专利名称：计步处理系统及方法
计步处理系统及方法
技术领域：
本发明有关于一种个人计步处理技术，特别是关于一种结合有三轴加速传感器的
计步处理技术。背景技术：
由于现代社会工业化的忙碌以及人们对于适当运动的日渐重视，使得各项运动器 材应运而生。而在运动的同时，运动者为了要准确掌握运动量及了解运动者本身的身体状 况，故亦有各种不同型态的人体信号感应器被研发出来。 在各类型运动信号感应器中，计步器由于配戴方便、操作简单、可测量步行或跑步 的步数，故目前已被广泛地使用。在不同的计步器产品设计中，有设计成可贴附结合在使用 者鞋子上、配挂于使用者腰际、腕表型等不同产品型态。 以腕表型计步器为例，其配戴于使用者手腕处，该腕表型计步器中采用机械式钟
摆传感器，故使用者的手臂自然摆动时，可由该计步器感测出其摆动的状况，而达到计步的
功能。然而，当使用者的手臂固定在预定位置(例如，耳朵处)而没有摆动手臂，例如，使用
者在行走的同时使用移动电话与某人通讯，由于其配戴有计步器的手臂没有摆动，计步器
无法感测出其摆动状况，而不能对行走步数进行测量，进而影响计步器计步的精确性。 因此，如何提出一种新的计步处理技术，以克服上述现有技术的种种缺失，实已成
为目前业界亟待克服的课题。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的一目的在于提供一种计步处理系统及方法， 以便在人体行走过程中感测人体行走时产生的加速度信号，并以此作为计算人体行走步数 的依据。 为达上述及其它目的，本发明提供一种计步处理系统，包括加速度感测单元，用 以感测当前时间间隔内人体于行走过程中因人体上下振荡而产生的加速度信号Gi(x， y， z);测量单元，用以测量出该加速度信号Gi(x， y， z)与地心引力向量G0之间的夹角；运算 单元，用以依据该加速度信号Gi (x， y， z)与地心引力向量G0之间的夹角，对该加速度信号 Gi(x，y，z)进行地心引力向量的方向的投影运算，以运算出该加速度信号Gi(x，y，z)于垂 直方向的分量，并予以输出；分析单元，用以分析该运算单元输出的当前时间间隔内的对加 速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量的波形特征是否为连续的波峰与波谷；以及计步 单元，用以依据该分析单元的分析结果为该运算单元输出的当前时间间隔内的加速度信号 Gi(x，y，z)于垂直方向的分量的波形特征为连续的波峰与波谷时对人体行走的步数进行累 加作业。 该运算单元还计算前一时间间隔内该加速度信号Gi (x， y， z)于垂直方向的分量 的平均值、最大值、以及最小值，并依据所运算得的平均值、最大值、以及最小值运算出当前 时间间隔内该加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的分量波形的波峰参数与波谷参数，并以
4运算出的波峰参数与波谷参数更新当前时间间隔内的波峰参数与波谷参数，以及更新当前 该加速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量最大值、以及最小值。 该分析单元对当前预定时间内的加速度信号Gi (x， y， z)于垂直方向的波形分为 若干个波段进行检测，以确定一个振幅足够大的正弦波形。 该计步处理系统还包括显示单元，该显示单元用以对该计步单元的累计结果进行 显示。 该加速度感测单元为三轴加速度传感器。 本发明亦提供一种计步处理方法，包括于当前时间间隔内感测人体于行走过程 中因人体上下振荡而产生的加速度信号Gi(x，y，z);测量该加速度信号Gi(x，y，z)与地心 引力向量GO之间的夹角；依据该加速度信号Gi(x，y，z)与地心引力向量GO的方向之间的 夹角，对该加速度信号Gi(x， y， z)进行地心引力方向的投影运算，以运算出该加速度信号 Gi(x，y，z)于垂直方向的分量；依据前一时间间隔内加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的 分量运算出前一时间间隔内加速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量的平均值、最大值、 以及最小值；依据前一时间间隔内该加速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量的平均值、 最大值、以及最小值运算当前时间间隔内加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的分量的波峰 参数与波谷参数；更新当前时间间隔内的加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的分量的波峰 参数、波谷参数、最大值、以及最小值；分析当前时间间隔内加速度信号Gi(x， y， z)于垂直 方向的分量的波形特征是否为连续的波峰与波谷；以及当分析结果为当前时间间隔内的加 速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量的波形特征为连续的波峰与波谷时对人体行走的 步数进行累加作业。 