CN1940570A - 用于在个人导航系统中检测脚步的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在个人导航系统中进行脚步检测的设备和方法。在所述设备中，从加速度传感器获得移动方向和与用户相对的重力方向的加速度信号。用于加速度传感器输出的从移动方向和重力方向的加速度信号的滑窗求和数据被计算以获得滑窗求和数据的和。然后，基于微分的滑窗求和数据检测过零点。将当前过零点和前一过零点之间的检测时间的差值与阈值进行比较，从而基于行走的明显的信号模式检测用户脚步。所述脚步检测设备区分由人体的摆动(例如，振动)引起的过零检测和由用户的脚步引起的过零检测，以便所述脚步检测设备更精确地检测用户脚步。因此，可以利用诸如便携式电话或PDA的包括微传感器模块的手持式个人导航系统检测用户脚步。

Description

用于在个人导航系统中检测脚步的设备和方法

                    技术领域

本发明涉及一种个人导航系统，更具体地说，涉及一种用于在个人导航系统中检测脚步的设备和方法方法。

                    背景技术

个人导航系统通常用于路线引导和定位。因此，个人导航系统通过检测用户当前位置，为用户提供路线信息。

个人导航系统通常被包括在诸如便携式电话、个人数字助手(PDA)、便携式GPS接收器等的便携式终端。这些个人导航系统通常包括：全球定位系统(GPS)接收器、加速计、和地磁传感器。一些个人导航系统可以基于GPS信息确定用户的步幅(stride)，并根据所假定的步幅生成导航方案从而提供导航服务。因此，为了提供精确的导航服务，精确的脚步信息是必不可少的。即，步幅检测是个人导航系统中非常重要的因素。

用户所持有的或者连接到用户的加速计用于脚步检测。这里，所述“脚步”相应于用户的脚步，并且除非上下文表示其它意思，否则都被引用为“脚步”。所述加速计基于根据人们走或跑时生成的冲击的加速度变化对脚步进行计数。因此，为了精确的检测脚步，加速度变化必需被精确的测量。

然而，如果基于从加速度传感器生成的加速度信号直接测量加速度变化，则如果加速度变化不明显，则脚步检测的精确度降低。因此，当从加速度传感器生成的加速度信号的变化明显并且能够被容易的区分出来时，优选地按照如下所述检测脚步。

通常，所述加速度传感器被用户连接到衣服和/或鞋子、腰、或腿部中的一个，当用户走或跑的时候，这些地方通常会经受很大冲击，从而获得用于脚步检测的明显的加速度变化。然而，这时，传感器模块必须和个人导航终端分开设置，并且为了在所述传感器模块和个人终端之间进行数据通信，需要提供通信模块。从而增加了个人导航系统的硬件复杂程度。

尽管存在一种以手持状态检测脚步的方法，在该方法中，加速度传感器被安装在个人导航终端中，该方法通常在用户在他或她手中持有个人导航终端的状态来检测用户的脚步。

如果加速度传感器被安装在个人导航终端中，所述传感器模块可以和个人导航终端进行内部通信。因此，无需用于在传感器模块和个人导航终端之间通信数据的通信模块。然而，因为以手持状态测量加速度，存在如下问题。

即，如果以手持状态测量加速度，则肩膀或肘用作减震器，所以与用户的脚和地面进行的接触相对应的冲击不能被精确地传送到加速度传感器。这时，与用户步幅相对应的加速度变化不能被准确地测量，从而导致脚步测量中发生错误。因此，需要一种能够准确地测量由加速度传感器生成的加速度信号的变化的技术。

