의 벡터 r을 계산할 수 있다.

신발의 모양에 대하여는 특별한 제약 없이 다양한 도형의 형태를 갖는 신발 모델을 구성할 수 있다. 여기서, 신발을 얼마나 정확하게 모델링하는지에 따라서 지면 접촉점의 위치에 대한 정확도의 차이가 발생할 수 있다.

도 7 및 8은 신발 밑창의 모양이 타원체로 모델링된 신발 모델에 있어서 신발의 롤과 피치를 나타낸 도면들이다.

도 7 및 8을 참조하면, 신발의 밑창의 모양이 타원체로 모델링된 경우에는 신발의 자세값인 롤(φ)과 피치(θ)를 이용하여 타원체 방정식을 통해 지면 접촉점의 3차원 좌표를 계산할 수 있다. 여기서, 롤과 피치는 센서 데이터를 통하여 획득할 수 있다.

이와 같이 지면 접촉점의 위치를 구하면 센서 모델을 이용하여 센서에 상응하는 속도와 가속도를 추정할 수 있다. 그리고, 추정된 가속도와 측정 가속도를 이용하여 입각기를 판단할 수 있고, 추정된 속도를 이용하여 입각기 동안의 센서 속도를 보정할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(도 1의 110 참조)가, 신발에 부착된 센서로부터 측정된 센서 데이터를 수집한다(S901).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(도 1의 110 참조)가, 센서 데이터에 대하여 적분을 통하여 항법 정보를 계산한다(S903).

이때, 항법 정보에는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세가 포함될 수 있다.

예컨대, 센서 속도는 측정된 가속도를 적분하여 계산할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(도 1의 110 참조)가, 신발 모델과 센서 자세를 이용하여 센서 속도와 센서 가속도를 추정한다(S905).

이때, 신발 모델과 센서 자세를 이용하여 레버암을 계산하고, 레버암과 측정된 각속도를 이용하여 센서의 속도를 추정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(도 1의 110 참조)가, 입각기를 검출한다(S907).

이때, 측정 가속도와 추정된 가속도를 비교하여 입각기를 검출할 수 있다.

특히, 측정 가속도에 대하여 중력 보상을 수행하고, 중력 보상된 측정 가속도와 추정된 가속도의 차이가 일정한 문턱값 이내인 기간을 입각기로 검출할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(도 1의 110 참조)가, 입각기 동안의 추정 속도를 이용하여 항법 정보를 보정한다(S909).

이때, 확장칼만필터를 이용하여 입각기 동안의 센서 속도를 추정 속도로 보정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법은 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치(도 1의 100 참조)가, 보정된 항법 정보를 이용하여 보행 궤적을 계산한다(S911).

이때, 보행 궤적에는 보행 거리, 보행 방향 등이 포함될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적과 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적을 비교한 도면이다.

구체적으로, 도 10은 미리 정해진 동일한 경로를 3바퀴 반복하여 달리기한 경우에 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법과 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 보행 궤적을 계산한 결과를 나타낸 도면이다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법은 신발의 밑창의 모양이 타원체인 신발 모델을 이용하며, 입각기 동안에 추정된 속도를 이용하여 센서 속도를 보정하는 것이다. 이는 도 10에서 Ellipsoid(실선)으로 기재되어 있다. 반면에, 기존의 보행 항법 방법은 입각중기를 검출하고 입각중기 동안에 영속도 보정을 수행하는 것이다. 이는 도 10에서 IEZ(1점 쇄선)으로 기재되어 있다.

도 10을 참조하면, 동일한 경로를 3바퀴 반복하여 달리기하더라도 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법(Ellipsoid)을 이용하여 보행 궤적을 계산한 경우에는 3회의 경로가 모두 균일하고 오차가 적게 나타난다. 하지만, 기존의 보행 항법 방법(IEZ)을 이용하여 보행 궤적을 계산한 경우에는 3회의 경로가 모두 불규칙적이며 서로 차이가 많이 발생하여 불일치한다. 심지어, 기존의 보행 항법 방법(IEZ)을 이용한 경우에는 3바퀴를 반복하여 달리기하여 출발점으로 되돌아왔지만, 계산된 보행 궤적에서는 출발점으로 되돌아온 것으로 판단하지 못하였다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 입각기를 보다 정확하게 계산하고 입각기 동안에 센서 속도를 0이 아닌 추정된 속도로 보정하는 경우, 기존의 보행 항법 방법과 비교하여 훨씬 안정적인 보행 항법 성능을 제공함을 알 수 있다.

도 11 및 12는 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적에서 발생한 오차와 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적에서 발생한 오차를 나타낸 도면들이다.

구체적으로, 도 11 및 12는 10 개의 포인트를 포함하는 미리 설정된 경로를 따라 달렸을 때의 보행 궤적을 계산하는 실험을 10번 반복하고, 각 포인트에서 발생하는 오차를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 11은 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적에서 발생한 오차를 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 이용하여 계산한 보행 궤적에서 발생한 오차를 나타낸다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법은 신발의 밑창의 모양이 타원체인 신발 모델을 이용하며, 입각기 동안에 추정된 속도를 이용하여 센서 속도를 보정하는 것이다.