于分析当前时间间隔内加速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量的波形特征的 步骤中，对当前预定时间内的加速度信号Gi (x， y， z)于垂直方向的波形分为若干个波段进 行检测，以确定一个振幅足够大的正弦波形。 该计步处理方法还包括将人体步行的步数的累加结果进行显示的步骤。 相较于现有技术，本发明的计步处理系统及方法，主要透过对人体行走过程中因
人体上下振荡而产生的加速度信号进行感测，并将所感测到的加速度信号对地心引力方向
作投影运算，以取得人体行走时于垂直方向所产生的加速度信号的分量的波形，并对该加
速度信号于垂直方向的分量的波形特征是否为连续的波峰与波谷进行分析，且以分析结果
作为时否进行步数累加的依据。由于本案采用分析人体行走过程中因人体上下振荡而产生
的加速度信号于垂直方向的分量的波形特征，作为计步的依据，方可精确计步，避免现有腕
表型中采用机械式钟摆传感器，需使用者的手臂自然摆动，方可由该计步器感测出其摆动
的状况，而达到计步的功能所引起的缺失。
图1显示本发明的计步处理系统的基本架构方块示意图；以及
图2显示本发明的计步处理方法的流程图。
具体实施方式
如图l所示者，显示本发明的计步处理系统l的基本架构方块示意图，本发明的计步处理系统1可配备于人体例如腰间、手持、所穿着衣物上或所携带的包袋内等。如图所 示，计步处理系统1包括加速度感测单元11、测量单元12、运算单元13、分析单元14、以及 计步单元15。以下即对本发明的计步处理系统1进行详细说明。 加速度感测单元11例如为三轴加速度传感器，用以感测当前时间间隔Tl内人体 于行走过程中因人体上下振动而产生的加速度信号Gi(x， y， z)，并将所感测到的加速度信 号Gi(x，y，z)予以输出。 测量单元12用以测量该加速度信号Gi(x， y， z)与地心引力向量GO之间的夹角 a，并将其测量结果输出。 运算单元13依据加速度感测单元ll输出的加速度信号Gi(x，y，z)以及测量单元 12输出的加速度信号Gi(x，y，z)与地心引力向量GO之间的夹角a ，对该加速度信号Gi (x， y，z)进行地心引力向量的方向的投影运算，以运算出该加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向 的分量Gz，并予以输出。 需特别说明的是，由于本发明的计步处理系统1配戴于人体的情况不同，使得运 算单元13输出的加速度信号Gi (x， y， z)于垂直方向的分量Gz的波形的振幅会产生相当大 的差异，加以移动过程中可能遇到的噪声和余波干扰，需动态调整相关判断波峰与波谷的 参数。 为此，本案的运算单元13还计算上一时间间隔T0 (T0 = Tl)内加速度信号Gi (x， y，z)于垂直方向的分量Gz的平均值(Gavg)、最大值(Gpeak)、以及最小值(Gvally)。
之后，运算单元13依据所运算得的平均值(Gavg)、最大值(Gpeak)、以及最小值 (Gvally)运算出当前时间间隔T1内该加速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量Gz波形 的波峰参数Up_bound与波谷参数Low—bound，具体运算等式如下式(1)、 (2)所示
Up—bo皿d = (Gpeak-Gavg)/4+Gavg (1)
Low—bound = (Gvally_Gavg)/10+Gavg (2) 并以运算出的波峰参数与波谷参数作为当前时间间隔内的波峰参数与波谷参数， 从而达成动态调整波峰与波谷的参数，以及以上一时间间隔T0内加速度信号Gi(x，y，z)于 垂直方向的分量Gz的最大值、以及最小值分别作为当前该加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方 向的分量最大值、以及最小值。 此处需特别说明的是，当通过上述等式(1) 、 (2)运算所得的波峰参数Upj30皿d与 波谷参数Low_bound太高或太低，则以Gavg+/-0. 08来代替等式(1) 、 (2)中的Gavg。
