CN106310588A - 一种跑步机步频和冲击检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量用户使用跑步机跑步时的跑步步频和落地冲击用于改善及调整跑步过程的方法，通过对跑步机状态检测及分析获取数据，并反馈给用户。本发明方法和装置能够实时检测出用户使用跑步机时的落地冲击；本发明可量化测量用户跑步时的落地冲击对用户改善跑步姿势、减少跑步机用户的腿部关节损伤具有重要的意义。常见的跑步机的重要零件包括跑板、跑带等，本发明提出的装置，能够非常简易的和现有跑步机产品结合，能够在现有的跑步机结构和生产工艺上，仅进行微小的调整，生产成本低、工艺改动小。

Description

一种跑步机步频和冲击检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种跑步机步频和冲击检测方法及其装置。

背景技术

目前，随着生活水平的提高和科技的进步，越来越多人关注到自己的健康，对于实时互动记录、检测运动过程中的数据尤其重视，更希望能通过随时监测到得数据反馈能调整运动设备。

跑步机在使用过程中，用户跑步时的步频对用户跑步锻炼效果有一定的影响。因此需要实现能实时监测到跑步时的数据并将数据传送给终端，能够及时的是用户调整跑步的姿态、步频等到达更安全、科学的健身效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量用户使用跑步机跑步时的跑步步频和落地冲击用于改善及调整跑步过程的方法，为此，本发明提供以下技术方案：

步骤一、跑步机状态检测：检测用户是否开始使用跑步机进行跑步运动；

步骤二、第一步初始化：设置初始化加速度门限At、加速度测量值Am ，检测跑板受到落地的冲击，记录冲击过程中的跑板的加速度最大值，得到第一步的瞬时冲击的冲击值，并开始计时；

步骤三、步频检测：跑板受到下一次用户脚步落地的冲击时计时停止，计算出两步之间的时间间隔，并重新开始计时，对计时时间间隔进行换算，得到瞬时步频值；

步骤四、冲击检测：记录跑板冲击过程中的加速度的最大值，得到当前步频的瞬时冲击值；

步骤五、滤波输出：对瞬时步频值进行滤波，得到当前步频值；对瞬时冲击值进行滤波，得到当前冲击值；

步骤六、将步骤四和步骤五循环。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述跑步机状态检测，包括两种方式：1）由跑步机控制电路直接检测跑步机状态；2）通过检测跑步机跑板的加速度信息判断是否开始跑步状态。当加速度信息从无数据状态变为有数据则说明跑板开始运作

所述步骤二中，一般来说将At设置在0.3g左右，加速度门限At初始化大小与跑步机跑板的质量、跑板缓冲器的特性相关，需要在具体产品实施时调整；等检测到加速度测量值Am超过加速度门限At，即Am > At,则开始计时；记录加速度测量值Am超过加速度门限At过程中的加速度值，直到加速度测量值Am低于加速度门限At；记录的加速度测量值中，选取垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值，作为第一步的瞬时冲击的冲击值。

所述步骤三步频检测包括如下子步骤：a）判断加速度测量值是否超过加速度门限At，超过加速度门限At的过程，被视为冲击过程；b）将计时器的值A1读出， c）换算计时器的读出值，得到瞬时步频；d）记录冲击过程中的加速度值；此时将计时器的值A2读出，清零计时器并使其重新开始计数，值A2与值A1的时间间隔，即表征了当前一步和上一步之间的时间间隔；

所检测的冲击为跑板在一次冲击过程中，选取垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值，作为瞬时冲击的冲击值。

所述步骤四还包括两个步骤：对瞬时步频及瞬时冲击进行去野值点；再进行平滑滤波或低通滤波后输出步频值和冲击值。

本发明所用的方法是采用以下装置：

一种跑步机步频和冲击检测方法的装置，包括微控制器模块、加速度传感器模块、通讯模块和电源模块；所述加速度传感器模块安装在跑步机的跑板上，微控制器模块与加速度传感器模块、通讯模块连接，微控制器模块与加速度传感器模块、通讯模块建立信号互联并用于控制加速度传感器模块、通讯模块之间信号传送和调度；加速度传感器模块用于采集跑步机步频和冲击数据，并将数据发送给微控制器模块，所述通讯模块用于将从加速度传感器模块接收后并分析的数据传送给终端；电源模块为微控制器模块、加速度传感器模块、通讯模块供电。

所述通讯模块可与有线终端和无线终端建立信号互联，用于进行数据传输和接收。

所述微控制器模块为由包括微控制器与外围电路构成的微控制器电路。

所述加速度传感器模块为微机电系统加速度传感器芯片。

所述加速度传感器模块安装在跑步机前部的跑板上。

由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果为：本发明方法和装置能够实时检测出用户使用跑步机时的落地冲击；本发明可量化测量用户跑步时的落地冲击对用户改善跑步姿势、减少跑步机用户的腿部关节损伤具有重要的意义。常见的跑步机的重要零件包括跑板、跑带等，本发明提出的装置，能够非常简易的和现有跑步机产品结合，能够在现有的跑步机结构和生产工艺上，仅进行微小的调整，生产成本低、工艺改动小。

