CN101354265B - 计步方法及计步装置 - Google Patents

Abstract

一种计步方法，包括以下步骤：获取各方向加速度；计算合成加速度；根据合成加速度的幅度判断是跑步还是步行。上述计步方法中，采用对加速度的进行检测的方法，可以区分出人体是在步行还是在跑步。还可区分是真正的走路行进还是其他扰动。此外，还提供了一种计步装置及步幅校正、行进距离估算的方法。

Description

计步方法及计步装置

【技术领域】

本发明涉及一种电子设备，尤其涉及一种计步方法、步幅校正方法、测距方法及计步装置。

【背景技术】

随着电子技术的发展，各种各样的电子设备被广泛用于人们的工作生活中。其中，计步装置就被用于计算人体步行或跑步的步数，供人们作为评估运动量多少的依据。

计步装置通常包括加速度传感器及于该加速度传感器相连的检测电路。加速度传感器响应人体在步行或跑步过程中周期性的加速度波动产生信号，检测电路根据加速度传感器产生的信号对步行或跑步的步数进行计数。

然而，传统的计步装置只能对步行或跑步的步数进行计数，不能区分步行和跑步。

【发明内容】

本发明的发明目的是提供一种计步方法，以达到区分步行和跑步的目的。

此外，还提供了一种计步装置，以达到区分步行和跑步的目的。

为达到上述发明目的，本发明提出以下的技术方案：

一种计步方法，包括以下步骤：

获取各方向加速度；

计算合成加速度；

判断合成加速度是否为假触发产生的加速度；

如果合成加速度是假触发产生的加速度，则忽略该加速度，如果加速度非假触发产生的加速度，则根据合成加速度判断是跑步还是步行。

其中，还包括将各方向的加速度数值标准化的步骤。

其中，还包括滤除加速度数值中的噪声成份的步骤。

其中，所述判断合成加速度是否为假触发产生的加速度的步骤包括判断合成加速度的脉冲宽度是否在预定范围内的步骤，如果检测到的脉宽不在预定范围内，则不将该合成加速度识别为步行或跑步的合成加速度。

其中，所述判断合成加速度是否为假触发产生的加速度的步骤包括对合成加速度进行检测的步骤，如果合成加速度的方向偏离正常方向的阈值，则忽略该合成加速度将其判定为虚假的干扰信号。

其中，所述根据合成加速度判断是跑步还是步行的步骤包括：判断合成加速度幅度波动是否大于预定值，如果大于预定值，则判断为跑步；如果小于预定值，则判断为步行。

其中，所述根据合成加速度判断是跑步还是步行的步骤包括：判断合成加速度是否有接近0的加速度值，如果有，则判断为跑步；如果没有，则判断为步行。

一种计步装置，其包括用于获取各方向加速度的加速度传感器及与所述加速度传感器相连的控制模块，所述控制模块用于根据各方向的加速度计算合成加速度并根据合成加速度区分是否为假触发产生的加速度，如果加速度非假触发产生的加速度，则判断是跑步还是步行。

其中，还包括模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器与所述加速度传感器相连，将加速度传感器产生的信号转换成数字信号，并输出给所述控制模块。

其中，所述控制模块包括滤除加速度数值中的噪声成份的噪声滤除单元。

其中，所述控制模块包括判断合成加速度的脉冲宽度是否在预定范围内的脉宽检测单元。

其中，所述控制模块包括根据合成加速度判断是跑步还是步行的脉幅检测单元，所述脉幅检测单元用于判断合成加速度幅度波动是否大于预定值，如果大于预定值，则判断为跑步；如果小于预定值，则判断为步行。

其中，所述控制模块包括根据合成加速度判断是跑步还是步行的脉幅检测单元，所述脉幅检测单元用于判断合成加速度是否有接近0的加速度值，如果有，则判断为跑步；如果没有，则判断为步行。