                        发明内容

因此，作出本发明以解决当前技术中存在的上述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于通过处理从加速度传感器输出的加速度信号以便能够明显地获得加速度信号的变化，从而在个人导航系统中精确地测量脚步的设备和方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过处理从安装在手持式个人导航终端中的加速度传感器输出的加速度信号以便能够明显地获得加速度信号的变化，从而在个人导航系统中精确地检测脚步的设备和方法。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于在个人导航系统中脚步检测的设备，该设备包括：加速度传感器，用于检测移动方向和相对于用户的重力方向的加速度并根据检测的结果输出加速度信号；和移动距离测量装置，用于计算从加速度传感器输出的移动方向和重力方向的加速度信号的滑窗求和数据以计算滑窗求和数据的和，然后通过微分的滑窗求和数据检测用户的脚步。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在个人导航系统中脚步检测的方法，该方法包括：从加速度传感器获得移动方向和相对于用户的重力方向的加速度信号；计算与加速度传感器的移动方向和重力方向的加速度信号相对应的滑窗求和数据；计算滑窗求和数据的和，并计算微分的滑窗求和数据；基于所述微分的滑窗求和数据检测用户脚步。

                    附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的以上和其他目的、特点和优点将会变得更加明显，其中：

图1是示出根据本发明实施例的个人导航系统中的脚步检测设备的结构的框图；

图2是示出根据本发明的个人导航系统中的脚步检测的过程的流程图；

图3A到3C是示出根据本发明的加速度传感器生成的X、Y、Z轴方向的加速度信号的波形的曲线图；

图4A到4C是示出了根据本发明的相对于X、Y、Z轴方向的加速度信号的滑窗求和数据的曲线图；

图5是示出了根据本发明的微分的滑窗求和数据的曲线图；

图6是示出了根据本发明的脚步检测结果的曲线图；

                    具体实施方式

下面，将参照附图对本发明的优选实施例进行描述。在附图中，相同或相似的部件由相同的标号来表示。此外，当对已知功能或结构的描述会使本发明的主体模糊时，忽略对其的详细描述。在下面的描述中使用到的术语是考虑到其功能而定义的，所以，可以根据用户/管理人员的习惯或意图来改变术语。因此，应该根据或结合本发明的教学来构造在本申请书中使用的术语。

图1是示出了根据本发明的个人导航系统中的脚步检测设备的结构的框图。参照图1，所述脚步检测设备包括加速度传感器110和移动距离测量装置120

所述加速度传感器110可以包括MEMS(微型机电系统)传感器，即，能够被安装在诸如便携式电话或PDA的个人导航终端中的微传感器。所述加速度传感器110可以在至少两个轴方向上检测加速度并输出相应的加速度信号。根据本发明，所述加速度传感器110可以以三轴加速计的形式实现或者可以包括三个单轴加速计。假设在使用时，个人导航终端的机身平行于地面，则以如下方式将加速度传感器110安装在个人导航终端中：X轴被沿着用户的侧面方向(左向或右向)放置，Y轴被放置在用户的移动方向，Z轴被放置在重力方向。这时，尽管为了与轴的相应方向一致首选精确的排列每一轴，但是因为本发明中脚步的加速度分量(即，本实施例中y轴上的加速度)比脚步的移动方向(即，本实施例中y轴上的移动)更加重要，所以上述轴可以在预定范围内轻微倾斜，在所述预定范围内的倾斜不会对加速度信号检测产生实质性影响。此外，如上所述，安装在个人导航终端中的加速度传感器110检测X、Y、Z轴方向上的线性移动，并根据检测结果输出加速度信号。

所述移动距离测量装置120可以包括诸如8位微控制器的控制器(例如，Ateml公司的Atmega128)。所述移动距离测量装置120通过利用从加速度传感器110输出的加速度信号检测脚步。具体地说，因为Y轴和Z轴方向的加速度信号可以影响用户的行走模式，所以移动距离测量装置120通过将Y轴方向的加速度信号加到Z轴方向的加速度信号来检测脚步。因为Y轴方向的加速度信号的相位和Z轴方向的加速度信号的相位相同，所以当上述加速度信号相互相加时，信号相位相互重叠，所以实质上的信号衰减没有发生。而且每一相位的信号值的增加表示明显地行走信号模式。

然而，从加速度传感器110输出的加速度信号可能包括除噪声外的多种错误。具体地说，当加速度传感器110被安装在手持式个人导航终端中时，因为加速度传感器110的每一个轴可能被摇动，所以噪声、偏置、和诸如转换系数错误或未对准错误的多种错误可能会变得严重。上述参数(噪声、偏置、转换系数错数、未对准错误等)对行走模式产生影响，从而干扰脚步检测。

