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KR102100891B1 - Method for estimating indoor position using smartphone, system and computer readable medium for performing the method - Google Patents

Method for estimating indoor position using smartphone, system and computer readable medium for performing the method Download PDF

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KR102100891B1
KR102100891B1 KR1020180098915A KR20180098915A KR102100891B1 KR 102100891 B1 KR102100891 B1 KR 102100891B1 KR 1020180098915 A KR1020180098915 A KR 1020180098915A KR 20180098915 A KR20180098915 A KR 20180098915A KR 102100891 B1 KR102100891 B1 KR 102100891B1
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South Korea
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rotation angle
axis rotation
axis
coordinate system
calculated
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한동석
알윈폴로즈
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법은, 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터 및 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출하고, 산출된 피치축 회전각도, 롤축 회전각도 및 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 장치 좌표계의 제1 요축 회전각도를 산출하고, 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 제2 요축 회전각도를 산출하며, 미리 정해진 센서 융합 알고리즘을 이용하여 제1 요축 회전각도 및 제2 요축 회전각도로부터 장치 좌표계의 요축 회전각도를 산출할 수 있다.Indoor positioning method using a smart phone according to an embodiment of the present invention, based on the three-axis acceleration data measured from the accelerometer and the three-axis angular velocity data measured from the angular accelerometer Pitch axis rotation angle and roll axis rotation angle of the device coordinate system Calculate and calculate the first yaw axis rotation angle of the device coordinate system based on the calculated pitch axis rotation angle, roll axis rotation angle, and 3-axis magnetic force data measured from the geomagnetic machine, and calculate the second yaw axis rotation angle of the device coordinate system based on the 3-axis angular velocity data. The yaw axis rotation angle is calculated, and the yaw axis rotation angle of the device coordinate system can be calculated from the first yaw axis rotation angle and the second yaw axis rotation angle using a predetermined sensor fusion algorithm.

Description

스마트폰을 이용한 실내 측위 방법, 이를 수행하기 위한 시스템 및 기록매체{METHOD FOR ESTIMATING INDOOR POSITION USING SMARTPHONE, SYSTEM AND COMPUTER READABLE MEDIUM FOR PERFORMING THE METHOD}METHOD FOR ESTIMATING INDOOR POSITION USING SMARTPHONE, SYSTEM AND COMPUTER READABLE MEDIUM FOR PERFORMING THE METHOD}

본 발명은 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템 및 기록매체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 추정하는 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템 및 기록매체에 관한 것이다.The present invention relates to an indoor positioning method using a smartphone, a system and a recording medium for performing the same, and more specifically, to estimate the indoor position of a pedestrian carrying a smartphone using an inertial measurement device provided in the smartphone. It relates to an indoor positioning method using a smartphone and a system and a recording medium for performing the same.

보행자 등과 같은 이동체의 위치를 추정하기 위한 측위 기술은 크게 실외 측위 방법과 실내 측위 방법으로 나뉘어 진다.The positioning technology for estimating the location of a moving object such as a pedestrian is largely divided into an outdoor positioning method and an indoor positioning method.

실외 측위는 인공위성을 이용한 GPS 시스템이 주로 이용되고 있으며, 비교적 정확한 측위 결과가 보장될 수 있다.GPS systems using satellites are mainly used for outdoor positioning, and relatively accurate positioning results can be ensured.

반면, 건물, 지하 등과 같이 폐쇄된 공간에 위치한 보행자는 인공위성의 신호를 수신하는 데 어려움이 있어 GPS를 이용한 측위 방법에는 한계가 있다. 이에, 실내 측위는 주로 울트라 와이드 밴드(UWB) 통신, 무선 근거리 통신망(WLAN), Wi-Fi, 카메라 기반 초음파 센서, 레이저, 무선 주파수 식별(RFID), 관성 항법 및 관성 측정 장치(IMU) 등과 같은 기술을 이용하고 있는데, 특히 스마트폰과 같은 전자장치의 보급이 확대되면서, 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 실내 위치를 추정하는 기술에 대한 관심이 증대되고 있다.On the other hand, pedestrians located in a closed space such as a building or underground have difficulty in receiving signals from satellites, so there is a limit to the positioning method using GPS. Accordingly, indoor positioning mainly includes ultra wide band (UWB) communication, wireless local area network (WLAN), Wi-Fi, camera-based ultrasonic sensor, laser, radio frequency identification (RFID), inertial navigation and inertial measurement device (IMU), etc. Although technology is being used, as the spread of electronic devices such as smartphones is expanding, interest in technology for estimating indoor location using an inertial measurement device provided in a smartphone is increasing.

하지만, 종래에는 단일 센서로부터 측정되는 데이터만을 이용하여 사용자의 위치를 추정하기 때문에, 측정 결과가 부정확하다는 문제점이 있다. 예컨대, 지자기계를 이용한 방향 정보는 주변 자기장에 영향을 받을 수 있다는 문제점이 있으며, 각속도계를 이용한 측위는 적분 과정에서 발생되는 오차가 누적되기 때문에, 장시간 측위에 적합하지 못하다는 한계가 있다.However, in the related art, since the user's location is estimated using only data measured from a single sensor, there is a problem in that the measurement result is incorrect. For example, there is a problem that direction information using a geomagnetic machine may be influenced by a surrounding magnetic field, and positioning using an angular speedometer is limited in that it is not suitable for long-term positioning because errors generated during integration are accumulated.

이에, 스마트폰에 구비된 센서들만으로도 신뢰성 있는 측위 결과를 제공하는 기술이 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a need for a technology that provides reliable positioning results using only sensors provided in a smartphone.

한국등록특허 제10-1576424호Korean Registered Patent No. 10-1576424 한국공개특허 제10-2018-0031429호Korean Patent Publication No. 10-2018-0031429

본 발명의 일측면은 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 추정하는 과정에서, 관성 측정장치를 구성하는 각각의 센서계로부터 측정된 데이터를 융합하여 정확성이 향상된 실내 측위 결과를 제공하는 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법 및 이를 수행하기 위한 기록매체를 제공한다.In one aspect of the present invention, in the process of estimating the indoor position of a pedestrian carrying a smart phone using the inertial measurement device provided in the smart phone, the data measured from each sensor system constituting the inertial measurement device are fused to ensure accuracy. Provided is an indoor positioning method using a smartphone that provides this improved indoor positioning result, and a recording medium for performing the indoor positioning method.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 상기 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 추정하는 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법은, 상기 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터 및 상기 관성 측정장치를 구성하는 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 피치축 회전각도, 상기 롤축 회전각도 및 상기 관성 측정 장치를 구성하는 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 요축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 요축 회전각도를 산출하며, 상기 보행자의 실내 위치를 추정하기 위한 방향 정보를 결정하기 위하여, 미리 정해진 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도 및 상기 제2 요축 회전각도로부터 상기 장치 좌표계의 요축 회전각도를 산출한다.The indoor positioning method using a smartphone for estimating the indoor position of a pedestrian carrying the smart phone using the inertial measurement device provided in the smart phone according to an embodiment of the present invention, from an accelerometer constituting the inertial measurement device The pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle of the device coordinate system are calculated based on the measured 3-axis acceleration data and the 3-axis angular velocity data measured from the angular speed meter constituting the inertial measurement device, and the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation are calculated. The first yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the three-axis magnetic force data measured by the angle and the geomagnetic machinery constituting the inertial measurement device, and the second yaw axis rotation of the device coordinate system is based on the three-axis angular velocity data. In order to calculate the angle and determine direction information for estimating the indoor position of the pedestrian, it is determined in advance Using a sensor fusion algorithm to calculate a yaw angle of rotation of the device coordinate system from the first yaw axis rotation angle and the second yaw axis rotation.

상기 피치 각도 및 상기 롤 각도를 산출하는 것은, 상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도를 산출하며, 상기 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 피치축 회전각도 및 상기 제2 피치축 회전각도로부터 상기 피치축 회전각도를 산출하고, 상기 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 롤축 회전각도 및 상기 제2 롤축 회전각도로부터 상기 롤축 회전각도를 산출하는 것일 수 있다.Calculating the pitch angle and the roll angle calculates a first pitch axis rotation angle and a first roll axis rotation angle of the device coordinate system based on the 3-axis acceleration data, and the device based on the 3-axis angular velocity data. Calculate the second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle of the coordinate system, and calculate the pitch axis rotation angle from the first pitch axis rotation angle and the second pitch axis rotation angle using the sensor fusion algorithm, It may be to calculate the roll axis rotation angle from the first roll axis rotation angle and the second roll axis rotation angle using the sensor fusion algorithm.

