CN101694499A - 基于行人步态检测的步速测量和传输的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及步速测量和传输的系统和方法，旨在提供一种基于行人步态检测的步速测量和传输的系统和方法。该系统包括由两轴加速度传感器和周围电路组成的加速度检测单元、加速度处理单元、步态分析单元、速度分析单元、无线通信发射单元、无线通信接收单元和输出终端。本发明的有益效果在于：该速度检测系统相对现有技术具有，成本较低，使用安装方便，使用基本无限制条件，实时性较好，有较好的外部接口。可以从人运动时的加速度数据中提取步态特征，检测出运动瞬时速度，平均速度，移动距离，运动时间及移动步数。

Description

基于行人步态检测的步速测量和传输的系统和方法

技术领域

本发明涉及步速测量和传输的系统和方法，特别涉及一种从人运动时的加速度数据中提取步态特征，检测出运动瞬时速度、平均速度、移动距离、运动时间及移动步数的系统和方法。

背景技术

个人速度检测在现实生活中有着重要的意义。在助行车控制方面，可以通过使用者身上的速度检测装置测量出使用者的速度，通过电机控制助行车速度，实现人车跟随，而不需要人通过外力控制助行车移动速度。在个人导航方面，通过个人速度，移动距离检测，可以方便的实现个人导航定位，而这种方案在GPS信号未能覆盖的地方就显得尤为重要。在医疗方面，速度检测在计算人运动时的卡路里消耗，以及老年人和下肢疾病患者的康复程度监测中都有着重要的作用。

而现在对于速度检测的方法主要有几下几种：

通过摄像机拍摄身体运动的过程中身体上的特征点的位置变化，通过视觉算法计算出实时速度。但是这种方法外界环境的要求较高，通常只是局限于室内的定点速度检测。

在公开号为CN1940570的专利申请说明书中描述了一种可以检测速度的导航装置，通过检测个人运动的频率，由步长和速度相乘而得到实时速度。当个人的步幅为常数时，这个方法可以得到准确的实时速度。但是研究表明在个人的步幅随着运动速度的变化，有着高达百分之六十的变化。因而这种方法很难获得准确的速度。

在公开号为CN1256752的中的专利申请说明书中描述了一种速度检测装置，通过安装在鞋底的加速度传感器获得脚部在水平方向的加速度数据，然后对加速度数据进行双重积分得到脚部的加速度值。这种装置安装比较繁琐，使用不方便。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于行人步态检测的步速测量和传输的系统和方法。为实现发明目的，本发明提供的解决方案是：

提供一种基于行人步态检测的步速测量和传输的系统，包括由两轴加速度传感器和周围电路组成的加速度检测单元，用于检测水平方向加速度和竖直方向加速度，并根据检测的结果输出加速度信号，该系统还包括：

加速度处理单元，用于对检测到得加速度进行滤波去除噪声；

步态分析单元，用于对加速度信息进行步态分析，提取步态加速度，并从中提取步态特征量；

速度分析单元，消除积累误差，计算出运动速度、运动距离；

无线通信发射单元，用于将得到的结果数据发送到无线通信接收单元；

无线通信接收单元，用于接收无线通信发射单元发送结果数据；

输出终端，用于显示或保存结果数据；

所述加速度检测单元、加速度处理单元、步态分析单元、速度分析单元和无线通信发射单元依次顺序连接，所述无线通信接收单元通过信号线连接输出终端。

作为一种改进，所述输出终端是电脑或手持设备。

作为一种改进，该系统应用于助行机器人的自动速度控制，实现机器人与使用者的步态跟随，所述输出终端是助行机器人上位机。

本发明还提供了一种基于前述系统的步速测量和传输的方法，包括下述步骤：

(1)加速度检测单元随着时间经过检测被监测者重心所在的腰部的水平加速度和竖直加速度；

(2)加速度处理单元采用有限冲击响应数字滤波消除运动频率以上的噪声；

(3)步态分析单元对加速度信息进行步态分析，并进行步态划分，提取该步态周期的步态特征量，并消除加速度传感器方向轴偏移引起的误差；

(4)步态分析单元通过水平加速度导数及峰值检测，确定运动的起始点及运动的终止点、通过对水平加速度峰峰值的平均值实现对水平加速度的周期划分、通过对每一步态周期的加速度进行分析，消除因传感器的方向轴偏转而引起的加速度误差，通过对对每一个步态周期的峰峰值比较判断该步态周期的运动速度有无变化；

