보행자의 회전 특성에 기반한 추측항법 시스템의 개선방안 연구

국문 초록 (Abstract)

스마트폰과 같은 휴대용 단말기를 사용하여 실내 환경에서도 사용자의 위치를 안정적으로 판별하기 위한 위치판별 솔루션이 계속해서 연구되고 있다. 특히 S-H 기반의 PDRS는 주변 환경의 변화에 영향을 거의 받지 않으며, 성능이 낮은 MEMS IMU의 측정값을 가지고도 높은 정확성으로 보행자의 위치를 판별해 낼 수 있다는 장점으로 인해 오늘날 대표적인 실내 위치판별 솔루션으로써 주목받고 있다. 그러나 S-H기반 PDRS에서는 위치판별이 진행되는 동안 휴대용 단말기를 특정 위치에 고정시킨 상태에서 진행해야 한다는 문제점이 있으며, 이로 인해 위치판별 기법을 이용하는 동안에는 단말기를 조작할 수 없으므로 사용성을 저해하는 원인으로 작용한다. 본 연구에서는 단말기의 배치 상태를 고려하지 않고, 단말기의 측정값으로부터 판별된 중력가속도와 보행자의 회전축 성분 사이의 관계만을 활용하여 단말기의 배치 상태로부터 독립적인 진행방향 판별기법을 제안하였다. 실험 결과를 통해 보행자의 회전 동작이 발생한 경우 회전방향을 좌회전 또는 우회전
으로 정확하게 판별할 수 있을 뿐 아니라, 보행자의 회전각도를 3.53˚ 이내의 오차범위 내로 판별하는 데 실험에서 제안한 기법을 사용할 수 있음을 나타내었다. 이와 더불어, 실내·외 환경에서 위치판별을 진행하기 위해 연구에서 제안한 진행방향 판별기법을 적용한 S-H PDRS를 설계하고 구축하는 과정 또한 나타내었으며, 보행자의 위치판별 실험에 해당 시스템을 적용한 결과 83.5%와 89.2%의 정확성을 각각 확보함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Today, a number of studies are being conducted on positioning techniques to reliably determine the location of a pedstrian in indoor environments using portable devices, such as smartphones. In particular, S-H-based PDRS is a representative indoor positioning solution due to the advantage of rare affection by changes in surrounding environment and being able to determine locations with high accuracy even with measurements from low-performance MEMS IMU. Still a problem exists with S-H-based PDRS, however, that requires the tracking device to be held in certain position during pedestrian tracking which makes it impossible to use while using the tracking system, thus hindering usability of system. This study proposes a method of determining user’s heading direction independent of the placement of tracking device by utilizing only the
relationship between gravitational acceleration determined from IMU measurements and the pedestrian's axis of rotation. Experimental results indicate that the direction of rotation can be accurately determined by left or right turns if a pedestrian's rotation behavior occurs, as well as the proposed technique can be used to determine the pedestrian's rotation angle within an error range of 3.53˚. Also the process of designing and constructing S-H PDRS using the technique proposed by the study to conduct positioning in indoor and outdoor environments was shown, and the application of the system to positioning experiments confirmed 83.5% and 89.2% accuracy, respectively.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 배경지식 3
• 2.1 GNSS 3
• 2.2 INS 4
• 2.2.1 삼각측량법 4
• 2.2.2 Fingerprinting 5
• 2.2.3 PDRS 6
• Ⅲ. Step-and-Heading 기반의 위치판별 설계 11
• 3.1 걸음 및 보폭판별기법 설계 11
• 3.1.1 걸음발생여부 판별 11
• 3.1.2 보폭 판별 14
• 3.2 단말기 소지상태 개선을 위한 진행방향 판별기법 16
• 3.2.1 오일러 각을 통한 좌표축 변환기법 17
• 3.2.2 보행자의 회전 동작 특성 20
• 3.2.3 각속도 측정값을 통한 보행자의 회전축 추정 22
• 3.2.4 보행 중 중력가속도 성분 포착 24
• 3.3 고도변화 판별기법 설계 26
• 3.3.1 고도변화 판별을 위한 기압 센서 사용 27
• 3.3.2 보행자의 고도변화 특성을 활용한 시설물 판별 28
• Ⅳ. 실험 및 결과 29
• 4.1 데이터 수집 29
• 4.2 IMU 데이터를 활용한 걸음 및 보폭판별 30
• 4.2.1 데이터 관찰 및 가공 30
• 4.2.2 가속도 에너지 성분을 활용한 걸음판별 33
• 4.2.3 가속도 에너지 성분을 활용한 보폭판별 39
• 4.3 보행자의 진행방향 판별 41
• 4.3.1 각속도 측정값을 통한 보행자의 회전축 판별 41
• 4.3.2 중력가속도 성분 및 보행자의 진행방향 판별 45
• 4.3.3 보행자의 회전각도 판별 51
• 4.4 기압 데이터를 활용한 고도변화 판별 58
• 4.4.1 고도 데이터 관찰 및 가공 58
• 4.4.2 고도변화 시설물의 유형 및 위치판별 60
• 4.5 판별시스템 종합평가 63
• 4.5.1 실내 위치판별 실험결과 63
• 4.5.2 실외 위치판별 실험결과 69
• Ⅴ. 결론 76
• 참고문헌 78
• 국문초록 84
• Abstract 86