상기 제1 피치축 회전각도는 상기 장치 좌표계의 롤축 가속도에 대한 중력 가속도의 비율에 따라 산출되고, 상기 제1 롤축 회전각도는 상기 장치 좌표계의 피치축 가속도에 대한 상기 중력 가속도의 비율에 따라 산출되며, 상기 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도는 상기 3축 각속도 데이터를 시간에 대해 적분한 결과값으로 산출될 수 있다.The first pitch axis rotation angle is calculated according to the ratio of the gravitational acceleration to the roll axis acceleration of the device coordinate system, and the first roll axis rotation angle is calculated according to the ratio of the gravitational acceleration to the pitch axis acceleration of the device coordinate system, , The second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle may be calculated as a result of integrating the three-axis angular velocity data with respect to time.

상기 제1 요축 회전각도를 산출하는 것은, 상기 피치축 회전각도 및 상기 롤축 회전각도로 구성된 변환 행렬에 상기 3축 자력 데이터의 축별 자력 데이터로 구성된 행렬을 연산하여 상기 장치 좌표계로 표현된 상기 3축 자력 데이터를 전역 좌표계로 변환하고, 상기 전역 좌표계로 변환된 3축 자력 데이터의 피치값 및 롤값을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도를 산출하는 것일 수 있다.The first yaw axis rotation angle is calculated by calculating a matrix consisting of axis-specific magnetic force data of the 3-axis magnetic force data in a transformation matrix composed of the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle, and expressing the 3 axis represented by the device coordinate system. The magnetic force data may be converted into a global coordinate system, and the first yaw axis rotation angle may be calculated using a pitch value and a roll value of the 3-axis magnetic data converted into the global coordinate system.

상기 제2 요축 회전각도를 산출하는 것은, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 쿼터니온 값으로 표현되는 상기 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상기 상태 변수가 업데이트된 상기 센서 융합 알고리즘으로부터 출력되는 쿼터니온 출력값을 기초로 상기 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다.Calculating the second yaw axis rotation angle updates a state variable of the sensor fusion algorithm expressed as a quaternion value based on the 3-axis angular velocity data, and a quaternion output value output from the sensor fusion algorithm in which the state variable is updated The second yaw axis rotation angle may be calculated based on.

상기 센서 융합 알고리즘은 칼만 필터 알고리즘일 수 있다.The sensor fusion algorithm may be a Kalman filter algorithm.

상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 보행자의 보폭 정보를 산출하고, 산출된 상기 보폭 정보 및 상기 요축 회전각도로 표현되는 상기 방향 정보를 기초로 상기 보행자의 현재 위치를 추정하는 것을 더 포함할 수 있다.It may further include calculating the step length information of the pedestrian based on the 3-axis acceleration data, and estimating the current position of the pedestrian based on the calculated step length information and the direction information represented by the yaw axis rotation angle. .

상기 보행자의 보폭 정보를 산출하는 것은, 상기 보행자의 보행 과정에서 연속적으로 발생되는 상기 3축 가속도 데이터가 미리 정해진 최대 임계값 및 최소 임계값에 도달하면 상기 보행자가 보행 중인 것으로 판단하고, 상기 보행자가 보행 중인 것으로 판단되는 시간 구간동안 수집되는 상기 3축 가속도 데이터의 평균 가속도값을 기초로 상기 보폭 정보를 산출하는 것일 수 있다.To calculate the step length information of the pedestrian, when the 3-axis acceleration data continuously generated in the pedestrian walking process reaches a predetermined maximum threshold and a minimum threshold, it is determined that the pedestrian is walking, and the pedestrian The step information may be calculated based on an average acceleration value of the three-axis acceleration data collected during a time period determined to be walking.

상기 보폭 정보 및 상기 방향 정보는 미리 정해진 주기마다 측정되며, 상기 보행자의 현재 위치를 추정하는 것은, 이전 주기에 추정된 상기 보행자의 위치를 기준으로, 상기 방향 정보에 따른 방향으로 상기 보폭 정보에 따른 거리만큼 이동된 위치를 상기 현재 위치로 추정하는 것일 수 있다.The step length information and the direction information are measured at predetermined intervals, and estimating the current position of the pedestrian is based on the step length information in a direction according to the direction information, based on the position of the pedestrian estimated in a previous cycle. The position moved by a distance may be estimated as the current position.

또한, 본 발명의 일 실시에에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록될 수 있다.In addition, in the computer-readable recording medium according to an embodiment of the present invention, a computer program for performing an indoor positioning method using a smartphone may be recorded.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 상기 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 추정하는 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템은, 상기 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터 및 상기 관성 측정장치를 구성하는 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출하는 제1 데이터 융합부 및 상기 피치축 회전각도, 상기 롤축 회전각도 및 상기 관성 측정 장치를 구성하는 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 요축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 요축 회전각도를 산출하며, 상기 보행자의 실내 위치를 추정하기 위한 방향 정보를 결정하기 위하여, 미리 정해진 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도 및 상기 제2 요축 회전각도로부터 상기 장치 좌표계의 요축 회전각도를 산출하는 제2 데이터 융합부를 포함한다.In addition, the indoor positioning system using a smartphone for estimating the indoor position of the pedestrian carrying the smartphone using the inertial measurement device provided in the smartphone according to an embodiment of the present invention, to configure the inertial measurement device A first data fusion unit and the pitch for calculating a pitch axis rotation angle and a roll axis rotation angle of the device coordinate system based on the 3-axis acceleration data measured from an accelerometer and the 3-axis angular velocity data measured from an angular speed meter constituting the inertial measurement device The first yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the axis rotation angle, the roll axis rotation angle, and the three-axis magnetic force data measured from the geomagnetic machines constituting the inertial measurement device, and based on the three-axis angular velocity data. The second yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated, and direction information for estimating the indoor position of the pedestrian is obtained. To determine, a second data fusion unit that calculates a yaw axis rotation angle of the device coordinate system from the first yaw axis rotation angle and the second yaw axis rotation angle using a predetermined sensor fusion algorithm.

상기 제1 데이터 융합부는, 상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도를 산출하며, 상기 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 피치축 회전각도 및 상기 제2 피치축 회전각도로부터 상기 피치축 회전각도를 산출하고, 상기 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 롤축 회전각도 및 상기 제2 롤축 회전각도로부터 상기 롤축 회전각도를 산출할 수 있다.The first data fusion unit calculates a first pitch axis rotation angle and a first roll axis rotation angle of the device coordinate system based on the three-axis acceleration data, and a second pitch of the device coordinate system based on the three-axis angular velocity data. Calculate the axis rotation angle and the second roll axis rotation angle, calculate the pitch axis rotation angle from the first pitch axis rotation angle and the second pitch axis rotation angle using the sensor fusion algorithm, and calculate the sensor fusion algorithm. The roll axis rotation angle can be calculated from the first roll axis rotation angle and the second roll axis rotation angle.

상기 제2 데이터 융합부는, 상기 피치축 회전각도 및 상기 롤축 회전각도로 구성된 변환 행렬에 상기 3축 자력 데이터의 축별 자력 데이터로 구성된 행렬을 연산하여 상기 장치 좌표계로 표현된 상기 3축 자력 데이터를 전역 좌표계로 변환하고, 상기 전역 좌표계로 변환된 3축 자력 데이터의 피치값 및 롤값을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도를 산출할 수 있다.The second data fusion unit calculates a matrix composed of magnetic data for each axis of the three-axis magnetic data in a transformation matrix composed of the pitch-axis rotation angle and the roll-axis rotation angle, and globally transmits the three-axis magnetic data represented by the device coordinate system. The first yaw axis rotation angle may be calculated using a pitch value and a roll value of the 3-axis magnetic force data converted to the coordinate system and converted to the global coordinate system.

상기 제2 데이터 융합부는, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 쿼터니온 값으로 표현되는 상기 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상기 상태 변수가 업데이트된 상기 센서 융합 알고리즘으로부터 출력되는 쿼터니온 출력값을 기초로 상기 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다.The second data fusion unit updates the state variable of the sensor fusion algorithm expressed as a quaternion value based on the 3-axis angular velocity data, and based on the quaternion output value output from the sensor fusion algorithm in which the state variable is updated. The second yaw axis rotation angle can be calculated.

