CN104864886B - 基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法及系统，方法包括：获取用户特征参数，进而计算出用户的跑动步长；采集用户的手臂摆动角度数据，得出用户的手臂摆动角度窗口；根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，并测量用户跑动过程的持续时间；根据得到的持续时间、跑动步数和跑动步长，计算得出跑动距离和跑动速度。系统包括微处理器、按键、电子纸显示屏和三轴加速度传感器。本发明能根据不同个体的实际情况进行计算，大大提高准确性，使得用户可以清晰的了解到自己在跑动过程的运动状态，从而定制自己的跑步计划或者提高运动效率等，达到改善人体身体健康的目的。本发明可广泛应用于运动监测领域中。

Description

基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法及系统

技术领域

本发明涉及运动监测领域，尤其涉及基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法及系统。

背景技术

早期的跑动计步器是利用加重的机械开关检测步伐，就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点出现通/断动作，再由一个简单的计数器记录并显示步数，这被称作机械式计步器。这种计步器结构简单，但由于它必须以垂直的方式悬挂于腰间，如果位置不对则计步很不准确，目前已趋淘汰。

对于现在有些计步器，虽然也采用了三轴加速度传感器，但主要采用公式法和加速度阈值法。这种算法优点在于能直接得出瞬时速度，但是精确度不够。而加速度阈值法是针对人在运动的过程中，某一个方向的加速度会出现周期性的大范围波动，而另外的方向波动较小，因此检测出大范围波动即可判断出是否运动，根据波形的个数就可以判断走的步数，将器件佩戴在腰部或臀部，很少放到手腕上。使用时会干扰人的行为，计步不准确。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能适应用户运动情况，且提高准确性的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法及系统。

本发明所采用的技术方案是：

基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，包括以下步骤：

A、获取用户特征参数，进而计算出用户的跑动步长；

B、采集用户的手臂摆动角度数据，得出用户的手臂摆动角度窗口；

C、根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，并测量用户跑动过程的持续时间；

D、根据得到的持续时间、跑动步数和跑动步长，计算得出跑动距离和跑动速度。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法的进一步改进，所述步骤A中的用户特征参数包括：身高、体重和性别。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法的进一步改进，所述步骤A包括：

A1、根据用户特征参数中的身高和体重，计算用户的BMI指数；

A2、判断BMI指数是否大于24，若是，则根据以下公式计算用户的跑动步长：

当用户性别为男时，跑动步长的计算公式为：y=(h-132)*0.89/0.54；

当用户性别为女时，跑动步长的计算公式为：y= (h-130)*0.9/0.52；

其中，y表示跑动步长，h表示身高；

反之，则根据以下公式计算用户的跑动步长：

当用户性别为男时，跑动步长的计算公式为：y=(h-132)/0.54；

当用户性别为女时，跑动步长的计算公式为：y= (h-130)/0.52；

其中，y表示跑动步长，h表示身高。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法的进一步改进，所述步骤B包括：

B1、根据预设的挥臂采样次数，对用户的前若干次的手臂摆动角度进行采样，得出每次手臂摆动的最大角度值；

B2、根据每次手臂摆动的最大角度值，将最大角度值中的最小值作为手臂摆动角度窗口最小值，将最大角度值中的最大值作为手臂摆动角度窗口最大值，从而得出用户的手臂摆动角度窗口。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法的进一步改进，所述步骤C中的根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，其具体包括为：

C1、对用户每次的手臂摆动角度进行采样，得出每次手臂摆动的最大角度值；

C2、判断该次手臂摆动的最大角度值是否在手臂摆动角度窗口范围内，若是，则将跑动步数增加1；反之，则跑动步数维持不变。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法的进一步改进，所述步骤C还包括：

当连续的手臂摆动的最大角度值均不在手臂摆动角度窗口范围内的次数到达预设的调整次数，则对手臂摆动角度窗口进行重新调整。

本发明所采用的另一技术方案是：

基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测系统，包括微处理器、按键、电子纸显示屏和三轴加速度传感器，所述微处理器的输出端与电子纸显示屏的输入端连接，所述微处理器的输入端与按键的输出端连接，所述微处理器与三轴加速度传感器连接。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测系统的进一步改进，所述按键为触摸按键。

作为所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测系统的进一步改进，所述三轴加速度传感器采用ADXL362三轴加速度传感器。

