专利名称：用于确定移动元素的活动的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定移动元素的活动的系统和方法。
背景技术：
用于基于隐马尔可夫模型(hidden Markov model)分析行动的系统和方法是已知的，诸如例如在文献"Gesture recognition using the Xffand" (Daniel Wilson 禾口 Andy Wilson 所著)以及"Motion-based gesture recognition with an accelerometer，，(学士论文)(P. V. Borza所著)中所描述的系统和方法。文献"A hidden Markov model-based stride segmentation technique applied to equine inertial sensor trunk movement data，， (Journal of Biomechanics 41(2008)216-220by Thilo Pfau,Marta Ferrari,Kevin Parsons and Alan Wilson)渉及对骑马的分析。然而，这些系统和方法的精度有限。
发明内容
本发明的一个目的是改进确定移动元素的活动的精度，尤其是针对生物(无论是人还是动物)。根据一个方案，本发明提供一种用于确定移动元素的活动的系统，包括至少一个具有至少一个测量轴的运动传感器，该运动传感器配备有用于将所述运动传感器安全地连接到所述移动元素的固定(fastening)模块。该系统包括滤波器，用于针对运动传感器的每个测量轴选择高于第一阈值的高频；用于确定一维高频分量的模块，所述一维高频分量等于沿着运动传感器的被考虑的测量轴的所述高频的欧几里得范数的平方；计算模块，用于针对至少一个状态计算所述高频分量的与该状态相关联的概率密度函数，所述高频分量的概率密度函数是根据自由度等于运动传感器的被考虑的测量轴的数量的卡方法则(Chi-square law)定义的；以及分析模块，用于定义移动元素的状态，所述分析模块将所述高频分量的针对每个状态的概率密度函数与两个连续状态之间的转换概率结合。会想起隐马尔可夫模型是由两个随机过程定义的第一随机过程在本申请中被称为“状态”并且是不被观测的，或者换句话说是一个被隐藏的随机过程，而第二随机过程是观测量，该观测量在给定时刻的概率密度函数取决于在同一时刻的状态值。根据本发明的该第一方案，状态取离散值，即0对应于振荡的存在而1对应于振荡的不存在。所使用的范数例如可以是沿着运动传感器的被考虑的测量轴的高频的平方和或者是沿着运动传感器的被考虑的测量轴高频的欧几里得范数的平方。运动传感器是信号的变化表示行动的传感器。这种系统使得以较高精度分析移动元素的活动成为可能。具体地，通过考虑高频分量，使用额外的信息是可能的，该额外的信息使传感器的微小行动(或者换句话说诸如抖动等的振荡或振动)能够被检测到。运动传感器在时刻η产生的信号可以被表示为S(n)并且可以从该信号提取高频分量y (η) ο根据一个实施例，当移动元素在状态I时，用于获得高频分量的值y (η)的概率密度函数Py, i由以下的表达式定义
权利要求
1.一种用于确定移动元素(EM)的活动的系统，包括至少一个具有至少一个测量轴的运动传感器(CM)，所述运动传感器(CM)配备有用于将所述运动传感器(CM)安全地连接到所述移动元素(EM)的固定模块(MF)，其特征在于所述系统包括滤波器(FILT)，用于针对所述运动传感器的每个测量轴选择高于第一阈值(Si)的高频；用于确定一维高频分量(y (η))的模块(DET)，所述一维高频分量(y (η))等于沿着所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的所述高频的欧几里得范数的平方；计算模块(CALC)，用于针对每个状态，根据自由度等于所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的数量的卡方法则来计算所述高频分量(HF)的概率密度函数(Py, P，所述概率密度函数(Py,」)与每个状态相对应；以及分析模块，用于定义所述移动元素的状态，所述分析模块将所述高频分量的针对每个状态的概率密度函数与两个连续状态之间的转换概率相组合。
2.如权利要求1所述的系统，其中，针对每个状态i，用于获得所述高频分量(HF)的值 (y(n))的概率密度函数(Py,》是由以下表达式定义的1L1 -j^lPyXyin)) =-TT^y^e 2σ"[^k <f)在所述表达式中k表示所述高频分量(HF)的自由度，该自由度等于所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的数量；是与状态i中变量y(n)的时间平均成比例的量(例如，0吣是变量7(11)除以k 的时间平均)；以及Γ是针对实数ζ满足Γ^") = V^，Γ (1) = 1和Γ (ζ+1) = ζ Γ (ζ)的伽玛函数。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述滤波器(FILT)还适于针对所述运动传感器 (CM)的每个测量轴选择低于第二阈值(S》的低频，以形成维数等于所述运动传感器(CM) 的被考虑的测量轴的数量的低频分量(BF)，其中所述第二阈值(S2)等于或低于所述第一阈值(Si)。