상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 보행자의 보폭 정보를 산출하고, 산출된 상기 보폭 정보 및 상기 요축 회전각도로 표현되는 상기 방향 정보를 기초로 상기 보행자의 현재 위치를 추정하는 보행자 위치 추정부를 더 포함할 수 있다.Further comprising a pedestrian position estimator for calculating the step length information of the pedestrian based on the 3-axis acceleration data, and estimating the current position of the pedestrian based on the calculated step length information and the direction information represented by the yaw axis rotation angle can do.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 가속도계와 각속도계로부터 측정된 데이터를 융합하여 오차가 최소화된 장치 좌표계의 피치축 및 롤축 회전각도를 산출할 수 있으며, 이를 이용하여 장치 좌표계의 요축 회전각도로 표현되는 보행자의 방향 정보를 신뢰성 있게 산출할 수 있다.According to one aspect of the present invention described above, it is possible to calculate the pitch axis and roll axis rotation angle of the device coordinate system with the minimum error by integrating the data measured from the accelerometer and the angular accelerometer, and using this, the yaw axis rotation angle of the device coordinate system Pedestrian direction information can be reliably calculated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템의 개략적인 구성이 도시된 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법의 개략적인 흐름이 도시된 순서도이다.
도 3은 도 2의 실내 측위 방법에 따른 데이터 흐름이 도시된 개념도이다.
도 4는 제1, 2 피치축 회전각도로부터 최종적인 피치축 회전각도가 산출된 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 제1, 2 롤축 회전각도로부터 최종적인 롤축 회전각도가 산출된 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a block diagram showing a schematic configuration of an indoor positioning system using a smart phone according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a schematic flow of an indoor positioning method using a smartphone according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating data flow according to the indoor positioning method of FIG. 2.
4 is a graph showing the results of calculating the final pitch axis rotation angle from the first and second pitch axis rotation angles.
5 is a graph showing the results of calculating the final roll axis rotation angle from the first and second roll axis rotation angles.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.For a detailed description of the present invention, which will be described later, reference is made to the accompanying drawings that illustrate, by way of example, specific embodiments in which the present invention may be practiced. These examples are described in detail enough to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and properties described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with one embodiment. In addition, it should be understood that the location or placement of individual components within each disclosed embodiment can be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if appropriately described, is limited only by the appended claims, along with all ranges equivalent to those claimed. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions across various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템의 개략적인 구성이 도시된 블록도이다.1 is a block diagram showing a schematic configuration of an indoor positioning system using a smart phone according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템(1, 이하 실내 측위 시스템)은 비콘, GPS, 무선AP 등과 같은 실내 측위를 위한 다른 장치에 의존하지 않고 스마트폰 자체에 구비된 관성 측정장치만을 이용하여 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 정확하게 추정할 수 있다.The indoor positioning system using the smartphone according to the present invention (1, hereinafter indoor positioning system) does not depend on other devices for indoor positioning such as beacon, GPS, wireless AP, etc., and uses only the inertial measurement device provided in the smartphone itself. It is possible to accurately estimate the indoor location of a pedestrian carrying a smartphone.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템(1)은 스마트폰에 탑재된 복수의 센서계로부터 측정되는 서로 다른 데이터를 융합하여 보행자의 보폭 및 방향 정보를 산출할 수 있으며, 이에 따라 하나의 센서계로부터 측정된 단독 데이터를 이용하여 위치를 추정하는 종래 기술에 비해 실내 측위 과정에서 발생되는 오차를 최소화할 수 있다.To this end, the indoor positioning system 1 according to an embodiment of the present invention can calculate the step length and direction information of a pedestrian by fusing different data measured from a plurality of sensor systems mounted on a smartphone, and accordingly Compared to the conventional technique of estimating the position using the single data measured from one sensor system, errors generated in the indoor positioning process can be minimized.

이러한 본 발명에 따른 실내 측위 시스템(1)은 스마트폰 또는 관리 서버에 구현될 수 있다.The indoor positioning system 1 according to the present invention may be implemented in a smart phone or a management server.

일 예로, 보행자가 소지한 스마트폰에는 본 발명에 따른 실내 측위 시스템(1)이 구현된 소프트웨어(애플리케이션)가 미리 설치될 수 있다. 이러한 경우, 사용자는 스마트폰에 설치된 소프트웨어를 실행시킴으로써, 자체 내장된 관성 측정장치(Inertial Measurement Unit, IMU)로부터 측정되는 복수의 보행 관련 데이터 중 적어도 두 개의 데이터를 융합하여 스마트폰을 기준으로 하는 장치 좌표계의 3축 회전각도를 산출하고, 이를 기초로 보행자의 현재 위치를 추정하는 일련의 과정을 자체적으로 수행할 수 있다.For example, software (application) in which the indoor positioning system 1 according to the present invention is implemented may be pre-installed on a smartphone carried by a pedestrian. In this case, the user executes the software installed on the smartphone to fuse at least two data among a plurality of gait-related data measured from the built-in inertial measurement unit (IMU), and is a device based on the smartphone. A series of processes for calculating the 3-axis rotation angle of the coordinate system and estimating the current position of the pedestrian based on this can be performed by itself.

다른 예로, 보행자가 소지한 스마트폰과 데이터를 주고받는 관리 서버에 본 발명에 따른 실내 측위 시스템(1)이 구현된 소프트웨어(애플리케이션)가 미리 설치될 수도 있다. 이러한 경우, 관리 서버는 해당 소프트웨어(애플리케이션)이 실행된 상태에서 스마트폰으로부터 수신된 복수의 보행 관련 데이터 중 적어도 두 개의 데이터를 융합하여 스마트폰을 기준으로 하는 장치 좌표계의 3축 회전각도를 산출하여 보행자(스마트폰)의 현재 위치를 추정할 수 있다. 이때, 스마트폰은 관리 서버에 의해 처리된 현재 위치에 대한 정보를 수신하여 실시간으로 표시함으로써, 실내 측위 결과를 간접적으로 제공받을 수 있다.As another example, software (application) in which the indoor positioning system 1 according to the present invention is implemented may be installed in advance on a management server that exchanges data with a smartphone carried by a pedestrian. In this case, the management server calculates a three-axis rotation angle of the device coordinate system based on the smartphone by fusing at least two of the plurality of walking-related data received from the smartphone while the corresponding software (application) is executed. It is possible to estimate the current location of a pedestrian (smartphone). At this time, the smartphone receives information about the current location processed by the management server and displays it in real time, so that indoor positioning results can be provided indirectly.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 측위 시스템(1)은 제1 데이터 융합부(100), 제2 데이터 융합부(200) 및 보행자 위치 추정부(300)를 포함한다.Specifically, the indoor positioning system 1 according to an embodiment of the present invention includes a first data fusion unit 100, a second data fusion unit 200, and a pedestrian position estimation unit 300.

이때, 실내 측위 시스템(1)은 도 1에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 구현될 수 있고, 그보다 적은 구성요소에 의해 구현될 수 있다. 또는, 실내 측위 시스템(1)은 제1 데이터 융합부(100), 제2 데이터 융합부(200) 및 보행자 위치 추정부(300)중 적어도 두 개의 구성요소가 하나의 구성요소로 통합되어 하나의 구성요소가 복합적인 기능을 수행할 수도 있다. 이하, 상술한 구성요소들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.At this time, the indoor positioning system 1 may be implemented by more components than the components shown in FIG. 1, and may be implemented by fewer components. Or, in the indoor positioning system 1, at least two components of the first data fusion unit 100, the second data fusion unit 200, and the pedestrian position estimation unit 300 are integrated into one component, and one Components may perform complex functions. Hereinafter, the above-described components will be described in detail.

제1 데이터 융합부(100)는 스마트폰을 기준으로 하는 장치 좌표계의 피치(pitch)축 회전각도 및 롤(roll)축 회전각도를 산출할 수 있다. 구체적으로, 제1 데이터 융합부(100)는 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 측정된 데이터와, 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 측정된 데이터를 융합하여 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출할 수 있다.The first data fusion unit 100 may calculate a pitch axis rotation angle and a roll axis rotation angle of the device coordinate system based on the smartphone. Specifically, the first data fusion unit 100 rotates the pitch axis of the device coordinate system by fusing data measured from an accelerometer constituting an inertial measurement device provided in a smartphone and data measured from an accelerometer constituting an inertial measurement device. The angle and roll axis rotation angle can be calculated.