其中，还包括输入单元及存储单元，所述输入单元用于供用户输入信号至所述控制模块以启动步幅校正功能，所述控制模块用于根据预定距离及步数校正步幅，并将校正后的步幅存入所述存储单元中。

其中，所述控制模块还用于根据所述步幅与及所述步数获得步幅与步率的关系曲线，并将该关系曲线存储在所述存储单元中。

其中，还包括显示单元，所述控制模块用于根据所述计步装置统计的步数及所述关系曲线，控制所述显示单元显示与所述步数对应的距离。

上述计步装置和计步方法中，采用对加速度进行检测的方法，可以忽略假触发产生的加速度，并区分出人体是在步行还是在跑步。

对脉冲宽度进行检测，可以区分非步行或跑步的加速度，提高步数统计的精度。

【附图说明】

图1为人体部位在步行或跑步过程中的示意图；

图2为计步方法的流程图；

图3为加速度在三轴坐标系统中的分解图；

图4为噪声滤除前和滤除后的加速度信号示意图；

图5为加速度脉冲宽度示意图；

图6为计步装置的功能模块图；

图7为步幅校正的流程图；

图8为步幅与步率的关系曲线图。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。

当人体以一个稳定的状态在步行和跑步时，人的整体在水平方向是以匀速运动的，因此主要的加速度产生是上下方向的加速度，没有太多的侧面加速度和前后加速度。如图1所示，在步行或跑步过程中，右脚从B1的位置移动到B2的过程中，左脚保持在C的位置没有移动，而髋关节则从A1的位置上升到A2的位置再下降到A3的位置。如果将加速度感应器置于人体衣服口袋或者放置在腰间，则可以检测到人体上下方向的加速度，通过对上下方向的加速度的波动进行分析，可以统计人的步伐。实验表明，正常走路时，上下合成加速度在上下方向以1g左右周期性地波动，如果上下合成加速度在方向上不同于自由落体加速度1g则意味着用户不是在正常走路和跑步状态，这种动作会被认为是假触发。

依据上述实验结果，设计的计步方法步骤如图2所示：

步骤S202，系统初始化。将系统内的所有变量初始化，例如，将分别对步行步数和跑步步数进行计数的计数器清零。

步骤S204，获取各方向加速度。同时参阅图3，如果三个方向的加速度分别为ax、ay、az，三轴加速度传感器感应到上述三个方向的加速度后，产生三个信号与上述加速度值对应。对信号进行模拟数字转换后，可以获得各方向的加速度数值。其中，模拟数字转换的采样频率可以为125Hz，精度可以为8位。当然，更高的采样频率和精度将获得更精确的结果。另外，也可以不进行模拟数字转换而直接采用具有数字输出的加速度传感器。由于使用三轴加速度传感器，可以任意放置三轴加速度传感器，而不需将三轴加速度传感器定在某一个方向。

步骤S206，将各方向的加速度数值标准化。用标准信息来刻度和偏移数据以使通过三轴加速度传感器获得的ax、ay、az被标准化。例如，如果一个方向有1g的加速度，这个获取到的值被标准化成ONE_G，本实施例中，这个数据标定为100；如果没有加速度，数据则标定为0。

步骤S208，滤除加速度数值中的噪声成份。同时参阅图4，弯折较多的曲线402为原始的加速度振幅数据，平滑的曲线404为滤除噪声后的加速度振幅数据。可以采用中值滤波(Median-like Filter)的方式滤除明显过大或过小的加速度振幅数据。

