보행자 모니터링을 위한 IMU 기반 보행 거리 측정 시스템 구현

Abstract

보행의 정량적 분석은 하지 재활이나 하지 관련 운동 분석에 있어 필수적인 요소이다. 그 중, 보행 거리에 대한 분석은 걸음걸이에 대한 운동량 분석이나 개인의 위치를 추정하는 방법 중 하나로 이용된다. 보행 거리에 쓰이는 시스템은 여러 가지 방법이 연구 및 개발되었다. 첫 번째는 광학식 움직임 분석 시스템으로써, 하지에 적외선을 반사시키는 마커(Marker)를 부착하여 적외선 감지 카메라로 마커의 위치를 파악하는 시스템이다. 이는 카메라의 프레임별로 위치 변화를 감지하여 비교적 정확하다는 장점이 있지만, 카메라 설치 범위라는 공간적 제한과, 카메라 및 마커 설치에 있어 전문가의 손이 필요하다는 단점이 존재한다. 두 번째는 GPS (Global Positioning System)으로써, 위성 단말기와 위성 간 통신으로 위치를 추정할 수 있는 시스템이다. 이는 휴대가 가능한 저렴한 단말기로, 위성 통신을 통한 비교적 정확한 보행 거리를 측정가능하다는 장점을 갖고 있다. 하지만 위성 단말기와 위성 간 통신은 실내에서 불가능하기 때문에 실내 위치 및 보행 거리 측정이 불가능하다는 단점이 있다. 각 시스템의 이러한 공간적 제한으로 인해 보행 거리 측정 및 위치 추정에 있어 보완책이 필요하다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 자체적으로 제작한 관성측정 시스템의 가속도 및 각속도 신호를 이용하여 보행거리를 측정했다. 먼저, 관성센서가 가지고 있는 오프셋 오차 및 이득 오차를 제거하기 위하여 Pan, Roll, Tilt의 총 9 축 자유도로 회전하는 지그를 제작하고, 이를 이용해 캘리브레이션을 수행했다. 또한, 정확한 거리 측정을 위해, 각속도 신호의 계산을 통한 센서의 회전값을 구하고, 이를 통해 가속도계에서 측정하는 중력성분을 제거했다. 다음으로, 보행의 패턴 분석을 통해 보행을 두 가지로 분류함으로써 센서 자체의 드리프트 성분을 제거했다. 마지막으로, 보정된 가속도 값을 이중 적분하여 보행거리를 계산했다. 시스템의 정확도 확인을 위해, 직선 10m 보행에 대한 캘리브레이션 전, 후 오차 개선 비율을 비교했으며, 간단한 보행에 대해 정확하다고 평가되는 적외선 카메라 방식의 Vicon과의 비교 실험을 수행했다. 그 결과, 직선 보행은 각 축(x, y, z)에 대해 평균 31.4±14.38% (mean±S.D.), 78.64±10.84% 및 69.71±26.25% 로 정확도가 개선되었음을 확인했으며, Vicon과의 보행 정확도 비교 결과 각 축에 대하여 0.10 m, 0.16 m, 0.12 m의 정확도 오차를 얻어 신뢰할 만한 정확도를 가졌음을 확인했다. 마지막으로, 실내 위치 추정 평가를 위하여 3D 플롯팅 시스템을 이용하여 x축 평가에선 10m 직선 보행을 수행했으며, z축 및 회전 보행 평가를 위하여 계단 오르기 실험을 수행했다. 실험 결과, 캘리브레이션 후, 전보다 보행 거리 측정에 있어 정확도가 각각의 축에서 명확하게 증가함을 보였다. 또한, 구현한 보행 거리 측정 시스템과 Vicon과의 비교 실험을 통한 모듈 정확도 검증 평가 실험에서는 보행거리 측정 결과 본 연구가 신뢰할만한 정확도를 가졌음이 확인되었고, 이에 따라 Vicon같은 광학식 움직임 분석 시스템의 단점인 공간 제한을 보완하여 3차원 공간에 자유롭게 행동할 수 있음을 확인했다. 따라서 본 연구의 보행 거리 분석 시스템을 통해 하지 재활 환자의 보행 거리를 정확히 분석하고 이를 이용해 환자의 운동량 분석, 재활 회복률 분석에 이바지 할 것으로 사료된다.