CN107421559A - 一种基于三轴陀螺仪的计步方法 - Google Patents

一种基于三轴陀螺仪的计步方法 Download PDF

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    • G01C22/006—Pedometers

Abstract

本发明提供一种基于三轴陀螺仪的计步方法，涉及测量技术和传感器数据处理技术；计算方法包括下列步骤：1)采集陀螺仪三轴数据并计算加速度；2)将步骤1中的加速度通过低通滤波器获得正弦曲线轨迹；3)根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行峰值检测得到步伐数据；4)将步伐数据进行验证过零检测判断是否符合步伐数据判断条件；5)若符合，根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行过零点检测得到步数数据；若不符合，则回到步骤1。本发明能够克服传感器震动、抖动的影响；同时不针对特定人或状态，对于不同人的运动模式以及同一人在不同状态下的运动模式，均能自适应地调整，进而实现准确计步。

Description

一种基于三轴陀螺仪的计步方法
技术领域
本发明涉及测量技术和传感器数据处理技术，具体地说，本发明涉及一种基于三轴陀 螺仪的计步方法。
背景技术
随着现代生活质量提高，越来越多人开始注重自己的日常健康锻炼，计步作为一种有 效记录监控锻炼的监控手段，已经广泛应用在移动终端的应用中。但目前大部分实现都是 通过GPS信号来测算运动距离反推行走步数，有效但是在室内或者无GPS信号的设备上无 法工作，同时GPS精度对结果的干扰也比较大，本文提出一个新的测步方法，即通过设备 上的三轴陀螺仪来计算步数，在不支持GPS的设备上也可正常工作，可用以与GPS互相配合测步，让应用的使用场景更加多样。
发明内容
本发明的目的在于：针对室内或者无GPS信号情况下计步算法受限，同时GPS精度对 结果的干扰比较大的问题，本发明提供一种基于三轴陀螺仪的计步方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于三轴陀螺仪的计步方法，包括下列步骤:
步骤1：采集陀螺仪三轴数据并计算加速度；
步骤2：将步骤1中的加速度通过低通滤波器获得正弦曲线轨迹；
步骤3：根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行峰值检测得到步伐数据；
步骤4：将步伐数据进行验证过零检测判断是否符合步伐数据判断条件；
步骤5：若符合，根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行过零点检测得到步数数据；若不符合，则回到步骤1。
所述步骤3中峰值检测包括以下步骤：
步骤3.1：根据步骤2中的正弦曲线轨迹获得本次加速度方向和上次加速度方向；
步骤3.2：判断步骤3.1中本次加速度方向与上次加速度方向是否相反；
步骤3.3：若相反，即为峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，得出步伐数据；若相同， 则回到步骤1。
所述步骤4验证过零检测包括以下步骤：
步骤4.1：通过步骤2中的正弦曲线轨迹获取采样数据段中的n个极值点的幅值，极值 点包括波峰点和波谷点；
步骤4.2：通过步骤2中的正弦曲线轨迹的采样数据段求平均值预估计步阈值和第一阈 值；
步骤4.3：判断a个极值点中最大波峰点和最小波谷点的幅值差值是否大于或等于计步 阈值(a<n)；
步骤4.4：若大于或者等于计步阈值，判断a个极值点中第i个波峰点的领域中的最大 峰值点的幅值和重力加速度的差值是否小于第一阈值的大小(i＝<a)；若小于回到步骤1；
步骤4.5：若最大峰值点的幅值和重力加速度的差值小于第一阈值，则确定第i个波峰 点的邻域中的波峰点为干扰点，去掉第i个波峰点的邻域中的波峰点和波谷点；若大于或 者等于则回到步骤1。
所述步骤5中过零点检测包括以下步骤：
步骤5.1：判断步骤2中的正弦曲线轨迹波形是否通过正、负两个零点；
步骤5.2：若是，则判断是否没超过规避误差时间；若不是，则回到步骤1；
