KR20170111408A - 걸음수 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 걸음수 측정 장치 및 방법을 제시하고 있다.
본 발명에 따른 걸음수 측정 장치는 중력 방향 가속도값과 사용자가 보행시 발생하는 상기 가속도값의 변화량을 측정하는 가속도 센서, 상기 사용자의 위치를 파악하는데 사용되는 자이로 센서, 및 MCU를 포함하고, 상기 가속도 센서 및 자이로 센서로부터 얻은 값을 토대로 상기 사용자가 보행하는지 판별하고 상기 사용자의 걸음수를 측정하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명은 탭 인터럽트 알고리즘을 통해 주어진 임계값보다 큰 이벤트를 수신한 경우에만 전력 상태를 Wake-Up 상태로 천이하게 설계되어 Wake-Up 상태로의 천이 횟수와 동작 시간을 최적화하여 전력 소모를 최소화할 수 있다.
또한, 시스템의 전력 소모를 최소화하여 웨어러블 디바이스의 기대 배터리 수명의 연장이 가능하며, 물리적인 배터리 크기는 배터리 용량과 비례하므로 본 발명을 이용하면 물리적인 크기의 소형화가 가능한 웨어러블 장치의 개발이 가능하다.

Description

걸음수 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR STEP CALCULATION}

본 발명은 걸음수 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가속도 센서로 측정한 중력 방향 가속도의 변화값을 이용한 걸음수 측정 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 활동량계 혹은 디지털 만보계는 사람이 걷거나 뛰는 경우의 걸음수 측정을 위하여 30Hz에서 50Hz 주파수의 주기로 가속도 센서의 출력값을 읽어서 처리한다.

이러한 Polling 기반의 알고리즘을 이용한 걸음수 측정 기술의 경우, 모니터링 시스템은 매 20ms에서 33ms 주기로 시스템이 Sleep(비활성화) 상태에서 Wake-Up(활성화) 상태로 천이한 후 가속도 센서 데이터를 읽고 이를 처리하여 걸음수를 측정한다.

그러나 이런 전통적인 Polling 기반의 알고리즘을 이용한 걸음수 측정기술은 이벤트 기반의 알고리즘을 이용한 걸음수 측정기술보다 전력소모량이 크다.

종전의 Polling방식의 시스템은 Sleep s상태에서 평균 635 uA(P_s) 의 전력을 소비하고 가속도 센서를 읽는 동안에는 2.02 mA(P_a); 주파수 f로 설정된 Polling 기반의 걸음수 측정 알고리즘 수행 기간 동안 1.32 mA(P_p)을 소비 한다. 이를 수식으로 표현하면 아래의 수식과 같이 시스템 전력 소비를 계산할 수 있다.

이 수식을 이용하여 시스템 수준 전력 소모는 아래의 세 가지 상태를 기준으로 추정 가능하다.

-‘센서 상태’: 가속도 센서의 출력을 읽는 구간

-‘처리 상태’: 센서 데이터를 처리하여 걸음수 측정 구간

-‘Sleep 상태’: 저전력 상태로 천이된 구간

가장 간단한 전력 절감 방법은 수식에서의 f(Polling 주파수)를 낮추는 방법이다. 이 방법을 적용하면‘Sleep 상태’구간을 늘리고,‘처리 상태’구간을 줄이는 효과를 볼 수 있다. 그러나 이 방법의 문제점은 Polling 주파수를 20Hz 이하로 낮추는 경우에는 걸음수 측정 정확도가 떨어지는 것이다.

