CN109238272B - 运动姿态确定方法和运动姿态确定装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于检测待测物体的运动姿态的运动姿态确定方法和运动姿态确定装置。该运动姿态确定方法包括：测量待测物体在多个方向上的加速度值；对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域‑频域数据转换，得到每个方向上的频域数据的幅值；以及将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态。
Description
技术领域
本申请涉及用于检测待测物体的运动姿态的运动姿态确定方法和运动姿态确定装置，特别的，涉及基于加速度传感器的测量数据进行时域-频域转换以判断待测物体当前的运动状态和倾斜姿态的运动姿态确定方法和运动姿态确定装置。
背景技术
现有技术中的婴儿车中的加速度传感器通常仅用于检测车体的当前加速度并进而计算车体速度，并且在婴儿车的运行速度超出安全范围之后发出警报或者自动执行安全操作。然而，现有的婴儿车没有对车体处于倾斜状态的危险情况做出针对性防护，由此严重影响婴儿的安全系数，最为常见的场景就是当婴儿车处于具有一定坡度的路面时(上坡/下坡)，如果此时车体脱离成人的控制，会造成难以承受的严重后果。
在其他需要对物体的运动姿态和/或倾斜程度进行测量的应用场景中，通常使用倾角传感器等器件执行精确测量。现有的倾角传感器实际上是把MCU、加速度计、模数转换电路、通讯单元全都集成在尺寸非常小的电路板上，能够获得静态条件或者准静态条件下的重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角(即倾斜角)，然而在不引入陀螺仪器件的情况下，这类倾角传感器对于动态条件下的物体倾斜状态无法做出准确测量。
然而在检测模块中引入陀螺仪会导致较高的成本，不适用于不需要精确获取物体当前的倾斜角度、仅需要对倾斜状态做出动态判定的情况。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本申请提供了一种运动姿态确定方法，该运动姿态确定方法包括：
测量待测物体在多个方向上的加速度值；
对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换，得到每个方向上的频域数据的幅值；以及
将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态。
可选的，该运动姿态确定方法中的“将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态”的步骤包括：
将所述每个方向上的频域数据中的直流分量的幅值与预先确定的相应方向上的倾斜判定基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的倾斜状态。
可选的，该运动姿态确定方法中的“将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态”的步骤包括：
计算所述每个方向上的频域数据的幅值总和，将所述幅值总和与预先确定的相应方向上的运动判定阈值进行比较，并且当计算得到的幅值总和大于所述运动判定阈值时确定所述待测物体处于运动状态。
可选的，该运动姿态确定方法还包括：
计算所述每个方向上的频域数据中的低频分量与所述幅值总和的比值，将所述比值与预先确定的相应方向上的加速判定阈值进行比较，并且当计算得到的比值大于所述加速判定阈值时确定所述待测物体处于加速或减速状态。
可选的，根据该运动姿态确定方法，在所述测量待测物体在多个方向上的加速度值的步骤之前，该方法还包括：
在所述待测物体处于水平状态时测量多个方向上的加速度值，计算每个方向上的加速度值的平均值并将所述平均值用作相应方向上的倾斜判定基准值。
根据本申请的另一方面，还提供了一种运动姿态确定装置，包括：
加速度测量装置，用于测量待测物体在多个方向上的加速度值；
时域-频域转换装置，用于对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换以得到每个方向上的频域数据的幅值；以及
比较判定装置，将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态。
可选的，根据本申请的运动姿态确定装置，其中比较判定装置构造为将所述每个方向上的频域数据中的直流分量的幅值与预先确定的相应方向上的倾斜判定基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的倾斜状态。
可选的，根据本申请的运动姿态确定装置，其中比较判定装置构造为计算所述每个方向上的频域数据的幅值总和，将所述幅值总和与预先确定的相应方向上的运动判定阈值进行比较，并且当计算得到的幅值总和大于所述运动判定阈值时确定所述待测物体处于运动状态。
可选的，根据本申请的运动姿态确定装置，其中比较判定装置构造为计算所述每个方向上的频域数据中的低频分量与所述幅值总和的比值，将所述比值与预先确定的相应方向上的加速判定阈值进行比较，并且当计算得到的比值大于所述加速判定阈值时确定所述待测物体处于加速或减速状态，其中所述低频分量为频率低于5Hz的采样点的幅值之和。