步骤5.3：若没超过，则根据正弦曲线轨迹波形计算通过零点数从而得出步数数据；若 超过，则回到步骤1。
优选地，所述步骤2中低通滤波器采用截止频率为3Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器。
优选地，所述步骤5.2中规避误差检测时间为100ms。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明能够克服传感器震动、抖动的影响，从而准确计步；
(2)本发明的计步方法不针对特定人或特定状态，对于不同人的运动模式，以及同一 人在不同状态下的运动模式，均能自适应地调整，进而实现准确计步；
(3)本发明特别适合于利用手机等常见移动智能设备实现计步，并且能够兼容于各种 不同型号的手机以及其它移动智能设备；
(4)本发明的计步方法中，加速度数据采集阶段，不限定使用者携带加速度采集装置 的位置和携带方式。例如，在使用手机作为加速度采集装置时，使用者在走路时，不论将手机置于裤兜、衣兜、提包、背包内，还是手握手机并随手摆动，还是边走边使用手机， 本发明的计步方法均能自适应地调整并准确地进行计步。
附图说明
图1是本发明一种基于三轴陀螺仪的计步方法的主流程图；
图2是本发明一种基于三轴陀螺仪的计步方法中步骤3峰值检测得步伐数据的流程图；
图3是本发明一种基于三轴陀螺仪的计步方法中步骤5过零点检测得步数数据的流程 图；
图4是本发明一种基于三轴陀螺仪的计步方法中步骤4验证过零检测的流程图；
图5是本发明一种基于三轴陀螺仪的计步方法中正弦曲线轨迹波形图(实线-大腿运动 方向图形，虚线-滤波后陀螺仪x轴图形)。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式 组合。
下面结合图1-5对本发明作详细说明。
实施例1
一种基于三轴陀螺仪的计步方法，
步骤1：采集陀螺仪三轴数据并计算加速度；
三轴陀螺仪里面的“三轴”即X轴、Y轴、Z轴；
步骤2：将步骤1中的加速度通过低通滤波器获得正弦曲线轨迹；
低通滤波器选择3Hz截止频率，人类快走时平均范围是每秒2.5步，截止频率越低，对平滑波形效果越好，把在零点附近的毛刺过滤到最小，又能清晰地显示步态周期的波形。
步骤3：根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行峰值检测得到步伐数据；
步骤3中峰值检测包括以下步骤：
步骤3.1：根据步骤2中的正弦曲线轨迹获得本次加速度方向和上次加速度方向；
步骤3.2：判断步骤3.1中本次加速度方向与上次加速度方向是否相反；
步骤3.3：若相反，即为峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，得出步伐数据；若相同， 则回到步骤1。
步骤4：将步伐数据进行验证过零检测判断是否符合步伐数据判断条件；
步骤4验证过零检测包括以下步骤：
步骤4.1：通过步骤2中的正弦曲线轨迹获取采样数据段中的n个极值点的幅值，极值 点包括波峰点和波谷点；
步骤4.2：通过步骤2中的正弦曲线轨迹的采样数据段求平均值预估计步阈值和第一阈 值；
步骤4.3：判断a个极值点中最大波峰点和最小波谷点的幅值差值是否大于或等于计步 阈值(a<n)；
步骤4.4：若大于或者等于计步阈值，判断a个极值点中第i个波峰点的领域中的最大 峰值点的幅值和重力加速度的差值是否小于第一阈值的大小(i＝<a)；若小于回到步骤1；
步骤4.5：若最大峰值点的幅值和重力加速度的差值小于第一阈值，则确定第i个波峰 点的邻域中的波峰点为干扰点，去掉第i个波峰点的邻域中的波峰点和波谷点；若大于或 者等于则回到步骤1。
步骤5：根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行过零点检测得到步数数据；
步骤5中过零点检测包括以下步骤：
步骤5.1：判断步骤2中的正弦曲线轨迹波形是否通过正、负两个零点；
步骤5.2：若是，则判断是否没超过规避误差时间；若不是，则回到步骤1；
步骤5.3：若没超过，则根据正弦曲线轨迹波形计算通过零点数从而得出步数数据；若 超过，则回到步骤1。
