CN105371865A - 一种基于双轴mems陀螺仪的计步装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置及实现方法，包括：测试模块，用于感知行人的步态，并解析行人的步数和行走状态后发送至显示模块；显示模块，用以实时显示测试模块所发送的行人的步数和行进轨迹；测试模块包括感知行人步态的MEMS陀螺仪、解析行人的步数和行走状态的CPU和将CPU的解析信息发送至显示模块的无线发送模块；显示模块包括接收测试模块所发送信息的无线接收模块和用于显示信息的LCD液晶显示屏。本发明利用人行走过程中足部的周期性抬起落下的特征，使用MEMS陀螺仪感知角速度的变化进行计步，同时感知行人的转动来辨识行人是转弯的角度和方向，算法简单，成本低，计步更加准确，易于实现。

Description

一种基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置及实现方法

技术领域

本发明属于行人导航技术领域，特别涉及了基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置及实现方法。

背景技术

传统计步装置的设计思想是利用固定与人体腰、背部等部位的3轴加速度计测量行人行进时的加速度信号，然后通过算法足够识别出行人行走的站立期和迈步期，同时实现行走的步数的计算，利用加速度计传感器进行计步是目前最常用技术，但由于行人步行形态的不确定性，若要准确实现计步就需要高精度的传感器和复杂的软件算法来精确检测真实的步伐，对CPU和成本提出了较高的要求。本专利提出了一种新的基于双轴MEMS陀螺仪的计步方法，但与加速度计计步不同的是，它是利用人行走过程中脚部的周期性抬起和落下带动陀螺仪输出角速度绕轴向前后周期性摆动进行计步的，本专利实现的算法简单，对硬件要求低，易于推广。

发明内容

本发明的目的：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明专利提出了一种以双轴MEMS陀螺仪为核心的新的计步实现方法，它利用人行走过程中足部的周期性抬起落下的特征，使用MEMS陀螺仪感知角速度的变化进行计步，同时感知行人的转动来辨识行人是转弯的角度和方向，算法简单，成本低，计步更加准确，而且易于实现。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置，其特征是，包括：

测试模块，用于感知行人的步态，并解析行人的步数和行走状态后发送至显示模块；

显示模块，用以实时显示测试模块所发送的行人的步数和行进轨迹；

测试模块包括感知行人步态的MEMS陀螺仪、解析行人的步数和行走状态的CPU和将CPU的解析信息发送至显示模块的无线发送模块；

显示模块包括接收测试模块所发送信息的无线接收模块和用于显示信息的LCD液晶显示屏。

进一步，以人的脚踝为原点建立坐标系，设人的正前方为坐标系的X轴，人体的竖直向下为坐标系的Y轴，人的正右侧且同时垂直于X、Y轴的方向为Z轴方向；测试模块中的MEMS陀螺仪放置于行人的脚踝部位，且与坐标系的三轴重合。

进一步，MEMS陀螺仪为双轴或三轴数字输出的MEMS陀螺仪；双轴数字输出的MEMS陀螺仪的轴向分别与坐标系的Y、Z轴重合。

所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置的计步实现方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）MEMS陀螺仪采集数据

MEMS陀螺仪放置在人体的脚踝部位，并以人的脚踝为原点建立坐标系，设人的正前方为坐标系的X轴，人体的竖直向下为坐标系的Y轴，人的正右侧且同时垂直于X、Y轴的方向为Z轴方向，MEMS陀螺仪的轴向与坐标系的Y、Z轴或三轴重合，分别用于测试人行走时的航向与角速度；获取步伐计数和运动方向改变值；

（2）根据Z轴向MEMS陀螺仪数据的角速度周期性进行计步

（2）根据Z轴向MEMS陀螺仪数据的角速度周期性进行计步

对采集到CPU中的Z轴向的MEMS陀螺仪数据首先进行降采样频率和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺；然后通过检测波形上升沿或下降沿的个数确定周期波的个数，人行走的步数即为周期波个数的两倍；

（3）根据Y轴向MEMS陀螺仪数据的角速度周期性进行方向计算

对采集到CPU中的Y轴向MEMS陀螺仪数据，首先进行降采样频率和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺；

再根据Y轴向数据的突变数据进行步伐方向的判断和计算；

（4）计算行人运动里程

对计步数、运动方向以及运动里程进行实时的更新，设L为步长值，计算出运动距离增量值△S_x、△S_y,设第i-1次里程更新时人的运动里程为S_xi-1、S_yi-1，则第i次里程更新的运动里程为S_xi=△S_x+S_xi-1,S_yi=△S_y+S_yi-1,从而依次推算出行人的运动里程。

