CN113826984A - 一种智能导航定位计步鞋及计步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能导航定位计步鞋及计步方法，涉及计步鞋技术领域，计步鞋包括鞋体，鞋体具有空腔，空腔内装配有：三轴加速传感器、微处理器、定位模块、显示模块和电源模块。该计步方法通过实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器的前进方向、垂直方向和左右方向；获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数。计算方法简单，数据精确。

Description

一种智能导航定位计步鞋及计步方法

技术领域

本发明涉及计步鞋技术领域，具体而言，涉及智能导航定位计步鞋。

背景技术

鞋子有着悠久的发展史。大约在5000多年前的仰韶文化时期，就出现了兽皮缝制的最原始的鞋。鞋子是人们保护脚不受伤的一种工具。最早人们为了克服特殊情况，不让脚难受或者受伤，就发明了毛皮鞋子。鞋子发展到现在，就形成了现在这个样子。各种样式功能的鞋子随处可见。

现在的鞋功能较单一，另外，现有的计步方法较为复杂，不够精准。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供智能导航定位计步鞋，增加了鞋的功能，使得计步简单且精准。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种智能导航定位计步鞋，包括鞋体，上述鞋体具有空腔，上述空腔内装配有：三轴加速传感器，用于实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器的前进方向、垂直方向和左右方向；微处理器，获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数；定位模块，用于将位置信息发送至匹配的移动终端；显示模块，装配于上述鞋体侧面，用于显示步伐数；电源模块，用于给三轴加速传感器、微处理器、定位模块及显示模块供电。

这样的计步鞋，具备计步功能，只要穿上此鞋的人每走一步，就自动记录其行走过的步数。该计步鞋的空腔内装配有三轴加速传感器，通过检测人步行中三个方向的加速度变化计算步伐，检测方法简单，具体的，发明人通过大量的研究和实践发现：用户在水平步行运动中，垂直方向和前进方向两个加速度会呈现周期性变化。具体表现为：在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。在步行运动中，垂直方向和前进方向产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行监测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步伐。计算方法简单，数据精确。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，还包括报警模块，上述微处理器将上述正弦曲线中的峰值与预设加速度的阈值进行比较，若超过加速度阈值，则发送报警信号；上述报警模块接收到报警信号后进行报警提示。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述微处理器在获取上述正弦曲线后，将上述正弦曲线中相邻两步的时间间隔小于预设时间的进行滤除。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述预设时间为0.2S。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述电源模块装配无线充电模块，上述无线充电模块用于给上述电源模块进行无线充电。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述空腔内还装配有无线模块，上述无线模块与上述微处理器连接，用于将步伐数及位置信息发送至移动终端。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述空腔内还装配有发电机，上述发电机与上述电源模块连接，上述发电机用于采集行走动能并将动能转换为电能存储于上述电源模块中。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述无线模块包括蓝牙单元及Wi-Fi单元；

上述蓝牙单元用于通过蓝牙将步伐数和位置信息发送至相匹配的移动终端；

上述Wi-Fi单元用于通过Wi-Fi将步伐数和位置信息发送至相匹配的移动终端。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述鞋体外表面装配多块太阳能板，相邻两块太阳能板铰接，任一上述太阳能板与上述电源模块连接。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述鞋体上围绕上述空腔的材质为绝缘材料。

第二方面，本申请提供一种计步方法，上述方法包括以下步骤：实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器的前进方向、垂直方向和左右方向；获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数。

这样的方法，通过检测人步行中三个方向的加速度变化计算步伐，检测方法简单，具体的，发明人通过大量的研究和实践发现：用户在水平步行运动中，垂直方向和前进方向两个加速度会呈现周期性变化。具体表现为：在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。在步行运动中，垂直方向和前进方向产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行监测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步伐。计算方法简单，数据精确。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，上述方法包括以下步骤：

实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器的前进方向、垂直方向和左右方向；

获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，还包括：

将正弦曲线中的峰值与预设加速度的阈值进行比较，若超过加速度阈值，则发送报警信号进行报警。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，还包括：

将正弦曲线中相邻两步的时间间隔小于预设时间的进行滤除。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

通过检测人步行中三个方向的加速度变化计算步伐，检测方法简单，具体的，发明人通过大量的研究和实践发现：用户在水平步行运动中，垂直方向和前进方向两个加速度会呈现周期性变化。具体表现为：在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。在步行运动中，垂直方向和前进方向产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行监测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步伐。计算方法简单，数据精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一种智能导航定位计步鞋一实施例的结构示意图；

