CN104905794B - 一种行人步频计算系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行人步频计算系统及方法，该系统包括腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4以及网关5，腰部量装置1和大腿部测量装置2用于测量行人髋关节角度，大腿部测量装置2和小腿部测量装置3用于测量行人膝关节角度，小腿部测量装置3和足面测量装置4用于测量行人踝关节角度，通过无线通信将各个测量数据发送至网关5,在网关5中进行行人步频计算和显示，所述网关嵌入式微处理器52用于计算行人的步频 _，并将行人的步频发送给网关显示模块53；所述网关显示模块53用于显示行人步频。该系统采用行人腿部关节角度结合行人腰部竖直方向加速度数据进行行人步频计算，在包含噪声的情况下，能准确计算行人步频。

Description

一种行人步频计算系统及其方法

技术领域

本发明涉及到行人步态测量领域，特指一种行人步频计算系统及其方法。

背景技术

行人步频是基于行人的步态过程，通过各类传感器计算行人所完成的步态周期个数，进而计算得到的行人步行频率。行人步频是行人步态分析、行人航迹推算等应用中的基础要素，在康复医疗、体育科学以及行人导航定位等领域有着广泛的应用。

行人步频计算最重要的是准确计算出行人步行过程中的每个步态周期，对步态周期的计算有很多常规的方法：如论文“基于数字视频和数字图像处理的步态分析在卒中康复训练中的应用”《2009年中国脑血管病杂志，胡雪艳，456页-460页》一文中，基于图像对步频进行计算,在图像采集阶段存在标记点标定及摄像机定位等问题，操作较为复杂，而且视频信号数据量较大很难实现实时步频计算；如论文“基于GPS和自包含传感器的行人室内外无缝定位算法研究”《中国博士学位论文全文数据库,陈伟,61页-69页》一文中基于小腿EMG肌电信号计算行人步频，如论文“基于惯性传感器和WiFi的室内定位系统设计和实现”《中国优秀硕士学位论文全文数据库，张世哲，17页-26页》一文中基于加速度传感器计算行人步频，这类步频计算系统中一般基于传感器信号采用峰值计算法、过零计算法、平带计算法等计算行人步频，在测量信号具有噪声情况下，行人步频计算误差较大，而且需要对测量信号连续不断的进行搜索和计算，算法效率偏低。

常规的行人步频算法在测量信号具有噪声情况下，针对信号的峰值计算、过零计算以及平带计算等误差较大，在测量信号具有噪声情况下存在行人步频计算误差较大的问题；而且常规的行人步频算法需要对测量信号连续不断的进行计算，存在算法效率偏低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种无需连续计算、在测量信号具有噪声情况下也能实现准确、高效的行人步频计算的系统及其方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

本发明提出一种行人步频计算系统，它包括腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4以及网关5，其中，腰部量装置1和大腿部测量装置2用于测量行人髋关节角度，大腿部测量装置2和小腿部测量装置3用于测量行人膝关节角度，小腿部测量装置3和足面测量装置4用于测量行人踝关节角度，通过无线通信将各个测量数据发送至网关5,在网关5中进行行人步频计算和显示，其特征在于：

所述的腰部测量装置1安装于行人腰部位置，包括腰部惯性测量模块11、腰部嵌入式微处理器12、腰部无线数据收发模块13，其中，

腰部惯性测量模块11用于读取测量行人腰部的旋转角速度数据和加速度数据，并传送给腰部嵌入式微处理器12；

腰部嵌入式微处理器12用于接收腰部惯性测量模块11测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

腰部无线数据收发模块13接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的大腿部测量装置2安装于行人大腿部位置，包括大腿部惯性测量模块21、大腿部嵌入式微处理器22、大腿部无线数据收发模块23，其中，

大腿部惯性测量模块21用于读取测量行人大腿部的旋转角速度数据和加速度数据并传送给大腿部嵌入式微处理器22；

大腿部嵌入式微处理器22用于接收大腿部惯性测量模块21测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

大腿部无线数据收发模块23接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的小腿部测量装置3安装于行人小腿部位置，包括小腿部惯性测量模块31、小腿部嵌入式微处理器32、小腿部无线数据收发模块33，其中，

