一種基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法
【專利摘要】一種基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，采用單個(gè)加速度傳感器并將其固定在行人腰后側(cè)，用此加速度計(jì)測(cè)量行人天向加速度，根據(jù)人體重心在豎直方向的周期性起伏變化特征，通過(guò)識(shí)別此加速度計(jì)輸出信號(hào)的波峰和波谷數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體行走步數(shù)的檢測(cè)。為有效解決振動(dòng)等因素導(dǎo)致步數(shù)檢測(cè)率下降問(wèn)題，提出一種雙窗口步數(shù)檢測(cè)法，并根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提出窗口長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)整準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)行人在不同行走速度下對(duì)步數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)。本發(fā)明簡(jiǎn)單有效，易實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)抵抗振動(dòng)等干擾具有一定的魯棒性。
【專利說(shuō)明】
一種基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，可有效抵抗振動(dòng)等因素引起的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體行進(jìn)步數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，屬于行人導(dǎo)航領(lǐng)域，可用于提高行人導(dǎo)航中行人定位精度。

【背景技術(shù)】
[0002]基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器的行人導(dǎo)航是近年來(lái)慣性【技術(shù)領(lǐng)域】?jī)?nèi)一門新興技術(shù)，通常在室內(nèi)、山川、峽谷、隧道等GPS信號(hào)無(wú)效情況下，應(yīng)用于消防、救災(zāi)、盲人引導(dǎo)、大型建筑物內(nèi)人員調(diào)度等場(chǎng)合。在有無(wú)線電場(chǎng)合中，應(yīng)用無(wú)線電對(duì)行人定位已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。而在無(wú)法獲取無(wú)線電信號(hào)時(shí)，通常依靠運(yùn)動(dòng)傳感器并結(jié)合慣性技術(shù)、人體動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)行人自主定位，而微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器是常用的運(yùn)動(dòng)傳感器。由于微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器存在較大器件誤差以及行人行走動(dòng)作的復(fù)雜性，使得基于微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器的行人自主定位有一定的難度。由于將微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器放置在腰間進(jìn)行行人定位具有使用方便的特點(diǎn)，使得腰式行人定位成為研究熱點(diǎn)。
[0003]針對(duì)腰式行人定位如何準(zhǔn)確檢測(cè)步數(shù)問(wèn)題，現(xiàn)有大部分研究是利用行人行走時(shí)重心上下起伏變化特征來(lái)檢測(cè)步數(shù)，即通過(guò)天向加速度計(jì)輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)步數(shù)。但是行走過(guò)程中腳著地和其他擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生各種振動(dòng)，從而導(dǎo)致天向加速度計(jì)引入各種干擾信號(hào)，使得檢測(cè)步數(shù)的準(zhǔn)確率下降。針對(duì)腰式行人定位中，如何抵抗行人行走時(shí)振動(dòng)的干擾以提高步數(shù)檢測(cè)率，這是行人導(dǎo)航領(lǐng)域中的一個(gè)難點(diǎn)和也是急需解決的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的:為有效解決振動(dòng)等干擾因素導(dǎo)致行人導(dǎo)航中步數(shù)檢測(cè)率下降問(wèn)題，在研究運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體重心起伏變化規(guī)律基礎(chǔ)上提出一種雙窗口步數(shù)檢測(cè)法，并根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提出窗口長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)整準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)行人在不同行走速度下對(duì)步數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體重心起伏變化規(guī)律，找出可表征行走步數(shù)的特征量。