可选的，根据本申请的运动姿态确定装置构造为在所述待测物体处于水平状态时通过所述加速度测量装置测量多个方向上的加速度值，并且通过所述比较判定装置计算每个方向上的加速度值的平均值并将所述平均值用作相应方向上的倾斜判定基准值。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的运动姿态确定方法的示意性流程图；
图2是根据本申请实施例的运动姿态确定方法的校准处理的流程图；
图3是根据本申请实施例的运动姿态确定装置的结构示意图；以及
图4是示出了根据本申请实施例的运动姿态确定装置安装在手推车上的示例视图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请提供了一种运动姿态确定方法，该方法包括：
S1，测量待测物体在多个方向上的加速度值；
S2，对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换，得到每个方向上的频域数据的幅值；以及
S3，将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态。
在一些实施例中，在每个测量循环中，首先读取加速度传感器在x，y，z 轴上的测量值并分别存放在存储于寄存器中的队列xQueue、yQueue、zQueue 中，每个队列的长度设为n(在一些实例中n取128)，每当有一个新的测量值到来，将队列进行移位，最早的测量值从队列尾部移出，新的测量值加到队首。
在获取每个轴向的加速度测量值之后，对队列中的值进行时域-频域转换处理。在一些实施例中，为了便于应用单片机/微处理器进行计算处理，使用离散傅里叶变换(DFT)进行处理。在一些实例中使用快速傅里叶变换处理 (FFT)。
通过离散傅里叶变换、使用整型算法进行处理，能够将时域的采样信号转化到频域，以便于对信号特征进行分析。接下来对傅里叶变换结果进行标准化，并计算各个频率点的幅值，根据频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较的结果即可确定待测物体的倾斜姿态和运动状态。
在一些实施例中，该运动姿态确定方法中的步骤S3“将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态”包括：
将所述每个方向上的频域数据中的直流分量的幅值与预先确定的相应方向上的倾斜判定基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的倾斜状态。
在一些实施例中，经过离散傅里叶变换后得到直流分量(DFT结果中的第一个值，频率为零点处的幅值)，该直流分量的值反映出加速度传感器测量值的平均值，该直流分量与对应方向的预先确定的倾斜判定基准值之差即反映待测物体向各个方向的倾斜情况。其中所述倾斜判定基准值是当待测物体处于水平静止状态下测量得到的基准值，后面将结合图2进行详细描述。
在一些实施例中，该运动姿态确定方法中的步骤S3“将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态”包括：
计算所述每个方向上的频域数据的幅值总和，将所述幅值总和与预先确定的相应方向上的运动判定阈值进行比较，并且当计算得到的幅值总和大于所述运动判定阈值时确定所述待测物体处于运动状态。
上述幅值总和是在使用离散傅里叶变换进行时域-频域转换的情况下，计算所有频率点的幅值之和所得的数值；另外在使用其他傅里叶变化方法的情况下，该幅值总和可以对应于频率范围内的幅值曲线的积分。
当待测物体处于静止状态时，加速度传感器本身具有测量噪声，DFT变换后各个频率点都有较小的幅值，幅值总和较小，而当待测物体(例如背景技术中提到的手推婴儿车)运动时，由于路面不平、颠簸等造成各个频率点的幅值总和增大。在一些实施例中可以将在静止状态下获得的频域数据的幅值总和的均值用作上述运动判定阈值，并存储在存储器中。当实时获得的频域数据幅值总和大于该运动判定阈值时，即可判定待测物体处于运动状态，并且还能够反映出路面不平整等情况。
在一些实施例中，该运动姿态确定方法还包括：
计算所述每个方向上的频域数据中的低频分量与所述幅值总和的比值，将所述比值与预先确定的相应方向上的加速判定阈值进行比较，并且当计算得到的比值大于所述加速判定阈值时确定所述待测物体处于加速或减速状态。
计算每个方向上的频域数据中的低频分量与上述幅值总和之比，可以获得频域幅值中的低频占比，该低频占比能够反映出低频占比反映出待测物体的加速度缓慢变化情况，其中低频占比较高的情况表明待测物体处于加速或减速状态。上述加速判定阈值为根据实际情况测量得到的低频占比数值，当实时获得的低频占比高于该阈值时即可判定待测物体处于加速或减速状态，换句话说，当低频占比高于阈值时可以确定待测物体具有值得警惕的加速度。
在一些实施例中，根据该运动姿态确定方法，在所述测量待测物体在多个方向上的加速度值的步骤之前，该方法还包括：
在所述待测物体处于水平状态时测量多个方向上的加速度值，计算每个方向上的加速度值的平均值并将所述平均值用作相应方向上的倾斜判定基准值。