小腿部惯性测量模块31用于读取测量行人小腿部的旋转角速度数据和加速度数据并传送给小腿部嵌入式微处理器32；

小腿部嵌入式微处理器32用于接收小腿部惯性测量模块31测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

小腿部无线数据收发模块33接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的足面测量装置4安装于行人足面位置，包括足面惯性测量模块41、足面嵌入式微处理器42、足面无线数据收发模块43，其中，

足面惯性测量模块41用于读取测量行人足面的旋转角速度数据和加速度数据并传送给足面嵌入式微处理器42；

足面嵌入式微处理器42用于接收足面惯性测量模块41测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

足面无线数据收发模块43接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的网关5用于计算行人的步频F(j)，并显示行人的步频F(j)计算结果，网关5包括网关无线数据收发模块51、网关嵌入式微处理器52、网关显示模块53，其中：

所述网关无线数据收发模块51用于接收腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4发来的各旋转角速度数据以及加速度数据，并发送给网关嵌入式微处理器模块52；

所述网关嵌入式微处理器52用于计算行人的步频F(j)，并将行人的步频F(j)发送给网关显示模块53；

所述网关显示模块53用于显示行人步频F(j)；

一种行人步频计算方法，该方法采用行人步频测量系统测量行人步频，其步骤为：

(1).将腰部惯性测量模块11测量腰部的竖直方向加速度数据的峰值标识表示为G_f(j)，

若G_f(j)＝1，则确定腰部惯性测量模块11测量腰部的竖直方向加速度数据为峰值，

若G_f(j)＝0，则确定腰部惯性测量模块11测量腰部的竖直方向加速度数据为不是峰值；

初始化G_f(j)＝0；

将大腿部惯性测量模块21测量大腿部的前进方向上的加速度数据正负标识表示为G_z(j)，

若G_z(j)＝1，则确定大腿部惯性测量模块21的前进方向上的加速度数据为正值，

若G_z(j)＝0，则确定大腿部惯性测量模块21的前进方向上的加速度数据为负值，j表示行人步态周期序；

初始化G_z(j)＝0；

(2).分别将腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4测量的旋转角速度数据和加速度数据发送至网关5；

(3).采用网关5中的网关嵌入式微处理器52的测量数据，分别计算腰部惯性测量模块12的竖直方向加速度数据的峰值标识G_f(j)和大腿部惯性测量模块12的前进方向上的加速度数据正负标识G_z(j)，当腰部惯性测量模块12的竖直方向加速度数据达到峰值，即G_f(j)＝1，则转步骤(4)，否则转步骤(2)；

(4).分别设置行人步态双脚支撑期后脚目标函数和前脚目标函数，计算行人步态周期内后脚的计数值和前脚的计数值，具体方法如下：

(4-1).当G_f(j)＝1且G_z(j)＝0时，即G_f(j)·(G_z(j)+1)＝1时，计算行人步态周期计时器的计数值C_start，具体步骤如下：

(4-1-1).设置行人步态双脚支撑期后脚目标函数，记为Z₁(t)，计算行人步态双脚支撑期的后脚的关节角度：

式(1)中，θ₁(t)表示利用腰部惯性测量模块11和大腿部惯性测量模块21的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的髋关节角度；θ₃(t)表示利用小腿部惯性测量模块31和足面惯性测量模块41的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的踝关节角度；t为行人步态双脚支撑周期内的时间；

(4-1-2).当[Z₁(t+nk)-Z₁(t-k)][Z₁(t-k)-Z₁(t-nk)]＜0，则认为行人的步态未到达双脚支撑期内，返回步骤(2)，

当[Z₁(t+nk)-Z₁(t-k)][Z₁(t-k)-Z₁(t-nk)]＞0，其中，n为小于10的常数，k表示行人步态双脚支撑周期，则认为行人的步态已到达双脚支撑期内，装在网关嵌入式微处理器52中的计时器的计数，其计数值记为C_start；

(4-2).当G_f(j)＝1且G_z(j)＝1时，即G_f(j)·(G_z(j)+1)＝2时，计算步态周期计时器的计数值C_end，具体步骤如下：

(4-2-1).设置行人步态双脚支撑期前脚目标函数，记为Z₂(t)，计算行人步态双脚支撑期的前脚的关节角度：

Z₂(t)＝φ₁(t)-φ₂(t)+φ₃(t) (2)

