CN102440781A - 运动量计量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动量计量方法与装置，其中所述方法包括运动检测步骤，用于检测目标对象的运动信号；此外，还包括：高度检测步骤，用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；以及计算步骤，根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量。按照本发明实施例的运动量计量方法与装置，不仅能够测量目标对象在水平方向运动引起的运动量，还能够测量高度变化引起的运动量。

Description

运动量计量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种计量方法与装置，特别是涉及一种可用于计量人体运动量的运动量计量方法与装置。

背景技术

目前，越来越多的人通过配带计步器来监测自己的运动量，这种计步器通过一个内置的运动信号传感器(如压电传感器，摆锤，加速度传感器等)记录目标对象的运动信号，计步器通过处理运动信号计算出目标对象走的总步数、走路的脚步频率、运动时间等运动参数，再根据这些参数计算出消耗的热量，以及运动量。

这种测量方法对于在平坦的地面上的运动，例如走路、慢跑等，测得的运动量能真实地反映出人体的运动状况，但对于爬山、爬楼梯等在高度上有明显变化的运动，由于传统的测量方式不能反映目标对象在高度上的变化所引起的运动量的变化，因此不能够真实地反映出实际的运动量、消耗的卡路里等运动参数。具体来说，以同样的速度、步幅频率在平地上走路和爬坡，所消耗的卡路里以及运动量是不一样的，但是传统的测量方式不能体现出这种差别。

因此，需要有一种能够反映高度变化引起的目标对象运动量变化的计量方法与装置，以便目标对象在平地上、爬山、爬楼梯时都能准确测量自己消耗的卡路里和运动量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种能够反映高度变化引起的目标对象运动量变化的计量方法与装置。为了实现这一目的，本发明所采取的技术方案如下。

按照本发明实施例的第一方面，提供一种运动量计量方法，包括运动检测步骤，用于检测目标对象的运动信号；此外，还包括：高度检测步骤，用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；以及计算步骤，根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量。

按照一个实施例，所述的运动量计量方法还包括设定步骤，用于设定目标对象的体重、身高、以及步幅。

按照另一个实施例，所述的运动量计量方法还包括显示步骤，用于显示计算的运动量和/或消耗的能量。

按照再一个实施例，在所述高度检测步骤中，通过检测目标对象所处环境温度和大气压力，来检测目标对象运动时所处高度的变化值。

按照又一个实施例，在所述计算步骤中，分别计算目标对象在水平方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，以及在垂直方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，并将两者相加作为总的运动量和/或消耗的能量。

按照本发明实施例的第二方面，提供一种运动量计量仪，包括运动检测模块，用于检测目标对象的运动信号；此外，还包括：高度检测模块，用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；以及计算模块，根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量。

按照一个实施例，所述运动量计量仪还包括设定模块，用于设定目标对象的体重、身高、以及步幅。

按照另一个实施例，所述运动量计量仪还包括显示模块，用于显示计算的运动量和/或消耗的能量。

按照再一个实施例，所述高度检测模块通过检测目标对象所处环境温度和大气压力，来检测目标对象运动时所处高度的变化值。

按照又一个实施例，所述计算模块分别计算目标对象在水平方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，以及在垂直方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，并将两者相加作为总的运动量和/或消耗的能量。

按照本发明实施例的运动量计量方法与装置，不仅能够测量目标对象在水平方向运动引起的运动量，还能够测量高度变化引起的运动量。

下面将结合附图并通过具体的实施例对本发明进行具体说明，其中相同或基本相同的部件采用相同的附图标记指示。

附图说明

图1是按照本发明一个实施例的运动量计量方法的流程图；

图2是做下坡运动的示意图；

图3是按照本发明一个实施例的运动量计量装置的示意性结构图；

图4是按照本发明另一个实施例的运动量计量装置的示意性结构图；

图5是按照本发明一个实施例的运动量计量仪运行流程图。

具体实施方式

如图1所示，是按照本发明一个实施例的运动量计量方法的流程图，主要包括运动检测步骤102、高度检测步骤104、以及计算步骤106。在其他实施例中，还可选地包括设定步骤100和显示步骤108。其中设定步骤100用于设定目标对象的体重、身高、以及步幅等参数；运动检测步骤102用于检测目标对象的运动信号；高度检测步骤104用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；计算步骤106根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量；显示步骤108用于显示计算的运动量和/或消耗的能量。下面对上述步骤进行具体说明。

在一个实施例中，可以利用气压传感器作为高度信号传感器来测量目标对象所处高度的变化。随着目标对象或用户所处海拔高度H的提高，气压传感器测得的大气压力P(hpa)会不断减小。因此，通过气压传感器测得的气压值能够反应用户海拔高度的相对变化。

