CN114305371B - 一种骑行心率检测稳定算法及心率计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于健身设备心率测量技术领域，具体公开一种骑行心率检测稳定算法及心率计，预测心率算法包括获取并记录相对应的功率与心率数值，构建功率与心率数据库，其中，功率与心率数据库包括功率变化趋势为逐渐增加的第一数据库和功率变化趋势为逐渐降低的第二数据库；获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率超过阈值时，获取并基于当前功率趋势和数值，匹配与当前功率趋势相对应的功率与心率数据库，基于当前功率值在对应的功率与心率数据库中查找输出心率值，实现当前心率值的预测。本申请通过构建骑行者的骑行功率与心率之间的数据库，预测骑行者在脱离心率监测范围后的心率值，满足用户对心率监测完整性的需求。
Description
技术领域
本发明属于健身设备心率测量技术领域，具体地说涉及一种骑行心率检测稳定算法及心率计。
背景技术
目前测量心率时的位置有以下4种人体部位：胸部、手臂处、手握处、耳朵处。针对手握测心率的方法，目前现有方案是只有当两只手都握住测量的心率钢片时才能测出心率，而当双手或者单手松开后心率则无法测出。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种骑行心率检测稳定算法及心率计。本发明提供如下技术方案：
一种骑行心率检测稳定算法，包括：
获取并记录相对应的功率与心率数值，构建功率与心率数据库，其中，功率与心率数据库包括功率变化趋势为逐渐增加的第一数据库和功率变化趋势为逐渐降低的第二数据库；
获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率超过阈值时，获取并基于当前功率趋势和数值，匹配与当前功率趋势相对应的功率与心率数据库，基于当前功率值在对应的功率与心率数据库中查找输出心率值，实现当前心率值的预测。
进一步的，构建功率与心率数据库的方法包括：以C值为固定功率间隔，将功率划分为n个区间值，每个区间构成一个小数据库，在该数据库内，预测的心率值与功率之间满足线性关系：b＝a+t×k，其中，b为预测的心率值，a为人手刚离开心率测量钢片时的心率值，t为离开的时间间隔，k为固定功率间隔内功率变化快慢常数。
进一步的，固定功率间隔内功率变化快慢常数的计算方法为：其中，nC为第n个固定功率间隔记录的功率值，Tn为第n个固定功率间隔记录的结束时间。
进一步的，获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率未超过阈值时，按照预定时间间隔测量并记录实时功率值和实时心率值，并将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据进行存储。
进一步的，基于存储的时间、实时功率值和实时心率值数据，计算预定时间间隔内实时功率值的功率变化趋势，当功率变化趋势为增加时，将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据维护至第一数据库中，当功率变化趋势为降低时，将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据维护至第二数据库中。
进一步的，所述阈值为电平变化为0的时长间隔，当且仅当双手均接触心率测试钢片时，心率检测模块生物电流信号检测到高电平。
一种骑行设备用心率计，包括用于记录心电信号的手握式心率传感器、用于记录速度和扭力信号的功率测量传感器、用于显示功率和心率数值的显示器、处理器及存储器，所述处理器包括用于接收心电信号的心电信号处理模块、用于接收速度和扭力信号的速度与扭力测量模块、用于将速度和扭力信号转换为功率的MCU模块以及用于接收处理后功率和心率信号的显示模块，所述心电信号处理模块、速度与扭力测量模块、显示模块分别与MCU模块信号连接；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行一种骑行心率检测稳定算法。
进一步的，还包括用于提示心率异常状态的报警模块。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种骑行心率检测稳定算法。
一种电子终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行一种骑行心率检测稳定算法。
有益效果：
1、通过构建骑行者骑行功率与心率之间的不同变化趋势数据库，预测骑行者在脱离心率监测范围内的心率值，满足用户对心率监测完整性的需求；
2、通过将心率监测数据划分为实时监测和预测两区间段，仅在预测区间段使用预测心率算法，避免计算复杂度，同时依据实时监测的数据来实时预测，确保心率预测的准确性；
3、通过实时监测过程，不断补充维护数据库的数据，提升功率与心率拟合关系的构建基数，进而提高心率预测数据的精确度；
4、通过将预测数据库依据功率变化快慢划分为两个不同变化趋势的数据库，提升心率预测的准确性；
5、通过将数据库以功率为单位进行区段划分，将复杂的功率与心率数据库拟合为一段段的线性关系数据库，此时仅需要匹配和对应的功率值，即可得到与其相匹配的心率预测值。
附图说明
图1是本发明具体实施例中一种骑行心率检测稳定算法流程示意图；
图2是本发明具体实施例中骑手的骑行功率与心率随时间变化关系图；
图3是本发明具体实施例中同一固定功率区间内功率变化趋势图；
图4是本发明具体实施例中实测功率与实测心率和预测心率变化状态图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，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的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
