KR101576424B1

KR101576424B1 - 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법

Info

Publication number: KR101576424B1
Application number: KR1020150084955A
Authority: KR
Inventors: 이효영
Original assignee: 코디스페이스 주식회사
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2015-12-10

Abstract

개시된 본 발명에 따른 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법은, a) 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; b) 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 경우, 몸체좌표계(Body Coordinates)의 지자기 추정 기준값을 일정 간격으로 복수 개(Nr개) 수집하여 추정 지자기 기준값 세트를 생성하는 단계; c) 몸체좌표계(Body Coordinates)의 지자기 측정값을 일정 주기로 수집하여 상기 지자기 추정 기준값 세트와 매칭될 수 있는 복수 개(Nm)의 지자기 측정값 세트를 생성하는 단계; d) 상기 지자기 추정 기준값 세트와 측정값 세트를 모두 비교하여 전차(residula, J)가 최소인 편향오차를 계산하여 이를 편향오차로 추정하는 단계; 및, e) 상기 추정된 편향오차를 이용하여 지자기 센서 오차를 보정하는 단계;를 포함한다. 이에 의하면, 항법좌표계의 지자기 기준값을 이용하여 몸체좌표계의 지자기 추정값을 구하고, 이 지자기 추정 기준값 세트와 지자기 측정 기준값 세트를 비교하여 전차가 최소가 되는 편향 오차를 추정하고 이를 이용하여 지자기 센서의 오차를 보정할 수 있게 되어, 실내 측위와 방향 검지의 정확성이 향상되어 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법{Automatic calibration method of magnetometer for indoor positioning}

본 발명은 지자기 센서 자동 보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실내 측위시 지자기 센서의 편향오차를 추정하여 이를 소거하도록 하는 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법에 관한 것이다.

현재 실내 위치 정보에 대한 수요 및 관심이 증대되면서 실내 측위 시스템(Indoor Positioning System)에 대한 여러 가지 기술이 개발되고 있다. 대표적인 기술로는 와이파이(Wifi)를 이용한 측위 시스템, 관성항법을 이용한 측위 시스템, 이미지 데이터 처리를 이용한 측위 시스템, RFID를 이용한 측위 시스템, 지자기 센서를 이용한 측위 시스템, 맵 매칭을 이용한 측위 시스템 및 LED 등 광통신을 이용한 측위 시스템 등이 있다.

한편 현대인에 필수품으로 자리잡은 휴대용 이동통신 단말기(예를 들어 스마트폰 등)를 이용하여 실내 측위를 하는 기술이 점점 발달하고 있다.

실내 측위 기술에서 지자기 센서(magnetometer) 정보는 진행 방향 검지 및 위치 측위에 중요한 역할을 한다. 그런데 스마트폰 등에 장착된 저가형 지자기 센서는 내부 전자회로의 전류량 변화 및 환경적인 특징에 따라 편향 오차(Bias Error)가 크게 변하게 된다.

따라서 정확한 실내 측위와 방향 검지를 위하여는 편향 오차를 추정하여 측정값에서 편향 오차 성분을 소거하여 사용해야 할 필요가 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0092055호(2009.08.31. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0055423호(2015.05.21. 공개)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 지자기 추정 기준값을 구하고 이 지자기 추정 기준값과 지자기 측정 기준값을 비교하여 지자기 센서의 편향 오차를 추정하고, 이 추정 편향 오차를 이용하여 지자기 센서의 오차를 보정하도록 하는 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법은, a) 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; b) 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 경우, 몸체좌표계(Body Coordinates)의 지자기 추정 기준값을 일정 간격으로 복수 개(Nr개) 수집하여 추정 지자기 기준값 세트를 생성하는 단계; c) 몸체좌표계(Body Coordinates)의 지자기 측정값을 일정 주기로 수집하여 상기 지자기 추정 기준값 세트와 매칭될 수 있는 복수 개(Nm)의 지자기 측정값 세트를 생성하는 단계; d) 상기 지자기 추정 기준값 세트와 측정값 세트를 모두 비교하여 전차(residula, J)가 최소인 편향오차를 계산하여 이를 편향오차로 추정하는 단계; 및, e) 상기 추정된 편향오차를 이용하여 지자기 센서 오차를 보정하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 의하면 상기 a) 단계 전, a1) 가속도와 각속도를 이용하여 걸음을 검출하고 걸음 속도를 계산하는 단계와, a2) 현재위치를 추정하는 단계를 포함하는 기초자료 수집단계를 포함한다.