式(2)中，φ₁(t)表示利用腰部惯性测量模块11和大腿部惯性测量模块21的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的髋关节角度；φ₂(t)表示利用大腿部惯性测量模块21和小腿部惯性测量模块31的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的膝关节角度；φ₃(t)表示利用小腿部惯性测量模块31和足面惯性测量模块41的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的踝关节角度；

(4-2-2).当[Z₂(t+nk)-Z₂(t-k)][Z₂(t-k)-Z₂(t-nk)]＜0，则认为行人的步态未到达双脚支撑期，返回步骤(2)，

当[Z₂(t+nk)-Z₂(t-k)][Z₂(t-k)-Z₂(t-nk)]＞0，其中，n为小于10的常数，k表示行人步态双脚支撑周期，则认为行人的步态已到达双脚支撑期内，装在网关嵌入式微处理器52中的计时器计数，其计数值记为C_end；

(5).计算行人步频F(j)，其计算式为：

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

本发明一种行人步频计算系统及其方法，该系统在行人腰部竖直方向加速度数据达到峰值时计算行人步频具有效率高、占用微处理器资源少等优点；该方法采用行人腿部关节角度结合行人腰部竖直方向加速度数据进行行人步频计算，在传感器数据中包含噪声的情况下，能够准确计算行人的步频。

附图说明

图1是本发明的一种行人步频计算系统的结构示意图；

图2是本发明的一种行人步频计算方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种行人步频计算系统，它包括腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4以及网关5，其中，腰部量装置1和大腿部测量装置2用于测量行人髋关节角度，大腿部测量装置2和小腿部测量装置3用于测量行人膝关节角度，小腿部测量装置3和足面测量装置4用于测量行人踝关节角度，通过无线通信将各个测量数据发送至网关5,在网关5中进行行人步频计算和显示，其特征在于：

所述的腰部测量装置1安装于行人腰部位置，包括腰部惯性测量模块11、腰部嵌入式微处理器12、腰部无线数据收发模块13，其中，

腰部惯性测量模块11用于读取测量行人腰部的旋转角速度数据和加速度数据，并传送给腰部嵌入式微处理器12；

腰部嵌入式微处理器12用于接收腰部惯性测量模块11测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

腰部无线数据收发模块13接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的大腿部测量装置2安装于行人大腿部位置，包括大腿部惯性测量模块21、大腿部嵌入式微处理器22、大腿部无线数据收发模块23，其中，

大腿部惯性测量模块21用于读取测量行人大腿部的旋转角速度数据和加速度数据并传送给大腿部嵌入式微处理器22；

大腿部嵌入式微处理器22用于接收大腿部惯性测量模块21测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

大腿部无线数据收发模块23接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的小腿部测量装置3安装于行人小腿部位置，包括小腿部惯性测量模块31、小腿部嵌入式微处理器32、小腿部无线数据收发模块33，其中，

小腿部惯性测量模块31用于读取测量行人小腿部的旋转角速度数据和加速度数据并传送给小腿部嵌入式微处理器32；

小腿部嵌入式微处理器32用于接收小腿部惯性测量模块31测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

小腿部无线数据收发模块33接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的足面测量装置4安装于行人足面位置，包括足面惯性测量模块41、足面嵌入式微处理器42、足面无线数据收发模块43，其中，

足面惯性测量模块41用于读取测量行人足面的旋转角速度数据和加速度数据并传送给足面嵌入式微处理器42；

足面嵌入式微处理器42用于接收足面惯性测量模块41测量的旋转角速度数据以及加速度数据；

足面无线数据收发模块43接收或发送旋转角速度数据以及加速度数据，将其发送给网关5；

所述的网关5用于计算行人的步频F(j)，并显示行人的步频F(j)计算结果，网关5包括网关无线数据收发模块51、网关嵌入式微处理器52、网关显示模块53，其中：

所述网关无线数据收发模块51用于接收腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4发来的各旋转角速度数据以及加速度数据，并发送给网关嵌入式微处理器模块52；