따라서 전력소모량을 줄이기 위한 방안으로 걸음걸이 이벤트를 기반으로 제작한 탭 인터럽트 알고리즘을 적용한 걸음수 측정 기술을 제공하고자 한다

본 발명에 따른 걸음수 측정 장치는,

중력 방향 가속도값 및 사용자가 보행시 발생하는 상기 중력 방향 가속도값의 변화량을 측정하는 가속도 센서;

상기 사용자의 위치를 파악하는데 사용되는 자이로 센서; 및

MCU를 포함하고, 상기 가속도 센서 및 자이로 센서로부터 얻은 값을 토대로 상기 사용자가 보행하는지 판별하고 상기 사용자의 걸음수를 측정하는 제어부; 를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어부는,

상기 가속도 센서가 측정한 중력 방향 가속도 값의 평균값을 설정하며, 상기 평균값을 중력 축으로 하여 탭 인터럽트 알고리즘을 활성화하고 상기 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 초기 설정 모듈;

탭 인터럽트가 발생하면 상기 MCU를 Wake-up 상태로 천이시키고, 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 인터럽트에 의한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 기 지정된 값 이상인 경우 상기 사용자가 보행한 것으로 판단하고 상기 기 지정된 값 이하인 경우 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단하는 걸음 판별 모듈;

상기 걸음 판별 모듈에서 상기 사용자가 보행한 것으로 판단되는 경우 상기 사용자의 보행 수를 누적한 후 상기 MCU를 Sleep 상태로 천이시키고, 상기 걸음 판별 모듈에서 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단되는 경우 MCU를 Sleep 상태로 천이시키는 걸음수 측정 모듈;

을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 초기 설정 모듈이 설정하는 중력 방향 가속도 값의 평균값은 1초 동안 상기 가속도 센서가 측정하는 중력 방향 가속도의 평균값인 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기 지정된 값은 0.4g 이상 0.8g 이하 인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 걸음수 측정 방법은,

a)가속도 센서가 측정한 중력 방향 가속도 값의 평균값을 측정하는 단계;

b)제어부가 상기 측정된 중력 방향 가속도 평균값을 중력 축으로 하여 탭 인터럽트 알고리즘을 활성화하고 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 단계;

c)탭 인터럽트가 발생하면 상기 제어부가 MCU를 Wake-up 상태로 천이시키고 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 인터럽트에 의한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 상기 변화량이 기 지정된 값 이상인 경우 상기 사용자가 보행한 것으로 판단하는 단계;

d)상기 사용자가 보행한 것으로 판단되는 경우 상기 제어부가 상기 사용자의 보행 수를 누적하고 MCU를 sleep 상태로 천이시키는 단계;를 포함할 수 있다.

또는, 상기 b)단계 이후,

c-1)탭 인터럽트가 발생하면 상기 제어부가 MCU를 Wake-up 상태로 천이시키고 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 인터럽트에 의한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 상기 변화량이 기 지정된 값 이하인 경우 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단하는 단계;

d-1)상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단되는 경우 상기 제어부가 MCU를 sleep 상태로 천이시키는 단계;를 포함할 수 있다.

탭 인터럽트 알고리즘을 적용하여 기 설정된 임계값보다 큰 값을 수신한 경우에만 전력 상태를 Wake-Up 상태로 천이하게 설계되어 Wake-Up 상태로의 천이 횟수와 동작 시간을 축소 및 최적화하여 전력 소모를 최소화할 수 있다.

또한, 시스템의 전력 소모를 최소화하여 웨어러블 디바이스의 기대 배터리 수명의 연장이 가능하며, 물리적인 배터리 크기는 배터리 용량과 비례하므로 본 발명을 이용하면 물리적인 크기의 소형화가 가능한 웨어러블 장치의 개발이 가능하다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 걸음수 측정 장치 의 세부적인 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 걸음수 측정 방법의 과정을 나타낸 순서도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

본 발명의 실시 예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다.

또한 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본 발명 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 걸음수 측정 장치 의 세부적인 구성을 나타낸 도로서, 이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 걸음수 측정 장치를 설명한다.

