本發(fā)明屬于可穿戴傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種用于可穿戴式設(shè)備的人體步長測量方法及其測量設(shè)備。

背景技術(shù)：

步態(tài)參數(shù)是人類行走過程中的物理參數(shù)，可以反映人類運動能力，擁有較大的應(yīng)用價值，因此目前有許多研究者在研究步態(tài)參數(shù)的測量?？纱┐鱾鞲衅靼☉T性測量單元，超聲波傳感器，微型攝像頭等等，相比于大型實驗室測量步態(tài)參數(shù)的設(shè)備如光學式運動捕捉系統(tǒng)、測力臺等等，以其小巧、廉價，不受時間、空間限制、易于推廣等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于步態(tài)參數(shù)測量領(lǐng)域。目前有很多研究使用放置在人體腿部、腰部、手腕、胸部等部位的可穿戴傳感器測量步態(tài)時間參數(shù)，如步態(tài)事件、步態(tài)周期等等；也有的測量步態(tài)空間參數(shù)，如步行速度、步距等等。如申請?zhí)枮镃N201510887154.1的發(fā)明專利公開了一種室內(nèi)定位步長計算方法，將慣性測量單元置于人員的腰部，人員在室內(nèi)行走過程中，獲得人員慣性傳感器數(shù)據(jù)，然后計算步長。而申請?zhí)枮镃N201310007945.1的發(fā)明專利公開了一種步長計算方法和裝置，獲取載體在三維坐標系中的各軸加速度值；根據(jù)所述各軸加速度值計算步長補償系數(shù)；根據(jù)所述步長補償系數(shù)和預(yù)先設(shè)定的預(yù)設(shè)步長確定載體移動幅度的最終步長。但上述方法再實際使用過程中，均存在步態(tài)測量精度較低、在不同人群中的適應(yīng)能力差等缺陷。

步長的測定具有重要的意義?，F(xiàn)在有很多研究用可穿戴傳感器測量步速、步距等空間參數(shù)，比較成熟，但是測量步長的研究不多。一些疾病如帕金森綜合征會使人體運動能力下降，步速、步距減小，因此步距和步速可以用來反映人體下肢運動能力。但是步距、步速不能反映出偏癱造成的人體兩側(cè)運動能力的差異，即步態(tài)不對性，而我們可以根據(jù)兩腿步長的比值量化人體兩側(cè)步態(tài)的不對稱性，而且通過步長也可以求出步距、步速等參數(shù)，因此步長擁有更大的臨床應(yīng)用價值?，F(xiàn)有的使用可穿戴設(shè)備測量步長的方法主要是利用腰部重心的上下位移或者利用基于步頻、加速度等變量的數(shù)學模型，均存在精度差，適應(yīng)能力差等缺陷。因此有必要提出一種新型的高精度、在不同人群中適應(yīng)能力強的步長測量方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中步態(tài)測量精度較低、無法測量單步步長等缺陷，并提供一種用于可穿戴式設(shè)備的人體步長測量方法及其測量設(shè)備。

本發(fā)明中所涉及的部分名詞含義如下：

步距是指人行走過程中同一只腳相鄰著地點之間的距離，左腿步距是指行走過程中左腳相鄰著地點之間的距離，右腿步距是指行走過程中右腳相鄰著地點之間的距離；步長是指人行走過程中雙腳的相鄰著地點之間的距離，左腿步長是指行走過程中左腳著地點在前的步長，右腿步長是指行走過程中右腳著地點在前的步長。通常來說，步距等于兩腿步長之和。

步態(tài)事件是指人在行走過程中的每個步態(tài)周期中的重要時刻，主要有擺動中期、腳落地、站立中期、腳離地四個步態(tài)事件。人的走路步態(tài)周期如圖4所示，以右腿為例，左腿支撐人體，右腿向前邁出的這段時間為右腿的擺動相；右腿擺到左腿附近時為擺動中期；接著右腳落地，右腿開始支撐人體，左腿向前邁出的這段時間，為右腿的站立相；右腿以右踝關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)中心，向前移動，到達接近于與地面垂直的位置，此時為站立中期；隨后右腳離地，右腿向前邁出，完成一個步態(tài)周期。

步態(tài)事件可以該腿小腿的角速度特征進行檢測，如圖5所示。小腿角速度在一個周期內(nèi)通常主要有一高一矮的兩個比較大的波峰，較高的峰對應(yīng)著擺動中期，較矮的對應(yīng)著站立中期；擺動中期之后有一段有很多小的負向的波峰的區(qū)域，這是腳落地造成的震動，第一個負向峰為腳落地時刻；在站立中期后，下一個擺動中期前，有一處波谷，此時對應(yīng)著腳離地時刻。站立相從該腿腳落地開始，到腳離地結(jié)束，可以近似的認為圖中小腿角速度為負值的區(qū)域為站立相；擺動相從該腿腳離地開始，到腳落地結(jié)束，可以近似的認為圖中小腿角速度為正值的區(qū)域為擺動相。

