一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法
【专利摘要】一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，采用单个加速度传感器并将其固定在行人腰后侧，用此加速度计测量行人天向加速度，根据人体重心在竖直方向的周期性起伏变化特征，通过识别此加速度计输出信号的波峰和波谷数即可实现对人体行走步数的检测。为有效解决振动等因素导致步数检测率下降问题，提出一种双窗口步数检测法，并根据人体运动状态提出窗口长度自适应调整准则，实现行人在不同行走速度下对步数的准确检测。本发明简单有效，易实现，并且对抵抗振动等干扰具有一定的鲁棒性。
【专利说明】
一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，可有效抵抗振动等因素引起的干扰，实现对人体行进步数的准确计数，属于行人导航领域，可用于提高行人导航中行人定位精度。
【背景技术】
[0002]基于微机电系统(MEMS)惯性传感器的行人导航是近年来惯性【技术领域】内一门新兴技术，通常在室内、山川、峡谷、隧道等GPS信号无效情况下，应用于消防、救灾、盲人引导、大型建筑物内人员调度等场合。在有无线电场合中，应用无线电对行人定位已经比较成熟，并得到了广泛应用。而在无法获取无线电信号时，通常依靠运动传感器并结合惯性技术、人体动力学来实现行人自主定位，而微机电系统惯性传感器是常用的运动传感器。由于微机电系统惯性传感器存在较大器件误差以及行人行走动作的复杂性，使得基于微机电系统惯性传感器的行人自主定位有一定的难度。由于将微机电系统惯性传感器放置在腰间进行行人定位具有使用方便的特点，使得腰式行人定位成为研究热点。
[0003]针对腰式行人定位如何准确检测步数问题，现有大部分研究是利用行人行走时重心上下起伏变化特征来检测步数，即通过天向加速度计输出信号来检测步数。但是行走过程中脚着地和其他扰动会产生各种振动，从而导致天向加速度计引入各种干扰信号，使得检测步数的准确率下降。针对腰式行人定位中，如何抵抗行人行走时振动的干扰以提高步数检测率，这是行人导航领域中的一个难点和也是急需解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的:为有效解决振动等干扰因素导致行人导航中步数检测率下降问题，在研究运动状态下人体重心起伏变化规律基础上提出一种双窗口步数检测法，并根据人体运动状态提出窗口长度自适应调整准则，实现行人在不同行走速度下对步数的准确检测。
[0005]本发明的技术解决方案是:通过分析运动状态下人体重心起伏变化规律，找出可表征行走步数的特征量。进一步分析此特征量在实际中运动中受到的扰动因素，提出一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，此方法特征在于:弓I入两个用于提取行人天向加速度峰值的一维数组(简称窗口)，窗口长度L就是数组长度，也就是所包含的采样点数，两个窗口首尾只重叠一个采样点数；通过双窗口来识别行人行走时天向加速度的波峰数，并通过人体运动状态自适应调整窗口长度，可有效抵抗行走时振动产生的干扰信号，实现行人步数的准确检测。
[0006]利用所述的基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，包括以下步骤:
[0007](I)将单轴加速度计固定在人体腰后侧并用于测量行人天向加速度；
[0008](2)初始化时设定步态周期(行走一步的时间)T (I) = 0.2秒，加速度计信号最大波峰数NI = 0，加速度计信号最小波谷数N2 = O,行进步数N = O;
[0009](3)利用步态周期T(N)和系统采样频率fs自适应调整两窗口的长度L(N)；
[0010](4)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最大峰值，判断两窗口最大峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是，则NI = N1+1，否则NI不变，并记录出现最大峰值的时序j,并存储于maxpeak_time(Nl)；
[0011](5)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最小峰值,判断两窗口最小峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是，则N2 = N2+1，否则N2不变，并记录出现最小峰值的时序j,并存储于minpeak_time(N2)；
[0012](6)当N1=N2且N1>0时，步数N = N+1，并计算步态周期T(N)，否则N和T(N)不变，从而实现自适应步数检测。
[0013]本发明的原理:文中行走一步是指单脚往前迈一步，az表示行人行走时的天向加速度。在不考虑振动等干扰条件下，行人行走步态与相应天向加速度az对应关系见附图1。
[0014]当人体两足跨幅最大时，此时人体重心在最低位直，az达到最小波谷值；人再继续向前迈步时，人体重心位置开始往上移动，该时间内az单调增加；当人体在直立状态时，此时双腿几乎处于竖直状态，重心达到最高位置，az达到最大波峰值；接着人体重心在随着步伐从最高位置到达最低位置，完成向前行走一步的动作，形成一个变化周期。
[0015]通过重心在竖直方向起伏变化规律可知，行走一步内行人重心在最高位置时，az信号总是相应出现一次波峰，见附图2中红色圆形标记。不考虑振动等干扰时行人行走一步，az相应出现一次最大波峰。因此az出现波峰次数Num_crest与步数Num_step满足以下关系式:
[0016]Num_crest = Num_step(I)
[0017]如果没有振动等影响时，通过检测az波峰出现次数Num_Crest就可以计算行人行走的步数。从附图1还可以看出，az波谷数也等于步数，并且行人行走一步中，总有一个az波峰与az波谷出现，应用此特征可以认为，当az波峰与波谷相继出现时才认为行走一步，这样可以提高步数检测率。但是在实际行走过程中总是存在各种干扰信号，其中着地时的振动对加速度计信号输出影响最大，这些干扰信号使得每步中az出现虚假峰值，，见附图2中绿色圆形标记。这些虚假峰值使得利用az信号检测步数准确率下降，如何有效抵抗振动干扰并提高步数检测率，针对该振动扰动问题，提出一种自适应双窗口步数检测法。
[0018]引用两个自适应重叠窗口来检测每一步中天向加速度az出现的峰值，包括最大波峰值与最小波谷值。检测基本原理:窗口是指用于提取az峰值的一维数组；窗口长度L就是数组长度，也就是所包含的采样点数；两个窗口首尾只重叠一个采样点数，如果两窗口的最大波峰值是同一个时序下的同一个数，则认为两窗口唯一的最大值是此步内az的最大波峰值，同理可以求出az的最小波谷值。附图2是双窗口检测加速度计输出信号az峰值原理示意图。