본 발명에 따른 걸음수 측정 장치(100)는 중력 방향 가속도값과 사용자가 보행시 발생하는 중력 방향 가속도값의 변화량을 측정하는 가속도 센서(10);

상기 사용자의 위치를 파악하는데 사용되는 자이로 센서(20); 및

MCU를 포함하고, 상기 가속도 센서 및 자이로 센서로부터 얻은 값을 토대로 상기 사용자가 보행하는지 판별하고 상기 사용자의 걸음수를 측정하는 제어부(30);를 포함할 수 있다. 걸음수와 보행수는 같은 의미로 쓰일 수 있다.

상기 가속도 센서(10)는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기 및 상기 값들의 변화량을 측정하는 센서로서 상기 가속도 센서(10)는 3축(X축, Y축, Z축)을 갖는 가속도 센서일 수 있다.

상기 자이로 센서(20)는 처음에 설정한 일정 방향을 유지하는 성질을 이용하여 물체의 방위 변화를 측정하는 센서로서 3축(X축, Y축, Y축)을 갖는 자이로 센서일 수 있다.

상기 제어부(30)는. 상기 가속도 센서가 측정한 중력 가속도 값의 평균값을 설정하며, 상기 평균값을 축으로 하여 탭 인터럽트 알고리즘을 활성화하고 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 초기 설정 모듈(31);

탭 인터럽트가 발생하면 MCU를 Wake-up(활성화) 상태로 천이시키고 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 언터럽트에 의해 발생한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 기 지정된 값 이상인 경우 상기 사용자가 보행한 것인지 아닌지 판단하는 걸음 판별 모듈(32);

상기 걸음 판별부에서 상기 사용자가 보행한 것으로 판단되는 경우 상기 사용자의 걸음 수를 누적하고 MCU를 Sleep(비활성화)상태로 천이시키며, 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단되는 경우 MCU를 곧바로 Sleep상태로 천이시키는 걸음수 측정 모듈(33);을 포함할 수 있다.

초기 설정 모듈(31)은 초기에 중력 방향을 판별하기 위하여 3축 중력 방향 가속도 값을 기 설정한 시간동안 평균을 내어 평균값을 구한다. 예를 들면 상기 3축 중력 방향 가속도 값을 1초간 평균을 내어 평균값을 구한다.

상기 평균값을 중력 축으로 판별하고 이 축에 중력 탭 인터럽트(Tap interrupt)알고리즘을 활성화한다.

그 후 걸음수 측정장치의 MCU는 탭 인터럽트가 발생하기 전까지 전력 소모를 최소화하기 위해 Sleep 상태로 천이된 상태로 있게 된다.

상기 탭 인터럽트 알고리즘은 탭 인터럽트가 발생하여 상기 중력 축에 대한 중력 방향 가속도값이 변화하면 변화량을 측정해 상기 변화량이 일정값 이하이면 보행으로 판단하지 않고 일정값 이상이면 보행으로 판단하도록 설계된 알고리즘을 말하며 탭 인터럽트란 상기 중력 방향 가속도값에 변화가 생기는 것을 말한다.

상기 MCU는 본 발명에 따른 걸음수 측정 장치를 제어하기 위한 프로세서 즉 micro controller unit으로 제어부에 위치할 수 있다.

상기 일정값은 임계값으로 명명될 수 있다.

예로써 사람의 걷는 활동에 의한 상기 중력 방향 가속도 변화량이 약 0.4g~0.8g이므로 중력 축의 가속도 값을 예로ㅆㅓ 5회 연속 측정하여 이 값이 임계값인 0.42g 이상인 경우 이 탭을 걸음걸이로 판별할 수 있다. 즉 상기 임계값은 0.4g 이상 0.8g 이하로 설정할 수 있다.

여기서 전술한 g는 중력에 의하여 물체에 가해지는 가속도의 크기를 나타내는 단위이다.

탭 인터럽트가 발생하면 걸음 판별 모듈(32)은 사용자의 보행에 의하여 탭 인터럽트가 발생하였는지 여부를 전술한 탭 인터럽트 알고리즘을 통해 판단한다.