矢狀面和鉛垂線如圖1所示，矢狀面是垂直于水平面并將人體分為左右兩部分的面，人在行走時，主要運動都發(fā)生在矢狀面內(nèi)；鉛垂線是垂直于地面的線。

水平前進方向在圖2中有標注，指的是矢狀面內(nèi)，人體沿水平方向前進的方向。小腿在水平前進方向上的加速度、運動速度，分別指小腿的加速度、運動速度在水平前進方向上的分量。

另外為方便描述，定義小腿的三維方向，如圖2所示：X軸與該小腿平行；Y軸在矢狀面內(nèi)，與該小腿垂直；Z軸垂直于矢狀面。放置在小腿上的傳感器的坐標軸應(yīng)該與該小腿保持一致，但是因為矢狀面是不可見的，另外小腿也不是規(guī)則的圓柱體，在安放傳感器時會出現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸偏移的情況，根據(jù)傳感器測得的X軸、Y軸、Z軸角速度可以大致計算傳感器X、Y、Z三軸偏移角度，并利用此角度計算該小腿的相應(yīng)軸的加速度、角速度。

傳感器到腳底距離為：用戶靜止站立時，傳感器坐標軸原點到地面的高度。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題，所采用的具體技術(shù)方案如下：

用于可穿戴式設(shè)備的人體步長測量方法，包括以下步驟：

通過在用戶兩側(cè)小腿上安裝傳感器，測量兩側(cè)小腿行走過程中的X、Y軸加速度和Z軸角速度，根據(jù)Z軸角速度檢測行走過程中的步態(tài)事件；根據(jù)步態(tài)事件以及Z軸角速度積分確定用戶行走過程中的各個時刻小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角；根據(jù)該夾角利用X、Y軸加速度計算小腿在水平前進方向上的加速度；根據(jù)步態(tài)事件對該水平前進方向上加速度進行二次積分并根據(jù)傳感器位于小腿上的位置關(guān)系計算步距；通過利用幾何關(guān)系估算的步長比例拆分步距，得到左腿和右腿的步長。

基于該方案，本發(fā)明還提供了幾種優(yōu)選實現(xiàn)方式，而且各優(yōu)選方式中的技術(shù)特征，若沒有沖突均可進行相互組合。

作為一種優(yōu)選方式，上述所說的可穿戴式設(shè)備中包含用于檢測左、右小腿X、Y、Z三軸加速度以及X、Y、Z三軸角速度的傳感器，左、右小腿上各一個，用戶兩側(cè)小腿行走過程中的X、Y軸加速度和Z軸角速度通過該傳感器獲得。

作為另一種優(yōu)選方式，上述人體步長測量方法中，部分步驟可采用如下具體方式實現(xiàn)：

(1)確定用戶行走過程中的各個時刻小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角具體方法為：

根據(jù)Z軸角速度檢測行走過程中的步態(tài)事件，包括腳落地以及站立中期；

在左小腿或右小腿的各個站立中期時刻，計算該小腿與鉛垂線的夾角(下述左小腿或右小腿的計算公式，并非同時進行計算，而是根據(jù)當前待測的目標擇一選用。例如，當檢測到左小腿處于站立中期，則計算θ_lms；當檢測到右小腿處于站立中期，則計算θ_rms。后續(xù)步驟中的公式也采用類似方法)：

式中：θ_lms、θ_rms分別為左小腿、右小腿在其站立中期時刻與鉛垂線的夾角，a_lyms、a_ryms分別為左小腿、右小腿在其站立中期時刻的Y軸加速度；

在到下一個站立中期時刻之前的各個時刻，通過角速度積分計算該小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角：

式中：t_l、t_r分別為當前時刻距離左、右小腿的上一個站立中期時刻的時間，θ_l(t_l)、θ_r(t_r)分別為左小腿在t_l時刻、右小腿在t_r時刻在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角，ω_lz(δ)、ω_rz(δ)分別為左小腿、右小腿瞬時Z軸角速度；

由此可以得到用戶行走過程中的各個時刻的兩小腿與鉛垂線的夾角。

(2)計算小腿在水平前進方向上的加速度的具體方法為：

利用X、Y軸加速度計算兩小腿在水平前進方向上的加速度，每個時刻的加速度均通過下式計算：

a_hl(t_l)＝-a_lx(t_l)·sinθ_l(t_l)+a_lv(t_l)·cosθ_l(t_l)

a_hr(t_r)＝-a_rx(t_r)·sinθ_r(t_r)+a_rv(t_r)·cosθ_r(t_r)