因此，根据本发明的移动距离测量装置120对从加速度传感器100生成的X、Y、Z轴方向的加速度信号执行滑窗求和，从而当驱除包含在加速度信号中的噪声时，使每一轴方向上的加速度信号平滑。

此外，所述移动距离测量装置120计算Y轴和Z轴方向生成的加速度信号的滑窗求和数据的和，从而获得明显地行走信号模式。

然而，尽管通过滑窗求和方案，可以将噪声从加速度信号驱除，但是偏置和诸如转换系数错误或未对准错误的多种错误不能被容易地驱除。因此，即使滑窗求和数据相互相加，偏置和多种错误分量仍然存在。

因此，所述移动距离测量装置120对用于Y轴和Z轴方向的加速度信号的滑窗求和数据求微分，以便驱除存在于滑窗求和数据的和中的偏置和错误。结果，微分的滑窗求和数据可能只具有加速度信号分量，没有噪声、偏置和错误。因此，所述滑窗求和数据可以被充分地处理以表示行走模式。

因此，移动距离测量装置120通过分析滑窗求和数据的模式来检测脚步。即，所述移动距离测量装置120通过利用过零方法检测滑窗求和数据的信号通过零点时的时间，然后基于过零检测来检测脚步。

然而，除了用户的脚步之外，通过人体摆动(例如，振动)的方式也能够获得所述过零检测。因此，当检测到滑窗求和数据的信号通过零点时，必须确定所述过零检测源自用户的脚步还是人体的摆动。具体地说，因为当持有具有加速度传感器110的手持式个人导航终端时，用户通常在行走，所以振动可以通过用户的手或臂被施加到手持式个人导航终端。因此，当手持式个人导航终端具有加速度传感器110时，需要确定所述过零检测源自用户的脚步还是人体的摆动。

然而，因为用户以预定的步幅行走，所以由用户的脚步引起的过零检测具有预定的间隔。相反，因为人体的摆动指人体振动，所以由人体的摆动引起的过零检测以相对短的间隔出现多次。所以，基于过零检测的间隔，可以确定过零检测源自用户的脚步还是人体的摆动。因此，根据本发明的移动距离测量装置120计算当前过零检测和前一过零检测之间的检测时间的差，并将所述差值和阈值进行比较，从而检测脚步。可以通过实验得到所述阈值。

根据具有上述结构的脚步检测设备，从加速度传感器110输出的加速度信号被处理以获得行走的明显的信号模式，并基于该明显的信号模式检测脚步，以便用户的脚步能够被精确地检测。此外，根据本发明的脚步检测设备能够区分由人体的摆动引起的过零检测和由用户的脚步引起的过零检测，以便所述脚步检测设备能够更精确地检测用户的脚步。

下面，参照图2对上述个人导航系统中脚步检测的方法进行描述，图2是示出根据本发明的个人导航系统中的脚步检测的过程的流程图。

参照图2，移动距离检测装置120检测从加速度传感器110生成的X、Y、Z轴方向的加速度信号(步骤202)。

例如，当用户持有具有加速度传感器110的个人导航终端行走10步时，从加速度传感器110生成如图3A到3C所示的加速度信号。

图3A是示出在X轴方向(用户的侧面方向)生成的加速度信号的波形的曲线图，图3B是示出在Y轴方向(用户的移动方向)生成的加速度信号的波形的曲线图，图3C是示出在Z轴方向(重力方向)生成的加速度信号的波形的曲线图。在图3A到3C中，纵轴表示加速度，横轴表示时间。

参照图3A，根据行走的加速度信号波形的变化可以被忽略。然而，参照图3B和3C，根据行走的加速度信号波形的变化大于图3A中示出的加速度信号波形的变化。因此，可以这样理解，用户的行走模式很大程度上被Y轴和Z轴方向的加速度信号反映。