상기 걸음 판별 모듈(32)이 상기 사용자의 보행으로 판단하면, 걸음수 측정모듈(33)은 상기 사용자의 보행 수 즉 걸음수를 누적한 후 다시 걸음수 측정장치의 MCU를 Sleep 상태로 천이시킨다.

상기 측정된 걸음수는 본 발명에 따른 걸음수 측정장치와 연결되도록 마련된 LCD를 통해 표시될 수 있다.

이하부터는, 본 발명에 따른 걸음수 측정장치를 일 실시예로써 펌웨어로 구현하는 경우를 설명한다.

첫번째 동작은 시스템 구동에 필요한 주변기기를 초기화하는 부분이다. GPIO, LCD, RTC, UART, I2C 등의 내부 컨트롤러를 초기단계로 설정하고, I2C 버스의 초기화는 전력 소모를 고려하여 100kHz의 저속 인터페이스 모드로 설정할 수 있다.

그리고 가속도 센서(ADXL345)의 샘플링 주파수(200Hz), 전원 모드(자동 Sleep), 탭 인터럽트를 위한 임계값(0.42g), 인터럽트 출력 포트 등을 설정한 후 1초간의 가속도 센서의 출력값 평균을 이용하여 현재 중력 방향에 해당하는 축을 찾아내어 이 축의 탭 인터럽트 알고리즘을 활성화 할 수 있다.

다음으로는 자이로 센서(ITG3200)의 전원 모드, 샘플링 주파수 및 각속도 범위(8kHz, +/-200°/초), 인터럽트 모드 등의 설정 후 센서 보정 과정을 거쳐 초기화 단계를 마무리할 수 있다.

이렇게 초기단계설정을 마치면, 펌웨어 메인 루틴은 MCU는 Sleep(LPM0: Low Power Mode 0)상태로 천이되어 최소 전력만을 소비하며 탭 인터럽트를 기다리는 상태가 될 수 있다..

이후 사람의 걸음에 의한 탭 인터럽트가 발생하게 되면 MCU는 Wake-Up 상태로 천이되어 가장 먼저 센서 처리 루틴을 수행할 수 있다.

이 루틴에서 Sleep 상태인 자이로 센서를 활성화하는데 최소 3ms 이상(PLL-Phase Locked Loop 안정화)의 시간이 필요하므로 제일 먼저 자이로 센서를 활성화시키고, 중력 축의 가속도 값을 5회 연속 측정하여 이 값이 0.42g 이상인 경우 이 탭을 걸음걸이로 판별하여 걸음수 측정값을 증가시킨 후 가속도 센서 측정값 및 자이로 센서 측정값을 읽어 저장할 수 있다.

그런 후 자이로 센서를 Sleep 상태로 천이 시킨 후 센서 처리 루틴을 종료할 수 있다.

센서 처리 루틴 수행 후 펌웨어 메인 루틴에서 현재까지 측정된 걸음수 와 탭 인터럽트 발생 임계값을 LCD에 디스플레이 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 걸음수 측정 방법의 과정을 나타낸 순서도이다.

본 발명에 따른 걸음수 측정 방법은 초기 설정 단계(s10), MCI를 Sleep상태로 천이시키는 단계(s20), 탭인터럽트가 발생하면 MCU를 Wake-up상태로 천이시키고 사용자의 보행에 의해 상기 탭 인터럽트가 발생한것인지 판별하는 걸음 판별 단게(s30)를 포함할 수 있다.

상기 초기 설정 단계(s10)는 가속도 센서가 측정한 중력 가속도 값의 평균값을 설정하고, 상기 평균값을 중력 축으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 걸음 판별 단계(s30)에서 걸음으로 즉 사용자의 보행으로 상기 탭 인터럽트가 발생한 것으로 판단되면 상기 보행자의 걸음수 즉 보행수를 측정 및 저장하는 단계(s40)를 거치고 다시 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 단계(s50)를 진행한다.