式中，a_hl(t_l)、a_hr(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時在水平前進方向上的加速度，a_lx(t_l)、a_rx(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時的X軸加速度，a_lv(t_l)、a_rv(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時的Y軸加速度。

(3)所述計算步距的具體方法為：

在左小腿或右小腿的各個站立中期時刻，計算該小腿此時刻在水平前進方向上的運動速度：

v_lms＝-d·ω_lzms·cosθ_lms

v_rms＝-d·ω_rzms·cosθ_rms

式中，v_lms、v_rms為左、右小腿在其站立中期時刻在水平前進方向的運動速度，ω_lzms、ω_rzms為左、右小腿在其站立中期時刻的Z軸角速度，d為該小腿上用于測量加速度、角速度的傳感器的擺放位置距離腳底的距離；

在左小腿或右小腿的各個站立中期時刻，計算該小腿的在水平前進方向上的初始位移：

s_lms＝-d·sinθ_lms

s_rms＝-d·sinθ_rms

式中，s_lms、s_rms為左、右小腿在其站立中期時刻在水平前進方向上的初始位移；

在到下一個站立中期時刻之前的各個時刻，該小腿的水平前進方向上的運動速度通過該方向上的加速度積分而得：

式中，u_l(t_l)、v_r(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時水平前進方向上的運動速度，a_hl(δ)、a_hr(δ)分別為左小腿、右小腿瞬時的水平前進方向上的加速度；

該小腿在相鄰兩個站立中期時刻之間產(chǎn)生的該腿的步距，通過下式計算：

式中：LSDL、RSDL分別為左腿步距、右腿步距，s_lmsl、s_rmsl分別為左、右小腿在該腿前一個站立中期時刻的水平前進方向上的初始位移，s_lmsn、s_rmsn分別為左、右小腿在該腿后一個站立中期時刻的水平前進方向上的初始位移，T_l、T_r分別為左、右小腿的相鄰兩個站立中期時刻之間的時間長度，v_lmsn、v_rmsn分別為左、右小腿在該腿后一個站立中期時刻的水平前進方向上的運動速度，u_l(T_l)、v_r(T_r)分別為左小腿在T_l時刻時、右小腿在T_r時刻時通過加速度積分計算的水平前進方向上的運動速度；

(4)拆分步距得到步長的具體方法為：

該小腿相鄰兩個站立中期時刻之間產(chǎn)生的該腿的步長，通過下式計算：

式中，LSL為左腿步長，RSL為右腿步長，θ_llc、θ_rlc分別為發(fā)生在該腿前一個站立中期時刻到后一個站立中期時刻之間的左腳落地時刻的左、右小腿與鉛垂線的夾角，θ_lrc、θ_rrc分別為發(fā)生在該腿前一個站立中期時刻到后一個站立中期時刻之間的右腳落地時刻的左、右小腿與鉛垂線的夾角。

作為另一種優(yōu)選方式，測量步長過程中的，每個傳感器的X、Y軸加速度、Z軸角速度數(shù)據(jù)在作為該小腿相應(yīng)軸的加速度、角速度數(shù)據(jù)代入上述各公式前，都需要預(yù)先進行修正，修正的方法如下：

測量步長之前，預(yù)先監(jiān)測目標用戶的一定距離內(nèi)的直線行走過程，確定每個傳感器的X、Y軸實際方向偏離矢狀面的角度：

式中：為該傳感器X軸實際方向偏離矢狀面的角度，為該傳感器Y軸實際方向偏離矢狀面的角度，為用戶行走過程中在站立相時該傳感器X軸角速度的平均值，為用戶行走過程中在站立相時該傳感器Y軸角速度的平均值，為用戶行走過程中在站立相時該傳感器Z軸角速度的平均值；

在測量步長過程中，每個傳感器測得的三軸加速度，三軸角速度數(shù)據(jù)在使用前都預(yù)先進行第一次修正，修正公式為：

式中：a_x、a_y、a_z為該傳感器測量的X、Y、Z軸加速度，a_x1、a_y1、a_z1為傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)該次修正后得到的X、Y、Z軸加速度；ω_x、ω_y、ω_z為該傳感器測量的X、Y、Z軸角速度，ω_x1、ω_y1、ω_z1為傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)該次修正后得到的X、Y、Z軸角速度；

測量步長之前，還需預(yù)先監(jiān)測目標用戶的靜止站立狀態(tài)，確定此狀態(tài)下每個傳感器X軸實際方向偏離鉛垂線的角度：

式中：為靜止站立狀態(tài)下該傳感器X軸實際方向偏離鉛垂線的角度，a_ys1為用戶靜止站立時該傳感器測得的經(jīng)過第一次修正后的Y軸加速度，g為重力加速度；