一种骑行心率检测稳定算法，包括：
获取并记录相对应的功率与心率数值，构建功率与心率数据库，其中，功率与心率数据库包括功率变化趋势为逐渐增加的第一数据库和功率变化趋势为逐渐降低的第二数据库；
获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率超过阈值时，获取并基于当前功率趋势和数值，匹配与当前功率趋势相对应的功率与心率数据库，基于当前功率值在对应的功率与心率数据库中查找输出心率值，实现当前心率值的预测。
如图2所示，当骑手的骑行功率增加时，其心率是在逐渐增加的。当骑手的骑行功率降低时，其心率是在逐渐降低的。而在功率逐渐增加的过程中和在功率逐渐降低的过程中，会分别出现同一个功率值，但该功率值对应的心率值是不一样的。所以要建立两个功率和心率之间的拟合关系，即两个数据库。一个是功率在逐渐增加的过程与心率之间的第一数据库，一个是功率在逐渐降低的过程与心率之间的第二数据库。
如图1所示，当骑手双手握住测试心率钢片进行骑行时，首先，通过判断心率信号处理模块是否有输入到MCU模块方波信号来判断双手或者单手是否离开测试心率钢片。
若骑手的双手没有松开心率测试钢片，则MCU模块可以收到方波信号，此时不需要预测心率值，实时显示测得的当前心率值即可。由于需要一直维护更新两个数据库，故根据功率是否增加分别维护数据库，数据库里每个功率间隔内的功率增加或者降低的快慢度与心率之间的拟合关系。通过时间的不断积累使得数据库中的数据更加完善，从而为以后的预测显示心率值更加准确。
当骑手的双手或者单手松开心率测试钢片时，则MCU模块不能收到方波信号。此时根据当前的功率是在逐渐增加还是逐渐降低来匹配两个不同的数据库，并根据数据库中的数据来预测显示当前的心率值。
进一步的，构建功率与心率数据库的方法包括：以C值为固定功率间隔，将功率划分为n个区间值，每个区间构成一个小数据库，在该数据库内，预测的心率值与功率之间满足线性关系：b＝a+t×k，其中，b为预测的心率值，a为人手刚离开心率测量钢片时的心率值，t为离开的时间间隔，k为固定功率间隔内功率变化快慢常数。通过将数据库以功率为单位进行区段划分，将复杂的功率与心率数据库拟合为一段段的线性关系数据库，此时仅需要匹配和对应的功率值，即可得到与其相匹配的心率预测值。
功率在逐渐增加的过程时，将整个功率区间值以固定间隔进行划分，或者仅将骑手能骑到的最大功率或者设备支持的最大功率设为区间的上限值。设定功率间隔为C值，划分为n个区间，则每个区间的功率范围为0-C、C-2C、2C-3C……(n-1)*C-nC(nC功率值为最大功率值)。如普通骑手最大功率为400W，则可以以10w为间隔进行区分为40个区间0-10w、10w-20w……390w-400w。而在功率逐渐增加的过程中，功率增加的快慢程度，其心率增加的快慢也是不同的。如骑行功率在3秒内由30W增加到100w，与在1分钟内由30w增加到100w，两个过程在同样的60w时其心率是不同的。故需要引入时间的变量，用功率增加的快慢程度来进行标示。如图3所示，功率在从(n-2)*C到(n-1)*C的增加过程中，A过程增加的时间是T2-T1，B过程增加的时间是T3-T1，明显T3-T1是大于T2-T1的。对应的心率的增加在A过程中增加的是更快的。同样，在骑行功率逐渐降低的过程中，功率降低的快慢程度，其心率降低的快慢也是不同的。如骑行功率在3秒内由100w降为30w，与在1分钟内由100w降为30w，两个过程在同样的60w时其心率也是不同的。用功率减少的快慢程度来进行标示。如图3所示，功率在从(n-1)*C的到(n-2)*C的降低过程中，C过程的时间是T5-T4，D过程的时间是T6-T4,明显T6-T4是大于T5-T4的。对应的心率降低在D过程中是降低更慢的。
进一步的，固定功率间隔内功率变化快慢常数的计算方法为：其中，nC为第n个固定功率间隔记录的功率值，Tn为第n个固定功率间隔记录的结束时间。
进一步的，获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率未超过阈值时，按照预定时间间隔测量并记录实时功率值和实时心率值，并将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据进行存储。存储方式为本地存储或上传至云端存储。心率测试钢片包括分别对应左右手的L1和R1，钢片形状不做限定，L1和R1通过线缆与心电信号处理模块进行连接，传递采集到的人体手掌上的心电信号。心电信号处理模块将获取的心电信号经过放大滤波等信号调整后，提取R波并整形输出给MCU模块，最终使心率信号转化为MCU可以直接测量的方波信号。当人体心率跳动一下，就产生一定宽度的高电平信号。MCU模块将获取到的高电平信号进行预定的算法计算则得出当前的心率值，并将此心率值输出到显示模块进行显示。因此，只要能监测到高电平信号，即表明手与心率测试钢片为接触状态。
进一步的，基于存储的时间、实时功率值和实时心率值数据，计算预定时间间隔内实时功率值的功率变化趋势，当功率变化趋势为增加时，将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据维护至第一数据库中，当功率变化趋势为降低时，将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据维护至第二数据库中。
进一步的，所述阈值为电平变化为0的时长间隔，当且仅当双手均接触心率测试钢片时，心率检测模块生物电流信号检测到高电平。当双手或单手从接触状态到脱离心率测试钢片时，与心率测试钢片相连的心率检测模块检测不到生物电流信号，此时电平发生变化，计时器从电平变化开始计时，当计时时长超过阈值1s时，判定心率检测模块已不能正常检测心率，此时启动心率预测算法预测并输出当前心率值。