4.如权利要求2和3中的任意一项所述的系统，其中，被称为联合概率密度函数的用于获得所述低频分量(BF)和所述高频分量(HF)的一对值(x(n)，y(n))的概率密度函数 (P(x(n), y(n)))等于所述低频分量(BF)的概率密度函数(Px)与所述高频分量(HF)的概率密度函数(Py)的乘积，当所述移动元素(EM)在状态i时，低频值的所述概率密度函数是由以下表达式定义的^ , , W1J Σ^1 (χ(η)-μχ J)Pxu (x(n)) = ,· e 2Vm7N其中X (η)表示索引样本η处的低频分量其是q维的向量；μ x, i表示与所述低频分量具有相同维数的向量，表示隐马尔可夫模型的所考虑的状态；以及Σ i I表示与状态i相对应的协方差矩阵Σ i的行列式的绝对值，当q = 1时，I Σ i =O2i, O 2i是Χ (Π)的针对状态i的方差。
5.如前述权利要求中的一项所述的系统，所述系统包括显示模块(AFF)。
6.如前述权利要求中的一项所述的系统，其中，所述移动元素(EM)是生物，是人或者是动物。
7.如权利要求1或2所述的系统，其适于从两个状态中确定所述移动元素(EM)的活动，所述两个状态为静止状态和运动状态。
8.如权利要求3至7中的一项所述的系统，其适于从与各种姿势相对应的一组状态中确定所述移动元素(EM)的活动。
9.如前述权利要求中的一项所述的系统，其中，所述运动传感器(CM)包括加速计和/ 或磁力计和/或陀螺测试仪。
10.一种用于根据至少一个运动传感器(CM)所发送的数据来确定移动元素(EM)的活动的方法，所述至少一个运动传感器(CM)具有至少一个测量轴，所述至少一个运动传感器 (CM)被安全地连接到所述移动元素(EM)，其特征在于针对所述运动传感器(CM)的每个测量轴选择高于第一阈值(Si)的高频；确定一维高频分量(HF)，所述一维高频分量(HF)等于沿着所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的所述高频的欧几里得范数的平方；计算所述高频分量(HF)的概率密度函数(Py)，该概率密度函数(Py)是由自由度等于所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的数量的卡方法则定义的；以及通过将所述高频分量的针对每个状态的概率密度函数与两个连续状态之间的转换概率进行组合来确定所述移动元素的状态。
11.如权利要求10所述的方法，其中，当所述移动元素(EM)在状态i时，用于获得所述高频分量(HF)的值(y(n))的概率密度函数(Py)是由以下表达式定义的k y(n)其中k表示所述高频分量的自由度，该自由度等于所述运动传感器的被考虑的测量轴的数量；是与状态i中的变量y(n)的时间平均成比例的量(例如，i是变量y (η)除以 k的时间平均)；以及Γ是针对实数ζ满足Γ^") = V^，Γ (1) = 1和Γ (ζ+1) = ζ Γ (ζ)的伽玛函数。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中，针对所述运动传感器(CM)的每个测量轴选择低于第二阈值(S2)的低频，所述第二阈值(S2)等于或低于所述第一阈值(Si)，并且确定维数等于所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的数量的低频分量(BF)。
13.如权利要求10至12中的一项所述的方法，其中，针对所述运动传感器(CM)的每个测量轴选择低于第二阈值(S2)的低频，所述第二阈值(S2)等于或低于所述第一阈值(Si)，并且确定一低频分量，该低频分量表示测量信号的沿着所述运动传感器(CM)的被考虑的测量轴的低频分量。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定移动元素(EM)的活动的系统，包括至少一个具有至少一个测量轴的运动传感器(CM)，所述运动传感器(CM)配备有用于将所述运动传感器(CM)严格地连接到所述移动元素(EM)的连接模块(MF)，所述系统包括滤波器(FILT)，用于针对所述运动传感器的每个测量轴选择高于第一阈值(S1)的高频；用于确定一维高频分量(y(n))的模块(DET)，所述一维高频分量(y(n))等于所述运动传感器(CM)所考虑的测量轴的所述高频的欧几里得范数的平方；计算模块(CALC)，用于针对每个状态，根据自由度等于所述运动传感器(CM)所考虑的测量轴的数量的卡方分布来计算所述高频分量(HF)的概率密度函数(Py，j)，所述概率密度函数与每个状态相对应；以及分析模块，用于定义所述移动元素的状态，所述分析模块将所述高频分量的针对每个状态的概率密度函数与两个连续状态之间进行变化的概率相组合。
文档编号G06F17/18GK102438522SQ201080022626
公开日2012年5月2日 申请日期2010年4月26日 优先权日2009年4月24日
发明者P·雅隆 申请人:原子能和辅助替代能源委员会, 莫韦公司