[0019]但窗口长度L过长会使所检测步数偏少，同理窗口过短会使步数偏大，达不到准确计算步数的效果。为了能自适应检测不同人以不同速度行走的步数和az的最大峰值与最小峰值。进一步分析实验数据，发现窗口长度与行人步行速度有关，可以根据行人步行速度不一样而自适应调整窗口长度。为便于简单化，本文用步态周期T(行走一步的时间)表征步行速度。经分析可得出窗口长度L与步态周期T的关系式如下:
[0020]L = T*fs(2)
[0021]其中fs是系统采样频率，式(2)对不同人以不同速度行走时都比较适用，通过行走速度的不同来自适应调整两重叠窗口的长度L。经过大量实验，采集不同行人以不同速度行走的真实数，发现行人在刚开始起步阶段的步频(单位时间内的步数)一般不超过5步每秒，对不同行人在不同起步速度下的测试结果进一步总结出以下经验关系式:
[0022]L = 0.2*fs(3)
[0023]因彳丁人在刚起步时步彳丁速度小，步频在5步每秒以内，之后在此基础上进一步变化，所以可用公式(3)对设定初始窗口长度，行走过程中再用公式(I)来自适应调整窗口长度。
[0024]利用此方法检测每步中az最大波峰值与最小波谷值及二者对应的时序j (出现的时间点)。通过最大波峰值与最小波谷值出现的时序即可求出行人步态周期T，进而用步态周期T调整窗口长度L，实现基于单轴加速度计自适应步数检测。
[0025]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0026](I)引用双窗口来识别特征信号，有效抵抗振动等干扰，以达到准确检测步数。
[0027](2)根据行人行走速度的不同而自适应改变窗口长度，进而自适应检测步数。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为步态与加速度计输出信号az关系示意图；
[0029]图2为双窗口检测加速度计输出信号az峰值原理示意图；
[0030]图3为本发明的基于单轴加速度计自适应步数检测流程图。
【具体实施方式】
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[0031]图3为本发明的自适应步数检测流程图，主要分为以下几个步骤:
[0032](I)将单轴加速度计固定在人体腰后侧，保证加速度计与人体固定为一体，不会有相对运动，并用于朝测量行人天向加速度方向放置；
[0033](2)系统初始化时设定步态周期(行走一步的时间)T (I) = 0.2秒，加速度计信号最大波峰数NI = 0，加速度计信号最小波谷数N2 = O,行进步数N = O ;并用公式(I)求取行人起步时的双窗口长度L(I)；
[0034](3)行走过程中，利用步态周期T(N)和系统采样频率fs根据公式L = T*fs自适应调整两窗口的长度L (N)；
[0035](4)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最大峰值，判断两窗口最大峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是，则NI = N1+1，否则NI不变，并记录出现最大峰值的时序j,并存储于maxpeak_time(Nl)；
[0036](5)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最小峰值,判断两窗口最小峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是，则N2 = N2+1，否则N2不变，并记录出现最小峰值的时序j,并存储于minpeak_time(N2)；
[0037](6)当NI = N2且NDO时，步数N = N+1,并用步态周期计算公式:T(N+1)=0.5* (maxpeak_time (NI)_maxpeak_time(Nl-1)+minpeak_time(N2)_minpeak_time (N2-l))*(l/fs)求取步态周期T(N+1)，否则N和T(N)不变，从而实现自适应步数检测。
[0038] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将单轴加速度计固定在人体腰后侧并用于测量行人天向加速度； (2)初始化时设定步态周期(行走一步的时间)T(I) =0.2秒，加速度计信号最大波峰数NI = 0，加速度计信号最小波谷数N2 = O,行进步数N = O; (3)利用步态周期T(N)和系统采样频率fs自适应调整两窗口的长度L(N)； (4)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最大峰值，判断两窗口最大峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是，则N1=N1+1，否，则NI不变，并记录出现最大峰值的时序j,并存储于maxpeak_time(Nl)； (5)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最小峰值，判断两窗口最小峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是，则N2 = N2+1，否则N2不变，并记录出现最小峰值的时序j,并存储于minpeak_time(N2)； (6)当NI= N2且N1>0时，步数N = N+1，并计算步态周期T (N)，否则N和T(N)不变，从而实现自适应步数检测。
2.根据权利要求1所述的基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，其特征在于:所述步骤(I)中要求加速度计放置在人体腰后侧，并用加速度计测量行人天向加速度。
3.根据权利要求1所述的基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，其特征在于:初始时，取步态周期T(I) = 0.2秒；步数检测过程中，行人步态周期T(N)取加速度波峰和波谷信号二者周期平均值；并且用步态周期T(N)调整窗口长度L (N)，可实现根据行人行走速度的不同而自适应改变窗口长度，从而进行自适应步数检测。
4.根据权利要求1所述的基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，其特征在于:用单轴加速度计输出信号的周期性波峰波谷数来表征行走步数，通过双窗口来识别波峰、波谷信号，有效抵抗振动等干扰，以达到准确检测步数。
【文档编号】G01C22/00GK104457781SQ201410806143
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】张延顺, 熊云强, 李明 申请人:北京航空航天大学