本發(fā)明涉及一種基于MEMS慣性測(cè)量單元的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，可以應(yīng)用在與用戶的步態(tài)特性相對(duì)應(yīng)地高精度地檢測(cè)個(gè)人健康數(shù)據(jù)以及行人導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民生活水平不斷提高，對(duì)個(gè)人健康日益關(guān)注，健康、運(yùn)動(dòng)與醫(yī)療市場(chǎng)需求大增，基于MEMS慣性傳感器的可穿戴設(shè)備已經(jīng)由概念走入了人們的日常生活，可穿戴設(shè)備將各類傳感、識(shí)別、連接和云服務(wù)等技術(shù)綜合嵌入到人們的眼睛、戒指、手表、手環(huán)、服裝及鞋襪等日常穿戴的設(shè)備中，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶五感能力拓展、生活管家、社交娛樂(lè)、健康監(jiān)測(cè)等功能。

以往，提出了只利用加速度傳感器檢測(cè)步數(shù)的計(jì)步方法。對(duì)于一般步行、快走、跑步等步行方式，該計(jì)步方法根據(jù)加速度信號(hào)波形的極大值及極小值來(lái)檢測(cè)一步，并對(duì)步數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。但是，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，存在由于受傷、走路腳擦地皮地步行、緊急環(huán)境下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不規(guī)則等情況，針對(duì)這種步行方式單純的依靠加速度信號(hào)來(lái)檢測(cè)步數(shù)存在很大的誤差。

然而，作為計(jì)測(cè)用戶的步數(shù)的技術(shù)，不僅需要對(duì)于一般的步行、快走、跑步等步行方式要能夠?qū)崿F(xiàn)精確地檢測(cè)步數(shù)，而且需要能夠在特殊的運(yùn)動(dòng)方式下精確地檢測(cè)步數(shù)，并穩(wěn)定且高精度地檢測(cè)用戶的步行間距。但是，當(dāng)前已有的基于MEMS慣性器件的步數(shù)檢測(cè)方法由于器件自身精度低、受噪聲影響大等特點(diǎn)，單純的依靠一種數(shù)據(jù)源根本不能準(zhǔn)確地對(duì)用戶的步數(shù)進(jìn)行精確的檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于MEMS慣性測(cè)量單元的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，為基于MEMS慣性測(cè)量單元的個(gè)人健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及行人導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：一種基于MEMS慣性測(cè)量單元的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，該方法步驟如下：

步驟(1)、首先在不影響用戶正常行走的條件下，將MEMS慣性測(cè)量單元固定于用戶足部，所述MEMS慣性測(cè)量單元包括一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸陀螺儀，并對(duì)該測(cè)量單元進(jìn)行初始化；

步驟(2)、通過(guò)上位機(jī)采集用戶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中置于足部的MEMS慣性測(cè)量單元輸出的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)，并對(duì)采集到的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波處理；

步驟(3)、通過(guò)設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間間隔作為滑動(dòng)時(shí)間窗口，然后通過(guò)求滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)加速度信號(hào)和角速度信號(hào)均值的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波后的加速度和角速度信號(hào)自適應(yīng)閾值的獲??；

步驟(4)、將步驟(3)中獲取到的自適應(yīng)加速度閾值與自適應(yīng)角速度閾值作為步數(shù)檢測(cè)的條件，并判斷當(dāng)前時(shí)刻的加速度和角速度信號(hào)是否滿足步數(shù)檢測(cè)條件；

步驟(5)、如果步驟(4)判定的結(jié)果為“是”，則當(dāng)前檢測(cè)到的步數(shù)有效，計(jì)步值加1，并進(jìn)一步判斷是否處理完所有信號(hào)，如果判定結(jié)果也為“是”則結(jié)束，否則讀取下一時(shí)刻的信號(hào)，繼續(xù)處理；反之如果步驟(4)判定的結(jié)果為“否”則進(jìn)一步判斷是否處理完所有信號(hào)，如果判定結(jié)果為“是”則結(jié)束，但如果判定結(jié)果為“否”則返回繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)至步驟(5)，直至處理完所有信號(hào)結(jié)束。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中對(duì)MEMS慣性測(cè)量單元進(jìn)行初始化是指利用上位機(jī)對(duì)三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀進(jìn)行初始校準(zhǔn)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中通過(guò)求滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)加速度和角速度信號(hào)均值的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波后的加速度和角速度信號(hào)自適應(yīng)閾值的獲取的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟a.自適應(yīng)加速度上閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向加速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)加速度上閾值，n為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向加速度采樣個(gè)數(shù)，i是一個(gè)變量，A_i為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)正向加速度的值，自適應(yīng)加速度上閾值計(jì)算公式為：

步驟b.自適應(yīng)加速度下閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向加速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)加速度下閾值，n為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向加速度采樣個(gè)數(shù)，k是一個(gè)變量，A_k為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)負(fù)向加速度的值，自適應(yīng)加速度下閾值計(jì)算公式為：

步驟c.自適應(yīng)角速度上閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向角速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)角速度上閾值，n為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向角速度采樣個(gè)數(shù)，i是一個(gè)變量，ω_i為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)正向角速度的值，自適應(yīng)角速度上閾值計(jì)算公式為：

步驟d.自適應(yīng)角速度下閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向角速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)角速度下閾值，n為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向角速度采樣個(gè)數(shù)，k是一個(gè)變量，ω_k為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向角速度的值，自適應(yīng)角速度下閾值計(jì)算公式為：