本发明的有益效果是：

本发明基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法根据不同用户的用户特征参数得出对应的跑动步长，以及根据手臂摆动角度窗口检测跑动步数，从而计算出跑动距离和跑动速度，这样能根据不同个体的实际情况进行计算，大大提高准确性，使得用户可以清晰的了解到自己在跑动过程的运动状态，从而定制自己的跑步计划或者提高运动效率等，达到改善人体身体健康的目的。而且，本发明中还能动态调整手臂摆动角度窗口，更符合跑步中的实际情况，进一步提升计算的准确性。

本发明的另一有益效果是：

本发明基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测系统通过三轴加速度传感器测量用户的手臂摆动角度，从而判定用户的跑动步数，进而计算出跑动距离和跑动速度，大大提高准确性，使得用户可以清晰的了解到自己在跑动过程的运动状态，从而定制自己的跑步计划或者提高运动效率等，达到改善人体身体健康的目的。而且本发明采用电子纸显示屏，能有效节省电能，大大提升续航能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法的步骤流程图；

图2是本发明基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测系统的原理方框图。

具体实施方式

参考图1，本发明基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，包括以下步骤：

A、获取用户特征参数，进而计算出用户的跑动步长；

B、采集用户的手臂摆动角度数据，得出用户的手臂摆动角度窗口；

C、根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，并测量用户跑动过程的持续时间；

D、根据得到的持续时间、跑动步数和跑动步长，计算得出跑动距离和跑动速度。

进一步作为优选的实施方式，本发明的具体实施例中，所述步骤A中的用户特征参数包括身高、体重和性别。

所述步骤A包括：

A1、根据用户特征参数中的身高和体重，计算用户的BMI指数，BMI=体重（kg）/身高^2（m）；

A2、判断BMI指数是否大于24，若是，则根据以下公式计算用户的跑动步长：

当用户性别为男时，跑动步长的计算公式为：y=(h-132)*0.89/0.54；

当用户性别为女时，跑动步长的计算公式为：y= (h-130)*0.9/0.52；

其中，y表示跑动步长，h表示身高；

反之，则根据以下公式计算用户的跑动步长：

当用户性别为男时，跑动步长的计算公式为：y=(h-132)/0.54；

当用户性别为女时，跑动步长的计算公式为：y= (h-130)/0.52；

其中，y表示跑动步长，h表示身高。

进一步，本发明还可根据不同个体的需要在用户特征参数中加入体重等用户特征参数，建立对应的人体运动模型，从而更精确测量对应的跑动步长。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤B包括：

B1、根据预设的挥臂采样次数，对用户的前若干次的手臂摆动角度进行采样，得出每次手臂摆动的最大角度值；

B2、根据每次手臂摆动的最大角度值，将最大角度值中的最小值作为手臂摆动角度窗口最小值，将最大角度值中的最大值作为手臂摆动角度窗口最大值，从而得出用户的手臂摆动角度窗口。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中的根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，其具体包括为：

C1、对用户每次的手臂摆动角度进行采样，得出每次手臂摆动的最大角度值；

C2、判断该次手臂摆动的最大角度值是否在手臂摆动角度窗口范围内，若是，则将跑动步数增加1；反之，则跑动步数维持不变。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤C还包括：

当连续的手臂摆动的最大角度值均不在手臂摆动角度窗口范围内的次数到达预设的调整次数，则对手臂摆动角度窗口进行重新调整。

本发明具体实施例中，用户首先需要输入自己的身高，性别等参数。本实施例中，用户性别男，体重70kg，身高173cm，则BMI=23.39<24，得出用户的跑动步长是75.9cm。