進(jìn)一步分析此特征量在實(shí)際中運(yùn)動(dòng)中受到的擾動(dòng)因素，提出一種基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，此方法特征在于:弓I入兩個(gè)用于提取行人天向加速度峰值的一維數(shù)組(簡(jiǎn)稱窗口)，窗口長(zhǎng)度L就是數(shù)組長(zhǎng)度，也就是所包含的采樣點(diǎn)數(shù)，兩個(gè)窗口首尾只重疊一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)；通過(guò)雙窗口來(lái)識(shí)別行人行走時(shí)天向加速度的波峰數(shù)，并通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整窗口長(zhǎng)度，可有效抵抗行走時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)行人步數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)。
[0006]利用所述的基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0007](I)將單軸加速度計(jì)固定在人體腰后側(cè)并用于測(cè)量行人天向加速度；
[0008](2)初始化時(shí)設(shè)定步態(tài)周期(行走一步的時(shí)間)T (I) = 0.2秒，加速度計(jì)信號(hào)最大波峰數(shù)NI = 0，加速度計(jì)信號(hào)最小波谷數(shù)N2 = O,行進(jìn)步數(shù)N = O;
[0009](3)利用步態(tài)周期T(N)和系統(tǒng)采樣頻率fs自適應(yīng)調(diào)整兩窗口的長(zhǎng)度L(N)；
[0010](4)兩窗口分別求取各窗口內(nèi)所含加速度計(jì)輸出信號(hào)的最大峰值，判斷兩窗口最大峰值是否是同一時(shí)序下對(duì)應(yīng)的同一個(gè)數(shù)，是，則NI = N1+1，否則NI不變，并記錄出現(xiàn)最大峰值的時(shí)序j,并存儲(chǔ)于maxpeak_time(Nl)；
[0011](5)兩窗口分別求取各窗口內(nèi)所含加速度計(jì)輸出信號(hào)的最小峰值,判斷兩窗口最小峰值是否是同一時(shí)序下對(duì)應(yīng)的同一個(gè)數(shù)，是，則N2 = N2+1，否則N2不變，并記錄出現(xiàn)最小峰值的時(shí)序j,并存儲(chǔ)于minpeak_time(N2)；
[0012](6)當(dāng)N1=N2且N1>0時(shí)，步數(shù)N = N+1，并計(jì)算步態(tài)周期T(N)，否則N和T(N)不變，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)。
[0013]本發(fā)明的原理:文中行走一步是指單腳往前邁一步，az表示行人行走時(shí)的天向加速度。在不考慮振動(dòng)等干擾條件下，行人行走步態(tài)與相應(yīng)天向加速度az對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)附圖1。
[0014]當(dāng)人體兩足跨幅最大時(shí)，此時(shí)人體重心在最低位直，az達(dá)到最小波谷值；人再繼續(xù)向前邁步時(shí)，人體重心位置開(kāi)始往上移動(dòng)，該時(shí)間內(nèi)az單調(diào)增加；當(dāng)人體在直立狀態(tài)時(shí)，此時(shí)雙腿幾乎處于豎直狀態(tài)，重心達(dá)到最高位置，az達(dá)到最大波峰值；接著人體重心在隨著步伐從最高位置到達(dá)最低位置，完成向前行走一步的動(dòng)作，形成一個(gè)變化周期。
[0015]通過(guò)重心在豎直方向起伏變化規(guī)律可知，行走一步內(nèi)行人重心在最高位置時(shí)，az信號(hào)總是相應(yīng)出現(xiàn)一次波峰，見(jiàn)附圖2中紅色圓形標(biāo)記。不考慮振動(dòng)等干擾時(shí)行人行走一步，az相應(yīng)出現(xiàn)一次最大波峰。因此az出現(xiàn)波峰次數(shù)Num_crest與步數(shù)Num_step滿足以下關(guān)系式:
[0016]Num_crest = Num_step(I)
[0017]如果沒(méi)有振動(dòng)等影響時(shí)，通過(guò)檢測(cè)az波峰出現(xiàn)次數(shù)Num_Crest就可以計(jì)算行人行走的步數(shù)。從附圖1還可以看出，az波谷數(shù)也等于步數(shù)，并且行人行走一步中，總有一個(gè)az波峰與az波谷出現(xiàn)，應(yīng)用此特征可以認(rèn)為，當(dāng)az波峰與波谷相繼出現(xiàn)時(shí)才認(rèn)為行走一步，這樣可以提高步數(shù)檢測(cè)率。但是在實(shí)際行走過(guò)程中總是存在各種干擾信號(hào)，其中著地時(shí)的振動(dòng)對(duì)加速度計(jì)信號(hào)輸出影響最大，這些干擾信號(hào)使得每步中az出現(xiàn)虛假峰值，，見(jiàn)附圖2中綠色圓形標(biāo)記。這些虛假峰值使得利用az信號(hào)檢測(cè)步數(shù)準(zhǔn)確率下降，如何有效抵抗振動(dòng)干擾并提高步數(shù)檢測(cè)率，針對(duì)該振動(dòng)擾動(dòng)問(wèn)題，提出一種自適應(yīng)雙窗口步數(shù)檢測(cè)法。