步骤S210，计算合成加速度。使用向量合成的方法将三轴加速度传感器感应到的三个方向的加速度振幅数据合成，其公式为：

合成加速度振幅数据如图5中曲线502所示。

步骤S212，判断合成加速度的脉冲宽度是否在预定范围。试验表明，不同的人员虽然步行或跑步的频率虽然有所不同，但总体上步行或跑步的频率还是稳定在一定的范围内。通过对合成加速度的脉冲宽度的检测，可以判断获得的加速度是否为人体步行或跑步的加速度，避免对非步行或跑步的加速度脉冲进行计数。同时参阅图4，将一个周期内标准数据大于上阈值(本实施例为110)的脉冲宽度定义为第一脉宽T1；将一个周期内标准数据从开始大于上阈值到将小于下阈值(本实施例为90)的脉冲宽度定义为第二脉宽T2；将一个周期内标准数据小于下阈值的脉冲宽度定义为第三脉宽T3；将一个周期内标准数据从开始大于上阈值到小于下阈值再到等于下阈值的脉冲宽度定义为第四脉宽T4。检测合成加速度脉冲中的上述脉宽，判断其是否在合适的范围内。本实施例中，T1的范围为24～600ms；T2的范围为80～700ms；T3的范围为24～600ms；T4的范围为120～1300ms。如果检测到的脉宽不在预定范围内，说明加速度传感器不在随人体做步行或跑步的运动，而是其他的加速运动，如在手中被随意翻转等，此时，不会将该脉冲识别为步行或跑步的脉冲，流程返回到步骤S204。如果检测到的脉宽在预定范围内，则流程进入步骤S214。

步骤S214，根据合成加速度的幅度判断是跑步还是步行。根据合成加速度的幅度判断是跑步还是步行有以下两种方式：(1)判断合成加速度幅度波动是否大于预定值。无论是步行还是跑步，加速度都是波动的。如上所述，步行或跑步的加速度会围绕在上下方向1g左右波动。实验表明，对于步行而言，加速度的波动幅度将大于0.1g，但是小于预定值，本实施例中，这个值设为2/3g；相应地，对于跑步而言，加速度的波动幅度将大于预定值，本实施例中，大于2/3g。由上述分析可知，通过检测合成加速度幅度波动范围，可以判断出人体是在步行还是跑步。即，如果波动幅度小于2/3g，则是步行(S216)；如果波动幅度大于2/3g，则是跑步(S218)。(2)另外，在跑步过程中，当双脚离开地面时，由于加速度传感器没有受到人体的作用力，其相对人体的加速度为0，此时，加速度传感器获得最小的加速度值，即加速度接近0。通过实验验证，最小的加速度值小于0.5g。可以依据加速度的最小值来判断是否是步行，如果存在最小值小于0.5g的加速度值，则是跑步；反之则为步行。

步骤S216，将计步装置的状态设置为开始步行，步行计数器开始计数。当步数超过6步时，将计步装置的状态设置为步行状态。

步骤S218，将计步装置的状态设置为开始跑步，跑步计数器开始计数。当步数超过6步时，将计步装置的状态设置为跑步状态。

由于加速度是一个向量，有方向性。上述方法中还可以对加速的方向进行检测，如果方向偏离正常方向的阈值，可以忽略该加速度将其判定为虚假的干扰信号，即假触发产生的加速度。因为正常的跑步或步行加速度方向主要为上下方向，如果在其他方向出现较大的加速度，可能是用户在移动加速度传感器。

上述计步方法中，采用对加速度的幅度进行检测的方法，可以区分出人体是在步行还是在跑步。采用步行计数器和跑步计数器分别对步行和跑步进行计数，使人们更容易了解掌控运动量。对脉冲宽度进行检测，可以区分非步行或跑步的加速度，提高步数统计的精度。

如图6所示，计步装置600包括加速度传感器610、模拟/数字转换器620、控制模块630、显示单元640、输入单元650及存储单元660。

加速度传感器610用于感应人体的加速度并根据加速度产生相应的信号输出。本实施例中加速度传感器610为三轴加速度传感器，三轴加速度传感器感应到上述三个方向的加速度后，产生三个信号ax、ay、az与上述加速度值对应。

模拟/数字转换器620与加速度传感器610相连，将加速度传感器610产生的信号转换成数字信号，并输出给控制模块。其他的实施例中，也可以不采用模拟数字转换器620，而直接采用具有数字输出的加速度传感器。