이를 위해, 제1 데이터 융합부(100)는 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전 각도를 산출하고, 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전 각도를 각각 산출할 수 있다.To this end, the first data fusion unit 100 calculates the first pitch axis rotation angle and the first roll axis rotation angle of the device coordinate system based on the three-axis acceleration data measured from the accelerometer, and the three-axis angular velocity measured from the angometer The second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle of the device coordinate system may be calculated based on the data.

제1 피치축 회전각도는 장치 좌표계의 롤축 가속도에 대한 중력 가속도의 비율에 따라 결정되고, 제1 롤축 회전각도는 장치 좌표계의 피치축 가속도에 대한 요축 가속도의 비율에 따라 결정될 수 있으며, 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.The first pitch axis rotation angle may be determined according to the ratio of the gravitational acceleration to the roll axis acceleration of the device coordinate system, and the first roll axis rotation angle may be determined according to the ratio of the yaw axis acceleration to the pitch axis acceleration of the device coordinate system. It is represented as follows.

Figure 112018083884172-pat00001
Figure 112018083884172-pat00001

여기서, Pitch angle(θ)는 제1 피치축 회전각도, Roll angle(φ)는 제1 롤축 회전각도, ax는 3축 가속도 데이터가 aacc=(ax, ay, az)로 측정되었을 때 장치 좌표계의 피치축 가속도, ay는 장치 좌표계의 롤축 가속도, az는 장치 좌표계의 요축 가속도, g는 중력가속도이다.Here, Pitch angle (θ) is the first pitch axis rotation angle, Roll angle (φ) is the first roll axis rotation angle, a x is 3-axis acceleration data is measured as a acc = (a x , a y , a z ) Is the pitch axis acceleration of the device coordinate system, a y is the roll axis acceleration of the device coordinate system, a z is the yaw axis acceleration of the device coordinate system, and g is the gravitational acceleration.

즉, 제1 데이터 융합부(100)는 가속도계로부터 수신된 3축 가속도 데이터를 수신하면, 상술한 수학식에 기반하여 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전각도를 산출할 수 있다.That is, when receiving the 3-axis acceleration data received from the accelerometer, the first data fusion unit 100 may calculate the first pitch axis rotation angle and the first roll axis rotation angle based on the above equation.

한편, 제1 데이터 융합부(100)는 각속도계로부터 수신된 3축 각속도 데이터를 시간에 대해 적분하여 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도를 산출할 수 있다. 각속도를 시간에 대해 적분하여 회전량을 산출하는 기술은 이미 공지된 기술이므로, 구체적은 설명은 생략하기로 한다.Meanwhile, the first data fusion unit 100 may calculate the second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle by integrating the three-axis angular velocity data received from the angular speed meter over time. Since the technique of calculating the amount of rotation by integrating the angular velocity with respect to time is a well-known technique, a detailed description will be omitted.

이후, 제1 데이터 융합부(100)는 산출된 제1, 2 피치축 회전각도를 융합하여 장치 좌표계의 최종적인 피치축 회전각도를 산출할 수 있으며, 산출된 제1, 2 롤축 회전각도를 융합하여 장치 좌표계의 최종적인 롤축 회전각도를 산출할 수 있다. Thereafter, the first data fusion unit 100 may fuse the calculated first and second pitch axis rotation angles to calculate a final pitch axis rotation angle of the device coordinate system, and fuse the calculated first and second roll axis rotation angles. By doing so, the final roll axis rotation angle of the device coordinate system can be calculated.

3축 가속도 데이터만으로 산출된 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전각도는 관성에 의한 오차 성분이 포함될 수 있기 때문에 가속도가 충분이 작은 상황에서 측정된 가속도 데이터로부터 산출된 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전각도만 신뢰성을 가지게 된다는 문제점이 있다. 또한, 3축 각속도 데이터만으로 산출된 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도는 측정 시간이 지속될수록 적분 과정에서 발생되는 오차가 누적되기 때문에, 장시간 측위에 적합하지 못하다는 한계가 있다.Since the first pitch axis rotation angle and the first roll axis rotation angle calculated by only the 3-axis acceleration data may include an error component due to inertia, the first pitch axis rotation angle calculated from the acceleration data measured in a situation where the acceleration is small enough. And only the first roll axis rotation angle has reliability. In addition, since the second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle calculated by only the 3-axis angular velocity data accumulate errors generated during the integration process as the measurement time continues, there is a limitation that it is not suitable for long-term positioning.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 제1 데이터 융합부(100)는 미리 정해진 센서 융합 알고리즘을 이용하여 서로 다른 과정으로 산출된 두 개의 데이터를 융합하여 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출함으로써, 독립적으로 측정된 데이터에서 발생될 수 있는 오차를 최소화할 수 있다. In order to solve this problem, the first data fusion unit 100 according to the present invention fuses two data calculated in different processes using a predetermined sensor fusion algorithm to determine the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle. By calculating, errors that can occur in independently measured data can be minimized.

즉, 제1 데이터 융합부(100)는 센서 융합 알고리즘을 이용하여 제1 피치축 회전각도 및 제2 피치축 회전각도로부터 피치축 회전각도를 산출하고, 센서 융합 알고리즘을 이용하여 제1 롤축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도로부터 롤축 회전각도를 산출할 수 있다. 여기서, 센서 융합 알고리즘은 칼만 필터 알고리즘(Kalman filter algorithm)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 측정값을 대표할 수 있는 대표값을 산출할 수 있는 다른 알고리즘으로도 대체될 수 있다.That is, the first data fusion unit 100 calculates the pitch axis rotation angle from the first pitch axis rotation angle and the second pitch axis rotation angle using the sensor fusion algorithm, and the first roll axis rotation angle using the sensor fusion algorithm. And a roll axis rotation angle from the second roll axis rotation angle. Here, the sensor fusion algorithm may be a Kalman filter algorithm, but is not limited thereto, and may be replaced with another algorithm capable of calculating a representative value that can represent a plurality of measured values.

제2 데이터 융합부(200)는 스마트폰을 기준으로 하는 장치 좌표계의 요(yaw)축 회전각도를 산출할 수 있다. 요축 회전각도는 스마트폰의 수평 방향 회전 정도를 나타내는 값으로, 다시 말해 스마트폰의 방향 정보를 의미한다. The second data fusion unit 200 may calculate a yaw axis rotation angle of the device coordinate system based on the smartphone. The yaw axis rotation angle is a value indicating the degree of rotation in the horizontal direction of the smartphone, that is, the direction information of the smartphone.

이 과정에서, 본 발명에 따른 제2 데이터 융합부(200)는 제1 데이터 융합부(100)에 의해 오차가 최소화된 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 이용함으로써, 산출되는 요축 회전각도의 신뢰성이 향상될 수 있다.In this process, the second data fusion unit 200 according to the present invention uses the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle where errors are minimized by the first data fusion unit 100, and thus the reliability of the yaw axis rotation angle calculated. This can be improved.

구체적으로, 제2 데이터 융합부(200)는 제1 데이터 융합부(100)에 의해 산출된 피치축 회전각도 및 상기 롤축 회전각도와, 관성 측정장치를 구성하는 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 장치 좌표계의 제1 요축 회전각도를 산출하고, 관성 측정장치를 구성하는 각속도계로부터 측정된 상술한 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 제2 요축 회전각도를 각각 산출할 수 있다.Specifically, the second data fusion unit 200 is a three-axis magnetic force data measured from a geomagnetic machine constituting the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle and the inertial measurement device calculated by the first data fusion unit 100 The first yaw axis rotation angle of the device coordinate system may be calculated on the basis of, and the second yaw axis rotation angle of the device coordinate system may be respectively calculated based on the above-described three-axis angular velocity data measured from the angular speed meter constituting the inertial measurement device.

먼저, 제2 데이터 융합부(200)는 3축 자력 데이터에 대한 제1 요축 회전각도를 산출하기 위하여, 특정 변환 행렬에 3축 자력 데이터의 축별 자력데이터값들로 구성된 행렬를 연산하여 장치 좌표계 상의 3축 자력 데이터를 전역 좌표계로 변환할 수 있다. 3축 자력 데이터와 전역 좌표계 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.First, the second data fusion unit 200 calculates a first yaw axis rotation angle for the three-axis magnetic force data, and calculates a matrix composed of magnetic data values for each axis of the three-axis magnetic force data in a specific transformation matrix, thereby generating 3 on the device coordinate system. The axis magnetic force data can be converted into a global coordinate system. The relationship between the 3-axis magnetic force data and the global coordinate system can be expressed as follows.