分析单元14分析该运算单元13输出的当前时间间隔T1内的加速度信号Gi(x，y， z)于垂直方向的分量Gz的波形特征是否为连续的波峰与波谷。于本发明中，分析单元14 对输入其中的波形为若干个波段进行检测以确定该输入的波形是否为一完整的正弦波形。 其中，输入波形需依序通过从state = 0开始至state = 4共5次检测。State = 0为波形 判断的起始状态，当波形上升超过上述等式(1)计算所得的Up—bo皿d的大小，进入state =l，表示波形已符合正弦波Sin上升阶段的振幅要求；波形反转为下降，进入state = 2， 表示波形已过波峰，进入正弦波Sin下降阶段；当波形下降超过上述等式(2)计算所得的 Low—bo皿d的大小，进入state = 3，表示波形已符合正弦波Sin下降阶段的振幅要求；当波 形反转为上升，进入state = 4，表示波形已过波谷，进入正弦波Sin波升最后上升阶段，当 波形上升超过上述Gavg时，即可判断输入分析单元13的波形为一完整的正弦波形。此时分析单元14促使计步单元15的计步数加1。 此外，本发明的计步处理系统l还包括显示单元(未图标)以显示计步单元15的 计步数。 透过本发明的计步处理系统1执行本发明的计步处理方法的流程如图2所示。该 计步处理方法包括以下实施步骤，于步骤S21中，感测当前时间间隔T1内人体于行走过程 中因人体上下振荡而产生的加速度信号Gi(x， y， z)，并将所感测到的加速度信号Gi(x， y， z)予以输出。接着进至步骤S22。 于步骤S22中，测量该加速度信号Gi(x，y，z)与地心引力向量G0之间的夹角a ， 并将其测量结果输出。接着进至步骤S23。 于步骤S23中，依据该加速度信号Gi(x，y，z)与地心引力向量G0的方向之间的夹 角a ，对该加速度信号Gi(x， y， z)进行地心引力方向的投影运算，以运算出该加速度信号 Gi(x，y，z)于垂直方向的分量Gz。接着进至步骤S24。 于步骤S24中，计算上一时间间隔T0(T0 = Tl)内加速度信号Gi (x， y， z)于垂直 方向的分量Gz的平均值(Gavg)、最大值(Gpeak)、以及最小值(Gvally)。接着，进至步骤 S25。 于步骤S25中，依据步骤S24运算所得的平均值(Gavg)、最大值(Gpeak)、以及最 小值(Gvally)运算出当前时间间隔T1内该加速度信号Gi(x， y， z)于垂直方向的分量Gz 波形的波峰参数Up_boimd与波谷参数Low—bound,具体运算等式如上所述等式(1) 、 (2)所 示。接着进至步骤S26。 于步骤S26中，动态调整当前时间间隔的波峰参数与波谷参数、当前该加速度信 号Gi(x，y，z)于垂直方向的分量最大值、以及最小值。即以步骤S25运算所得的波峰参数 Up_bound与波谷参数LOW_bound作为当前时间间隔的波峰参数与波谷参数，以步骤S24运 算所得的时间间隔TO内加速度信号Gi (x， y， z)于垂直方向的分量Gz的最大值、以及最小 值分别作为当前该加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的分量最大值、以及最小值。接着进 至步骤S27。 于步骤S27中，分析当前时间间隔T1内的加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的分 量Gz的波形特征，接着进至步骤S28。 于步骤S28中，判断当前时间间隔T1内的加速度信号Gi(x，y，z)于垂直方向的分 量Gz的波形特征是否为连续的波峰与波谷，若是，则进至步骤S29，若否，则返回该步骤S21 以感测下一时间间隔T2(T2 = Tl = TO)内于行走过程中因人体上下振荡而产生的加速度 信号Gi(x，y，z)。 须提出说明的是，于步骤27中，对当前时间间隔T1内的加速度信号Gi(x， y， z) 于垂直方向的分量Gz的波形为若干个波段进行检测以确定该输入的波形是否为一完整的 正弦波形。其中，输入波形需依序通过从state = 0开始至state = 4共5次检测。State =0为波形判断的起始状态，当波形上升超过上述等式(1)计算所得的Up_b0imd的大小， 进入state = l，表示波形已符合正弦波Sin上升阶段的振幅要求；波形反转为下降，进入 state = 2，表示波形已过波峰，进入正弦波Sin下降阶段；当波形下降超过上述等式(2)计 算所得的Low—bo皿d的大小，进入state = 3，表示波形已符合正弦波Sin下降阶段的振幅 要求；当波形反转为上升，进入state = 4，表示波形已过波谷，进入正弦波Sin波升最后上升阶段，当波形上升超过上述Gavg时，即可判断当前时间间隔Tl内的加速度信号Gi (x，y， z)于垂直方向的分量Gz的波形为一完整的正弦波形。
于步骤S29中，人体行走的步数加1 。 此外，于步骤S29之后还包括将人体步行的步数的累加结果进行显示的步骤。