图2为本发明一种智能导航定位计步鞋另一实施例的结构示意图；

图3为本发明一种计步方法一实施例的流程图；

图4为本发明一种计步方法另一实施例的流程图；

图5为本发明的三维坐标系的示意图；

图6为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹图；

图7为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹中出现跌倒的示意图；

图8为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹中去干扰的示意图。

图标：1、三轴加速传感器；2、微处理器；3、定位模块；4、显示模块；5、电源模块；51、无线充电模块；6、报警模块；7、无线模块；8、发电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，图1为本发明一种智能导航定位计步鞋的结构示意图；第一方面，本发明实施例提供一种智能导航定位计步鞋，包括鞋体，上述鞋体具有空腔，上述空腔内装配有：三轴加速传感器1，用于实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器1的前进方向、垂直方向和左右方向；微处理器2，获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数；定位模块3，用于将位置信息发送至匹配的移动终端；显示模块4，装配于上述鞋体侧面，用于显示步伐数；电源模块5，用于给三轴加速传感器1、微处理器2、定位模块3及显示模块4供电。

这样的计步鞋，具备计步功能，只要穿上此鞋的人每走一步，就自动记录其行走过的步数。请参考图5，可以利用三轴加速度传感器，X轴、Y轴、Z轴代表方向，可以检测人步行中三个方向的加速度变化。该计步鞋的空腔内装配有三轴加速传感器1，通过检测人步行中三个方向的加速度变化计算步伐，检测方法简单，具体的，请参考图6，图6为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹图；用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化。在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。计算方法简单，数据精确。

进一步的，显示模块4包括液晶显示器，鞋后跟外安装一个液晶显示器显示步数，穿鞋人自己可以随时查看已走步数，并与周围人比较，既比手机计步更准确地记录了所有步数，又增加了步行的动力和乐趣，可以让更多的人通过步行锻炼身体。

请参照图2，图2为本发明一种智能导航定位计步鞋的结构示意图；基于第一方面，在本发明的一些实施例中，还包括报警模块6，上述微处理器2将上述正弦曲线中的峰值与预设加速度的阈值进行比较，若超过加速度阈值，则发送报警信号；上述报警模块6接收到报警信号后进行报警提示。

请参照图2，基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述电源模块5装配无线充电模块51，上述无线充电模块51用于给上述电源模块5进行无线充电。

请参照图2，基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述空腔内还装配有无线模块7，上述无线模块7与上述微处理器2连接，用于将步伐数及位置信息发送至移动终端。

这样设置的目的在于，该计步鞋可以与监护人的移动终端进行匹配，以便于监护人随时随地监护使用者的状态。

请参考图7，图7为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹中出现跌倒的示意图。通过三轴加速度传感器，我们可以知道用户的运动状态。除了计步，还可以通过加速器的变化曲线判断用户摔倒状态，做成一个老人和儿童摔倒检测自动报警器。图7中框出来的部分在加速度和时间上都出现明显异常，超过了阈值，可以看到加速度瞬时增加，则判断为使用者跌倒了，这时微处理器2发送报警信号给报警模块6，报警模块6接收到报警信号后进行报警提示，监护人看到报警提示后及时帮助使用者。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述微处理器2在获取上述正弦曲线后，将上述正弦曲线中相邻两步的时间间隔小于预设时间的进行滤除。

请参考图8，图8为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹中去干扰的示意图；计步鞋会有一些低幅度和快速的抽动状态，或者某个用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据如果不剔除，会影响记步的准确值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上预设时间和步频判断来过滤。

人体最快的跑步频率为5HZ，也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒，如图7所示，我们设置了timespan在记步过程中我们过滤了高频噪声，即步频过快的情况。同时我们通过和上次加速度大小进行比较，设置设立预设时间Threshold来判断运动是否属于有效，有效运动才可进行记步。

示例性的，上述预设时间为0.2S。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，计步鞋设置有导航模块和LED灯，图中未示出。

使用者只需要设置一个APP即可，输入此鞋左右两个特定编号，北斗卫星导航系统就可以开始为此鞋导航。需向左转弯时，左鞋里的微处理器2发出滴滴声，同时左鞋左边的LED灯也不断闪亮；需向右转弯时，右鞋里的微处理器2发出滴滴声，同时右鞋右边的LED灯也不断闪亮，既可以提醒周边的人注意此人将转向，同时也方便夜间导航，让视觉和听觉同时起作用，以达到全天候导航，到达目的地后导航自动结束。导航功能只有在设定的情况下才工作，不设定不工作，不会造成干扰和电能浪费，计步功只要电池有电就随时工作，不需设定。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述空腔内还装配有发电机8，上述发电机8与上述电源模块5连接，上述发电机8用于采集行走动能并将动能转换为电能存储于上述电源模块5中。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，上述鞋体外表面装配多块太阳能板，相邻两块太阳能板铰接，任一上述太阳能板与上述电源模块5连接。

示例性的，上述鞋体上围绕上述空腔的材质为绝缘材料。

这样设置的目的在于，有效防止电源模块5漏电。

请参考图3，第二方面，本申请提供一种计步方法，上述方法包括以下步骤：

S10:实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器1的前进方向、垂直方向和左右方向；

请参考图5，可以利用三轴加速度传感器，X轴、Y轴、Z轴代表方向，可以检测人步行中三个方向的加速度变化。

S20:获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数。

请参考图6，图6为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹图；

用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化。在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。