因此，所述移动距离测量装置120优选地利用表现出较大变化的波形的Y轴和Z轴方向的加速度信号。

在检测到从加速度传感器110输出的加速度信号之后，所述移动距离测量装置120通过利用滑窗求和方案计算用于于加速度信号的滑窗求和数据(步骤204)。当相对时轴滑动窗口时，所述滑窗求和方案参照用于将窗口周期的加速度值彼此相加的信号处理方案。

此时，可以根据方程1计算用于加速度信号的滑窗求和数据。

$\mathrm{SWS}=\underset{k=t-(N+1)}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}a\left(k\right)---\left(1\right)$

在方程1中，t是时间，N是窗口大小，a(k)是用作时间(t)的函数的加速度信号值，SWS(t)是滑窗求和的值。

图4A到4C是示出了根据本发明的相对于X、Y、Z轴方向的加速度信号的滑窗求和数据的曲线图。通过将加速度传感器110的加速度信号应用于方程1得到滑窗求和数据的计算结果。

图4A是示出通过将滑窗方案应用于X轴方向的加速度信号的波形得到的滑窗求和数据的计算结果的曲线图。图4B是示出通过将滑窗方案应用于Y轴方向的加速度信号的波形得到的滑窗求和数据的计算结果的曲线图。图4C是示出通过将滑窗方案应用于Z轴方向的加速度信号的波形得到的滑窗求和数据的计算结果的曲线图。在图4A到图4C中，纵轴表示滑窗求和，横轴表示时间。

将图4A到4C和图3A到3C进行比较，可以理解的是，如果所述滑窗求和数据方案被应用于加速度信号的波形，则从X轴、Y轴、Z轴方向的加速度信号驱除了噪声。

在从加速度传感器110生成的加速度信号驱除噪声后，所述移动距离测量装置120计算用于在Y轴和Z轴方向生成的加速度信号的滑窗求和数据的和(步骤206)。

以这样的方式，因为反映用户行走模式的Y轴和Z轴方向生成的加速度信号的滑窗求和数据彼此相加，所以可以获得明显地行走信号模式。

此后，移动距离测量装置120根据方程2对用于在Y轴和Z轴方向生成的加速度信号的滑窗求和数据求微分(步骤208)。

SWS(t)＝SWS₀(t)+SWS_ε(t)

ΔSWS(t)＝SWS(t)-SWS(t-1)＝SWS₀(t)-SWS₀(t-1)    (2)

在方程2中，ΔSWS(t)是微分的滑窗求和数据，SWS₀(T)是用于已经驱除错误的加速度信号的滑窗求和数据，SWS(t)是用于包含错误分量的加速度信号的滑窗求和数据。

根据方程2得到的微分的滑窗求和数据结果被示出在图5中。在图5中，纵轴表示微分的滑窗求和数据，横轴表示时间。

参照图5，微分的滑窗求和数据的波形表示已经驱除了噪声、偏置和错误的加速度信号分量，以便能够获得明显的信号模式。因此，上述微分的滑窗求和数据表示加速度信号被充分地处理以表示相应于用户的行走的明显的信号模式。

此后，移动距离测量装置120通过利用所述行走模式基于所述微分滑窗求和数据检测过零点以检测用户的脚步(步骤210)。即，移动距离测量装置120利用过零方法检测当滑窗求和数据的信号通过零点时的时间，从而检测过零点。如上所述，所述过零点可以由用户的脚步或人体的摆动引起。

因此，为了检测过零检测由用户脚步引起还是由人体的摆动引起，移动距离测量装置120将当前过零检测和前一过零检测的检测时间的差值和阈值进行比较(步骤212)。能够通过实验得到该阈值。根据本发明，所述预置大约为基于50Hz数据率的15个采样(0.3秒)。如果当前过零检测和前一过零检测的检测时间的差值等于或小于所述阈值，则移动距离测量装置120确定过零检测由人体的摆动引起，所以程序返回步骤210。然而，如果当前前过零检测和前一过零检测的检测时间的差值大于该阈值时，则移动距离测量装置120确定过零检测由用户的脚步引起(步骤214)。

例如，图6是示出了根据本发明的脚步检测结果的曲线图。参照图6，“a”是微分的滑窗求和数据的波形，“b”是发生过零检测的点。通过对发生过零检测的点计数，可以精确地检测到用户走了10步。