Figure 112018083884172-pat00002
Figure 112018083884172-pat00002

여기서, Hx, Hy, Hz는 전역 좌표계로 변환된 3축 자력 데이터, θ는 제1 데이터 융합부(100)에 의해 산출된 피치축 회전각도, φ는 제1 데이터 융합부(100)에 의해 산출된 롤축 회전각도, hx, hy, hz는 스마트폰의 3축 자력 데이터이다.Here, H x , H y , H z are three-axis magnetic data converted to a global coordinate system, θ is a pitch axis rotation angle calculated by the first data fusion unit 100, φ is a first data fusion unit 100 The roll axis rotation angle calculated by, h x , h y , h z is the 3-axis magnetic force data of the smartphone.

즉, 제2 데이터 융합부(200)는 제1 데이터 융합부(100)에 의해 산출된 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 기치로 구성된 변환 행렬에 스마트폰의 3축 자력 데이터를 행렬 연산하여 전역 좌표계 상의 표현으로 변환시킬 수 있다. 이때, 제1 요축 회전각도(γ)는 다음과 같이 산출될 수 있다.That is, the second data fusion unit 200 performs global calculation by performing matrix calculation on the 3-axis magnetic force data of the smartphone in a transformation matrix composed of the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle calculated by the first data fusion unit 100. It can be converted to a representation on the coordinate system. At this time, the first yaw axis rotation angle γ may be calculated as follows.

Figure 112018083884172-pat00003
Figure 112018083884172-pat00003

한편, 제2 데이터 융합부(200)는 상술한 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 이용하여 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다.Meanwhile, the second data fusion unit 200 may calculate the rotation angle of the second yaw axis using the three-axis angular velocity data measured from the angular speed meter described above.

3축 자력 데이터만으로 측정된 방향 정보(제1 요축 회전각도)는 외부 자기장의 영향을 받게 되는 경우 신뢰할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서, 제2 데이터 융합부(200)는 스마트폰의 요축 회전각도의 오차를 최소화하기 위하여, 3축 자기력 데이터를 기초로 산출된 제1 요축 회전각도 및 3축 각속도 데이터를 기초로 산출되는 제2 요축 회전각도를 융합하여 요축 회전각도를 산출하고, 이를 스마트폰의 최종 방향 정보로 설정할 수 있다.The direction information (first yaw axis rotation angle) measured by only three-axis magnetic force data has a problem that it cannot be trusted when affected by an external magnetic field. Therefore, the second data fusion unit 200 is calculated based on the first yaw axis rotation angle and the 3 axis angular velocity data calculated based on the 3-axis magnetic force data in order to minimize the error of the yaw axis rotation angle of the smartphone. The yaw axis rotation angle can be fused to calculate the yaw axis rotation angle and set as the final direction information of the smartphone.

이를 위해, 제2 데이터 융합부(200)는 3축 각속도 데이터를 기초로 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상태 변수가 업데이트된 센서 융합 알고리즘으로부터 출력되는 출력값을 기초로 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다.To this end, the second data fusion unit 200 updates the state variable of the sensor fusion algorithm based on the 3-axis angular velocity data, and determines the second yaw axis rotation angle based on the output value output from the updated sensor fusion algorithm. Can be calculated.

상태 변수는 쿼터니온(quaternion, 사원수) 값으로 표현되며, 3축 각속도 데이터를 기초로 쿼터니온을 업데이트 하기 위하여, wx, wy, wz로 표현되는 장치 좌표계의 3축 각속도 데이터로부터 오일러 각을 하기의 수학식에 따라 산출할 수 있다.The state variable is expressed as a quaternion (quaternion) value, and in order to update the quaternion based on the 3-axis angular velocity data, the Euler angle is obtained from the 3-axis angular velocity data of the device coordinate system represented by w x , w y , w z . It can be calculated according to the following equation.

Figure 112018083884172-pat00004
Figure 112018083884172-pat00004

여기서, 좌변은 3축 오일러 각이다.Here, the left side is a 3-axis Euler angle.

제2 데이터 융합부(200)는 산출된 오일러각을 이용하여 상태변수(쿼터니온)를 업데이트 할 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.The second data fusion unit 200 may update the state variable (quaternion) using the calculated Euler angle. This is expressed by the following equation.

Figure 112018083884172-pat00005
Figure 112018083884172-pat00005

여기서, q0, q1, q2, q3, q4는 쿼터니온 값이며, 제2 데이터 융합부(200)는 상태 변수가 업데이트된 센서 융합 알고리즘으로부터 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다. Here, q 0 , q 1 , q 2 , q 3 , and q 4 are quaternion values, and the second data fusion unit 200 may calculate the second yaw axis rotation angle from the sensor fusion algorithm in which the state variable is updated.

Figure 112018083884172-pat00006
Figure 112018083884172-pat00006

여기서, 좌변은 3축 각속도 데이터로부터 산출되는 제2 요축 회전각도이다.Here, the left side is the second yaw axis rotation angle calculated from the three-axis angular velocity data.

이후, 제2 데이터 융합부(200)는 상술한 센서 융합 알고리즘을 이용하여 제1 요축 회전각도 및 제2 요축 회전각도로부터 장치 좌표계의 최종적인 요축 회전각도를 산출할 수 있다.Thereafter, the second data fusion unit 200 may calculate the final yaw axis rotation angle of the device coordinate system from the first yaw axis rotation angle and the second yaw axis rotation angle using the above-described sensor fusion algorithm.

즉, 본 발명에 따른 실내 측위 시스템(1)은 센서 융합 알고리즘을 이용한 센서 융합 기술을 통해 각속도계 및 자력계로부터 야기되는 독립적인 오류를 제거함으로써, 우수한 방향 추정 성능을 가질 수 있다.That is, the indoor positioning system 1 according to the present invention can have excellent direction estimation performance by removing independent errors caused by the angular speedometer and magnetometer through the sensor fusion technology using the sensor fusion algorithm.

보행자 위치 추정부(300)는 제2 데이터 융합부(200)로부터 산출된 방향 정보(요축 회전각도)를 이용하여 스마트폰을 휴대하는 보행자의 현재 위치를 추정할 수 있다.The pedestrian location estimator 300 may estimate the current location of the pedestrian carrying the smartphone using the direction information (rotation axis rotation angle) calculated from the second data fusion unit 200.

본 발명에 따른 실내 측위 시스템(1)을 이용한 실내 측위는 주기적으로 수행될 수 있으며, 보행자의 현재 위치는 이전 주기에 추정된 보행자의 위치를 기준으로 방향 정보에 따른 방향으로 소정 거리만큼 이동된 위치로 추정될 수 있다. 이때, 보행자 위치 추정부(300)는 한 주기동안 보행자가 이동한 거리를 추정하기 위해 보행자의 보폭 정보를 산출할 수 있다.Indoor positioning using the indoor positioning system 1 according to the present invention may be periodically performed, and the current position of the pedestrian is a position moved by a predetermined distance in a direction according to direction information based on the estimated position of the pedestrian in the previous cycle It can be estimated as At this time, the pedestrian position estimator 300 may calculate the step length information of the pedestrian in order to estimate the distance the pedestrian has traveled for one cycle.

이를 위해, 보행자 위치 추정부(300)는 먼저 보행자가 보행 중인지 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 보행자 위치 추정부(300)는 3축 가속도 데이터의 변화량을 모니터링 하여, 보행자의 보행 과정에서 연속적으로 발생되는 3축 가속도 데이터가 미리 정해진 최대 임계값 및 최소 임계값에 도달하면 보행자가 보행 중인 것으로 판단할 수 있다. 이 과정에서, 수집되는 3축 가속도 데이터는 하이 스패 필터 또는 로우 패스 필터를 거치면서 중력에 의한 영향이 제거될 수 있다. To this end, the pedestrian position estimator 300 may first determine whether the pedestrian is walking. Specifically, the pedestrian position estimator 300 monitors the amount of change in the 3-axis acceleration data, and when the 3-axis acceleration data continuously generated in the walking process of the pedestrian reaches a predetermined maximum threshold and minimum threshold, the pedestrian walks It can be judged as being. In this process, the collected three-axis acceleration data may be removed by the influence of gravity while passing through a high spar filter or a low pass filter.

보행자 위치 추정부(300)는 보행자가 보행 중인 것으로 판단되는 시간 구간동안 수집되는 3축 가속도 데이터를 기초로 평균 가속도를 산출하고, 산출된 평균 가속도를 이용하여 보폭 정보를 산출할 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.The pedestrian position estimator 300 may calculate the average acceleration based on the 3-axis acceleration data collected during the time period in which the pedestrian is determined to be walking, and calculate the step length information using the calculated average acceleration. This is expressed by the following equation.