一只脚向前走或者并拢，形成的波形都能通过正、负2个零点。因此，过零点的总数， 就是人走的步数。从迈出一步脚后跟触地，到相同的脚后跟下一步的接触即为一个步态周 期，图5中虚线段Stride Cycle为一个步态周期；选用前15％的步态周期时间，足够避免 前10％的过零点引入误差；而一个缓慢的步态周期是每秒1.5步，因此15％时间约为100毫 秒。100ms这个时间比在每秒3步这种快速的步态周期延迟了30％，因此它是不会干扰到快 速行走情况下的过零检测。从一段脚触地到离开，过滤后的陀螺仪信号以一个负斜率过零， 但仍可能在短时间内以正斜率过零，这就会造成误差，图5中圆圈标注点就为误差产生处， 然而这一小段只是一个步态周期的0-10％，完全可以用一个超时机制来避免这种不必要的过 零点。
本发明能够克服传感器震动、抖动的影响；同时不针对特定人或状态，对于不同人的 运动模式以及同一人在不同状态下的运动模式，均能自适应地调整；加速度数据采集阶段， 不限定使用者携带加速度采集装置的位置和携带方式，进而实现准确计步。
如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发 明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的 保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三轴陀螺仪的计步方法，其特征在于：一种基于三轴陀螺仪的计步方法，包括下列步骤:
步骤1：采集陀螺仪三轴数据并计算加速度；
步骤2：将步骤1中的加速度通过低通滤波器获得正弦曲线轨迹；
步骤3：根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行峰值检测得到步伐数据；
步骤4：将步伐数据进行验证过零检测判断是否符合步伐数据判断条件；
步骤5：若符合，根据步骤2中的正弦曲线轨迹进行过零点检测得到步数数据；若不符合，则回到步骤1。
2.根据权利要求1所述的一种基于三轴陀螺仪的计步方法，其特征在于：所述步骤3中峰值检测包括以下步骤：
步骤3.1：根据步骤2中的正弦曲线轨迹获得本次加速度方向和上次加速度方向；
步骤3.2：判断步骤3.1中本次加速度方向与上次加速度方向是否相反；
步骤3.3：若相反，即为峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，得出步伐数据；若相同，则回到步骤1。
3.根据权利要求1所述的一种基于三轴陀螺仪的计步方法，其特征在于：所述步骤4验证过零检测包括以下步骤：
步骤4.1：通过步骤2中的正弦曲线轨迹获取采样数据段中的n个极值点的幅值，极值点包括波峰点和波谷点；
步骤4.2：通过步骤2中的正弦曲线轨迹的采样数据段求平均值预估计步阈值和第一阈值；
步骤4.3：判断a个极值点中最大波峰点和最小波谷点的幅值差值是否大于或等于计步阈值(a<n)；
步骤4.4：若大于或者等于计步阈值，判断a个极值点中第i个波峰点的领域中的最大峰值点的幅值和重力加速度的差值是否小于第一阈值的大小(i＝<a)；若小于回到步骤1；
步骤4.5：若最大峰值点的幅值和重力加速度的差值小于第一阈值，则确定第i个波峰点的邻域中的波峰点为干扰点，去掉第i个波峰点的邻域中的波峰点和波谷点；若大于或者等于则回到步骤1。
4.根据权利要求1所述的一种基于三轴陀螺仪的计步方法，其特征在于：所述步骤5中过零点检测包括以下步骤：
步骤5.1：判断步骤2中的正弦曲线轨迹波形是否通过正、负两个零点；
步骤5.2：若是，则判断是否没超过规避误差时间；若不是，则回到步骤1；
步骤5.3：若没超过，则根据正弦曲线轨迹波形计算通过零点数从而得出步数数据；若超过，则回到步骤1。
5.根据权利要求1所述的一种基于三轴陀螺仪的计步方法，其特征在于：所述步骤2中低通滤波器采用截止频率为3Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器。
6.根据权利要求3所述的一种基于三轴陀螺仪的计步方法，其特征在于：所述步骤5.2中规避误差检测时间为100ms。
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