一種行人步頻計算系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到行人步態(tài)測量領(lǐng)域，特指一種行人步頻計算系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 行人步頻是基于行人的步態(tài)過程，通過各類傳感器計算行人所完成的步態(tài)周期個 數(shù)，進而計算得到的行人步行頻率。行人步頻是行人步態(tài)分析、行人航跡推算等應(yīng)用中的基 礎(chǔ)要素，在康復醫(yī)療、體育科學以及行人導航定位等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 行人步頻計算最重要的是準確計算出行人步行過程中的每個步態(tài)周期，對步態(tài)周 期的計算有很多常規(guī)的方法：如論文"基于數(shù)字視頻和數(shù)字圖像處理的步態(tài)分析在卒中康 復訓練中的應(yīng)用"《2009年中國腦血管病雜志，胡雪艷，456頁-460頁》一文中，基于圖像對 步頻進行計算，在圖像采集階段存在標記點標定及攝像機定位等問題，操作較為復雜，而 且視頻信號數(shù)據(jù)量較大很難實現(xiàn)實時步頻計算；如論文"基于GPS和自包含傳感器的行人 室內(nèi)外無縫定位算法研宄"《中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫，陳偉，61頁-69頁》一文中基 于小腿EMG肌電信號計算行人步頻，如論文"基于慣性傳感器和WiFi的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計 和實現(xiàn)"《中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫，張世哲，17頁-26頁》一文中基于加速度傳感 器計算行人步頻，這類步頻計算系統(tǒng)中一般基于傳感器信號采用峰值計算法、過零計算法、 平帶計算法等計算行人步頻，在測量信號具有噪聲情況下，行人步頻計算誤差較大，而且需 要對測量信號連續(xù)不斷的進行搜索和計算，算法效率偏低。
[0004] 常規(guī)的行人步頻算法在測量信號具有噪聲情況下，針對信號的峰值計算、過零計 算以及平帶計算等誤差較大，在測量信號具有噪聲情況下存在行人步頻計算誤差較大的問 題；而且常規(guī)的行人步頻算法需要對測量信號連續(xù)不斷的進行計算，存在算法效率偏低的 問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一 種無需連續(xù)計算、在測量信號具有噪聲情況下也能實現(xiàn)準確、高效的行人步頻計算的系統(tǒng) 及其方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的解決方案為：
[0007]本發(fā)明提出一種行人步頻計算系統(tǒng)，它包括腰部測量裝置1、大腿部測量裝置2、 小腿部測量裝置3、足面測量裝置4以及網(wǎng)關(guān)5,其中，腰部量裝置1和大腿部測量裝置2用 于測量行人髖關(guān)節(jié)角度，大腿部測量裝置2和小腿部測量裝置3用于測量行人膝關(guān)節(jié)角度， 小腿部測量裝置3和足面測量裝置4用于測量行人踝關(guān)節(jié)角度，通過無線通信將各個測量 數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)5,在網(wǎng)關(guān)5中進行行人步頻計算和顯示，其特征在于：
[0008] 所述的腰部測量裝置1安裝于行人腰部位置，包括腰部慣性測量模塊11、腰部嵌 入式微處理器12、腰部無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊13,其中，
[0009] 腰部慣性測量模塊11用于讀取測量行人腰部的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)， 并傳送給腰部嵌入式微處理器12;
[0010] 腰部嵌入式微處理器12用于接收腰部慣性測量模塊11測量的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以 及加速度數(shù)據(jù)；
[0011] 腰部無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊13接收或發(fā)送旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)，將其發(fā) 送給網(wǎng)關(guān)5;
[0012] 所述的大腿部測量裝置2安裝于行人大腿部位置，包括大腿部慣性測量模塊21、 大腿部嵌入式微處理器22、大腿部無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊23,其中，
[0013] 大腿部慣性測量模塊21用于讀取測量行人大腿部的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù) 據(jù)并傳送給大腿部嵌入式微處理器22;
[0014]大腿部嵌入式微處理器22用于接收大腿部慣性測量模塊21測量的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù) 據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)；
[0015] 大腿部無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊23接收或發(fā)送旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)，將其 發(fā)送給網(wǎng)關(guān)5;
[0016] 所述的小腿部測量裝置3安裝于行人小腿部位置，包括小腿部慣性測量模塊31、 小腿部嵌入式微處理器32、小腿部無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊33,其中，
[0017] 小腿部慣性測量模塊31用于讀取測量行人小腿部的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù) 據(jù)并傳送給小腿部嵌入式微處理器32;
[0018] 小腿部嵌入式微處理器32用于接收小腿部慣性測量模塊31測量的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù) 據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)；