控制模块630控制模块用于根据各方向的加速度计算合成加速度并根据合成加速度区分是否为假触发产生的加速度，如果加速度非假触发产生的加速度，则判断是跑步还是步行。控制模块630包括噪声滤除单元632、合成加速度计算单元634、脉宽检测单元636及脉幅检测单元638。

噪声滤除单元632用于滤除加速度数值中的噪声成份，本实施例中，采用中值滤波器(Median-like Filter)滤除明显过大或过小的加速度振幅数据，如图4所示，弯折较多的曲线402为原始的加速度振幅数据，平滑的曲线404为滤除噪声后的加速度振幅数据。

合成加速度计算单元634用于计算合成加速度。合成加速度计算单元634使用向量合成的方法将三轴加速度传感器感应到的三个方向的加速度振幅数据合成，其公式为：

合成加速度振幅数据如图5中曲线502所示。

脉宽检测单元636用于判断合成加速度的脉冲宽度是否在预定范围，以判断该加速度是否由假触发引起。试验表明，不同的人员虽然步行或跑步的频率虽然有所不同，但总体上步行或跑步的频率还是稳定在一定的范围内。通过对合成加速度的脉冲宽度的检测，可以判断获得的加速度是否为人体步行或跑步的加速度，避免对非步行或跑步的加速度脉冲进行计数。同时参阅图4，将一个周期内标准数据大于上阈值(本实施例为110)的脉冲宽度定义为第一脉宽T1；将一个周期内标准数据从开始大于上阈值到将小于下阈值(本实施例为90)的脉冲宽度定义为第二脉宽T2；将一个周期内标准数据小于下阈值的脉冲宽度定义为第三脉宽T3；将一个周期内标准数据从开始大于上阈值到小于下阈值再到等于下阈值的脉冲宽度定义为第四脉宽T4。检测合成加速度脉冲中的上述脉宽，判断其是否在合适的范围内。本实施例中，T1的范围为24～600ms；T2的范围为80～700ms；T3的范围为24～600ms；T4的范围为120～1300ms。如果检测到的脉宽不在预定范围内，说明加速度传感器不在随人体做步行或跑步的运动，而是其他的加速运动，如在手中被随意翻转等，此时，不会将该脉冲识别为步行或跑步的脉冲，相应地，也不会计入步数。

脉幅检测单元638用于检测脉冲的幅度，根据脉冲幅度判断是跑步还是步行。无论是步行还是跑步，加速度都是波动的。如上所述，步行或跑步的加速度会围绕在上下方向1g左右波动。实验表明，对于步行而言，加速度的波动幅度将大于0.1g，但是小于某一个值，本实施例中，这个值设为2/3g；相应地，对于跑步而言，加速度的波动幅度将大于某一个值，本实施例中，大于2/3g。另外，在跑步过程中，当双脚离开地面时，由于加速度传感器没有受到人体的作用力，其相对人体的加速度为0，此时，加速度传感器获得最小的加速度值，即加速度接近0。通过实验验证，最小的加速度值小于0.5g。由上述分析可知，通过检测合成加速度幅度波动范围，可以判断出人体是在步行还是跑步。即，如果波动幅度小于2/3g，则是步行；如果波动幅度大于2/3g，则是跑步。另外，可以依据加速度的最小值来判断是否是步行，如果存在最小值小于0.5g的加速度值，则是跑步；反之则为步行。

显示单元640与控制模块630相连，用于分别显示步行或跑步的步数。控制模块630识别出跑步或步行后，分别对步行或跑步步数进行计数，并将计数结果在显示单元640上显示。

输入单元650与控制模块630相连，用于供用户输入信号至控制模块630，例如按健产生按健信号至控制模块630。结合参阅图7，用户可以通过输入单元650启动步幅校正功能和测距功能。

