基于自相关运算的计步方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及消费类应用电子技术领域，尤其涉及一种能够对使用者步数进行计数 的计步方法。
【背景技术】
[0002] 随着可穿戴式电子设备的快速发展，计步器得到了广泛应用，计步器是一种日常 锻炼进度监控器，可以计算人们行走的步数、估计人们行走的距离、计算运动所消耗的卡路 里，方便人们随时监控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。
[0003] 计步器的所使用的传感器有多种类型，例如中国专利文献《使用磁传感器的计步 器及测量方法》（CN101086450A)公布了一种使用磁传感器的计步器及测量方法。该方法 在一只脚上附加一个条形磁铁，在另一只脚上安装接收装置，通过检测磁通量的水平分量 是否过零来计步。该方法存在使用不方便，受磁场影响大的缺点。目前绝大部分计步器是 基于微电子系统MEMS的三轴加速度传感器来采集使用者运动过程中的三轴数据，通过分 析三轴加速度数据来进行计步的。例如中国专利文献《计步器》（CN102297701A)、《一种在 Android手机上实现计步器的方法》（CN104567912A)以及《一种基于3轴加速计的计步方 法和计步器》（CN103712632A)分别公布了一种利用阈值检测的计步算法。
[0004] 《计步器》（CN102297701A)通过设定多种峰值阈值和时间阈值来判定检测到的峰 值是否可以表示有一个有效步。
[0005] 《一种在Android手机上实现计步器的方法》（CN104567912A)设定一个波峰的阈 值以及波峰的方差阈值和窗口时间，计算一个时间窗口内的峰值的方差是否在方差阈值以 内，然后检测该峰值与前一峰值的时间间隔是否在时间窗口内并且满足波峰阈值条件来判 断是否可以将该波峰作为一个有效步。
[0006] 《一种基于3轴加速计的计步方法和计步器》（CN103712632A)首先计算出三轴加 速度数据的模值，再计算预设窗口内加速度模值的最大值和最小值的差值，并根据所述差 值大小设置当前时间窗口范围。依次判断加速度模值是否存在连续的至少三个模值呈依次 减小趋势，若是，则第一个加速度模值与上一个步伐起始时刻是否落入所述当前时间窗口 范围内，若是，则判断为一个有效步。
[0007] 上述三个发明专利都是用时间阈值和峰值阈值来判断当前处理的峰值是否为一 个有效步，但是都存在以下问题：
[0008] 1、使用时计步器放置的位置不同，使用者运动的幅度不同以及使用者的两条腿的 运动情况不对称，导致不同使用者所产生的加速度峰值有很大的不同，所以很难设定有效 的峰值阈值来对出现的峰值是否代表一个有效步来进行判别，导致计步不准确。
[0009] 2、在实际的使用中，由于使用者的运动情况非常复杂并且设备并不一定紧随人体 一同运动，导致测得的三轴加速度数据存在非常多的噪声，甚至在一次步伐中出现好几个 峰谷，如图2所示，由于这些峰值分布较分散，其低频成分与计步需要的低频成分重叠，无 法通过滤波手段有效去除，所以必然会导致计步的错误。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是要克服现有技术中存在的上述问题。本发明提出了一种基于自相 关运算的计步方法，该方法通过对采样数据的自相关运算，在包含大量噪声的信号中将周 期信号的周期特征凸显出来，再通过计数自相关函数的峰值数检测出有效步数，有效的提 高了计步的准确性。
[0011] 本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于自相关运算的计步方法，包 括以下步骤：
[0012] 步骤1，将整个计步过程分成相同大小的时间段，每一个时间段的时间窗口的长度 为T，采用计步器的三轴加速度传感器采集每个时间窗口内的三轴加速度数据，每一个时间 窗口内的采样点数为N个，初始化当前计步总数为0,所述三轴加速度传感器的采样频率为 f ;
[0013] 步骤2,选取一个时间窗口作为当前时间窗口，通过计步器的三轴加速度传感器采 集当前时间窗口内的N个三轴加速度数据，并计算出该N个三轴加速度数据模值，将该N个 三轴加速度数据模值进行存储；
[0014] 步骤3,先用步骤2同样的方法采集当前时间窗口的下一个时间窗口内的N个三 轴加速度数据并计算出N个三轴加速度数据模值，然后从中取出前L个三轴加速度数据模 值放到步骤2当前时间窗口内获得的N个三轴加速度数据模值后面得到N+L个合并后的数 据，并将合并后的数据记为采样数据x(n)，其中，n为采样序号，n= 1，2, 3. . .N+L，N为每一 个时间窗口内的采样点数，L为从当前时间窗口的下一个时间窗口中取出的三轴加速度数 据模值的个数；
[0015] 步骤4,通过滑动平均滤波方法对采样数据x(n)进行滤波，其表达式为：
[0016]
[0017] 其中，K为滑动滤波长度系数；
[0018] 步骤5,对滤波后的采样数据x(n)进行自相关运算，自相关函数Rx(m)的表达式 为：
[0019]
[0020] 其中，m为自相关函数的自变量，取值范围为0彡m彡N-1 ;
[0021] 步骤6,检测自相关函数Rx(m)的波峰数，将波峰数作为当前时间窗口内检测出的 步数，并将该步数与当前计步总数相加作为新的当前计步总数；
[0022] 步骤7,将当前时间窗口的下一个时间窗口作为新的当前时间窗口；
[0023] 步骤8,重复步骤2到步骤7,直到运动结束，停止采样，此时的当前计步总数即为 整个运动过程的计步总数。
[0024] 优选的，所述时间窗口的长度T为3-30秒钟，采样频率f为10-40赫兹。
[0025] 优选的，所述从当前时间窗口的下一个时间窗口内取出的三轴加速度数据模值的 个数L=Cf，其中C为系数，其值为0. 6-2。
[0026] 优选的，所述滑动滤波长度系数K的取值为1-5。
[0027] 与【背景技术】相比，本发明具有以下优点：
[0028] 1、不需要对峰值阈值和时间阈值进行设定，所以避免了由于峰值阈值和时间阈值 设置不合理导致的计数误差。
[0029] 2、通过自相关运算，信号中的高频噪声以及低频噪声被完全剔除，信号中的周期 成分完完全全显现出来。
[0030] 3、计算后的自相关函数接近正弦波形。如图3所示，所以只需要简单的计数波峰 数即可得到步数，极大的简化