尽管已参照本发明的特定优选实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种形式和细节上的修改。

例如，尽管已经对本发明描述如下：在计算了用于X轴、Y轴、Z轴方向的加速度信号的滑窗求和数据之后，用于Y轴和Z轴方向的加速度信号的滑窗求和数据的和被计算。但是也可以在所述滑窗求和数据被计算之前，计算Y轴和Z轴方向上的加速度信号的和。这时，滑窗求和方案被应用到加速度信号的和。

如上所述，根据本发明，从加速度传感器生成的加速度信号被处理以便能够获得明显的行走信号模式，从而基于所述明显的信号模式精确地检测用户脚步。

此外，根据本发明的脚步检测设备能够区分由人体摆动引起的过零检测和由用户的脚步引起的过零检测，所以该脚步检测设备能够更加精确地检测用户脚步。

而且，根据本发明的算法，可以在包括微传感器模块和便携式电话或PDA的手持式个人导航系统中精确地检测用户的脚步。

Claims (20)

1、一种用于在个人导航系统中进行脚步检测的设备，该设备包括：

加速度传感器，用于检测移动方向和与用户相对的重力方向的加速度，并根据检测的结果输出加速度信号；

移动距离测量装置，用于计算移动方向和重力方向上加速度信号的滑窗求和数据，从而计算出所述滑窗求和数据的和，并通过利用微分的滑窗求和数据检测用户的脚步。

2、如权利要求1所述的设备，其中，所述移动距离测量装置基于所述微分的滑窗求和数据检测过零点，然后将当前过零点和前一过零点之间的检测时间的差与阈值进行比较，从而检测用户的脚步。

3、如权利要求2所述的设备，其中，所述阈值是用于确定根据用户的脚步还是人体的摆动检测过零点的参考时间。

4、如权利要求1所述的设备，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

5、如权利要求2所述的设备，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

6、如权利要求3所述的设备，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

7、如权利要求4所述的设备，其中，所述加速度传感器在至少两个轴方向上生成加速度信号。

8、如权利要求7所述的设备，其中，当个人导航系统终端的机身与地面平行时，以如下方式将加速度传感器安装在个人导航系统终端中：所述加速度传感器的至少两个轴被排列在移动方向和与用户相对的重力方向上。

9、一种用于在个人导航系统中脚步检测的方法，该方法包括：

从加速度传感器获得移动方向和与用户相对的重力方向的加速度信号；

计算用于加速度传感器的移动方向和重力方向的加速度信号的滑窗求和数据；

计算滑窗求和数据的和，并计算滑窗求和数据的微分；和

基于所述微分的滑窗求和数据检测用户脚步。

10、如权利要求9所述的方法，还包括：

基于微分的滑窗求和数据检测过零点；

将当前过零点和前一过零点之间的检测时间的差和阈值进行比较；和

根据比较结果检测用户脚步。

11、如权利要求10所述的方法，其中，所述比较步骤包括：

获得当前过零点和前一过零点之间的检测时间的差；

确定所述差是否大于阈值。

12、如权利要求11所述的方法，其中，当所述差大于阈值时，确定由用户的脚步引起过零点，当所述差等于或小于阈值时，确定由摆动引起过零点。

13、如权利要求9所述的方法，其中，所述阈值是用于确定根据用户脚步还是人体的摆动检测过零点的参考时间。

14、如权利要求9所述的方法，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

15、如权利要求10所述的方法，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

16、如权利要求11所述的方法，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

17、如权利要求12所述的方法，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

18、如权利要求13所述的方法，其中，所述个人导航系统包括具有加速度传感器的手持式个人导航系统。

19、如权利要求14所述的方法，其中，所述加速度传感器在至少两个轴方向上生成加速度信号。

20、如权利要求19所述的方法，其中，当个人导航系统终端的机身与地面平行时，以如下方式将加速度传感器安装在个人导航系统终端中：所述加速度传感器的至少两个轴被排列在移动方向和与用户相对的重力方向上。

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