通过计算三个加速度的矢量长度，我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度的变化，可以判断目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加，可得到用户步行的步伐。

请参考图4，基于第二方面，在本发明的一些实施例中，上述方法包括以下步骤：

S11：将正弦曲线中的峰值与预设加速度的阈值进行比较，若超过加速度阈值，则发送报警信号进行报警。

请参考图7，图7为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹中出现跌倒的示意图。通过三轴加速度传感器，我们可以知道用户的运动状态。除了计步，还可以通过加速器的变化曲线判断用户摔倒状态，做成一个老人和儿童摔倒检测自动报警器。图7框出来的部分在加速度和时间上都出现明显异常，加速度瞬时增加，则判断为使用者跌倒了，这时微处理器2发送报警信号给报警模块6，报警模块6接收到报警信号后进行报警提示，监护人看到报警提示后及时帮助使用者。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，还包括：

S12：将正弦曲线中相邻两步的时间间隔小于预设时间的进行滤除。

请参考图8，图8为本发明三维坐标系中加速度与时间的轨迹中去干扰的示意图；计步鞋会有一些低幅度和快速的抽动状态，或者某个用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据如果不剔除，会影响记步的准确值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上预设时间和步频判断来过滤。

人体最快的跑步频率为5HZ，也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒，如图7所示，我们设置了timespan在记步过程中我们过滤了高频噪声，即步频过快的情况。同时我们通过和上次加速度大小进行比较，设置设立预设时间Threshold来判断运动是否属于有效，有效运动才可进行记步。

综上，第一方面，本发明实施例提供一种智能导航定位计步鞋，包括鞋体，上述鞋体具有空腔，上述空腔内装配有：三轴加速传感器1，用于实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器1的前进方向、垂直方向和左右方向；微处理器2，获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数；定位模块3，用于将位置信息发送至匹配的移动终端；显示模块4，装配于上述鞋体侧面，用于显示步伐数；电源模块5，用于给三轴加速传感器1、微处理器2、定位模块3及显示模块4供电。

第二方面，本申请提供一种计步方法，上述方法包括以下步骤：实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器1的前进方向、垂直方向和左右方向；获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数。

通过检测人步行中三个方向的加速度变化计算步伐，检测方法简单，具体的，发明人通过大量的研究和实践发现：用户在水平步行运动中，垂直方向和前进方向两个加速度会呈现周期性变化。具体表现为：在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。在步行运动中，垂直方向和前进方向产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行监测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步伐。计算方法简单，数据精确。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种智能导航定位计步鞋，包括鞋体，其特征在于，所述鞋体具有空腔，所述空腔内装配有：

三轴加速传感器，用于实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器的前进方向、垂直方向和左右方向；

微处理器，获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数；

定位模块，用于将位置信息发送至匹配的移动终端；

显示模块，装配于所述鞋体侧面，用于至少显示步伐数；

电源模块，用于给三轴加速传感器、微处理器、定位模块及显示模块供电。

2.根据权利要求1所述的智能导航定位计步鞋，其特征在于，还包括报警模块，所述微处理器将所述正弦曲线中的峰值与预设加速度的阈值进行比较，若超过加速度阈值，则发送报警信号；所述报警模块接收到报警信号后进行报警提示。

3.根据权利要求1所述的智能导航定位计步鞋，其特征在于，所述微处理器在获取所述正弦曲线后，将所述正弦曲线中相邻两步的时间间隔小于预设时间的进行滤除。

4.根据权利要求3所述的智能导航定位计步鞋，其特征在于，所述预设时间为0.2S。

5.根据权利要求1所述的智能导航定位计步鞋，其特征在于，所述电源模块装配无线充电模块，所述无线充电模块用于给所述电源模块进行无线充电。

6.根据权利要求1所述的智能导航定位计步鞋，其特征在于，所述空腔内还装配有无线模块，所述无线模块与所述微处理器连接，用于将步伐数及位置信息发送至移动终端。

7.根据权利要求1所述的智能导航定位计步鞋，其特征在于，所述空腔内还装配有发电机，所述发电机与所述电源模块连接，所述发电机用于采集行走动能并将动能转换为电能存储于所述电源模块中。

8.一种计步方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的计步鞋，所述方法包括以下步骤：

实时采集行走的每一步在三维坐标系中各轴的分加速度值；三维坐标系中的三个坐标分别用于检测步行中三个方向的加速度变化，三个方向分别包括三轴加速传感器的前进方向、垂直方向和左右方向；

获取在垂直方向上行走的时间和对应的加速度值，垂直方向上行走的时间与对应的加速度值为一个正弦曲线，对正弦曲线的峰值的次数累加，获得步行的步伐数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

将正弦曲线中的峰值与预设加速度的阈值进行比较，若超过加速度阈值，则发送报警信号进行报警。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

将正弦曲线中相邻两步的时间间隔小于预设时间的进行滤除。

Images