도 11 및 12를 참조하면, 기존의 보행 항법 방법을 이용하여 보행 궤적을 계산한 경우에는 경로의 포인트를 지남에 따라 위치의 오차가 점점 커지며, 그 오차가 1미터를 충분히 상회함을 알 수 있다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 보행 항법 방법을 이용하여 보행 궤적을 계산한 경우에는 경로의 포인트를 지남에 따라 위치의 오차가 점점 커지지만 그 증가폭이 매우 적으며, 그 오차가 기존의 보행 항법 방법의 오차의 1/5에도 미치지 않음을 알 수 있다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 신발 모델을 이용한 보행 항법 시스템
110: 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치
120: 신발 부착 센서
210: 제어부 220: 통신부
230: 메모리 240: 센서 데이터 수집부
250: 항법 정보 계산부 260: 센서 움직임 추정부
270: 항법 정보 보정부 280: 보행 궤적 계산부
290: 입각기 검출부

Claims

신발에 부착된 관성 센서로부터 사용자의 보행에 상응하는 측정 가속도와 측정 각속도를 포함하는 센서 데이터를 수집하는 센서 데이터 수집부;
상기 센서 데이터에 대하여 적분을 통해 상기 관성 센서에 상응하는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세를 포함하는 항법 정보를 계산하는 항법 정보 계산부;
상기 신발에 상응하는 신발 모델을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 센서 움직임 추정부;
상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 항법 정보 보정부; 및
상기 센서 위치, 상기 센서 속도 및 상기 센서 자세 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 사용자의 보행 궤적을 계산하는 보행 궤적 계산부
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 통한 보행 항법 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 신발 모델은
상기 신발에서의 상기 관성 센서의 부착 위치, 상기 신발의 크기 및 상기 신발의 모양에 대한 정보가 반영되어있는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 센서 움직임 추정부는
상기 신발 모델 및 상기 센서 자세를 이용하여 상기 지면 접촉점의 위치와 레버암(lever arm)을 계산하고, 상기 지면 접촉점의 위치, 상기 레버암 및 상기 측정 각속도를 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 추정된 가속도와 상기 측정 가속도를 비교하여 입각기(stance phase)를 검출하는 입각기 검출부
를 더 포함하고,
상기 항법 정보 보정부는
상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 입각기 검출부는
상기 측정 가속도에 대하여 중력을 상쇄하는 중력 보상을 수행하고, 상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도를 비교하여 입각기를 검출하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 입각기 검출부는
상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도의 차이가 기설정된 문턱값 이내인 동안을 입각기로 검출하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 센서 움직임 추정부는
상기 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 센서 움직임 추정부는
상기 지면 접촉점의 위치를 상기 신발의 롤(roll)과 피치(pitch)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 항법 정보 보정부는
칼만확장필터를 이용하여 속도 오차, 자세 오차, 가속도 바이어스, 자이로 바이어스를 상태 변수로 구성하고, 상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 신발 모델은
상기 신발의 밑창의 모양이 타원체이고 강체인 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 장치.
신발에 부착된 관성 센서로부터 사용자의 보행에 상응하는 측정 가속도와 측정 각속도를 포함하는 센서 데이터를 수집하는 단계;
상기 센서 데이터에 대하여 적분을 통해 상기 관성 센서에 상응하는 센서 위치, 센서 속도 및 센서 자세를 포함하는 항법 정보를 계산하는 단계;
상기 신발에 상응하는 신발 모델을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계;
상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 단계; 및
상기 센서 위치, 상기 센서 속도 및 상기 센서 자세 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 사용자의 보행 궤적을 계산하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 통한 보행 항법 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 신발 모델은
상기 신발에서의 상기 관성 센서의 부착 위치, 상기 신발의 크기 및 상기 신발의 모양에 대한 정보가 반영되어있는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계는
상기 신발 모델 및 상기 센서 자세를 이용하여 상기 지면 접촉점의 위치와 레버암(lever arm)을 계산하고, 상기 지면 접촉점의 위치, 상기 레버암 및 상기 측정 각속도를 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 추정된 가속도와 상기 측정 가속도를 비교하여 입각기(stance phase)를 검출하는 단계
를 더 포함하고,
상기 센서 속도를 보정하는 단계는
상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 입각기를 검출하는 단계는
상기 측정 가속도에 대하여 중력을 상쇄하는 중력 보상을 수행하고, 상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도를 비교하여 입각기를 검출하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 입각기를 검출하는 단계는
상기 추정된 가속도와 상기 중력 보상된 측정 가속도의 차이가 기설정된 문턱값 이내인 동안을 입각기로 검출하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계는
상기 신발이 지면의 한 점을 중심으로 회전한다는 기구학적 구속 조건을 이용하여 상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 관성 센서의 속도와 가속도를 추정하는 단계는
상기 지면 접촉점의 위치를 상기 신발의 롤(roll)과 피치(pitch)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 18에 있어서,
상기 센서 속도를 보정하는 단계는
칼만확장필터를 이용하여 속도 오차, 자세 오차, 가속도 바이어스, 자이로 바이어스를 상태 변수로 구성하고, 상기 입각기 동안에 상응하는 상기 추정된 속도를 이용하여 상기 센서 속도를 보정하는 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.
청구항 19에 있어서,
상기 신발 모델은
상기 신발의 밑창의 모양이 타원체이고 강체인 것을 특징으로 하는, 신발 모델을 이용한 보행 항법 방법.