[0018]引用兩個(gè)自適應(yīng)重疊窗口來(lái)檢測(cè)每一步中天向加速度az出現(xiàn)的峰值，包括最大波峰值與最小波谷值。檢測(cè)基本原理:窗口是指用于提取az峰值的一維數(shù)組；窗口長(zhǎng)度L就是數(shù)組長(zhǎng)度，也就是所包含的采樣點(diǎn)數(shù)；兩個(gè)窗口首尾只重疊一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，如果兩窗口的最大波峰值是同一個(gè)時(shí)序下的同一個(gè)數(shù)，則認(rèn)為兩窗口唯一的最大值是此步內(nèi)az的最大波峰值，同理可以求出az的最小波谷值。附圖2是雙窗口檢測(cè)加速度計(jì)輸出信號(hào)az峰值原理示意圖。
[0019]但窗口長(zhǎng)度L過(guò)長(zhǎng)會(huì)使所檢測(cè)步數(shù)偏少，同理窗口過(guò)短會(huì)使步數(shù)偏大，達(dá)不到準(zhǔn)確計(jì)算步數(shù)的效果。為了能自適應(yīng)檢測(cè)不同人以不同速度行走的步數(shù)和az的最大峰值與最小峰值。進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)窗口長(zhǎng)度與行人步行速度有關(guān)，可以根據(jù)行人步行速度不一樣而自適應(yīng)調(diào)整窗口長(zhǎng)度。為便于簡(jiǎn)單化，本文用步態(tài)周期T(行走一步的時(shí)間)表征步行速度。經(jīng)分析可得出窗口長(zhǎng)度L與步態(tài)周期T的關(guān)系式如下:
[0020]L = T*fs(2)
[0021]其中fs是系統(tǒng)采樣頻率，式(2)對(duì)不同人以不同速度行走時(shí)都比較適用，通過(guò)行走速度的不同來(lái)自適應(yīng)調(diào)整兩重疊窗口的長(zhǎng)度L。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，采集不同行人以不同速度行走的真實(shí)數(shù)，發(fā)現(xiàn)行人在剛開(kāi)始起步階段的步頻(單位時(shí)間內(nèi)的步數(shù))一般不超過(guò)5步每秒，對(duì)不同行人在不同起步速度下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:
[0022]L = 0.2*fs(3)
[0023]因彳丁人在剛起步時(shí)步彳丁速度小，步頻在5步每秒以內(nèi)，之后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步變化，所以可用公式(3)對(duì)設(shè)定初始窗口長(zhǎng)度，行走過(guò)程中再用公式(I)來(lái)自適應(yīng)調(diào)整窗口長(zhǎng)度。
[0024]利用此方法檢測(cè)每步中az最大波峰值與最小波谷值及二者對(duì)應(yīng)的時(shí)序j (出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn))。通過(guò)最大波峰值與最小波谷值出現(xiàn)的時(shí)序即可求出行人步態(tài)周期T，進(jìn)而用步態(tài)周期T調(diào)整窗口長(zhǎng)度L，實(shí)現(xiàn)基于單軸加速度計(jì)自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0026](I)引用雙窗口來(lái)識(shí)別特征信號(hào)，有效抵抗振動(dòng)等干擾，以達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)步數(shù)。
[0027](2)根據(jù)行人行走速度的不同而自適應(yīng)改變窗口長(zhǎng)度，進(jìn)而自適應(yīng)檢測(cè)步數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為步態(tài)與加速度計(jì)輸出信號(hào)az關(guān)系示意圖；
[0029]圖2為雙窗口檢測(cè)加速度計(jì)輸出信號(hào)az峰值原理示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的基于單軸加速度計(jì)自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)流程圖。

【具體實(shí)施方式】
:
[0031]圖3為本發(fā)明的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)流程圖，主要分為以下幾個(gè)步驟:
[0032](I)將單軸加速度計(jì)固定在人體腰后側(cè)，保證加速度計(jì)與人體固定為一體，不會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并用于朝測(cè)量行人天向加速度方向放置；