进一步，步骤（2）中，

周期波的个数的检测包括以下步骤：

首先所检测波形幅值的绝对值是否大于阈值K；

然后判断该幅值是不是极大值；

最后判断两个检测波形有效振动之间的数据之差是否大于门限值M，且小于门限值N；

其中，阈值K是行人行走时的脚抬起和下落时的最小角速度；门限值M是行人以最慢速度行走时的步速；N是行人以最快速度行走时的步速。

采用数组data[3]存放3个连续的Z轴数据，其中data[1]是当前要判断处理的数据，具体要满足的条件是:

①data[1]>K；

②data[1]>data[0]&&data[1]>data[2]。

如果上述条件同时满足则计步有效标志flag=1；

当判断下一组数据时，对数据data[3]进行移位，即data[0]=data[1]，data[1]=data[2]，data[2]中存放最新采集的陀螺数据；

③(T-t)＞M&&(T-t)＜N。

如果条件①、②、③同时成立,则行人行走的总步伐数为Step=Step+flag*2；

其中T为当前有效振动步伐总更新数据，t为前一刻有效振动步伐总更新数。

进一步，步骤（3）中，

步伐方向的判断包括以下步骤：

第一步，步伐方向改变时陀螺数据突变的幅值检测；

第二步，判断MEMS陀螺仪Y轴向数据的幅值在相邻两侧的两个数据中是不是最大值；

第三步，使用数据窗口滤除无效的方向改变。

进一步，步骤（4）中，

运动距离增量值△S_x=flag*2*L*sin(angle),△S_y=flag*2*L*cos(angle)

式中，flag为计步有效标志，angle为寄存器存放的步伐方向改变值。

本发明创造的优点以及达到的效果：

（1）实现本专利的算法简单，降低了传统计步装置的软件复杂度，减少了对高性能CPU的依赖，可以有效降低能耗和成本。

（2）本专利使用陀螺仪感知行人的运动状态，可以作为计步装置设计中步伐检测和计步的一种全新的实现方法，而且对传感器精度要求低，易于实现。

（3）本专利进一步应用于导航定位系统中，可以省去专门用于计步的加速度计，对简化系统和节省成本具有重要意义。

附图说明

图1计步装置原理框图；

图2双轴陀螺仪数据变化图；

图3计步装置参数算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1为计步装置原理图，它由测试模块和显示模块组成。测试模块感知行人的步态，并按照算法解析行人的步数和行走状态，由MEMS陀螺仪、CPU、无线发送模块构成；显示模块有无线接收模块和LCD液晶显示屏组成，用以实时显示行人的步数和行进轨迹，本专利实施中采用4.2寸液晶LCD模块（800*400），也可以采用其他同类型液晶显示屏。

CPU模块包括嵌入式处理器及外围电路，CPU实时采集陀螺仪输出的数据，首先对数据进行滤波预处理，然后进行解算得到行人的行进状态，最后将结果发送到输出显示模块。本专利中采用ST公司的高性能低功耗产品SMT32L151型ARM处理器，实施中也可以采用同等性能的其他产品，如各种类型的单片机等。

无线收发模块实现计步端与显示端的数据通信。本专利实施中选用支持Zigbee技术的低功耗2.4GHz双向无线模块JF24C，实施中也可以采用同等性能的其他产品。

（1）双轴陀螺仪数据的采集

MEMS陀螺仪选用双轴或三轴数字输出的MEMS陀螺仪，每个轴向量程大于200dps，本专利实施中采用ST公司的L2G2IS型双轴陀螺仪，实施中也可以采用同等性能的其他产品。计步装置放置在人体的脚踝部位，并以人的脚踝为原点建立坐标系，设人的正前方为坐标系的X轴，人体的竖直向下为坐标系的Y轴，人的正右侧且同时垂直于X、Y轴的方向为Z轴方向，此时双轴陀螺仪的轴向与Y、Z轴重合，分别用于测试人行走时的方向与角速度。行人在步行、跑步以及运动过程的转向都会带动脚踝部位的双轴陀螺仪绕着相应的轴向做转动，形成相应的角速度如图2所示，通过相关算法处理可以获取步伐计数和运动方向改变值，图中实线为用来测量步数的陀螺仪输出数据，虚线为测量转动的陀螺仪输出数据。

放置测试模块时需保证模块的轴向与以上坐标系重合，这样Y轴向陀螺仪感知行人的运动方向，Z轴向陀螺仪感知行人的步态以计步。

（2）根据Z轴陀螺仪数据的角速度周期性进行计步

对采集到CPU中的Z轴MEMS陀螺仪数据首先要进行降采样频率和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺；然后通过检测波形上升沿或下降沿的个数来确定周期波的个数，人行走的步数即为周期波个数的两倍。周期波个数的检测主要分成3步，首先所检测波形幅值的绝对值大于阈值K，然后判断该幅值是不是极大值。采用数组data[3]存放3个连续的Z轴陀螺数据，其中data[1]是我们当前要判断处理的数据,具体要满足的条件是:

①data[1]>K;

②data[1]>data[0]&&data[1]>data[2]。

如果上述条件同时满足则计步有效标志flag=1。当判断下一组数据时，需要对数据data[3]进行移位，即data[0]=data[1]，data[1]=data[2]，data[2]中存放最新采集的陀螺数据。如果止于这两步虽然计步装置已经能够完成计数功能，但是当计步装置中的陀螺仪因为行人步行或者跑步以外的原因而非常迅速或者缓慢的振动时，计步装置也会认为这是有效的，为了能够真正有效的计步，必须排除这些无效的振动，这样就必须使用“数据窗口”来解决这一问题，即根据实际情况规定两个有效振动之间的数据之差应该大于门限值M，且小于门限值N，同时门限值M小于门限值N。

③(T-t)＞M&&(T-t)＜N。

其中T为当前有效振动步伐总更新数据，t为前一刻有效振动步伐总更新数。

如果条件①、②、③同时成立,则行人行走的总步伐数为Step=Step+flag*2。

波形检测中用到的阈值K是行人行走时的脚抬起和下落时的最小角速度，低于最小角速度即认为行人没有迈出一步；门限值M是行人以最慢速度行走时的步速，N是行人以最快速度行走时的步速，如果检测到当前步速比最快行走还快，或者比最慢行走还慢，则认为当前不是有效的步数。由于每个人行走时的步态和步速不同，因此需要通过多次试验获取适当的数值。计步装置参数具体算法流程如图3所示。

（3）根据Y轴陀螺仪数据的角速度周期性进行方向计算

本专利中Y轴陀螺用作判断行人步行的方向情况，对采集到CPU中的Y轴MEMS陀螺仪数据首先要进行降采样频率和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺。当在正常的行走过程中出现了转弯时，Y轴向的陀螺数据会出现较大的突变，此时通过检测该轴向的突变数据进行步伐方向计算。具体方向的步伐检测主要分成三步：第一步方向改变时陀螺数据突变的幅值检测，由于存在正转和反转设定陀螺数据值大于阈值+A（A＞0）或者小于阈值-A（A＞0）；第二步判断Y轴陀螺的幅值在相邻两侧的两个数据中是不是最大值，采用数组dataY[3]存放3个连续的Y轴陀螺数据，其中dataY[1]是我们当前要判断处理的数据；

①dataY[1]≥A&&dataY[1]≥dataY[0]&&dataY[1]≥dataY[2];

②dataY[1]≤-A&&dataY[1]≤dataY[0]&&dataY[1]≤dataY[2]。

以上①和②只要满足一个就能说明行走过程中存在了方向改变，但实际过程中存在无效振动，第三步就是使用数据窗口滤除无效的方向改变，TT为当前有效振动步伐总更新数据，tt为前一刻有效振动步伐总更新数,目前以转动90度和180度为例，就形成了③④的判断过程。

③(T-t)＞B1;

④(TT-tt)＞C1&&(TT-tt)＜C2

其中B1、C1、C2为多次试验的训练值，B1为行人转弯时脚部抬起或下落时最小的角速度，如果检测值比最小角速度还小，即可认为行人没有转弯；C1为行人转弯时的最慢转速，C2为行人转弯时的最快转速，如果检测行人转速大于最快值或小于最慢值，则不认为是行人转弯。采用angle寄存器存放步伐方向改变值，初始值设为零，具体的判度过程如下所示：

如果dataY[1]≥A&&dataY[1]≥dataY[0]&&dataY[1]≥dataY[2]&&(T-t)＞B1则angle=angle+90；

如果dataY[1]≥A&&dataY[1]≥dataY[0]&&dataY[1]≥dataY[2]&&(TT-tt)＞C1&&(TT-tt)＜C2则angle=angle+90；

如果dataY[1]≤-A&&dataY[1]≤dataY[0]&&dataY[1]≤dataY[2]&&(T-t)＞B1则angle=angle-90；

如果dataY[1]≤-A&&dataY[1]≤dataY[0]&&dataY[1]≤dataY[2]&&(TT-tt)＞C1&&(TT-tt)＜C2则angle=angle-90。

（4）计算行人运动里程

在本发明专利中将对计步数、运动方向以及运动里程进行实时的更新，目前步长采用在线多次试验预估的方法获取，不同的试验者将会有一个对应的步长值L，则运动距离增量值△S_x=flag*2*L*sin(angle),△S_y=flag*2*L*cos(angle),设第i-1次里程更新时人的运动里程为S_xi-1、S_yi-1，则第i次里程更新的运动里程为S_xi、S_yi：S_xi=△S_x+S_xi-1,S_yi=△S_y+S_yi-1,从而可以依次推算出行人的运动里程。