[0019] 小腿部無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊33接收或發(fā)送旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)，將其 發(fā)送給網(wǎng)關(guān)5;
[0020] 所述的足面測量裝置4安裝于行人足面位置，包括足面慣性測量模塊41、足面嵌 入式微處理器42、足面無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊43,其中，
[0021] 足面慣性測量模塊41用于讀取測量行人足面的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)并 傳送給足面嵌入式微處理器42;
[0022] 足面嵌入式微處理器42用于接收足面慣性測量模塊41測量的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以 及加速度數(shù)據(jù)；
[0023] 足面無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊43接收或發(fā)送旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)，將其發(fā) 送給網(wǎng)關(guān)5;
[0024]所述的網(wǎng)關(guān)5用于計算行人的步頻F(j)，并顯示行人的步頻F(j)計算結(jié)果，網(wǎng)關(guān) 5包括網(wǎng)關(guān)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊51、網(wǎng)關(guān)嵌入式微處理器52、網(wǎng)關(guān)顯示模塊53,其中：
[0025] 所述網(wǎng)關(guān)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊51用于接收腰部測量裝置1、大腿部測量裝置2、小腿 部測量裝置3、足面測量裝置4發(fā)來的各旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)以及加速度數(shù)據(jù)，并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)嵌 入式微處理器模塊52;
[0026]所述網(wǎng)關(guān)嵌入式微處理器52用于計算行人的步頻F(j)，并將行人的步頻F(j)發(fā) 送給網(wǎng)關(guān)顯示模塊53;
[0027] 所述網(wǎng)關(guān)顯不t旲塊53用于顯不彳丁人步頻F(j);
[0028] 一種行人步頻計算方法，該方法采用行人步頻測量系統(tǒng)測量行人步頻，其步驟 為：
[0029] (I).將腰部慣性測量模塊11測量腰部的豎直方向加速度數(shù)據(jù)的峰值標識表示為 Gf(J),
[0030] 若Gf (j) = 1，則確定腰部慣性測量模塊11測量腰部的豎直方向加速度數(shù)據(jù)為峰 值，
[0031] 若Gf (j) = 0,則確定腰部慣性測量模塊11測量腰部的豎直方向加速度數(shù)據(jù)為不 是峰值；
[0032] Gf(j) = 0 ；
[0033] 將大腿部慣性測量模塊21測量大腿部的前進方向上的加速度數(shù)據(jù)正負標識表示 SGz(j)，
[0034] gGz(j) = 1，則確定大腿部慣性測量模塊21的前進方向上的加速度數(shù)據(jù)為正值，
[0035] 若Gz (j)=0,則確定大腿部慣性測量模塊21的前進方向上的加速度數(shù)據(jù)為負值， j表不彳丁人步態(tài)周期序；
[0036] 初女臺化Gz(j)=0;
[0037] (2).分別將腰部測量裝置1、大腿部測量裝置2、小腿部測量裝置3、足面測量裝置 4測量的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)5;
[0038] (3).采用網(wǎng)關(guān)5中的網(wǎng)關(guān)嵌入式微處理器52的測量數(shù)據(jù)，分別計算腰部慣性測量 模塊12的豎直方向加速度數(shù)據(jù)的峰值標識Gf (j)和大腿部慣性測量模塊12的前進方向上 的加速度數(shù)據(jù)正負標KGz (j)，當腰部慣性測量模塊12的豎直方向加速度數(shù)據(jù)達到峰值，即 Gf (j) = 1，貝IJ轉(zhuǎn)步驟（4)，否貝IJ轉(zhuǎn)步驟（2);
[0039] (4).分別設(shè)置行人步態(tài)雙腳支撐期后腳目標函數(shù)和前腳目標函數(shù)，計算行人步態(tài) 周期內(nèi)后腳的計數(shù)值和前腳的計數(shù)值，具體方法如下：
[0040] (4-1).當Gf(j) = 1 且Gz(j) =0時，即Gf (j) ? (Gz(j)+1) = 1 時，計算行人步態(tài) 周期計時器的計數(shù)值Cstart，具體步驟如下：
[0041] (4-1-1).設(shè)置行人步態(tài)雙腳支撐期后腳目標函數(shù)，記為Z1 (t)，計算行人步態(tài)雙腳 支撐期的后腳的關(guān)節(jié)角度：
[0043] 式（1)中，0Jt)表示利用腰部慣性測量模塊11和大腿部慣性測量模塊21的旋 轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)計算得到的髖關(guān)節(jié)角度；0 3(t)表示利用小腿部慣性測量模塊 31和足面慣性測量模塊41的旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)計算得到的踝關(guān)節(jié)角度；t為行 人步態(tài)雙腳支撐周期內(nèi)的時間；
[0044] (4-1-2) ?當[Z1 (t+nk) -Z1 (t-k) ] [Z1 (t-k) -Z1 (t-nk) ] < 0,則認為行人的步態(tài)未到 達雙腳支撐期內(nèi)，返回步驟（2)，
[0045]當[Z1 (t+nk)-Z1 (t-k)] [Z1 (t-k)-Z1 (t-nk)]>0,其中，n為小于10的常數(shù)，k表示 行人步態(tài)雙腳支撐周期，則認為行人的步態(tài)已到達雙腳支撐期內(nèi)，裝在網(wǎng)關(guān)嵌入式微處理 器52中的計時器的計數(shù)，其計數(shù)值記為Cstart;
[0046] (4-2) ?當Gf(j) = 1 且Gz(j) = 1 時，即Gf (j) ? (Gz(j)+1) = 2 時，計算步態(tài)周期 計時器的計數(shù)值Cmd，具體步驟如下：
[0047](4-2-1).設(shè)置行人步態(tài)雙腳支撐期前腳目標函數(shù)，記為Z2 (t)，計算行人步態(tài)雙腳 支撐期的前腳的關(guān)節(jié)角度：
[0048] Z2 (t) = (J)J(t)-<i> 2 (t) + <i>3(t) ⑵
[0049] 式⑵中，Mt)表示利用腰部慣