Figure 112018083884172-pat00007
Figure 112018083884172-pat00007

여기서, ak는 보행자가 보행 중인 것으로 판단되는 시간 구간동안 수집되는 3축 가속도 데이터의 평균 가속도이고, k는 상수이다.Here, a k is the average acceleration of the three-axis acceleration data collected during the time interval where it is determined that the pedestrian is walking, and k is a constant.

이후, 보행자 위치 추정부(300)는 자체적으로 산출된 보폭 정보 및 제2 데이터 융합부(200)에 의해 산출된 방향 정보를 기초로 보행자의 현재 위치를 추정할 수 있다.Thereafter, the pedestrian position estimator 300 may estimate the current position of the pedestrian based on the self-calculated stride information and the direction information calculated by the second data fusion unit 200.

Figure 112018083884172-pat00008
Figure 112018083884172-pat00008

여기서, Xt -1은 이전 주기의 보행자의 x축 위치, Yt -1은 이전 주기의 보행자의 y축 위치, Stepsize는 보폭 정보, Heading은 방향 정보, Xt는 현재 주기의 보행자의 x축 위치, Yt는 현재 주기의 보행자의 y축 위치이다. 한편, 보행자의 초기 위치를 결정하기 위해 QR코드, RFID, UWB 및 컴퓨터 비전 기술이 사용될 수 있다.Here, X t -1 is the x-axis position of the pedestrian in the previous cycle, Y t -1 is the y-axis position of the pedestrian in the previous cycle, Step size is the stride information, Heading is the direction information, X t is the pedestrian's x in the current cycle. The axis position, Y t, is the y-axis position of the pedestrian in the current cycle. Meanwhile, QR code, RFID, UWB and computer vision technology may be used to determine the initial location of the pedestrian.

이와 같이, 본 발명에 따른 실내 측위 시스템(1)은 스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 구성하는 가속도계, 각속도계 및 지자기계 각각으로부터 측정된 데이터를 융합하여 단독 데이터로부터 측정된 3축 자세값의 오차를 최소화하여 실내 측위 결과의 신뢰성이 보장될 수 있다. As described above, the indoor positioning system 1 according to the present invention fuses data measured from each of the accelerometer, angular speedometer, and geomagnetic device constituting the inertial measurement device provided in the smart phone, and measures the 3-axis attitude value measured from the single data. By minimizing errors, reliability of indoor positioning results can be ensured.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법의 개략적인 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법이 도시된 순서도이고, 도 3은 도 2의 실내 측위 방법에 따른 개략적인 데이터 처리 과정이 도시된 개념도이다.2 and 3 are diagrams for explaining the schematic flow of the indoor positioning method using a smart phone according to an embodiment of the present invention. 2 is a flowchart illustrating an indoor positioning method using a smartphone according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a schematic data processing process according to the indoor positioning method of FIG. 2.

이하에서는, 설명의 편의를 위해 본 발명에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법이 스마트폰에 소프트웨어(애플리케이션) 형태로 구현된 것으로 가정하여 설명하기로 한다.Hereinafter, for convenience of description, it will be described on the assumption that the indoor positioning method using a smart phone according to the present invention is implemented in a software (application) form on a smart phone.

스마트폰은 자체 구비된 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 3축 가속도 데이터를 수집하여, 이를 기초로 보폭 정보 및 제1 피치축/롤축 회전각도를 산출할 수 있다(210).The smartphone collects three-axis acceleration data from an accelerometer constituting its own inertial measurement device, and can calculate stride information and a first pitch axis / roll axis rotation angle based on this (210).

스마트폰은 3축 가속도 데이터의 변화량을 감지하여 보행자의 보행 여부를 판단하고, 보행 중인 것으로 판단되는 시간 동안 수집되는 3축 가속도 데이터의 평균 가속도를 이용하여 보폭 정보를 산출할 수 있다. 또한, 스마트폰은 상술한 수학식 1에 따라 제1 피치축 회전각도 및 제1 롤축 회전각도를 산출할 수 있다. The smart phone can detect the amount of change in the 3-axis acceleration data to determine whether a pedestrian is walking, and calculate the stride information using the average acceleration of the 3-axis acceleration data collected for a time determined to be walking. In addition, the smartphone may calculate the first pitch axis rotation angle and the first roll axis rotation angle according to the above equation (1).

이와 동시에, 스마트폰은 관성 측정장치를 구성하는 각속도계로부터 3축 각속도 데이터를 수집하여, 이를 기초로 제2 피치축/롤축 회전각도 및 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다(220).At the same time, the smartphone may collect the 3-axis angular velocity data from the angular speed meter constituting the inertial measurement device, and calculate the second pitch axis / roll axis rotation angle and the second yaw axis rotation angle based on this (220).

스마트폰은 3축 각속도 데이터를 시간에 대하여 적분하여 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도를 산출할 수 있다. 또한, 스마트폰은 3축 각속도 데이터를 기초로 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상태 변수가 업데이트된 센서 융합 알고리즘으로부터 제2 요축 회전각도를 제공받을 수 있다.The smartphone may calculate the second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle by integrating the three-axis angular velocity data with respect to time. In addition, the smart phone may update the state variable of the sensor fusion algorithm based on the 3-axis angular velocity data, and receive the second yaw axis rotation angle from the sensor fusion algorithm in which the state variable is updated.

스마트폰은 미리 구현된 센서 융합 알고리즘을 이용하여 산출된 제1, 2 피치축/롤축 회전각도로부터 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출할 수 있다(230). The smartphone may calculate the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle of the device coordinate system from the first and second pitch axis / roll axis rotation angles calculated using a sensor fusion algorithm implemented in advance (230).

즉, 스마트폰은 가속도계와 각속도계로부터 독립적으로 산출된 회전각도를 칼만 필터와 같은 센서 융합 알고리즘을 이용하여 융합시켜 오차가 최소화된 피치축/롤축 회전각도를 산출할 수 있다.That is, the smartphone can calculate the rotational angle of the pitch axis / roll axis with the minimum error by fusing the rotation angle calculated independently from the accelerometer and the angular speed sensor using a sensor fusion algorithm such as a Kalman filter.

스마트폰은 오차가 최소화된 피치축 회전각도, 롤축 회전각도 및 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 제1 요축 회전각도를 산출할 수 있다(240). 다시 말해, 종래에 지자기계 자체적으로 측정된 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 오차가 최소화된 피치축 회전각도, 롤축 회전각도로 대체함으로써 정확안 방향 정보를 산출할 수 있다.The smartphone may calculate the first yaw axis rotation angle based on the three-axis magnetic force data measured from the pitch axis rotation angle, the roll axis rotation angle, and the geomagnetic machine with the minimum error (240). In other words, it is possible to calculate accurate direction information by replacing the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle measured by the geomagnetic machine itself with the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle with the minimum error.

이와 동시에, 스마트폰은 3축 각속도 데이터를 기초로 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다(250). 스마트폰은 3축 각속도 데이터를 기초로 쿼터니온 값으로 표현되는 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상태 변수가 업데이트된 센서 융합 알고리즘으로부터 출력되는 쿼터니온 출력값을 기초로 제2 요축 회전각도를 산출할 수 있다.At the same time, the smartphone may calculate the second yaw axis rotation angle based on the three-axis angular velocity data (250). The smartphone can update the state variable of the sensor fusion algorithm represented by the quaternion value based on the 3-axis angular velocity data, and calculate the second yaw axis rotation angle based on the quaternion output value output from the updated sensor fusion algorithm. have.

이후, 스마트폰은 센서 융합 알고리즘을 이용하여 제1, 2 요축 회전각도로부터 장치 좌표계의 최종적인 요축 회전각도를 산출할 수 있다(260). 마지막으로, 스마트폰은 3축 가속도 데이터를 기초로 생성된 보폭 정보와 상술한 260 단계에서 생성된 방향 정보를 이용하여 이전 주기의 위치로부터 현재 주기의 위치를 추정할 수 있다(270). 스마트폰은 상술한 단계들을 주기적으로 수행하여 보행자의 현재 위치를 주기적으로 갱신할 수 있다.Thereafter, the smartphone may calculate a final yaw axis rotation angle of the device coordinate system from the first and second yaw axis rotation angles using a sensor fusion algorithm (260). Finally, the smartphone may estimate the position of the current cycle from the position of the previous cycle using the step information generated based on the 3-axis acceleration data and the direction information generated in step 260 described above (270). The smartphone may periodically update the current position of the pedestrian by periodically performing the above-described steps.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 실내 측위 결과를 설명하기 위한 도면이다.4 and 5 are diagrams for explaining indoor positioning results according to the present invention.