(5)速度分析单元消除加速度基准偏移对速度检测和运动路程检测造成的误差；

(6)无线通信发射单元将得到的结果数据发送到无线通信接收单元，无线通信接收单元将其传输至输出终端。

本发明设计的速度检测与传输系统是基于人移动时的加速度信息计算个人运动的速度，移动距离等信息，因此需将双轴加速度传感器固定于腹部正前方。加速度传感器X轴指向水平前方，加速度传感器y轴指向竖直方向。其将测量被检测者在运动过程中水平方向和竖直方向上的加速度值。

而通过加速度传感器采样得到的加速度数据包含有传感器自身的噪声，以及采样时抖动等噪声，将会对后面步态分析和速度计算带来严重干扰。加速度处理单元将对采样的加速度采用有限冲击响应数字滤波，而滤波截止频率设为运动频率。通过有限冲击响应数字滤波可以避免常规滤波算法大量的运算量，使其在微控制器上方便实现。

而在处理后加速度的基础上，将对加速度进行步态分析，将通过运动起始点和停止点的确定，从加速度提取人在运动时的步态加速度，并获得步态峰峰值，步态时间运动时的步态特征。在人运动过程中加速度变化大致如下：当人静止站立时，加速度为恒定值，当迈步向前单脚支持身体时，人躯干向前运动，加速度增大，当脚着地，身体状态从单脚支撑转化为双脚支撑时，加速度为负值。当双脚处于同一水平位置正好是加速度方向改变的时刻。基于此可以对加速度进行步态分析。

当加速度的导数从零变化为正时为运动的起始点。当加速度从零开始增加，达到最大值，然后开始减小，达到反向最小值，之后增大，加速度的过零点为完成一步走动的时刻。

以加速度的导数从零变化为正时为运动的疑似起始点，并进行峰值检测，如有峰值出现，且达到一定阈值，则认为该疑似起始点为运动的起始点。这样可以消除因身体抖动等原因造成的运动起始点误判。同理可以确定运动的停止时刻。

通过相邻的加速度等于本步态周期的最大值和最小值平均值点，可以将运动过程进行步态划分为若干个运动周期。相邻两个平均值点时间为运动单步起始和中止的时间。而在在单步运动周期内的加速度最大值与最小值得差值为该步态周期加速度峰峰值。

而目前的加速度传感器可以同时测量动态加速度和静态加速度，前者包括人运动时的加速度，而后者是指重力加速度。而加速度传感器安装时不可避免使加速度传感器x轴，y轴在竖直平面内造成偏移。这会使加速度检测时不可避免地引入重力加速度分量，这将带来较大的误差。这里设计一种步态周期积分的方法有效的除去该重力加速度分量的影响。

而加速度传感器的基准可能出现偏移等原因，使加速度值存在一定误差，直接积分会速度误差随着时间增大。这里提出一种算法，先通过相邻步态周期峰峰值的变化来判断运动速度有无明显变化，在速度变化较小时，用一种特定的算法消除这种误差。而对该加速度进行积分则可计算出运动过程的每个时刻的速度，对加速度进行二重积分便可得到运动距离。

得到的结果通过无线通信发射单元、无线通信接收单元传送到输出终端输出。

本发明的有益效果在于：

该速度检测系统相对现有技术具有，成本较低，使用安装方便，使用基本无限制条件，实时性较好，有较好的外部接口。可以从人运动时的加速度数据中提取步态特征，检测出运动瞬时速度，平均速度，移动距离，运动时间及移动步数。

附图说明

图1是速度检测与传输系统的加速度传感器安装坐标示意图。

图2是速度检测与传输系统的各功能机构示意图。

图3是速度检测与传输系统的数据处理流程图。

图4是加速度传感器由于传感器方向轴发生偏移后，水平加速度，竖直加速度及重力加速度之间的关系图。

图5是实施例中被监测者走动时加速度检测单元检测到得水平方向加速度时间序列一例。

图6是实施例中被监测者走动时加速度检测单元检测到得竖直方向加速度时间序列一例。

图7是实施例中速度检测与传输系统对图5所示的加速度时间序列分析得到的速度时间序列一例。

图8是实施例中速度检测与传输系统对图5所示的加速度时间序列分析得到的运动距离时间序列一例。

图9是步态分析单元对水平加速度时间序列的步态划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以基于行人步态检测的步速测量和传输系统在助行机器人的自动速度控制方面的应用为例，对本发明进一步阐述。

助行机器人是帮助老年人和下肢病患者行者的移动机器人，其将为使用者在运动时提供支持力。而其运动必须与使用者同步，保持步态跟随。

图2为本实施例的速度检测和传输系统的示意图。其由速度检测部分和输出部分组成。前者根据从被监测者得到的加速度信息计算出被检测者的速度，运动距离。而得到的数据将通过无线通信传输给助行机器人上位机，并以此控制助行机器人运动速度。