한편 상기 a) 단계는, 일정 걸음동안 직선이동을 하는지 여부, 같은 층에서 이동하는지 여부, 걸음속도의 표준편차가 임계치 이하인지 여부 중 적어도 어느 하나 이상을 만족하는 경우 상기 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 것으로 판단한다.

본 발명에 의하면 상기 b) 단계에서, 상기 몸체좌표계의 지자기 추정 기준값은 데이터베이스에 저장된 기존의 보정된 지자기센서로 측정한 항법좌표계(Navigation Coordinates)에서의 지자기 기준값으로 추정한다.

한편 상기 b) 단계는, b1) 몸체좌표계의 지자기 측정값을 일정 주기로 수집하는 단계; b2) 상기 데이터베이스로부터 현재위치를 기준으로 항법좌표계의 지자기 기준값을 일정거리 간격으로 복수 개(Nr) 추출하는 단계; 및, b3) 상기 추출된 항법좌표계에서의 지자기 기준값을 몸체좌표계의 지자기 추정 기준값으로 좌표변환하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 의하면 상기 c) 단계는, 상기 a1) 단계에서 계산된 걸음 속도를 이용하여, 상기 b1)단계에서 수집된 지자기 측정값들 중 상기 추출된 복수 개(Nr)의 지자기 추정 기준값들과 매칭될 수 있는 복수 개(Nm)를 추출한다.

본 발명에 의하면 상기 d) 단계는, 상기 편향오차는 최소자승법(Least Square Method)을 이용하여 전차(residula, J) 제곱의 합이 최소가 되는 편향오차를 계산하고, 이 전차 제곱의 합이 최소가 되는 편향오차를 편향오차로 추정한다.

본 발명에 의하면 상기 e) 단계 후, f) 상기 추정된 편향오차가 전 단계의 추정 편향오차의 전차와 비교하여 현재 전차가 작을 경우 현재 편향오차를 최종 편향오차로 갱신하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 항법좌표계의 지자기 기준값을 이용하여 몸체좌표계의 지자기 추정값을 구하고, 이 지자기 추정 기준값 세트와 지자기 측정 기준값 세트를 비교하여 전차가 최소가 되는 편향 오차를 추정하고 이를 이용하여 지자기 센서의 오차를 보정할 수 있게 된다. 따라서 실내 측위와 방향 검지의 정확성이 향상되어 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 장치 방법의 흐름도,
도 2는 Nr개의 지자기 추정 기준값 세트를 생성하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 3은 Nm개의 지자기 측정값 세트를 생성하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

한편, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니나 휴대용 이동통신 단말기(예를 들어 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북, PDA 등)를 이용하여 실내 측위를 하는 기술에 적용되는 것이 바람직하다.

지자기 센서 오차 모델

지자기 센서 편향오차(Bias error)를 추정하기 위하여 지자기 측정 모델을 식으로 나타내면 아래 수학식 1과 같다. 여기서, 지자기 센서 오차요소 중 가장 큰 편향오차만 고려하고 다른 오차 예를 들면 Scale factor error, Soft-ion error 등은 고려하지 않기로 한다.

여기서,

: 지자기 센서에 의해 측정된 몸체좌표계(Body coordinates)에서의 x, y, z 성분의 지자기 측정값 벡터,

: 몸체좌표계(Body coordinates)에서의 실제(true) x, y, z 성분의 지자기 실제값 벡터,

: 지자기 센서에 의한 몸체좌표계(Body coordinates)에서의 x, y, z 성분의 지자기 편향오차 벡터,

: 몸체좌표계(Body coordinates)에서의 실제(true) x, y, z 성분의 지자기 편향오차 벡터이다.

기초 자료 수집

도 1을 참조하여 먼저, 가속도와 각속도를 이용하여 걸음을 검출하고 걸음 속도를 계산하고(S101), 현재위치를 추정하여(S102). 기초자료를 수집하게 된다. 이러한 기초자료 수집은 아래에 설명할 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는지 여부를 판단하기 위한 자료에 쓰이게 된다.

걸음 검출 및 속도 계산은 휴대용 이동통신 단말에 구비되는 가속도 센서(Accelerometer)와 각속도를 측정하는 각속도 센서(Gyrometer)를 이용하여 구할 수 있고, 현재위치의 추적은 와이파이나 이동통신망과 같은 무선통신신호를 측정하는 무선통신장치와 지자기 센서(magnetometer) 등을 이용하여 구할 수 있다.

지자기 센서 자동보정 조건 여부 판단

상기 수집된 기초자료를 이용하여 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는지 여부를 판단하게 된다(S103).