附图说明

图1为本发明一种跑步机步频和冲击检测装置的方框原理图；

图2为本发明一种跑步机步频和冲击检测装置的控制流程图；

图3为本发明一种跑步机步频和冲击检测装置中，加速度传感器模块安装于跑板上的固连示意图；

图4为本发明一种跑步机步频和冲击检测方法的流程图；

图5为本发明一种跑步机步频和冲击检测方法步骤三的子步骤数据波形示意图；

图6为本发明一种跑步机步频和冲击检测方法步骤三的数据波形示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种跑步机步频和冲击检测装置，包括微控制器模块1、加速度传感器模块2、通讯模块4和电源模块5；所述加速度传感器模块2安装在跑步机的跑板3上，微控制器模块1与加速度传感器模块2、通讯模块4连接，微控制器模块1与加速度传感器模块2、通讯模块4建立信号互联并用于控制加速度传感器模块2、通讯模块4之间信号传送和调度；加速度传感器模块2用于采集跑步机步频和冲击数据，并将数据发送给微控制器模块1，所述通讯模块4用于将从加速度传感器模块2接收后并分析的数据传送给终端6；电源模块5为微控制器模块1、加速度传感器模块2、通讯模块4供电。

所述通讯模块可与有线终端601和无线终端602信号互联，用于进行数据传输和接收。

所述信号互联，是指使用电缆、光耦合、磁耦合、无线电等形式关联模块，使得两个模块之间可以进行信息的交互。所述微控制器可以使用包括但不限于的下述微控制器芯片实现：STM32、STM8、MSP430、AVR系列、51系列等。由于与所述微控制器模块1互联的加速度传感器模块2一般是以I2C、SPI类型数字接口或模拟电压输出测量值，需要在微控制器芯片选型时注意选择具有与加速度传感器模块2相匹配接口的芯片和电路。微控制器芯片的选型还应该考虑该器件的可靠性、供货稳定性和成本情况，考虑到跑步机使用时，跑步机马达会产生电磁干扰，应该在成本可接受的范围内选用供货稳定，可靠性高的产品；在进行芯片引脚和外围电路互联时，应该考虑加入光耦合器或接口保护器件。

所述加速度传感器模块2使用微机电系统加速度传感器实现，在选择微机电系统加速度传感器时，应该结合本发明所述装置配套的跑步机结构，选择量程适当的微机电系统加速度传感器芯片。一般来说，加速度传感器量程包括但不限于：±8g、±16g等。所述加速度传感器模块2可以使用如下但不限于的微机电系统加速度传感器芯片实现：ADI品牌的ADXL系列传感器芯片、ST品牌的LSM3系列传感器芯片、Invensense品牌的MPU系列传感器芯片以及Freescale公司的MMA系列传感器芯片。微机电系统加速度传感器芯片具有微机械结构，强冲击和应力有可能损坏其内部结构，考虑到本发明所述装置在与跑步机组装的过程中的组装环境，应该考虑但不强制要求在所述加速度传感器模块2的实现中，为所选用的微机电系统加速度传感器芯片配置缓冲结构。

所述跑板3是支撑跑步机用户进行锻炼的主要结构。跑板3上往往还会安装跑带，用户使用跑步机跑步时，每一脚步落地的冲击都会直接作用在跑板3上。即使跑板3所安装的跑步机没有专门为跑板3设计缓冲结构，跑板3也会随着用户脚步落地造成微小的加速度变化，在跑板3上安装加速度传感器模块2仍然能够测量到由于用户跑步时脚落是造成的加速度变化。

所述通讯模块4用以将本发明所测量得到的跑步机步频和冲击数据，传输给外界设备或装置，例如跑步机的显示面板。所述4与外界的互联方式，需要依据本发明具体安装的跑步机电路考虑，这些互联方式包括：使用电缆或PCB导线的有线信号互联，电缆或导线上的信号电平可以但不限于：RS232、RS422、RS485、TTL等，信号电平的选择需要考虑电缆或导线的长度和安装位置的电磁环境，导线长度长、安装位置的电磁环境差的情况下，需要考虑使用抗干扰性能好的信号电平，使用有线信号互联时，所述通讯模块4可以使用MAX232、MAX490等芯片实现，也可以直接使用微控制器芯片的引脚电平；互联方式还包括：无线终端，无线终端可以使用蓝牙、Wi-Fi等通用无线协议，也可以使用2.4GHz、433MHz等ISM频段的私有通讯协议，无线终端时，所述通讯模块4可以使用cc2540、cc3200等芯片实现。