系统的硬件部分由双轴加速度传感器，微处理器和无线收发芯片以及周围电路构成。

加速度检测单元由一个两轴加速度传感器(这里以MEMSIC的双轴加速度传感器MXC6202G为例)和周围电路组成，被固定在被测者的腹部中间(皮带正中位子)(如图1所示)。加速度传感器x轴正方向水平向前，加速度传感器y轴正方向水平向上，采样频率为100Hz。分别检测被检测者运动时的身体重心在水平方向上加速度a_x，竖直方向加速度a_y。得到的数据通过总线输出到加速度处理单元作进一步处理。固定加速度传感器时可能使传感器方向轴发生偏转，这将使采样得到的水平加速度值a_x和竖直加速度a_y有较大的误差，本发明将采用周期积分法去除传感器轴偏转带来的影响，这将在后面详细说明。

采样得到的水平加速度a_x和竖直加速度a_y除包含重力分量外还包含加速度传感器测量时的噪声，主要是一些高频噪声。这将使检测到得速度有较大的误差，更重要的是这些将直接影响后面的步态分析，因此需要对加速度数据进行滤波。

加速度处理单元是一个由软件实现的功能模块，内置于微处理器中。它实际上是一个有限冲击响应的带通数字滤波器。采用有限冲击响应数字滤波，运算量较小，便于实现。而得到的结果不仅可以滤除高频的噪音，还可以平滑加速度曲线的波形，便于进行步态分析。

步态分析单元对加速度处理单元处理后的加速度信息的波形进行步态分析。步态分析单元是一个由软件实现的功能模块，内置于微处理器中。它的第一重要功能是检测运动的开始和结束，可以通过在波形中寻找加速度由静止开始增加的疑似步态起始点以及随后的正峰值和负峰值确定。正峰值可以搜索水平加速度的一阶导数由正变为负的时刻，如图6中PMAX点并将其记录。同理可以搜索记录下相应的负峰值如图6中的PMIN。而当疑似步态起始点随后出现的正负峰值的差值达到一定的阈值，则认为该疑似起始点为运动的起始点。而运动的停止点可直接检测加速度由运动状态变为静止状态的时刻。

而步态分析单元的另一重要功能便是要对运动的加速度进行步态划分，并提取每一个步态周期的步态特征。而根据人运动的特征，可以预测水平方向加速度为先增加达到正最大值，之后持续减小，经最小值后然后再增的周期过程。而划分步态周期的时刻为水平加速度的过零点。但是由于加速度传感器可能由于安装或检测者运动的原因使加速度传感器的轴偏转，从而引入重力加速度的分量，使加速度值出现整体偏移。这点可以从图6中可以看出，水平加速度值整体偏移了0.15g。在这种情况下可以选取步态加速度最大值和最小值的平均值为步态周期划分点。如图9所示通过步态周期划分点将水平加速度分为若干个步态周期。而每一个步态周期的时间即为检测者运动一步的时间。而在该步态周期内的最大值和最小值的差值即为该周期的水平加速度的峰峰值，加速度峰峰值的变化可以明显反映运动的变化。

步态分析单元第三个重要功能为消除重力加速度的影响。因加速度传感器在安装时方向轴可能有一定程度的偏转，在运动中方向轴角度也可能进一步改变。而加速度传感器检测到得加速度值将是动态加速度(被测者运动时水平方向和竖直方向加速度)和静态加速度(如重力加速度)的总和，如附图4所示，

而

a_x＝a_h·cosθ+a_v·sinθ-g·sinθ

a_y＝a_v·cosθ-a_h·sinθ-g·cosθ

要计算出水平方向真是加速度a_h，必须得到倾角值θ。而θ值在一个步态周期内，变化

较小可以忽略，认为在步态周期内θ不变。提出一种近似计算θ的周期积分算法：

对 式两边在一个步态周期内积分

∫a_xdt＝∫a_h·cosθdt+∫a_v·sinθdt-∫g·sinθdt

因为在一个步态周期内θ可以认为是一个常量，

∫a_v·sinθdt＝Δv_v·sinθ

∫a_h·cosθdt＝Δv_h·cosθ

而当被检测者运动过程中，在一个步态周期速度变化Δv_v，Δv_h为一个较小的量，再对两边求一个步态周期T的平均值。

步态周期平均值a_x≈-g·sinθ，可以得到加速度传感器倾角值θ。

而对于运动第一步态周期，由于速度变化较大采用以上算法，可能采用以上算法有较大的误差。但是由于运动起始点t₀，处于运动临界状态，a_v＝0，a_h＝0

有

亦可得到加速度传感器倾角值θ。

得到去除重力加速度分量后的水平方向加速度

a_h＝a_x·cosθ-a_y·sinθ

速度分析单元是一个由软件实现的功能模块，内置于微处理器中。去除了水平方向加速度的重力加速度分量后，速度分析单元通过对a_h积分便可求出每一时刻速度v，对a_h二次积分得到运动距离s。