所述网关嵌入式微处理器52用于计算行人的步频F(j)，并将行人的步频F(j)发送给网关显示模块53；

所述网关显示模块53用于显示行人步频F(j)；

如图2所示，本发明一种行人步频计算方法，该方法采用行人步频测量系统测量行人步频，其步骤为：

(1)、将腰部惯性测量模块11测量腰部的竖直方向加速度数据的峰值标识表示为G_f(j)，

若G_f(j)＝1，则确定腰部惯性测量模块11测量腰部的竖直方向加速度数据为峰值，

若G_f(j)＝0，则确定腰部惯性测量模块11测量腰部的竖直方向加速度数据为不是峰值；

初始化G_f(j)＝0；

将大腿部惯性测量模块21测量大腿部的前进方向上的加速度数据的正负标识表示为G_z(j)，

若G_z(j)＝1，则确定大腿部惯性测量模块21的前进方向上的加速度数据为正值，

若G_z(j)＝0，则确定大腿部惯性测量模块21的前进方向上的加速度数据为负值，j表示行人步态周期序；

初始化G_z(j)＝0；

(2).分别将腰部测量装置1、大腿部测量装置2、小腿部测量装置3、足面测量装置4测量的旋转角速度数据和加速度数据发送至网关5；

(3).采用网关5中的网关嵌入式微处理器52的测量数据，分别计算腰部惯性测量模块11的竖直方向加速度数据的峰值标识G_f(j)和大腿部惯性测量模块21的前进方向上的加速度数据的正负标识G_z(j)，当腰部惯性测量模块11的竖直方向加速度数据达到峰值，即G_f(j)＝1，则转步骤(4)，否则转步骤(2)；

(4).分别设置行人步态双脚支撑期后脚目标函数和前脚目标函数，计算行人步态周期内后脚的计数值和前脚的计数值，具体方法如下：

(4-1).当G_f(j)＝1且G_z(j)＝0时，即G_f(j)·(G_z(j)+1)＝1时，计算行人步态周期计时器的计数值C_start，具体步骤如下：

(4-1-1).设置行人步态双脚支撑期后脚目标函数，记为Z₁(t)，计算行人步态双脚支撑期的后脚的关节角度：

式(1)中，θ₁(t)表示利用腰部惯性测量模块11和大腿部惯性测量模块21的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的髋关节角度；θ₃(t)表示利用小腿部惯性测量模块31和足面惯性测量模块41的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的踝关节角度t为行人步态双脚支撑周期内的时间；

(4-1-2).当[Z₁(t+nk)-Z₁(t-k)][Z₁(t-k)-Z₁(t-nk)]＜0，则认为行人的步态未到达双脚支撑期内，返回步骤(2)，：

当[Z₁(t+nk)-Z₁(t-k)][Z₁(t-k)-Z₁(t-nk)]＞0，其中，n为小于10的常数，k表示行人步态双脚支撑周期，则认为行人的步态已到达双脚支撑期内，装在网关嵌入式微处理器52中的计时器的计数，其计数值记为C_start；

(4-2).当G_f(j)＝1且G_z(j)＝1时，即G_f(j)·(G_z(j)+1)＝2时，计算步态周期计时器的计数值C_end，具体步骤如下：

(4-2-1).设置行人步态双脚支撑期前脚目标函数，记为Z₂(t)，计算行人步态双脚支撑期的前脚的关节角度：

Z₂(t)＝φ₁(t)-φ₂(t)+φ₃(t) (2)

式(2)中，φ₁(t)表示利用腰部惯性测量模块11和大腿部惯性测量模块21的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的髋关节角度；φ₂(t)表示利用大腿部惯性测量模块21和小腿部惯性测量模块31的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的膝关节角度；φ₃(t)表示利用小腿部惯性测量模块31和足面惯性测量模块41的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的踝关节角度；

(4-2-2).当[Z₂(t+nk)-Z₂(t-k)][Z₂(t-k)-Z₂(t-nk)]＜0，则认为行人的步态未到达双脚支撑期，返回步骤(2)，

当[Z₂(t+nk)-Z₂(t-k)][Z₂(t-k)-Z₂(t-nk)]＞0，其中，n为小于10的常数，k表示行人步态双脚支撑周期，则认为行人的步态已到达双脚支撑期内，装在网关嵌入式微处理器52中的计时器计数，其计数值记为C_end；

(5).计算行人步频F(j)，其计算式为：

Claims (1)