[0033](2)系統(tǒng)初始化時(shí)設(shè)定步態(tài)周期(行走一步的時(shí)間)T (I) = 0.2秒，加速度計(jì)信號(hào)最大波峰數(shù)NI = 0，加速度計(jì)信號(hào)最小波谷數(shù)N2 = O,行進(jìn)步數(shù)N = O ;并用公式(I)求取行人起步時(shí)的雙窗口長(zhǎng)度L(I)；
[0034](3)行走過(guò)程中，利用步態(tài)周期T(N)和系統(tǒng)采樣頻率fs根據(jù)公式L = T*fs自適應(yīng)調(diào)整兩窗口的長(zhǎng)度L (N)；
[0035](4)兩窗口分別求取各窗口內(nèi)所含加速度計(jì)輸出信號(hào)的最大峰值，判斷兩窗口最大峰值是否是同一時(shí)序下對(duì)應(yīng)的同一個(gè)數(shù)，是，則NI = N1+1，否則NI不變，并記錄出現(xiàn)最大峰值的時(shí)序j,并存儲(chǔ)于maxpeak_time(Nl)；
[0036](5)兩窗口分別求取各窗口內(nèi)所含加速度計(jì)輸出信號(hào)的最小峰值,判斷兩窗口最小峰值是否是同一時(shí)序下對(duì)應(yīng)的同一個(gè)數(shù)，是，則N2 = N2+1，否則N2不變，并記錄出現(xiàn)最小峰值的時(shí)序j,并存儲(chǔ)于minpeak_time(N2)；
[0037](6)當(dāng)NI = N2且NDO時(shí)，步數(shù)N = N+1,并用步態(tài)周期計(jì)算公式:T(N+1)=0.5* (maxpeak_time (NI)_maxpeak_time(Nl-1)+minpeak_time(N2)_minpeak_time (N2-l))*(l/fs)求取步態(tài)周期T(N+1)，否則N和T(N)不變，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)。
[0038] 本說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將單軸加速度計(jì)固定在人體腰后側(cè)并用于測(cè)量行人天向加速度； (2)初始化時(shí)設(shè)定步態(tài)周期(行走一步的時(shí)間)T(I) =0.2秒，加速度計(jì)信號(hào)最大波峰數(shù)NI = 0，加速度計(jì)信號(hào)最小波谷數(shù)N2 = O,行進(jìn)步數(shù)N = O; (3)利用步態(tài)周期T(N)和系統(tǒng)采樣頻率fs自適應(yīng)調(diào)整兩窗口的長(zhǎng)度L(N)； (4)兩窗口分別求取各窗口內(nèi)所含加速度計(jì)輸出信號(hào)的最大峰值，判斷兩窗口最大峰值是否是同一時(shí)序下對(duì)應(yīng)的同一個(gè)數(shù)，是，則N1=N1+1，否，則NI不變，并記錄出現(xiàn)最大峰值的時(shí)序j,并存儲(chǔ)于maxpeak_time(Nl)； (5)兩窗口分別求取各窗口內(nèi)所含加速度計(jì)輸出信號(hào)的最小峰值，判斷兩窗口最小峰值是否是同一時(shí)序下對(duì)應(yīng)的同一個(gè)數(shù)，是，則N2 = N2+1，否則N2不變，并記錄出現(xiàn)最小峰值的時(shí)序j,并存儲(chǔ)于minpeak_time(N2)； (6)當(dāng)NI= N2且N1>0時(shí)，步數(shù)N = N+1，并計(jì)算步態(tài)周期T (N)，否則N和T(N)不變，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:所述步驟(I)中要求加速度計(jì)放置在人體腰后側(cè)，并用加速度計(jì)測(cè)量行人天向加速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:初始時(shí)，取步態(tài)周期T(I) = 0.2秒；步數(shù)檢測(cè)過(guò)程中，行人步態(tài)周期T(N)取加速度波峰和波谷信號(hào)二者周期平均值；并且用步態(tài)周期T(N)調(diào)整窗口長(zhǎng)度L (N)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)行人行走速度的不同而自適應(yīng)改變窗口長(zhǎng)度，從而進(jìn)行自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單軸加速度計(jì)的自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，其特征在于:用單軸加速度計(jì)輸出信號(hào)的周期性波峰波谷數(shù)來(lái)表征行走步數(shù)，通過(guò)雙窗口來(lái)識(shí)別波峰、波谷信號(hào)，有效抵抗振動(dòng)等干擾，以達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)步數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01C22/00GK104457781SQ201410806143
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】張延順, 熊云強(qiáng), 李明 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)