일 예로, 휴대용 이동통신 단말기(또는 이를 소지하는 사용자)가 일정 걸음(예를 들어 5걸음)동안 직선이동을 하는 경우 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 것으로 판단한다. 즉, 직선이동을 하지 않고 꺽어지거나 회전 이동을 하는 등의 경우는 지자기 센서 자동보정 조건에 해당하지 않게 된다.

다른 예로, 같은 층에서 이동하는 경우 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 것으로 판단한다. 즉, 계단이나 에스컬레이터 등을 이용하여 층을 이동하는 경우는 지자기 센서 자동보정 조건에 해당하지 않게 된다.

또 다른 예로, 걸음속도의 표준편차가 임계치 이하인 경우 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 것으로 판단한다. 즉, 걸음 속도가 빨라지거나 느려져서 속도편차 등이 큰 경우 중 연속적이지 않은 경우 지자기 센서 자동보정 조건에 해당하지 않게 된다.

이러한 조건은 적어도 하나 이상을 만족하거나 또는 모두 만족하는 경우 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 것으로 판단하여 다음 과정을 수행하게 된다.

지자기 추정 기준값 수집 및 추정 기준값 세트 생성

지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 경우, 지자기 센서의 측정에 의한 몸체좌표계(Body coordinates)의 지자기 측정값을 일정 주기로 수집한다(S104).

그리고, 데이터베이스로부터 현재위치를 기준으로 일정거리 간격으로 지자기 기준값을 복수 개 추출하고(S105), 이 추출된 항법좌표계(Navigation coordinates)의 추정 지자기 기준값을 몸체좌표계의 추정 지자기 기준값으로 좌표변환하게 된다(S106).

각 위치의 몸체좌표계(Body Coordinates)에서 실제(true) 지자기의 실제값(

)은 알 수 없다. 그러나 실내 측위를 위하여 사전에 측정된 항법좌표계(Navigation Coordinates)에서의 지자기 기준값으로 추정할 수 있다. 자세 계산 중의 과정에서 생성된 센서의 자세 즉, 롤(Roll, Φ), 피치(Pitch,θ), 요(Yaw, ψ)을 이용하여 죄표변화 행렬을 구할 수 있다.

여기서 항법좌표계는 북쪽을 X 축 방향, 동쪽을 Y 축 방향, 지구 중심방향을 Z축 방향으로 하는 좌표계이다. 그리고 몸체좌표계는 선세가 부착된 휴대용 단말기에 X, Y, Z 축이 고정된 좌표계로, 좌표축 방향은 기술적용 시 정의에 따른다. 지자기 센서의 오차를 보정하기 위하여는 같은 좌표계에서 비교하여야 하는데, 본 발명에서는 몸체좌표계에서 측정값과 기준값을 비교한다. 따라서 항법좌표계의 기준 값을

를 이용하여 몸체 좌표계로 변화하여 사용한다.

따라서 지자기 실제값(

)은 하기 수학식 2로 표현할 수 있다.

여기서,

: 몸체좌표계에서의 지자기 추정 기준값,

: 항법좌표계에서 몸체좌표계로의 좌표변환 행렬,

: 기존에 보정된 지자기 센서로 측정한 항법좌표계에서의 지자기 기준값이다.

한편, 편향오차를 추정하기 위하여 비교하는 데이터 세트(set)는 현재 위치의 불확실성 때문에 여러 개의 지자기 추정 기준값 세트를 만들어 측정값과 비교해야 편향오차 추정의 정확도가 높아지게 된다. 따라서 도 2 에 도시된 바와 같이, 데이터베이스로부터 현재위치 기준으로 비교 대상인 몸체좌표계의 지자기 추정 기준값을 Nr개 추출하여 Nr 개의 추정 기준값 세트를 만들게 된다(S107). 즉 측위한 현재위치를 기준으로 측위 오차범위 내에서 기준값을 추출하여 측정값과 비교하게 된다.

지자기 측정값 세트 생성

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 'S101' 단계에서 계산된 걸음 속도를 이용하여, 상기 'S104'에서 수집된 지자기 데이터에서 상기 생성된 지자기 추정 기준값 세트와 매칭될 수 있는 복수 개의 지자기 측정값을 Nm개 추출하여 Nm개의 측정값 세트를 만들게 된다(S108). 여기서 가속도계와 각속도계를 이용하여 계산된 평균 속도와 방향은 오차가 발생하게 되는데 이때 계산된 평균 속도를 오차범위 내에서 속도를 변이해 가면서, 기준값 세트들과 매칭이 가능한 측정값 세트를 만들게 된다.