所述电源模块5为微控制器模块1、加速度传感器模块2、通讯模块4供电。这些模块往往需要+5V或+3.3V等低压直流供电，其可以使用开关电源对220V交流电进行降压、稳压处理后得到；也可以直接从跑步机内部其他控制电路中取低压直流电源进行电容滤波后得到。

如图2所示，本发明为一种跑步机的运动参数检测装置，其开始工作后，首先进行装置初始化，初始化包括：通过微控制器模块1初始化加速度传感器模块2，主要初始化内容为：配置加速度传感器模块2的采样间隔、量程等；通过微控制器模块1初始化通讯模块4，是指能够与外接跑步机设备或装置进行通讯。

装置初始化后，需要等待跑步机进入开始跑步状态，跑步机开始跑步的状态信号可以由外接跑步机设备或装置通过通讯模块4输入本发明装置，等待进入开始跑步状态而不直接进行加速度采集的原因是减少非跑步时的数据采集，以提高装置的检测可靠性。

用户开始跑步后，微控制器模块1开始定时对加速度传感器模块2进行数据采集，并将采集得到的，能够表征用户跑步步频和冲击的数据通过通讯模块4进行发送，以供安装本发明的跑步机产品面板进行显示等。

装置运行过程中，如果跑步机进入跑步停止状态，该状态信号可以由外接跑步机设备或装置通过通讯模块4输入本发明装置。进入跑步停止状态后，停止加速度传感器模块2的数据采集，以减少错误测量，提高装置的可靠性。

如图3所示，本实施例进一步说明本发明所述一种跑步机的运动参数检测装置中，加速度传感器模块2和跑板的固连安装。

跑步机结构中，跑板上方会安装跑带和滚筒。跑步锻炼开始后，用户在跑板支撑的滚动跑带上跑步锻炼，其每一次迈步的落地冲击都会作用在跑板上，即使跑步机的其他机械结构中，未设计或安装跑板的缓冲结构，用户迈步落地的冲击仍然会造成跑板的周期性加速度变化；且使用本发明所述的，与跑板固连的加速度传感器模块2能够采集到上跑板的加速度变化。

考虑到大部分情况，用户使用跑步机时的落地冲击一般作用在跑板前半部分，跑板前半部分所产生的加速度变化较大，因此在加速度传感器模块2与跑板固连时，固连点选择在跑板的前半部分为佳。

微控制器模块1、电源模块5、通讯模块4与跑步机显示面板的其他元件一起安装在跑步机显示面板的印刷电路板上。

如图4、图5、图6所示，A线所示为加速度门限At，B曲线所示为加速度测量值Am曲线；C处为Am > At,则开始计时，开始记录加速度值和重新开始计时的点；D处为Am ＜ At，停止记录加速度，并清零计时器的点；E为垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值的点；H为1个冲击过程。

一种跑步机步频和冲击检测方法，包含如下步骤：

步骤一、跑步机状态检测：检测跑步机用户是否开始使用跑步机进行跑步运动；并跑步机步频和冲击进行测量；

步骤二、第一步初始化：设置初始化加速度门限At、加速度测量值Am ，检测跑板受到落地的冲击，记录冲击过程中的跑板的加速度最大值，得到第一步的瞬时冲击的冲击值，开始计时；

步骤三、步频检测：跑板受到下一次用户脚步落地的冲击时计时停止，计算出两步之间的时间间隔，并重新开始计时，对计时时间间隔进行换算，得到瞬时步频；

步骤四、冲击检测：记录跑板冲击过程中的加速度最大值，得到当前步频的瞬时冲击；

步骤五、滤波输出：对瞬时步频进行滤波，得到当前步频值；对瞬时冲击进行滤波，得到当前冲击值；

步骤六、将步骤四和步骤五循环。

其中，所述跑步机状态检测，包括两种方式：1）由跑步机控制电路直接检测跑步机状态；2）通过检测跑步机跑板的加速度信息判断是否开始跑步状态。

所述步骤二中，检测到加速度测量值Am超过加速度门限At，即Am > At,则开始计时；记录加速度测量值Am超过加速度门限At过程中的加速度值，直到加速度测量值Am低于加速度门限At；记录的加速度测量值中，选取垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值，作为第一步的瞬时冲击的冲击值。

所述步骤三步频检测包括如下子步骤：a）判断加速度测量值是否超过加速度门限At，超过加速度门限At的过程，被视为冲击过程；b）将计时器的值A读出， c）换算计时器的读出值，得到瞬时步频；d）记录冲击过程中的加速度值；此时将计时器的值B读出，清零计时器并使其重新开始计数，值B与值A的时间间隔，即表征了当前一步和上一步之间的时间间隔；