对该算法进行实验验证，骑手使用动感单车或者椭圆机进行运动时，双手握住心率测试钢片，本系统算法实时维护更新数据库，同时实时显示当前测的的心率值。当双手或者单手松开心率测试钢片时，根据之前记录的数据库进行匹配心率值，并进行实时显示。如图4中的T1到T2的时间段和T3到T4时间段内是进行预测显示，其他时间段根据实测心率值进行实时显示。由图可看出，心率与功率之间基本满足同增同减的变化趋势，同时，通过预测求解的虚线段与通过实测记录的实现段之间能够较好的匹配，基于功率变化规律来说，其心率的预测值可信度较高，与实测值较为接近。
一种骑行设备用心率计，包括用于记录心电信号的手握式心率传感器、用于记录速度和扭力信号的功率测量传感器、用于显示功率和心率数值的显示器、处理器及存储器，所述处理器包括用于接收心电信号的心电信号处理模块、用于接收速度和扭力信号的速度与扭力测量模块、用于将速度和扭力信号转换为功率的MCU模块以及用于接收处理后功率和心率信号的显示模块，所述心电信号处理模块、速度与扭力测量模块、显示模块分别与MCU模块信号连接；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行一种骑行心率检测稳定算法。
进一步的，还包括用于提示心率异常状态的报警模块。人在安静状态下时的心率值一般在70-100之间，在非安静状态下一般超过200左右则出于较危险的状态。实时测量当前用户的心率值或者预测其心率值，若在测出或预测的心率值处于危险转态时(如可设定为200为临界值)，则系统的显示模块进行报警显示提示，同时，心率计与骑行设备进行关联控制，骑行控制系统基于心率计的异常值信号控制骑行的功率降低(如进行缓慢制动或者降低系统扭力值)。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种骑行心率检测稳定算法。
一种电子终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行一种骑行心率检测稳定算法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。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，本发明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发明内。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (8)
1.一种骑行心率检测稳定算法，其特征在于，包括：
获取并记录相对应的功率与心率数值，构建功率与心率数据库，其中，功率与心率数据库包括功率变化趋势为逐渐增加的第一数据库和功率变化趋势为逐渐降低的第二数据库；
获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率超过阈值时，获取并基于当前功率趋势和数值，匹配与当前功率趋势相对应的功率与心率数据库，基于当前功率值在对应的功率与心率数据库中查找输出心率值，实现当前心率值的预测；
构建功率与心率数据库的方法包括：以C值为固定功率间隔，将功率划分为n个区间值，每个区间构成一个小数据库，在该数据库内，预测的心率值与功率之间满足线性关系：b＝a+t×k，其中，b为预测的心率值，a为人手刚离开心率测量钢片时的心率值，t为离开的时间间隔，k为固定功率间隔内功率变化快慢常数；
固定功率间隔内功率变化快慢常数的计算方法为：其中，nC为第n个固定功率间隔记录的功率值，Tn为第n个固定功率间隔记录的结束时间。
2.根据权利要求1所述的一种骑行心率检测稳定算法，其特征在于，获取心率检测模块的工作状态，当心率检测模块生物电流信号变化率未超过阈值时，按照预定时间间隔测量并记录实时功率值和实时心率值，并将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据进行存储。
3.根据权利要求2所述的一种骑行心率检测稳定算法，其特征在于，基于存储的时间、实时功率值和实时心率值数据，计算预定时间间隔内实时功率值的功率变化趋势，当功率变化趋势为增加时，将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据维护至第一数据库中，当功率变化趋势为降低时，将记录的时间、实时功率值和实时心率值数据维护至第二数据库中。
4.根据权利要求1所述的一种骑行心率检测稳定算法，其特征在于，所述阈值为电平变化为0的时长间隔，当且仅当双手均接触心率测试钢片时，心率检测模块生物电流信号检测到高电平。
5.一种骑行设备用心率计，其特征在于，包括用于记录心电信号的手握式心率传感器、用于记录速度和扭力信号的功率测量传感器、用于显示功率和心率数值的显示器、处理器及存储器，
所述处理器包括用于接收心电信号的心电信号处理模块、用于接收速度和扭力信号的速度与扭力测量模块、用于将速度和扭力信号转换为功率的MCU模块以及用于接收处理后功率和心率信号的显示模块，所述心电信号处理模块、速度与扭力测量模块、显示模块分别与MCU模块信号连接；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述骑行设备用心率计执行如权利要求1至4中任一项所述的算法。
6.根据权利要求5所述的一种骑行设备用心率计，其特征在于，还包括用于提示心率异常状态的报警模块。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的算法。
8.一种电子终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如权利要求1至4中任一项所述的算法。
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