因此本专利提出的基于MEMS陀螺仪的新的计步方法，功能完善、效果明显，能够替代常用的基于加速度计的计步方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置，其特征是，包括：

测试模块，用于感知行人的步态，并解析行人的步数和行走状态后发送至显示模块；

显示模块，用以实时显示测试模块所发送的行人的步数和行进轨迹；

测试模块包括感知行人步态的MEMS陀螺仪、解析行人的步数和行走状态的CPU和将CPU的解析信息发送至显示模块的无线发送模块；

显示模块包括接收测试模块所发送信息的无线接收模块和用于显示信息的LCD液晶显示屏。

2.根据权利要求1所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置，其特征是，

以人的脚踝为原点建立坐标系，设人的正前方为坐标系的X轴，人体的竖直向下为坐标系的Y轴，人的正右侧且同时垂直于X、Y轴的方向为Z轴方向；测试模块中的MEMS陀螺仪放置于行人的脚踝部位，且与坐标系的三轴重合。

3.根据权利要求1所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置，其特征是，

MEMS陀螺仪为双轴或三轴数字输出的MEMS陀螺仪；双轴数字输出的MEMS陀螺仪的轴向分别与坐标系的Y、Z轴重合。

4.基于权利要求1所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置的计步实现方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）MEMS陀螺仪采集数据

MEMS陀螺仪放置在人体的脚踝部位，并以人的脚踝为原点建立坐标系，设人的正前方为坐标系的X轴，人体的竖直向下为坐标系的Y轴，人的正右侧且同时垂直于X、Y轴的方向为Z轴方向，MEMS陀螺仪的轴向与坐标系的Y、Z轴或三轴重合，分别用于测试人行走时的航向与角速度；获取步伐计数和运动方向改变值；

（2）根据Z轴向陀螺仪数据的角速度周期性进行计步

对采集到CPU中的Z轴向的MEMS陀螺仪数据首先进行降采样频率和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺；然后通过检测波形上升沿或下降沿的个数确定周期波的个数，人行走的步数即为周期波个数的两倍；

（3）根据Y轴向陀螺仪数据的角速度周期性进行方向计算

对采集到CPU中的Y轴向MEMS陀螺仪数据，首先进行降采样频率和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺,再根据Y轴向数据的突变数据进行步伐方向的判断和计算；

（4）计算行人运动里程

对计步数、运动方向以及运动里程进行实时的更新，设L为步长值，计算出运动距离增量值△S_x、△S_y,设第i-1次里程更新时人的运动里程为S_xi-1、S_yi-1，则第i次里程更新的运动里程为S_xi=△S_x+S_xi-1,S_yi=△S_y+S_yi-1,从而依次推算出行人的运动里程。

5.基于权利要求4所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置的计步实现方法，其特征是，步骤（2）中，

周期波的个数的检测包括以下步骤：

首先所检测波形幅值的绝对值是否大于阈值K；

然后判断该幅值是不是极大值；

最后判断两个检测波形有效振动之间的数据之差是否大于门限值M，且小于门限值N；

其中，阈值K是行人行走时的足部抬起下落时的最小角速度；门限值M是行人以最慢速度行走时的步速；N是行人以最快速度行走时的步速。

6.基于权利要求5所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置的计步实现方法，其特征是，采用数组data[3]存放3个连续的Z轴数据，其中data[1]是当前要判断处理的数据，具体要满足的条件是:

①data[1]>K；

②data[1]>data[0]&&data[1]>data[2]；

如果上述条件同时满足则计步有效标志flag=1；

当判断下一组数据时，对数据data[3]进行移位，即data[0]=data[1]，data[1]=data[2]，data[2]中存放最新采集的陀螺数据；

③(T-t)＞M&&(T-t)＜N；

如果条件①、②、③同时成立,则行人行走的总步伐数为Step=Step+flag*2；

其中T为当前有效振动步伐总更新数据，t为前一刻有效振动步伐总更新数。

7.基于权利要求4所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置的计步实现方法，其特征是，步骤（3）中，

步伐方向的判断包括以下步骤：

第一步，步伐方向改变时陀螺数据突变的幅值检测；

第二步，判断MEMS陀螺仪Y轴向数据的幅值在相邻两侧的两个数据中是不是最大值；

第三步，使用数据窗口滤除无效的方向改变。

8.基于权利要求4所述的基于双轴MEMS陀螺仪的计步装置的计步实现方法，其特征是，步骤（4）中，

运动距离增量值△S_x=flag*2*L*sin(angle),△S_y=flag*2*L*cos(angle)

式中，flag为计步有效标志，angle为寄存器存放的步伐方向改变值。