由于在将运动姿态确定装置安装到待测物体上时存在一定的安装误差，每一次安装时，加速度传感器各个坐标轴的方向都存在差异，因此需要在安装完成后将待测物体放置于水平的平台上对其进行校准，确定加速度传感器的初始状态。具体校准流程如图2所示，描述如下：
(1)校准按键触发校准开始；
(2)读取加速度传感器x、y、z轴的测量值，分别存放于BuffX[n]、BuffY[n]、BuffZ[n]中，其中n为校准所需读取的传感器测量值数量，在一些实例中可以取1024；
(3)判断读取是否结束，如果未结束，重复(2)进行读取，否则进行下一步；
(4)分别计算x、y、z轴测量值的最大值与最小值之差xDiff、yDiff、zDiff
(5)分别将xDiff、yDiff、zDiff与预先设定好的最大变化阈值T进行比较，如果有一个差值超过T则校准失败，重新执行步骤(2)。其中最大变化阈值T为根据加速度传感器测量噪声设定的一个值，取测量噪声的2倍，如果 xDiff、yDiff、zDiff中的至少一个超过该值，则表明当前待测物体处于不稳定状态，应该重新放置水平并校准；
(6)计算x、y、z轴测量值的平均值xAvg、yAvg、zAvg；
(7)将xAvg、yAvg、zAvg作为倾斜判定基准值保存起来，用于在测量时将实时获得的加速度值与对应方向的倾斜判定基准值进行比较以确定待测物体的倾斜姿态；
(8)校准结束。
根据本申请的另一方面，还提供了一种运动姿态确定装置10。如图3所示，该运动姿态确定装置10包括：
加速度测量装置20，用于测量待测物体在多个方向上的加速度值；
时域-频域转换装置30，用于对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换以得到每个方向上的频域数据的幅值；以及
比较判定装置40，将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态。
在一些实施例中，该加速度测量装置20包括3轴加速度传感器或者6轴加速度传感器，用于测量各个轴向上的加速度数值。
在一些实施例中，该时域-频域转换装置30包括数字信号处理器(DSP)，该DSP构造为能够执行离散傅里叶变换(DFT)处理或者执行快速傅里叶变换(FFT)处理。
在一些实施例中，上述比较判定装置40包括比较器电路，其能够将加速度测量装置20或时域-频域转换装置30的输出数据与预先存储的基准值进行比较，并输出指示待测物体的倾斜姿态或运动状态的信号。
在一些实施例中，比较判定装置40构造为将所述每个方向上的频域数据中的直流分量的幅值与预先确定的相应方向上的倾斜判定基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的倾斜状态。
在一些实施例中，比较判定装置40构造为计算所述每个方向上的频域数据的幅值总和，将所述幅值总和与预先确定的相应方向上的运动判定阈值进行比较，并且当计算得到的幅值总和大于所述运动判定阈值时确定所述待测物体处于运动状态。
在一些实施例中，比较判定装置40构造为计算所述每个方向上的频域数据中的低频分量与所述幅值总和的比值，将所述比值与预先确定的相应方向上的加速判定阈值进行比较，并且当计算得到的比值大于所述加速判定阈值时确定所述待测物体处于加速或减速状态，其中所述低频分量可以为频率低于5Hz 的采样点的幅值之和。在一些实施例中，该低频分量可以为频率低于2Hz的采样点的幅值之和。
在一些实施例中，根据本申请的运动姿态确定装置10构造为在所述待测物体处于水平状态时通过所述加速度测量装置测量多个方向上的加速度值，并且通过所述比较判定装置计算每个方向上的加速度值的平均值并将所述平均值用作相应方向上的倾斜判定基准值。
在一些实施例中，该运动姿态确定装置10固定在手推车上。特别地该待测物体可以为，根据本申请的运动姿态确定装置10固定在该手推婴儿车上。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种运动姿态确定方法，其特征在于，包括：
测量待测物体在多个方向上的加速度值；
对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换，得到每个方向上的频域数据的幅值；以及
将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态；
所述方法还包括：对测量待测物体的加速度传感器进行校对，具体包括：
（1）将待测物体放置于水平的平台上，校准按键触发校准开始；
（2）读取加速度传感器x、y、z轴的测量值，分别存放于BuffX[n]、BuffY[n]、BuffZ[n]中，其中n为校准所需读取的传感器测量值数量；
（3）判断读取是否结束，如果未结束，重复步骤（2）进行读取，否则进行下一步；
（4）分别计算x、y、z轴测量值的最大值与最小值之差xDiff、yDiff、zDiff；
（5）分别将xDiff、yDiff、zDiff与预先设定好的最大变化阈值T进行比较，如果有一个差值超过T则校准失败，重新执行步骤（2）；其中最大变化阈值T为测量噪声的2倍；
（6）计算x、y、z轴测量值的平均值xAvg、yAvg、zAvg；