其中，所述步驟(4)中判斷當(dāng)前時(shí)刻的加速度和角速度信號(hào)是否滿足設(shè)定的步數(shù)檢測(cè)條件是指通過(guò)將步驟(3)獲取到的自適應(yīng)閾值作為步數(shù)檢測(cè)的條件，只有當(dāng)當(dāng)前時(shí)刻的加速度和角速度信號(hào)滿足設(shè)定的步數(shù)檢測(cè)條件時(shí)，當(dāng)前檢測(cè)到的步數(shù)有效，計(jì)步值加1。

本發(fā)明的原理是：

本發(fā)明是在MEMS慣性測(cè)量單元初始化之后，通過(guò)上位機(jī)采集MEMS慣性測(cè)量單元輸出的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)，并通過(guò)低通濾波器對(duì)加速度信號(hào)和角速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，然后對(duì)濾波后的信號(hào)分別求取自適應(yīng)閾值，最終通過(guò)判定實(shí)時(shí)的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)是否滿足為檢測(cè)步數(shù)而設(shè)置的自適應(yīng)閾值條件來(lái)實(shí)現(xiàn)步數(shù)檢測(cè)；其中上位機(jī)的界面如圖2所示，上位機(jī)通過(guò)COM口實(shí)現(xiàn)與MEMS慣性測(cè)量單元的通訊，通過(guò)該上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)MEMS慣性測(cè)量單元的初始校準(zhǔn)，以及MEMS慣性測(cè)量單元輸出的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)的采集。

本發(fā)明利用低通濾波器處理采集到的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)的過(guò)程如圖3，濾波器的截止頻率設(shè)置為2～5Hz。

原始的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)通過(guò)低通濾波處理后，對(duì)濾波后的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)求取自適應(yīng)閾值的過(guò)程如圖4，通過(guò)將加速度信號(hào)和角速度信號(hào)的自適應(yīng)閾值作為檢測(cè)步數(shù)的條件，最終通過(guò)判定當(dāng)前時(shí)刻的加速度和角速度信號(hào)是否滿足以上所設(shè)定的步數(shù)檢測(cè)條件，只有當(dāng)判定結(jié)果為“是”時(shí)，說(shuō)明步數(shù)檢測(cè)有效，計(jì)步值加1。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用基于MEMS慣性測(cè)量單元的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，通過(guò)求取多個(gè)信息源的自適應(yīng)閾值，能進(jìn)一步提升步數(shù)檢測(cè)的精度，不僅實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的有效利用，而且能減小干擾因素引起的錯(cuò)誤檢測(cè)，提高了檢測(cè)精度。

(2)本發(fā)明采用一種基于MEMS慣性測(cè)量單元的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法，能夠適用于人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多種步態(tài)方式，比如：慢走、快走、慢跑、快走、上樓、下樓等。對(duì)于人體在各種運(yùn)動(dòng)方式下均可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的步數(shù)檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法流程圖；

圖2為本發(fā)明使用的上位機(jī)界面；

圖3為本發(fā)明使用的低通濾波器工作流程圖；

圖4為本發(fā)明的自適應(yīng)閾值設(shè)定流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

本發(fā)明是一種基于MEMS慣性測(cè)量單元的多源信息自適應(yīng)步數(shù)檢測(cè)方法的，具體實(shí)施方式如圖1所示：

步驟(1)本專利選用的MEMS慣性測(cè)量單元為MPU6050，首先對(duì)MPU6050慣性測(cè)量單元進(jìn)行初始化。

步驟(2)通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)MPU6050慣性測(cè)量單元輸出加速度信號(hào)角速度信號(hào)的采集；并通過(guò)matlab提供的低通濾波函數(shù)filter對(duì)采集到的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。

步驟(3)通過(guò)選取30個(gè)采樣數(shù)據(jù)所歷經(jīng)的時(shí)間作為滑動(dòng)時(shí)間窗口，然后對(duì)濾波后的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)求取自適應(yīng)閾值的步驟具體包括：

步驟①自適應(yīng)加速度上閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向加速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)加速度上閾值，取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向加速度采樣個(gè)數(shù)為30，i是一個(gè)變量，A_i為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)正向加速度的值，自適應(yīng)加速度上閾值計(jì)算公式為：

步驟②自適應(yīng)加速度下閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向加速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)加速度下閾值，取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向加速度采樣個(gè)數(shù)為30，k是一個(gè)變量，A_k為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)負(fù)向加速度的值，自適應(yīng)加速度下閾值計(jì)算公式為：

步驟③自適應(yīng)角速度上閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向角速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)角速度上閾值，取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的正向角速度采樣個(gè)數(shù)為30，i是一個(gè)變量，ω_i為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)正向角速度的值，自適應(yīng)角速度上閾值計(jì)算公式為：

步驟④自適應(yīng)角速度下閾值是通過(guò)求取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向角速度信號(hào)的均值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為自適應(yīng)角速度下閾值，取滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)的負(fù)向角速度采樣個(gè)數(shù)為30，k是一個(gè)變量，ω_k為滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)負(fù)向角速度的值，自適應(yīng)角速度下閾值計(jì)算公式為：

步驟(4)通過(guò)將步驟(3)中求得的自適應(yīng)閾值條件作為步數(shù)檢測(cè)的條件，最終通過(guò)判定當(dāng)前時(shí)刻的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)是否滿足步數(shù)檢測(cè)的條件，實(shí)現(xiàn)步數(shù)的檢測(cè)。