然而，由于目标对象周围环境温度T会影响测得的大气压力P，因此，还需要利用温度传感器对测得的气压进行较正。设气压传感器测得的大气压力为P，温度传感器测得的温度为T，则由静力学方程可知，海拔高度h与大气压力P和温度T的关系为：

h＝8000/P(1+T/273)。

据此，可通过测量大气压力P和温度T，检测目标对象(或用户)所处位置高度的变化值Δh(步骤104)。

另外，可以首先利用运动信号传感器(如压电传感器，摆锤，加速度传感器等)检测目标对象是否再做运动，当检测不到有效运动信号时，表明用户正处于静止状态，此时，可使气压传感器和温度传感器处于关闭状态。当运动信号传感器检测到有效运动信号时，可打开气压传感器和温度传感器，计算用户的高度变化Δh。同时，利用运动信号传感器检测目标对象的运动信号(步骤102)，根据该运动信号可以计算使用者运动的总步数、走路的脚步频率和/或运动时间等运动参数。

下面说明如何计算用户消耗的能量与运动量(步骤106)。假设用户体重为weight(单位Kg)，身高为height(单位cm)，步数steps(单位步)，运动时间time(单位min)，步幅为stride(单位m)，消耗能量为W(单位卡路里)，运动量为E(单位Ex)。其中不同用户的体重为weight、身高为height和步幅stride可通过录入装置(例如包括但不限于键盘、小键盘、按键等)来进行设定(步骤100)；而对于固定的用户，可将这些参数储存起来从而可省略设定步骤。那么，一般情况下，人体运动所消耗的能量与运动量之间的关系为：

W＝1.05×weight×E    (1)

当用户的运动既包括水平方向的运动，又包括垂直方向的运动(即高度有变化)时，用户的能量消耗W_T可以由一个最简单的数学模型计算得到：

W_T＝W_L+W_V                    (2)

也就是说，总的能量消耗W_T由两个部分组成：无高度变化运动所消耗的能量W_L和有高度变化时所消耗的能量W_V。

相应的，总的运动量E_T为：

E_T＝E_L+E_V                    (3)

其中E_T为总运动量，E_L表示无高度变化运动量，E_V表示有高度变化运动量。

当测量的高度值h在单位时间内变化较小时，表明用户正在平地上做运动，此时W_V＝0，E_V＝0，据此可以计算出运动量E_T为：

E_T＝E_L＝k₁(steps/time)

其中k₁是与身高有关的系数，可表示为：

k₁＝(height-100)/240。

此时，消耗的总热量W_T为：

W_T＝W_L＝1.05×weight×E_T

当检测的高度值h在单位时间内变化值较大时，表明用户在做爬山、爬楼梯等运动。此时，W_L＞0且W_V＞0。通过运动信号传感器计算出用户的步数steps，运动时间T，并计算出运动时间T内相对海拔高度变化值Δh(单位m)。

当Δh＞0时，说明用户是在做上坡运动。下面阐述此种情况如何计算消耗的热量：

由经典物理学公式可知，当一个物体克服重力竖直向上运动高度Δh时，所需的能量为：

W＝weight×g×Δh

同样，当人体做同样的动作时，至少也需消耗W的能量。但是，人体为完成这一系列动作，肌肉会做大量的无用功，也就是说，人体肌肉在将生物或化学能量转化为机械能的过程中，还会产生大量的热以及其他附加消耗。因此，人体在竖直方向的能量消耗W_VJ由以下公式计算得到：

W_VJ＝k₂×(weight×g×Δh)

其中k₂为肌肉的能效系数，可通过实验检测和统计分析来确定，大小为3.5。算得的结果W_VJ的单位为焦耳，将其转换为卡路里，于是，W_V为：

W_V＝W_VJ/4.2

因此，由(3)式可以得到运动量为：

E_T＝E_L+E_V＝E_L+W_V/(1.05×weight)。

当Δh＜0时，说明是在做下坡运动，如图2所示，此时在竖直方向上，人体做的功由两部分组成：克服重力做的功(此时为负)与人体为控制下坡速度“刹车”而使肌肉消耗的能量。通过抽取不同人群在不同坡度上的耗氧量测算及数据记录，并根据实测数据拟合可得到以下计算公式：

W_VJ＝2.4×0.3^(α/7.65)×(weight×g×Δh)

Δh为负数，故算得的W_VJ也为负数，单位为焦耳，将其转换为卡路里，于是，W_V为：

W_V＝W_VJ/4.2；

其中α为坡度(0≤α＜+∞)，如图2所示，它可由单位时间内下降的高度和单位时间内走的路程steps×stride算出：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{steps}\×\mathrm{stride}}{\mathrm{\Δh}}\right)}^2-1}}$

于是，W_VJ为与Δh有关的函数：

$W_{\mathrm{VJ}}=(\mathrm{weight}\×g\×\mathrm{\Δh})\×2.4\×{0.3}^{\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{steps}\×\mathrm{stride}}{\mathrm{\Δh}}\right)}^2-1}}}.$