（7）将xAvg、yAvg、zAvg作为倾斜判定基准值保存起来，用于在测量时将实时获得的加速度值与对应方向的倾斜判定基准值进行比较以确定待测物体的倾斜姿态；
（8）校准结束；
其中，所述测量待测物体在多个方向上的加速度值，包括：
在每个测量循环中，读取加速度传感器在x、y、z轴上的测量值并分别存放在存储于寄存器中的队列xQueue、yQueue、zQueue中，每当有一个新的测量值到来，将队列进行移位，最早的测量值从队列尾部移出，新的测量值加到队首；
其中，所述对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换，得到每个方向上的频域数据的幅值，包括：
使用离散傅里叶变换及整型算法对队列中的值进行时域-频域转换处理；
对傅里叶变换结果进行标准化，并计算各个频率点的幅值；
其中，所述将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态的步骤包括：
将所述每个方向上的频域数据中的直流分量的幅值与预先确定的相应方向上的倾斜判定基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的倾斜状态；
计算所述每个方向上的频域数据的幅值总和，将所述幅值总和与预先确定的相应方向上的运动判定阈值进行比较，并且当计算得到的幅值总和大于所述运动判定阈值时确定所述待测物体处于运动状态，其中，所述运动判定阈值为静止状态下获得的频域数据的幅值总和的均值；
所述方法还包括：
计算所述每个方向上的频域数据中的低频分量与所述幅值总和的比值，将所述比值与预先确定的相应方向上的加速判定阈值进行比较，并且当计算得到的比值大于所述加速判定阈值时确定所述待测物体处于加速或减速状态。
2.根据权利要求1所述的运动姿态确定方法，其特征在于，在所述测量待测物体在多个方向上的加速度值的步骤之前，所述方法还包括：
在所述待测物体处于水平状态时测量多个方向上的加速度值，计算每个方向上的加速度值的平均值并将所述平均值用作相应方向上的倾斜判定基准值。
3.一种运动姿态确定装置，其特征在于，包括：
加速度测量装置，用于测量待测物体在多个方向上的加速度值；
时域-频域转换装置，用于对所述待测物体在多个方向上的加速度值进行时域-频域数据转换以得到每个方向上的频域数据的幅值；以及
比较判定装置，将每个方向上的频域数据的幅值与预先确定的相应方向上的基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的状态；
还包括，校对装置，用于对测量待测物体的加速度传感器进行校对，具体包括：
（1）将待测物体放置于水平的平台上，校准按键触发校准开始；
（2）读取加速度传感器x、y、z轴的测量值，分别存放于BuffX[n]、BuffY[n]、BuffZ[n]中，其中n为校准所需读取的传感器测量值数量；
（3）判断读取是否结束，如果未结束，重复（2）进行读取，否则进行下一步；
（4）分别计算x、y、z轴测量值的最大值与最小值之差xDiff、yDiff、zDiff；
（5）分别将xDiff、yDiff、zDiff与预先设定好的最大变化阈值T进行比较，如果有一个差值超过T则校准失败，重新执行步骤（2）；其中最大变化阈值T为测量噪声的2倍；
（6）计算x、y、z轴测量值的平均值xAvg、yAvg、zAvg；
（7）将xAvg、yAvg、zAvg作为倾斜判定基准值保存起来，用于在测量时将实时获得的加速度值与对应方向的倾斜判定基准值进行比较以确定待测物体的倾斜姿态；
（8）校准结束；
其中，所述加速度测量装置，用于：
在每个测量循环中，读取加速度传感器在x、y、z轴上的测量值并分别存放在存储于寄存器中的队列xQueue、yQueue、zQueue中，每当有一个新的测量值到来，将队列进行移位，最早的测量值从队列尾部移出，新的测量值加到队首；
其中，所述时域-频域转换装置，用于：
使用离散傅里叶变换及整型算法对队列中的值进行时域-频域转换处理；
对傅里叶变换结果进行标准化，并计算各个频率点的幅值；
所述比较判定装置构造为将所述每个方向上的频域数据中的直流分量的幅值与预先确定的相应方向上的倾斜判定基准值进行比较，并且根据比较的结果确定待测物体的倾斜状态；
所述比较判定装置构造为计算所述每个方向上的频域数据的幅值总和，将所述幅值总和与预先确定的相应方向上的运动判定阈值进行比较，并且当计算得到的幅值总和大于所述运动判定阈值时确定所述待测物体处于运动状态，其中，所述运动判定阈值为静止状态下获得的频域数据的幅值总和的均值；
所述比较判定装置构造为计算所述每个方向上的频域数据中的低频分量与所述幅值总和的比值，将所述比值与预先确定的相应方向上的加速判定阈值进行比较，并且当计算得到的比值大于所述加速判定阈值时确定所述待测物体处于加速或减速状态,其中所述低频分量为频率低于5Hz的采样点的幅值之和。
4.根据权利要求3所述的运动姿态确定装置，其特征在于，所述运动姿态确定装置构造为在所述待测物体处于水平状态时通过所述加速度测量装置测量多个方向上的加速度值，通过所述比较判定装置计算每个方向上的加速度值的平均值，并将所述平均值用作相应方向上的倾斜判定基准值。
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