상기 걸음 판별 단계(s30)에서 걸음으로 즉 사용자의 보행에 의해 상기 탭 인터럽트가 발생한 것이 아니라고 판단되면 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 단계(s41)로 돌아간다.

상기 걸음 판별 단계(s30)에서 탭 인터럽트가 상기 사용자의 보행으로 인해 일어난 것인지 판단하는 기준은 전술한 바와 같이 상기 중력 방향 가속도의 평균값이 변할 때 그 변화값이 예로써 기 설정된 임계값 0.42g 이상인지를 판별하여 0.42g 이상이면 보행으로, 0.42g 미만이면 보행이 아닌 것으로 판단할 수 있다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였다. 그러나 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.

Claims (6)

1. 중력 방향 가속도값 및 사용자가 보행시 발생하는 상기 중력 방향 가속도값의 변화량을 측정하는 가속도 센서;
   상기 사용자의 위치를 파악하는데 사용되는 자이로 센서; 및
   MCU를 포함하고, 상기 가속도 센서 및 자이로 센서로부터 얻은 값을 토대로 상기 사용자가 보행하는지 판별하고 상기 사용자의 걸음수를 측정하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 걸음수 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 가속도 센서가 측정한 중력 방향 가속도 값의 평균값을 설정하며, 상기 평균값을 중력 축으로 하여 탭 인터럽트 알고리즘을 활성화하고 상기 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 초기 설정 모듈;
   탭 인터럽트가 발생하면 상기 MCU를 Wake-up 상태로 천이시키고, 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 인터럽트에 의한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 기 지정된 값 이상인 경우 상기 사용자가 보행한 것으로 판단하고 상기 기 지정된 값 이하인 경우 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단하는 걸음 판별 모듈;
   상기 걸음 판별 모듈에서 상기 사용자가 보행한 것으로 판단되는 경우 상기 사용자의 보행 수를 누적한 후 상기 MCU를 Sleep 상태로 천이시키고, 상기 걸음 판별 모듈에서 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단되는 경우 MCU를 Sleep 상태로 천이시키는 걸음수 측정 모듈;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 걸음수 측정장치
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 초기 설정 모듈이 설정하는 중력 방향 가속도 값의 평균값은 1초 동안 상기 가속도 센서가 측정하는 중력 방향 가속도의 평균값인 것을 특징으로 하는 걸음수 측정장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 기 지정된 값은 0.4g 이상 0.8g 이하 인 것을 특징으로 하는 걸음수 측정장치.
   
5. a)가속도 센서가 측정한 중력 방향 가속도 값의 평균값을 측정하는 단계;
   b)제어부가 상기 측정된 중력 방향 가속도 평균값을 중력 축으로 하여 탭 인터럽트 알고리즘을 활성화하고 MCU를 Sleep상태로 천이시키는 단계;
   c)탭 인터럽트가 발생하면 상기 제어부가 MCU를 Wake-up 상태로 천이시키고 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 인터럽트에 의한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 상기 변화량이 기 지정된 값 이상인 경우 상기 사용자가 보행한 것으로 판단하는 단계;
   d)상기 사용자가 보행한 것으로 판단되는 경우 상기 제어부가 상기 사용자의 보행 수를 누적하고 MCU를 sleep 상태로 천이시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 걸음수 측정 방법
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 b)단계 이후,
   c-1)탭 인터럽트가 발생하면 상기 제어부가 MCU를 Wake-up 상태로 천이시키고 상기 가속도 센서를 통해 상기 탭 인터럽트에 의한 상기 중력 방향 가속도 값의 변화량을 측정하여 상기 변화량이 기 지정된 값 이하인 경우 상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단하는 단계;
   d-1)상기 사용자가 보행하지 않은 것으로 판단되는 경우 상기 제어부가 MCU를 sleep 상태로 천이시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 걸음수 측정 방법

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