步幅校正功能启动后，首先，步骤S702，获取预定距离。该预定距离可以从存储单元660中读取，例如200m；也可以由用户通过输入单元650输入。用户通过输入单元650启动计步后，开始统计步数(S704)，直到用户通过输入单元650结束计步，即行程结束(S706)。控制模块630依上述方法判断行程过程是跑步还是步行(S708)，如果是跑步，则计算跑步的步幅，即预定距离除以步数为跑步的步幅，该步幅为用户自己的步幅，可以替换计步装置600的存储单元660中预先存储的跑步步幅，实现校正跑步的每步距离，即跑步步幅(S710)；如果是步行，则计算步行的步幅，即预定距离除以步数为步行的步幅，该步幅为用户自己的步幅，可以替换计步装置600的存储单元660中预先存储的步行步幅，实现校步行的每步距离，即步行步幅(S712)。更广义的，用户也可用步行和跑步混合行进的方式完成步幅校正。一个实施例如下所述。用户行进两次同样的距离s，那么有s＝p_r·m_r+p_w·m_w＝p_r·n_r+p_w·n_w，其中p_r为跑步步幅(每步行进距离)，p_w为步行步幅；m_r为第一次的跑步的总步数，m_w为第一次的步行的总步数，n_r为第二次的跑步的总步数，n_w为第二次的步行的总步数。计步器可测得m_r，m_w，n_r，n_w，连同s均为已知量，解出p_r和p_w即可。当然，上述两次校正的距离s也可以不同。用这种方法进行的步幅校正信息可以用来简单的测距：总的行进距离为用计步器测得跑步的总步数和步行的总步数，分别乘以校正的跑步步幅和步行步幅之后再相加。即利用前文所述的公式s＝p_r·m_r+p_w·m_w。这样，在一段距离内，即便用户时走时跑，走走停停都可以分别统计出步行和跑步的步数。

另一种步幅校正的方法则利用了每步行进距离(步幅)和单位时间内的行进步数(步率)之间的关系。通常当一个人加快行进速度时，他会无意识的同时增大步幅和步率；反之亦然。根据这个规律，步幅校正的一个实施例如下。在若干段已知距离的连续路程上做不同速度的步行或跑步，由计步器记录每段路程所花费的时间和步数。对于每段路程，即不同的行进(包括步行或跑步)速度，可以用已知的距离除以测得的步数得到步幅，用测得的步数除以测得的时间得到步率。那么就可以得到人的步幅和步率的若干组相互关系(如图8中的十字星号所示)。

在实际的行进过程中，一个人的步率可能是任意的，即图8中横轴合理范围内的任意一点。那么上述步幅校正过程中所采集的若干组对应关系并不能完全满足实际需要。这个问题可以用插值的方法来解决。如图8所示，在校正过程得到的测量点之间或之外进行内插值或外插值，可以得到一条完整的步幅和步率的关系曲线。应用二阶或多阶的多项式或样条(Spline)插值方法，可以在较小的计算量和满意的精度下得到一条步幅与步率的关系曲线。完成计算后可以把这个完整的关系储存在存储单元660当中，此后根据计步器测得的步率就可以进行查表来进行快速而相对精确的测距。

利用步幅校正信息，可以进行测距，即行进距离或行程的估算。一个实施例如下所述。在行进(包括步行和跑步)的过程中，控制模块630不断控制循环固定的时间窗(比如20秒)或自适应的可调时间窗。在每个时间窗内，用测得的步数除以该时间窗的时间得到步率。接着，利用存储在存储单元660中步幅和步率的关系(图8)，可以查到该步率所对应的步幅。那么，该时间窗内的行进距离为查到的步幅乘以测得的步数。总的行程距离是每个时间窗内计算出来的行进距离的累加和，该总的行程距离可以显示在显示单元640上。用这种方法进行测距，可以捕捉到用户速度的不断变化，从而得到更精确的结果。对每个时间窗分别测距，确保每个测量数据的误差互相独立而提高整体的测距精度。