所述步骤四中，所检测的冲击为跑板在一次冲击过程中，选取垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值，作为瞬时冲击的冲击值。为了保证步频定时的准确性，读出计时器的值之后，就立刻将计时器清零，并开始重新计时；假设计时器的读出值为Td（秒），那么换算出瞬时步频P（步每分钟）为：P（步每分钟） = 60 / Td（秒）；为了配合步骤四冲击检测步骤，在冲击过程中，还需将冲击过程的加速度值记录下来。

所述步骤五还包括两个步骤：对瞬时步频及瞬时冲击进行去野值点，因为，瞬时步频、瞬时冲击可能会因为工作时的噪声、测量误差、工作状态不良等原因导致瞬时测量结果方差偏大，有时候还会有野值点产生。再进行平滑滤波或低通滤波后输出步频值和冲击值。瞬时步频、瞬时冲击数据进行平滑处理，减少数据波动；也可以使用低通滤波器对所述步骤三和步骤四得到的瞬时步频、瞬时冲击数据进行平滑处理，减少高频噪声。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种跑步机步频和冲击检测方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤一、跑步机状态检测：检测用户是否开始使用跑步机进行跑步运动；

步骤二、第一步初始化：设置初始化加速度门限At、加速度测量值Am，检测跑板受到落地的冲击，记录冲击过程中的跑板的加速度最大值，得到第一步的瞬时冲击的冲击值，并开始计时；

步骤三、步频检测：跑板受到下一次用户脚步落地的冲击时计时停止，计算出两步之间的时间间隔，并重新开始计时，对计时时间间隔进行换算，得到瞬时步频值；

步骤四、冲击检测：记录跑板冲击过程中的加速度的最大值，得到当前步频的瞬时冲击值；

步骤五、滤波输出：对瞬时步频值进行滤波，得到当前步频值；对瞬时冲击值进行滤波，得到当前冲击值；

步骤六、将步骤四和步骤五循环。

2.如权利要求1所述的一种跑步机步频和冲击检测的方法，其特征在于，所述跑步机状态检测，包括两种方式：1）由跑步机控制电路直接检测跑步机状态；2）通过检测跑步机跑板的加速度信息判断是否开始跑步状态。

3.如权利要求1所述的一种跑步机步频和冲击检测的方法，其特征在于，所述步骤二中，检测到加速度测量值Am超过加速度门限At，即Am > At,则开始计时；记录加速度测量值Am超过加速度门限At过程中的加速度值，直到加速度测量值Am低于加速度门限At；记录的加速度测量值中，选取垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值，作为第一步的瞬时冲击的冲击值。

4.如权利要求1所述的一种跑步机步频和冲击检测的方法，其特征在于，所述步骤三步频检测包括如下子步骤：a）判断加速度测量值是否超过加速度门限At，超过加速度门限At的过程，被视为冲击过程；b）将计时器的值A1读出， c）换算计时器的读出值，得到瞬时步频；d）记录冲击过程中的加速度值；此时将计时器的值A2读出，清零计时器并使其重新开始计数，值A1与值A2的时间间隔，即表征了当前一步和上一步之间的时间间隔；

如权利要求1所述的一种跑步机步频和冲击检测的方法，其特征在于，所述步骤四中，所检测的冲击为跑板在一次冲击过程中，选取垂直于跑步机跑板平面向下的最大加速度值，作为瞬时冲击的冲击值。

5.如权利要求1所述的一种跑步机步频和冲击检测的方法，其特征在于，所述步骤五还包括两个步骤：对瞬时步频及瞬时冲击进行去野值点；再进行平滑滤波或低通滤波后输出步频值和冲击值。

6.一种跑步机步频和冲击检测方法的装置，其特征在于，包括微控制器模块、加速度传感器模块、通讯模块和电源模块；所述加速度传感器模块安装在跑步机的跑板上，微控制器模块与加速度传感器模块、通讯模块连接，微控制器模块与加速度传感器模块、通讯模块建立信号互联并用于控制加速度传感器模块、通讯模块之间信号传送和调度；加速度传感器模块用于采集跑步机步频和冲击数据，并将数据发送给微控制器模块，所述通讯模块用于将从加速度传感器模块接收后并分析的数据传送给终端；电源模块为微控制器模块、加速度传感器模块、通讯模块供电。

7.如权利要求7所述的跑步机步频和冲击检测装置，其特征在于，所述通讯模块可与有线终端和无线终端建立信号互联，用于进行数据传输和接收。

8.如权利要求7所述的跑步机步频和冲击检测装置，其特征在于，所述微控制器模块为由包括微控制器与外围电路构成的微控制器电路。

9.所述加速度传感器模块为微机电系统加速度传感器芯片。

10.如权利要求7所述的跑步机步频和冲击检测装置，其特征在于，所述加速度传感器模块安装在跑步机前部的跑板上。