1.一种行人步频计算方法，其特征在于，该方法采用行人步频测量系统测量行人步频，其步骤为：

(1).将腰部惯性测量模块(11)测量腰部的竖直方向加速度数据的峰值标识表示为G_f(j)，

若G_f(j)＝1，则确定腰部惯性测量模块(11)测量腰部的竖直方向加速度数据为峰值，

若G_f(j)＝0，则确定腰部惯性测量模块(11)测量腰部的竖直方向加速度数据为不是峰值；

初始化G_f(j)＝0；

将大腿部惯性测量模块(21)测量大腿部的前进方向上的加速度数据正负标识表示为G_z(j)，

若G_z(j)＝1，则确定大腿部惯性测量模块(21)的前进方向上的加速度数据为正值，

若G_z(j)＝0，则确定大腿部惯性测量模块(21)的前进方向上的加速度数据为负值，j表示行人步态周期序；

初始化G_z(j)＝0；

(2).分别将腰部测量装置(1)、大腿部测量装置(2)、小腿部测量装置(3)、足面测量装置(4)测量的旋转角速度数据和加速度数据发送至网关(5)；

(3).采用网关(5)中的网关嵌入式微处理器(52)的测量数据，分别计算腰部惯性测量模块(12)的竖直方向加速度数据的峰值标识G_f(j)和大腿部惯性测量模块(12)的前进方向上的加速度数据正负标识G_z(j)，当腰部惯性测量模块(12)的竖直方向加速度数据达到峰值，即G_f(j)＝1，则转步骤(4)，否则转步骤(2)；

(4).分别设置行人步态双脚支撑期后脚目标函数和前脚目标函数，计算行人步态周期内后脚的计数值和前脚的计数值，具体方法如下：

(4-1).当G_f(j)＝1且G_z(j)＝0时，即G_f(j)·(G_z(j)+1)＝1时，计算行人步态周期计时器的计数值C_start，具体步骤如下：

(4-1-1).设置行人步态双脚支撑期后脚目标函数，记为Z₁(t)，计算行人步态双脚支撑期的后脚的关节角度：

<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(1)中，θ₁(t)表示利用腰部惯性测量模块(11)和大腿部惯性测量模块(21)的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的髋关节角度；θ₃(t)表示利用小腿部惯性测量模块(31)和足面惯性测量模块(41)的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的踝关节角度；t为行人步态双脚支撑周期内的时间；

(4-1-2).当[Z₁(t+nk)-Z₁(t-k)][Z₁(t-k)-Z₁(t-nk)]＜0，则认为行人的步态未到达双脚支撑期内，返回步骤(2)，

当[Z₁(t+nk)-Z₁(t-k)][Z₁(t-k)-Z₁(t-nk)]＞0，其中，n为小于10的常数，k表示行人步态双脚支撑周期，则认为行人的步态已到达双脚支撑期内，装在网关嵌入式微处理器(52)中的计时器的计数，其计数值记为C_start；

(4-2).当G_f(j)＝1且G_z(j)＝1时，即G_f(j)·(G_z(j)+1)＝2时，计算步态周期计时器的计数值C_end，具体步骤如下：

(4-2-1).设置行人步态双脚支撑期前脚目标函数，记为Z₂(t)，计算行人步态双脚支撑期的前脚的关节角度：

Z₂(t)＝φ₁(t)-φ₂(t)+φ₃(t) (2)

式(2)中，φ₁(t)表示利用腰部惯性测量模块(11)和大腿部惯性测量模块(21)的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的髋关节角度；φ₂(t)表示利用大腿部惯性测量模块(21)和小腿部惯性测量模块(31)的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的膝关节角度；φ₃(t)表示利用小腿部惯性测量模块(31)和足面惯性测量模块(41)的旋转角速度数据和加速度数据计算得到的踝关节角度；

(4-2-2).当[Z₂(t+nk)-Z₂(t-k)][Z₂(t-k)-Z₂(t-nk)]＜0，则认为行人的步态未到达双脚支撑期，返回步骤(2)，

当[Z₂(t+nk)-Z₂(t-k)][Z₂(t-k)-Z₂(t-nk)]＞0，其中，n为小于10的常数，k表示行人步态双脚支撑周期，则认为行人的步态已到达双脚支撑期内，装在网关嵌入式微处理器(52)中的计时器计数，其计数值记为C_end；

(5).计算行人步频F(j)，其计算式为：

<mrow> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mi>k</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow> 2