上述计步装置600对加速度的幅度进行检测，可以区分出人体是在步行还是在跑步。采用步行计数器和跑步计数器分别对步行和跑步进行计数，使人们更容易了解掌控运动量。对脉冲宽度进行检测，可以区分非步行或跑步的加速度，提高步数统计的精度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种计步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取各方向加速度；

计算合成加速度；

判断合成加速度是否为假触发产生的加速度；

如果合成加速度是假触发产生的加速度，则忽略该加速度，如果加速度非假触发产生的加速度，则根据合成加速度判断是跑步还是步行。

2.根据权利要求1所述的计步方法，其特征在于，还包括将各方向的加速度数值标准化的步骤。

3.根据权利要求1所述的计步方法，其特征在于，还包括滤除加速度数值中的噪声成份的步骤。

4.根据权利要求1所述的计步方法，其特征在于，所述判断合成加速度是否为假触发产生的加速度的步骤包括判断合成加速度的脉冲宽度是否在预定范围内的步骤，如果检测到的脉宽不在预定范围内，则不将该合成加速度识别为步行或跑步的合成加速度。

5.根据权利要求1所述的计步方法，其特征在于，所述判断合成加速度是否为假触发产生的加速度的步骤包括对合成加速度进行检测的步骤，如果合成加速度的方向偏离正常方向的阈值，则忽略该合成加速度将其判定为虚假的干扰信号。

6.根据权利要求1所述的计步方法，其特征在于，所述根据合成加速度判断是跑步还是步行的步骤包括：判断合成加速度幅度波动是否大于预定值，如果大于预定值，则判断为跑步；如果小于预定值，则判断为步行。

7.根据权利要求1所述的计步方法，其特征在于，所述根据合成加速度判断是跑步还是步行的步骤包括：判断合成加速度是否有接近0的加速度值，如果有，则判断为跑步；如果没有，则判断为步行。

8.一种计步装置，其包括用于获取各方向加速度的加速度传感器，其特征在于，所述计步装置还包括与所述加速度传感器相连的控制模块，所述控制模块用于根据各方向的加速度计算合成加速度并根据合成加速度区分是否为假触发产生的加速度，如果加速度非假触发产生的加速度，则判断是跑步还是步行。

9.根据权利要求8所述的计步装置，其特征在于，还包括模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器与所述加速度传感器相连，将加速度传感器产生的信号转换成数字信号，并输出给所述控制模块。

10.根据权利要求8所述的计步装置，其特征在于，所述控制模块包括滤除加速度数值中的噪声成份的噪声滤除单元。

11.根据权利要求8所述的计步装置，其特征在于，所述控制模块包括判断合成加速度的脉冲宽度是否在预定范围内的脉宽检测单元。

12.根据权利要求8所述的计步装置，其特征在于，所述控制模块包括根据合成加速度判断是跑步还是步行的脉幅检测单元，所述脉幅检测单元用于判断合成加速度幅度波动是否大于预定值，如果大于预定值，则判断为跑步；如果小于预定值，则判断为步行。

13.根据权利要求8所述的计步装置，其特征在于，所述控制模块包括根据合成加速度判断是跑步还是步行的脉幅检测单元，所述脉幅检测单元用于判断合成加速度是否有接近0的加速度值，如果有，则判断为跑步；如果没有，则判断为步行。

14.根据权利要求8所述的计步装置，其特征在于，还包括输入单元及存储单元，所述输入单元用于供用户输入信号至所述控制模块以启动步幅校正功能，所述控制模块用于根据预定距离及步数校正步幅，并将校正后的步幅存入所述存储单元中。

15.根据权利要求14所述的计步装置，其特征在于，所述控制模块还用于根据所述步幅与及所述步数获得步幅与步率的关系曲线，并将该关系曲线存储在所述存储单元中。

16.根据权利要求15所述的计步装置，其特征在于，还包括显示单元，所述控制模块用于根据所述计步装置统计的步数及所述关系曲线，控制所述显示单元显示与所述步数对应的距离。

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