而得到的a_h可能存在很小的偏移量误差Δa_h，但是对a_h进行积分后，误差可能被积累，而求的运动距离s为速度的二重积分，s的误差将随时间成平方增长，速度的误差将随时间成比较增长。这使测量的精度将会随着时间增长而逐渐下降。

而本发明的另一个重要方面，就是提出一种消除这种积累误差的方法。当在运动速度趋于稳定时每一个步态周期的速度增量Δv≈0，而运动速度是否趋于稳定，可以从步态特征中判断出来：当速度稳定时，步态周期内的水平方向加速度峰峰值没有明显的变化，其变化幅度小于10％。因而可以通过水平加速度判断出运动速度是否趋于稳定，对于趋于稳定时，对该周期的加速度积分便可得到该周期速度变化量

而加速度偏移量

可以对水平加速度进行修正，得到修正后水平加速度a′_h＝a_h-Δa_h

而这里对修正水平加速度a′_h积分可以得到速度v_t及运动距离s，

$v_t=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a^{\′}}_h\mathrm{dt}$

s＝∫∫a′_hdt

无线通信发射单元将来自速度分析单元的速度信息、运动距离信息等结果数据发送到无线通信接收单元，无线通信接收单元接收结果数据后通过信号线传递至输出终端。

在本实施例中无线通信发射单元由射频芯片NRF905和微控制器at89c2051及周围电路组成，拥有两级缓存。at89c2051将对无线通信单元进行编号，以防止和附近的其他无线通信器件发生通信干扰。输出部分的无线通信接收单元采取相同配置。通过无线通信发射单元数据被发送到与输出终端相连的无线通信接收单元，数据校验无误后传输到输出终端，并在输出终端显示或保存结果数据。

输出终端可以是电脑、手持设备或助行机器人上位机等。在本实施例中以助行机器人上位机为输出终端，通过串口将无线通信接收单元接收的数据传入助行机器人控制上位机，得到使用者运动速度，运动距离如图7、图8所示。而上位机将以使用者步行速度控制助行机器人的运动速度，使助行机器人能够与使用者同步运动，实现了控制助行机器人与用户的步态跟随。同时助行机器人能够实时监测使用者的运动状况。

数据处理流程如图3所示。

本实施例通过行人步态检测的步速测量装置，实现了助行机器人的自动速度控制方面的步态跟随，但其应用范围不仅局限于此，本还可以用于下肢疾病患者的康复程度监测，运动速度实时测量，个人导航等方面。

Claims (4)

1.一种基于行人步态检测的步速测量和传输的系统，包括由两轴加速度传感器和周围电路组成的加速度检测单元，用于检测水平方向加速度和竖直方向加速度，并根据检测的结果输出加速度信号，其特征在于，该系统还包括：

加速度处理单元，用于对检测到得加速度进行滤波去除噪声；

步态分析单元，用于对加速度信息进行步态分析，提取步态加速度，并从中提取步态特征量；

速度分析单元，消除积累误差，计算出运动速度、运动距离；

无线通信发射单元，用于将得到的结果数据发送到无线通信接收单元；

无线通信接收单元，用于接收无线通信发射单元发送结果数据；

输出终端，用于显示或保存结果数据；

所述加速度检测单元、加速度处理单元、步态分析单元、速度分析单元和无线通信发射单元依次顺序连接，所述无线通信接收单元通过信号线连接输出终端。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输出终端是电脑或手持设备。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统应用于助行机器人的自动速度控制，实现机器人与使用者的步态跟随，所述输出终端是助行机器人上位机。

4.一种基于权利要求1所述系统的步速测量和传输的方法，包括下述步骤：

(1)加速度检测单元随着时间经过检测被监测者重心所在的腰部的水平加速度和竖直加速度；

(2)加速度处理单元采用有限冲击响应数字滤波消除运动频率以上的噪声；

(3)步态分析单元对加速度信息进行步态分析，并进行步态划分，提取该步态周期的步态特征量，并消除加速度传感器方向轴偏移引起的误差；

(4)步态分析单元通过水平加速度导数及峰值检测，确定运动的起始点及运动的终止点、通过对水平加速度峰峰值的平均值实现对水平加速度的周期划分、通过对每一步态周期的加速度进行分析，消除因传感器的方向轴偏转而引起的加速度误差，通过对对每一个步态周期的峰峰值比较判断该步态周期的运动速度有无变化；

(5)速度分析单元消除加速度基准偏移对速度检测和运动路程检测造成的误差；

(6)无线通信发射单元将得到的结果数据发送到无线通信接收单元，无线通信接收单元将其传输至输出终端。

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