지자기 센서 편향오차 추정 및 오차 보정

이렇게 생성된 지자기 기준값 세트와 지자기 측정값 세트를 비교하여 편향오차를 추정하고 전차를 계산한다(S109).

지자기 센서 편향오차는 측정값과 추정 기준값의 적어도 3개 이상의 데이터를 비교해 가면서 추정오차가 최소가 되는 편향오차를 계산하게 된다. 이 때 최소자승법(Least Square Method)을 활용하여 전차(residual, J) 제곱의 합이 최소가 되는 편향오차를 추정한다. 전차는 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

전차가 최소가 되는 행렬식으로 표현하면 상기 수학식 3은 하기 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식 4를 편향오차 벡터를 좌변으로 정리하면 하기 수학식 5와 같이 정리할 수 있으며, 수학식 5는 다시 수학식 6으로 정리할 수 있다.

이와 같이 지자기 추정 기준값 세트 Nr개와 지자기 측정값 세트 Nm 개를 모두 비교하여 전차(residual, J)가 최소가 되는 편향오차를 구하여 이를 편향오차로 추정한다.

이렇게 전차가 가장 적은 값을 가지는 편향오차를 추정 편향오차로 설정하고, 이를 이용하여 지자기 센서 오차를 보정하게 된다(S110).

그리고 전 단계에서 추정 편향오차의 전차 값과 비교하여 현재 전차 값이 작을 경우 현재 편향오차를 최종 편향오차로 갱신하게 된다(S111). 여기서 전 단계 추정 편향오차의 전차는 가장 최근에 편향오차를 계산할 계산된 전차를 의미한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims

a) 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
b) 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 경우, 몸체좌표계(Body Coordinates)의 지자기 추정 기준값을 일정 간격으로 복수 개(Nr개) 수집하여 추정 지자기 기준값 세트를 생성하는 단계;
c) 몸체좌표계(Body Coordinates)의 지자기 측정값을 일정 주기로 수집하여 상기 지자기 추정 기준값 세트와 매칭될 수 있는 복수 개(Nm)의 지자기 측정값 세트를 생성하는 단계;
d) 상기 지자기 추정 기준값 세트와 측정값 세트를 모두 비교하여 전차(residula, J)가 최소인 편향오차를 계산하여 이를 편향오차로 추정하는 단계; 및,
e) 상기 추정된 편향오차를 이용하여 지자기 센서 오차를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 a) 단계 전,
a1) 가속도와 각속도를 이용하여 걸음을 검출하고 걸음 속도를 계산하는 단계와, a2) 현재위치를 추정하는 단계를 포함하는 기초자료 수집단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 a) 단계는,
일정 걸음 동안 직선이동을 하는지 여부, 같은 층에서 이동하는지 여부, 걸음속도의 표준편차가 임계치 이하인지 여부 중 적어도 어느 하나 이상을 만족하는 경우 상기 지자기 센서 자동보정 조건을 만족하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 위한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 b) 단계에서,
상기 몸체좌표계의 지자기 추정 기준값은 데이터베이스에 저장된 기존의 보정된 지자기센서로 측정한 항법좌표계(Navigation Coordinates)에서의 지자기 기준값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 이용한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 b) 단계는,
b1) 몸체좌표계의 지자기 측정값을 일정 주기로 수집하는 단계;
b2) 상기 데이터베이스로부터 현재위치를 기준으로 항법좌표계의 지자기 기준값을 일정거리 간격으로 복수 개(Nr) 추출하는 단계;
b3) 상기 추출된 항법좌표계에서의 지자기 기준값을 몸체좌표계의 지자기 추정 기준값으로 좌표변환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 이용한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 c) 단계는,
상기 a1) 단계에서 계산된 걸음 속도를 이용하여, 상기 b1)단계에서 수집된 지자기 측정값들 중 상기 추출된 복수 개(Nr)의 지자기 추정 기준값들과 매칭될 수 있는 복수 개(Nm)를 추출하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 이용한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 d) 단계는,
상기 편향오차는 최소자승법(Least Square Method)을 이용하여 전차(residula, J) 제곱의 합이 최소가 되는 편향오차를 계산하고, 이 전차 제곱의 합이 최소가 되는 편향오차를 편향오차로 추정하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 이용한 지자기 센서 자동 보정 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 e) 단계 후,
f) 상기 추정된 편향오차가 전 단계의 추정 편향오차의 전차와 비교하여 현재 전차가 작을 경우 현재 편향오차를 최종 편향오차로 최종 갱신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 측위를 이용한 지자기 센서 자동 보정 방법.