도 4는 제1, 2 피치축 회전각도로부터 피치축 회전각도가 산출된 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5는 제1, 2 롤축 회전각도로부터 롤축 회전각도가 산출된 결과를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the results of calculating the pitch axis rotation angle from the first and second pitch axis rotation angles, and FIG. 5 is a graph showing the results of calculating the roll axis rotation angle from the first and second roll axis rotation angles.

도시된 도면에서, 좌측 상단 그래프는 제1 피치축/롤축 회전 각도, 다시 말해 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터만을 이용하여 산출된 피치축/롤축 회전각도를 나타내는 그래프이고, 우측 상단 그래프는 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터만을 이용하여 산출된 제2 피치축/롤축 회전각도를 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 각속도계만을 이용하여 피치축 또는 롤축 회전각도를 추종하게 되면, 적분 연산에 따른 오차가 누적되어 시간이 흐를수록 데이터의 신뢰성이 감소하게 된다. In the illustrated figure, the upper left graph is a graph showing a first pitch axis / roll axis rotation angle, that is, a pitch axis / roll axis rotation angle calculated using only 3-axis acceleration data measured from an accelerometer, and the upper right graph is an angular speed meter It is a graph showing the rotation angle of the second pitch axis / roll axis calculated using only the 3-axis angular velocity data measured from. As shown in the figure, if the rotational angle of the pitch axis or the roll axis is tracked using only the angular speedometer, errors due to integration calculations accumulate and data reliability decreases over time.

반면, 하단 그래프에 도시된 바와 같이, 제1, 2 피치축 회전각도가 융합된 피치축 회전각도 또는 제1, 2 롤축 회전각도가 융합된 롤축 회전각도는 독립적으로 산출되는 회전각도들의 오류를 최소할 수 있으며, 이에 따라 정확한 실내 측위 결과를 사용자에게 제공할 수 있다.On the other hand, as shown in the bottom graph, the first and second pitch axis rotation angles are fused, and the first and second roll axis rotation angles are fused roll axis rotation angles, and the errors of independently calculated rotation angles are minimized. It is possible to provide accurate indoor positioning results to the user.

이와 같은, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법을 제공하는 기술은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Such a technology for providing an indoor positioning method using a smart phone may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded in a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The program instructions recorded on the computer-readable recording medium are specially designed and configured for the present invention, and may be known and usable by those skilled in the computer software field.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs, DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine language codes produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to embodiments, those skilled in the art understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. Will be able to.

100: 제1 데이터 융합부
200: 제2 데이터 융합부
300: 보행자 위치 추정부100: first data fusion unit
200: second data fusion unit
300: pedestrian position estimation unit

Claims (15)