相较于现有技术，本发明的计步处理系统及方法，主要透过对人体行走过程中因 人体上下振荡而产生的加速度信号进行感测，并将所感测到的加速度信号对地心引力方向 作投影运算，以取得人体行走时于垂直方向所产生的加速度信号的分量的波形，并对该加 速度信号于垂直方向的分量的波形特征是否为连续的波峰与波谷进行分析，且以分析结果 作为时否进行步数累加的依据。由于本发明采用分析人体行走过程中因人体上下振荡而产 生的加速度信号于垂直方向的分量的波形特征，作为计步的依据，俾可精确计步，避免现有 腕表型中采用机械式钟摆传感器，需使用者的手臂自然摆动，方可由该计步器感测出其摆 动的状况，而达到计步的功能所引起的缺失。 再者，本发明的计步处理系统及方法可整合于具有导航技术的电子设备，预先于 该电子设备中设定步伐距离，因此，该电子装置通过本发明的计步处理系统及方法识别出 断步后，再通过已知的步代距离以及导航技术确定该步伐的移动方向，且将每步之间的相 对位移累计起来，就可得到一条步行的行走轨迹。因此，通过本发明的计步处理系统及方法 更可提供一种个人步行轨迹描绘技术。
权利要求
一种计步处理系统，其特征在于包括加速度感测单元，用以感测当前时间间隔内人体于行走过程中因人体上下振荡而产生的加速度信号；测量单元，用以测量出该加速度信号与地心引力向量之间的夹角；运算单元，用以依据该加速度信号与地心引力向量之间的夹角，对该加速度信号进行地心引力向量的方向的投影运算，以运算出该加速度信号于垂直方向的分量，并予以输出；分析单元，用以分析该运算单元输出的当前时间间隔内的加速度信号于垂直方向的分量的波形特征；以及计步单元，用以依据该分析单元的分析结果对人体行走的步数进行累加作业。
2. 根据权利要求1所述的计步处理系统，其特征在于该运算单元还计算前一时间间 隔内该加速度信号于垂直方向的分量的平均值、最大值、以及最小值，并依据所运算得的平 均值、最大值、以及最小值运算出当前时间间隔内该加速度信号于垂直方向的分量波形的 波峰参数与波谷参数，并以运算出的波峰参数与波谷参数更新当前时间间隔内的波峰参数 与波谷参数，以及更新当前该加速度信号于垂直方向的分量最大值、以及最小值。
3. 根据权利要求1所述的计步处理系统，其特征在于该分析单元对当前预定时间内 的加速度信号于垂直方向的波形分为若干个波段进行检测，以确定一个振幅足够大的正弦 波形。
4. 根据权利要求l所述的计步处理系统，其特征在于还包括一显示单元，该显示单元 用以显示该计步单元的累计结果。
5. 根据权利要求1所述的计步处理系统，其特征在于该加速度感测单元为三轴加速 度传感器。
6. 根据权利要求1所述的计步处理系统，其特征在于其整合于具有导航技术的电子 设备中，预先于该电子设备中设定步伐距离，以在该计步单元进行累加作业后，通过已知的 步代距离以及该导航技术确定该步伐的移动方向，以将每步之间的相对位移累计起来，而 得到一条行走轨迹。
7. —种计步处理方法，其特征在于包括以下步骤于当前时间间隔内感测人体于行走过程中因人体上下振荡而产生的加速度信号； 测量出该加速度信号与地心引力向量之间的夹角；依据该加速度信号与地心引力向量的方向之间的夹角，对该加速度信号进行地心引力 方向的投影运算，以运算出该加速度信号于垂直方向的分量；依据前一时间间隔内加速度信号于垂直方向的分量运算出前一时间间隔内加速度信 号于垂直方向的分量的平均值、最大值、以及最小值；依据前一时间间隔内该加速度信号于垂直方向的分量的平均值、最大值、以及最小值 运算当前时间间隔内加速度信号于垂直方向的分量的波峰参数与波谷参数；更新当前时间间隔内的加速度信号于垂直方向的分量的波峰参数、波谷参数、最大值、 以及最小值；分析当前时间间隔内加速度信号于垂直方向的分量的波形特征；以及 依据分析结果对人体行走的步数进行累加作业。
8. 根据权利要求7所述的计步处理方法，其特征在于分析当前时间间隔内加速度信 号于垂直方向的分量的波形特征的步骤中，对当前预定时间内的加速度信号于垂直方向的 波形分为若干个波段进行检测，以确定一个振幅足够大的正弦波形。
9. 根据权利要求7所述的计步处理方法，其特征在于还包括将人体步行的步数的累 加结果进行显示的步骤。
10. 根据权利要求7所述的计步处理方法，其特征在于其应用于具有导航技术的电子 设备中，预先于该电子设备中设定步伐距离，以在依据分析结果对人体行走的步数进行累 加作业后，通过已知的步代距离以及该导航技术确定该步伐的移动方向，以将每步之间的 相对位移累计起来，而得到一条行走轨迹。
全文摘要
一种计步处理系统及方法，该计步处理系统包括加速度感测单元、判别单元、运算单元、分析单元、以及计步单元，用以对人体行走过程中因人体上下振荡而产生的加速度信号进行感测，并将所感测到的加速度信号对地心引力方向作投影运算，以取得人体行走时于垂直方向所产生的加速度信号的分量的波形，并对该加速度信号于垂直方向的分量的波形特征是否为连续的波峰与波谷进行分析，且以分析结果作为是否进行步数累加的依据，从而达成人体行走步数精确计算的目的。
文档编号G01C22/00GK101750096SQ200810219479
公开日2010年6月23日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者刘啸烈, 叶承溱, 陈鸿祥 申请人:佛山市顺德区顺达电脑厂有限公司