本实施例中预设的挥臂采样次数设为20次，预设的调整次数设为5次，该用户按照自己的跑动习惯挥动手臂20次，采样得出20个手臂摆动的最大角度值，假设这些角度分别是31，30，32，31，34，32，32，35，36，32，31，32，31，32，34，35，35，32，30，32。则得出该用户的手臂摆动角度窗口为30<data<36，在用户跑动过程中，只要手臂摆动的角度在这个窗口内,可以认为跑动了一步，当该男用户跑动后，手臂摆动的最大角度值为32，落在角度窗口内，则跑动步数step=step+1，step的初始值为0。接下来进入这样的循环，只要摆动的角度在手臂摆动角度窗口内，step自加1。当连续5次摆臂中，假设该男性跑了五步手臂摆动的角度分别为28,26,27,23,26，手臂摆动的角度都没有落在手臂摆动角度窗口内，则说明该男性跑的时间长了，跑动一步手臂摆动的角度变小，则根据公式(x1+x2+x3+x4+x5)/5-3<data<(x1+x2+x3+x4+x5)/5+3重置手臂摆动角度窗口为23<data<29，动态调整手臂摆动角度窗口让测量的跑动距离和平均速度更加精确。当用户跑完停止时，显示用户的运动结果。该男性跑20分钟后，显示输出跑动时间为20分钟，跑动步数1197步，跑动步长是0.759m，则显示的跑动距离就是1197*0.759m=908m,该用户的平均跑动速度为0.757m/s，说明该用户跑的比较慢。在调整手臂摆动角度窗口时，会有五秒的跑动步数没有计算进去，但是在整个跑动过程中这误差是很小的，忽略不计，跟据这些数据用户就能清楚地知道自己的跑步状态。

参考图2，基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测系统，包括微处理器、按键、电子纸显示屏和三轴加速度传感器，所述微处理器的输出端与电子纸显示屏的输入端连接，所述微处理器的输入端与按键的输出端连接，所述微处理器与三轴加速度传感器连接。

进一步作为优选的实施方式，所述按键为触摸按键。

进一步作为优选的实施方式，所述三轴加速度传感器采用微米级的ADXL362三轴加速度传感器，更为精确。

本发明实施例中，电子纸显示屏采用显示效果更好，更省电的Eink的电子纸1.5寸屏。本发明佩戴在手腕上，通过三轴加速度传感器测量用户的手臂摆动角度，从而微处理器判定用户的跑动步数，进而精确计算出跑动距离和跑动速度。

从上述内容可知，本发明基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法及系统能根据不同个体的实际情况进行计算，大大提高准确性，使得用户可以清晰的了解到自己在跑动过程的运动状态，从而定制自己的跑步计划或者提高运动效率等，达到改善人体身体健康的目的。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、获取用户特征参数，进而计算出用户的跑动步长；

B、采集用户的手臂摆动角度数据，得出用户的手臂摆动角度窗口；

C、根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，并测量用户跑动过程的持续时间；

D、根据得到的持续时间、跑动步数和跑动步长，计算得出跑动距离和跑动速度；

所述步骤B包括：

B1、根据预设的挥臂采样次数，对用户的前若干次的手臂摆动角度进行采样，得出每次手臂摆动的最大角度值；

B2、根据每次手臂摆动的最大角度值，将最大角度值中的最小值作为手臂摆动角度窗口最小值，将最大角度值中的最大值作为手臂摆动角度窗口最大值，从而得出用户的手臂摆动角度窗口。

2.根据权利要求1所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，其特征在于：所述步骤A中的用户特征参数包括：身高、体重和性别。

3.根据权利要求2所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，其特征在于：所述步骤A包括：

A1、根据用户特征参数中的身高和体重，计算用户的BMI指数；

A2、判断BMI指数是否大于24，若是，则根据以下公式计算用户的跑动步长：

当用户性别为男时，跑动步长的计算公式为：y＝(h-132)*0.89/0.54；

当用户性别为女时，跑动步长的计算公式为：y＝(h-130)*0.9/0.52；

其中，y表示跑动步长，h表示身高；

反之，则根据以下公式计算用户的跑动步长：

当用户性别为男时，跑动步长的计算公式为：y＝(h-132)/0.54；

当用户性别为女时，跑动步长的计算公式为：y＝(h-130)/0.52；

其中，y表示跑动步长，h表示身高。

4.根据权利要求1所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，其特征在于：所述步骤C中的根据手臂摆动角度窗口，监测得出用户跑动过程中的跑动步数，其具体包括为：

C1、对用户每次的手臂摆动角度进行采样，得出每次手臂摆动的最大角度值；

C2、判断该次手臂摆动的最大角度值是否在手臂摆动角度窗口范围内，若是，则将跑动步数增加1；反之，则跑动步数维持不变。

5.根据权利要求4所述的基于微纳米级的三轴加速度传感器的运动监测方法，其特征在于：所述步骤C还包括：

当连续的手臂摆动的最大角度值均不在手臂摆动角度窗口范围内的次数到达预设的调整次数，则对手臂摆动角度窗口进行重新调整。