스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 상기 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 추정하는 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법에 있어서,
상기 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터 및 상기 관성 측정장치를 구성하는 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출하고,
상기 피치축 회전각도, 상기 롤축 회전각도 및 상기 관성 측정 장치를 구성하는 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 요축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 요축 회전각도를 산출하며,
상기 보행자의 실내 위치를 추정하기 위한 방향 정보를 결정하기 위하여, 미리 정해진 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도 및 상기 제2 요축 회전각도로부터 상기 장치 좌표계의 요축 회전각도를 산출하며,
상기 피치축 회전각도를 산출하는 것은,
상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 피치축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 피치축 회전각도를 산출하고, 상기 제1 피치축 회전각도, 상기 제2 피치축 회전각도 및 상기 센서 융합 알고리즘을 이용하여 산출하는 것이며,
상기 롤축 회전각도를 산출하는 것은,
상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 제1 롤축 회전각도, 상기 제2 롤축 회전각도 및 상기 센서 융합알고리즘을 이용하여 산출하는 것이며,
상기 제1 요축 회전각도는,
상기 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터, 상기 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터, 상기 지자기계로부터 측정된 3축 자력데이터를 기초로 산출되는 것인, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
In the indoor positioning method using a smartphone for estimating the indoor position of the pedestrian carrying the smartphone using the inertial measurement device provided in the smartphone,
The pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle of the device coordinate system are calculated based on the 3-axis acceleration data measured from the accelerometer constituting the inertial measurement device and the 3-axis angular velocity data measured from the angular accelerometer constituting the inertial measurement device,
The first yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the pitch axis rotation angle, the roll axis rotation angle, and the three-axis magnetic force data measured from the geomagnetic machines constituting the inertial measurement device, and based on the three-axis angular velocity data. The second yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated,
In order to determine direction information for estimating the indoor position of the pedestrian, a yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated from the first yaw axis rotation angle and the second yaw axis rotation angle using a predetermined sensor fusion algorithm,
Calculating the pitch axis rotation angle,
The first pitch axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the 3-axis acceleration data, the second pitch axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the 3-axis angular velocity data, and the first pitch axis rotation is calculated. Angle, the second pitch axis rotation angle, and calculated using the sensor fusion algorithm,
Calculating the roll axis rotation angle,
The first roll axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the three-axis acceleration data, the second roll axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the three-axis angular velocity data, and the first roll axis rotation angle, the It is calculated using the second roll axis rotation angle and the sensor fusion algorithm,
The first yaw axis rotation angle,
The indoor positioning method using a smart phone is calculated based on three-axis acceleration data measured from the accelerometer, three-axis angular velocity data measured from the angular accelerometer, and three-axis magnetic force data measured from the geomagnetic machine.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 피치축 회전각도는 상기 장치 좌표계의 롤축 가속도에 대한 중력 가속도의 비율에 따라 산출되고, 상기 제1 롤축 회전각도는 상기 장치 좌표계의 피치축 가속도에 대한 상기 장치 좌표계의 요축 가속도의 비율에 따라 산출되며, 상기 제2 피치축 회전각도 및 제2 롤축 회전각도는 상기 3축 각속도 데이터를 시간에 대해 적분한 결과값으로 산출되는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
According to claim 1,
The first pitch axis rotation angle is calculated according to the ratio of the gravitational acceleration to the roll axis acceleration of the device coordinate system, and the first roll axis rotation angle is the ratio of the yaw axis acceleration of the device coordinate system to the pitch axis acceleration of the device coordinate system. It is calculated according to, the second pitch axis rotation angle and the second roll axis rotation angle is calculated as a result of integrating the three-axis angular velocity data over time, indoor positioning method using a smartphone.
제1항에 있어서,
상기 제1 요축 회전각도를 산출하는 것은,
상기 피치축 회전각도 및 상기 롤축 회전각도로 구성된 변환 행렬에 상기 3축 자력 데이터의 축별 자력 데이터로 구성된 행렬을 연산하여 상기 장치 좌표계로 표현된 상기 3축 자력 데이터를 전역 좌표계로 변환하고,
상기 전역 좌표계로 변환된 3축 자력 데이터의 피치값 및 롤값을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도를 산출하는 것인, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
According to claim 1,
Calculating the first yaw axis rotation angle,
Calculate the matrix consisting of the axis-specific magnetic force data of the 3-axis magnetic force data in the transformation matrix consisting of the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle, and convert the 3-axis magnetic force data represented by the device coordinate system into a global coordinate system,
The first yaw axis rotation angle is calculated using a pitch value and a roll value of the 3-axis magnetic force data converted into the global coordinate system, an indoor positioning method using a smartphone.
제1항에 있어서,
상기 제2 요축 회전각도를 산출하는 것은,
상기 3축 각속도 데이터를 기초로 쿼터니온 값으로 표현되는 상기 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상기 상태 변수가 업데이트된 상기 센서 융합 알고리즘으로부터 출력되는 쿼터니온 출력값을 기초로 상기 제2 요축 회전각도를 산출하는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
According to claim 1,
Calculating the second yaw axis rotation angle,
Update the state variable of the sensor fusion algorithm expressed as a quaternion value based on the 3-axis angular velocity data, and calculate the second yaw axis rotation angle based on the quaternion output value output from the sensor fusion algorithm in which the state variable is updated The indoor positioning method using a smartphone.
제1항에 있어서,
상기 센서 융합 알고리즘은 칼만 필터 알고리즘인, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
According to claim 1,
The sensor fusion algorithm is a Kalman filter algorithm, indoor positioning method using a smartphone.
제1항에 있어서,
상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 보행자의 보폭 정보를 산출하고,
산출된 상기 보폭 정보 및 상기 요축 회전각도로 표현되는 상기 방향 정보를 기초로 상기 보행자의 현재 위치를 추정하는 것을 더 포함하는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
According to claim 1,
The step information of the pedestrian is calculated based on the 3-axis acceleration data,
Further comprising estimating the current position of the pedestrian on the basis of the calculated step length information and the direction information represented by the yaw axis rotation angle, indoor positioning method using a smartphone.
제7항에 있어서,
상기 보행자의 보폭 정보를 산출하는 것은,
상기 보행자의 보행 과정에서 연속적으로 발생되는 상기 3축 가속도 데이터가 미리 정해진 최대 임계값 및 최소 임계값에 도달하면 상기 보행자가 보행 중인 것으로 판단하고, 상기 보행자가 보행 중인 것으로 판단되는 시간 구간동안 수집되는 상기 3축 가속도 데이터의 평균 가속도값을 기초로 상기 보폭 정보를 산출하는 것인, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
The method of claim 7,
The step information of the pedestrian is calculated,
When the three-axis acceleration data continuously generated in the pedestrian walking process reaches a predetermined maximum threshold and minimum threshold, it is determined that the pedestrian is walking, and is collected during a time period in which the pedestrian is determined to be walking. A method for indoor positioning using a smartphone, wherein the stride information is calculated based on an average acceleration value of the 3-axis acceleration data.
제7항에 있어서,
상기 보폭 정보 및 상기 방향 정보는 미리 정해진 주기마다 측정되며,
상기 보행자의 현재 위치를 추정하는 것은,
이전 주기에 추정된 상기 보행자의 위치를 기준으로, 상기 방향 정보에 따른 방향으로 상기 보폭 정보에 따른 거리만큼 이동된 위치를 상기 현재 위치로 추정하는 것인, 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법.
The method of claim 7,
The step length information and the direction information are measured every predetermined period,
Estimating the current position of the pedestrian,
Based on the position of the pedestrian estimated in the previous cycle, the position moved by a distance according to the step information in the direction according to the direction information is estimated as the current position, the indoor positioning method using a smartphone.
제1항 및 제3항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 스마트폰을 이용한 실내 측위 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체.
A computer-readable recording medium having a computer program recorded thereon for performing an indoor positioning method using a smartphone according to any one of claims 1 and 3 to 9.
스마트폰에 구비된 관성 측정장치를 이용하여 상기 스마트폰을 휴대하는 보행자의 실내 위치를 추정하는 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템에 있어서,
상기 관성 측정장치를 구성하는 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터 및 상기 관성 측정장치를 구성하는 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터를 기초로 장치 좌표계의 피치축 회전각도 및 롤축 회전각도를 산출하는 제1 데이터 융합부; 및
상기 피치축 회전각도, 상기 롤축 회전각도 및 상기 관성 측정 장치를 구성하는 지자기계로부터 측정된 3축 자력 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 요축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 요축 회전각도를 산출하며, 상기 보행자의 실내 위치를 추정하기 위한 방향 정보를 결정하기 위하여, 미리 정해진 센서 융합 알고리즘을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도 및 상기 제2 요축 회전각도로부터 상기 장치 좌표계의 요축 회전각도를 산출하는 제2 데이터 융합부를 포함하며,
상기 피치축 회전각도를 산출하는 것은,
상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 피치축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 피치축 회전각도를 산출하고, 상기 제1 피치축 회전각도, 상기 제2 피치축 회전각도 및 상기 센서 융합 알고리즘을 이용하여 산출하는 것이며,
상기 롤축 회전각도를 산출하는 것은,
상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제1 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 3축 각속도 데이터를 기초로 상기 장치 좌표계의 제2 롤축 회전각도를 산출하고, 상기 제1 롤축 회전각도, 상기 제2 롤축 회전각도 및 상기 센서 융합알고리즘을 이용하여 산출하는 것이며,
상기 제1 요축 회전각도는,
상기 가속도계로부터 측정된 3축 가속도 데이터, 상기 각속도계로부터 측정된 3축 각속도 데이터, 상기 지자기계로부터 측정된 3축 자력데이터를 기초로 산출되는 것인, 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템.
In the indoor positioning system using a smartphone for estimating the indoor position of the pedestrian carrying the smartphone using the inertial measurement device provided in the smartphone,
A machine for calculating the pitch axis rotation angle and the roll axis rotation angle of the device coordinate system based on the 3-axis acceleration data measured from the accelerometer constituting the inertial measurement device and the 3-axis angular velocity data measured from the angular accelerometer constituting the inertial measurement device. 1 data fusion unit; And
The first yaw axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the three-axis magnetic force data measured from the pitch axis rotation angle, the roll axis rotation angle, and the geomagnetic machinery constituting the inertial measurement device, and based on the three-axis angular velocity data. In order to calculate a second yaw axis rotation angle of the device coordinate system and determine direction information for estimating the indoor position of the pedestrian, the first yaw axis rotation angle and the second yaw axis rotation using a predetermined sensor fusion algorithm A second data fusion unit for calculating the rotation angle of the yaw axis of the device coordinate system from an angle,
Calculating the pitch axis rotation angle,
The first pitch axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the 3-axis acceleration data, the second pitch axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the 3-axis angular velocity data, and the first pitch axis rotation is calculated. Angle, the second pitch axis rotation angle, and calculated using the sensor fusion algorithm,
Calculating the roll axis rotation angle,
The first roll axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the three-axis acceleration data, the second roll axis rotation angle of the device coordinate system is calculated based on the three-axis angular velocity data, and the first roll axis rotation angle, the It is calculated using the second roll axis rotation angle and the sensor fusion algorithm,
The first yaw axis rotation angle,
An indoor positioning system using a smartphone that is calculated based on three-axis acceleration data measured from the accelerometer, three-axis angular velocity data measured from the angular accelerometer, and three-axis magnetic force data measured from the geomagnetic machine.
삭제delete 제11항에 있어서,
상기 제2 데이터 융합부는,
상기 피치축 회전각도 및 상기 롤축 회전각도로 구성된 변환 행렬에 상기 3축 자력 데이터의 축별 자력 데이터로 구성된 행렬을 연산하여 상기 장치 좌표계로 표현된 상기 3축 자력 데이터를 전역 좌표계로 변환하고, 상기 전역 좌표계로 변환된 3축 자력 데이터의 피치값 및 롤값을 이용하여 상기 제1 요축 회전각도를 산출하는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템.
The method of claim 11,
The second data fusion unit,
The matrix consisting of magnetic data for each axis of the three-axis magnetic data is calculated on a transformation matrix composed of the rotational angle of the pitch axis and the rotational angle of the roll axis, and the three-axis magnetic data represented by the device coordinate system is converted into a global coordinate system. An indoor positioning system using a smartphone that calculates the rotation angle of the first yaw axis using a pitch value and a roll value of 3-axis magnetic force data converted into a coordinate system.
제11항에 있어서,
상기 제2 데이터 융합부는,
상기 3축 각속도 데이터를 기초로 쿼터니온 값으로 표현되는 상기 센서 융합 알고리즘의 상태 변수를 업데이트하고, 상기 상태 변수가 업데이트된 상기 센서 융합 알고리즘으로부터 출력되는 쿼터니온 출력값을 기초로 상기 제2 요축 회전각도를 산출하는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템.
The method of claim 11,
The second data fusion unit,
Update the state variable of the sensor fusion algorithm expressed as a quaternion value based on the 3-axis angular velocity data, and calculate the second yaw axis rotation angle based on the quaternion output value output from the sensor fusion algorithm in which the state variable is updated The indoor positioning system using a smartphone.
제11항에 있어서,
상기 3축 가속도 데이터를 기초로 상기 보행자의 보폭 정보를 산출하고, 산출된 상기 보폭 정보 및 상기 요축 회전각도로 표현되는 상기 방향 정보를 기초로 상기 보행자의 현재 위치를 추정하는 보행자 위치 추정부를 더 포함하는, 스마트폰을 이용한 실내 측위 시스템.The method of claim 11,
Further comprising a pedestrian position estimator for calculating the step length information of the pedestrian based on the 3-axis acceleration data, and estimating the current position of the pedestrian based on the calculated step length information and the direction information represented by the yaw axis rotation angle The indoor positioning system using a smartphone.
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