由(1)式及(3)式可得此时运动量E_T为：

E_T＝E_L+W_V/1.05×weight)。

计算出目标对象的运动量和消耗的能量后，可以利用显示器显示运动量和/或消耗的能量(步骤108)，另外，还可以显示根据运动信号计算的使用者运动的总步数、走路的脚步频率和/或运动时间等运动参数。

如图3所示，是按照本发明一个实施例的运动量计量装置300的示意性框图，主要包括运动检测模块304、高度检测模块306、以及计算模块308。在其他实施例中，还可选地包括设定模块302和显示模块310。

其中设定步模块302包括但不限于键盘、小键盘、按键等以及与其相连接的外围电路，用于设定目标对象的体重、身高、以及步幅等参数。运动检测模块304包括运动信号传感器(如压电传感器，摆锤，加速度传感器等)，用于检测目标对象的运动信号。高度检测模块306主要包括气压传感器和温度传感器，用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；计算模块308包括但不限于CPU、DSP、DLC、单片机等，根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量；显示模块310可以是普通的液晶显示屏以及与其相连接的驱动电路等，用于显示计算的运动量和/或消耗的能量，另外，还可以显示根据运动信号计算的使用者运动的总步数、走路的脚步频率和/或运动时间等运动参数。

按照本发明实施例的运动量计量装置300可以通过软件、硬件、固件及其结合来实现。如图4所示，是按照另一个实施例的运动量测量装置或运动量测量仪的示意性结构框图，包括微处理器以及连接到该微处理器的按键、运动信号传感器、气压传感器和温度传感器、以及显示器。其中微处理器可以起到计算模块的作用，按键与微处理器的结合可以起到设定步模块的作用，运动信号传感器与微处理器的结合可以起到运动检测模块的作用，气压传感器和温度传感器与微处理器的结合可以起到高度检测模块的作用，显示器与微处理器的结合可以起到显示模块的作用。下面描述按照本实施例的运动量测量仪的运行过程。

如图5所示，开机后，运动信号传感器检测有无运动信号；当检测有效的运动信号时，根据该信号计算运动步数和时间，同时，打开高度信号传感器(即气压传感器和温度传感器)。如果检测到高度基本没有变化，则根据运动信号传感器检测的信号计算消耗的卡路里和运动量；如果检测到高度有明显变化，则根据气压传感器和温度传感器检测的数值计算高度变化值，并确定是做上坡运动还是下坡运动，然后，根据运动信号传感器检测的信号以及高度信号传感器检测的数值计算消耗的卡路里和运动量。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语，并不是限制，仅仅是为了便于描述。此外，以上多处所述的“一个实施例”、“另一个实施例”等等表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分实现在一个实施例中。

Claims (10)

1.一种运动量计量方法，包括：

运动检测步骤，用于检测目标对象的运动信号；

其特征在于，还包括：

高度检测步骤，用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；以及

计算步骤，根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量。

2.如权利要求1所述的运动量计量方法，其特征在于，还包括：

设定步骤，用于设定目标对象的体重、身高、以及步幅。

3.如权利要求1所述的运动量计量方法，其特征在于，还包括：

显示步骤，用于显示计算的运动量和/或消耗的能量。

4.如权利要求1至3任一项所述的运动量计量方法，其特征在于：在所述高度检测步骤中，通过检测目标对象所处环境温度和大气压力，来检测目标对象运动时所处高度的变化值。

5.如权利要求1至3任一项所述的运动量计量方法，其特征在于：在所述计算步骤中，分别计算目标对象在水平方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，以及在垂直方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，并将两者相加作为总的运动量和/或消耗的能量。

6.一种运动量计量仪，包括：

运动检测模块，用于检测目标对象的运动信号；

其特征在于，还包括：

高度检测模块，用于检测目标对象运动时所处高度的变化值；以及

计算模块，根据检测的运动信号以及高度变化值计算目标对象的运动量和/或消耗的能量。

7.如权利要求6所述的运动量计量仪，其特征在于，还包括：

设定模块，用于设定目标对象的体重、身高、以及步幅。

8.如权利要求6所述的运动量计量仪，其特征在于，还包括：

显示模块，用于显示计算的运动量和/或消耗的能量。

9.如权利要求6至8任一项所述的运动量计量仪，其特征在于：所述高度检测模块通过检测目标对象所处环境温度和大气压力，来检测目标对象运动时所处高度的变化值。

10.如权利要求6至8任一项所述的运动量计量仪，其特征在于：所述计算模块分别计算目标对象在水平方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，以及在垂直方向运动引起的运动量和/或消耗的能量，并将两者相加作为总的运动量和/或消耗的能量。

Images