在測量步長過程中，每個傳感器經(jīng)過第一次修正后得到的三軸加速度、三軸角速度數(shù)據(jù)，在使用前還需進行第二次修正，修正公式如下：

式中：a_xc、a_yc、a_zc為傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)第二次修正后得到的X、Y、Z軸加速度；ω_xc、ω_yc、ω_zc為傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)第二次修正后得到的X、Y、Z軸角速度；

在測量步長過程中，a_xc、a_yc、a_zc即為所述的小腿X、Y、Z軸加速度，ω_xc、ω_yc、ω_zc即為所述的小腿X、Y、Z軸角速度。

本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)上述人體步長測量方法的可穿戴式設(shè)備，包括兩個慣性傳感器和上位機，每個慣性傳感器包含三維加速度計以及三維角速度計，慣性傳感器與上位機相連進行數(shù)據(jù)傳輸，上位機用于控制兩個慣性傳感器采集加速度、角速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)收集和存儲。

作為一種優(yōu)選方式，還包括用于固定慣性傳感器的固定帶。

作為一種優(yōu)選方式，慣性傳感器為基于MPU6050芯片的慣性傳感器。

作為一種優(yōu)選方式，慣性傳感器采樣頻率不低于100Hz。

作為一種優(yōu)選方式，上位機將慣性傳感器測量的數(shù)據(jù)存儲入SD卡中。

上述各優(yōu)選方式中的技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進行相互組合，不構(gòu)成限制。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，其有益效果是：

1)使用本發(fā)明計算下肢步長，廉價、方便，不受場地限制，易于推廣。

2)使用一種基于小腿加速度積分的方法計算步長，可以適應(yīng)多種病態(tài)的步態(tài)，擁有較高的精度、較好的應(yīng)用價值以及廣泛的應(yīng)用范圍。

3)通過可穿戴式設(shè)備進行步長測量，可以方便、有效的量化人體兩側(cè)運動能力以及它們的差異，可以方便應(yīng)用于臨床。

本發(fā)明中部分步驟的具體效果將通過后續(xù)的具體實施方式進行詳細說明。

附圖說明

圖1本發(fā)明中矢狀面、鉛垂線示意圖；

圖2本發(fā)明中傳感器放置位置，小腿坐標系及水平前進方向示意圖；

圖3本發(fā)明中用于實現(xiàn)測量步長方法的可穿戴設(shè)備結(jié)構(gòu)圖；

圖4本發(fā)明中人體行走周期示意圖；

圖5本發(fā)明中步態(tài)事件檢測示意圖；

圖6本發(fā)明中下肢單擺二維幾何模型示意圖；

圖7本發(fā)明中右小腿擺動中期角度標定示意圖；

圖8本發(fā)明中右小腿傳感器擺動中期速度以及位移的計算；

圖9、10、11本發(fā)明中傳感器坐標系的修正示意圖；

上述圖1、2、7、8、9、10、11中P表示鉛垂線(Plumb line)，S表示矢狀面(Sagittal Plane)，H表示水平前進方向(Horizontal Direction ofProgression)；

上述圖2、3中，1、2分別為放置在左小腿、右小腿上的慣性傳感器單元，3為上位機單元；

上述圖4、5中，A～D為右腿在一個步態(tài)周期內(nèi)的步態(tài)事件，其中A為擺動中期步態(tài)事件，B為腳落地步態(tài)事件，C為站立中期步態(tài)事件，D為腳離地步態(tài)事件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明，因便于更好地理解。本發(fā)明以下實施例僅用于提供一種優(yōu)選的方式，但其中技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進行相互組合，不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限制。

本發(fā)明使用包括兩個慣性測量傳感器的可穿戴設(shè)備以及一種基于加速度積分的算法，測量使用者在行走時的步長。以某一用戶為例，本發(fā)明具體實施過程如下：

(1)準備工作：

本實施例中，目標用戶穿戴有可穿戴設(shè)備，兩個慣性傳感器對稱放置在左右小腿上，傳感器坐標軸原點至腳底距離d為13cm。

整套設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含兩個慣性傳感器單元(左小腿慣性傳感器1、右小腿慣性傳感器2)以及一個上位機單元3。本發(fā)明中各傳感器及其他電子元件的具體型號，可以根據(jù)實際需要進行選型。在本實施例中，兩個慣性傳感器單元中都包含一個基于MPU6050芯片的慣性測量傳感器模塊，模塊包括一個三維加速度計以及一個三維陀螺儀，用于采集使用者行走過程中的三維加速度以及三維角速度數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz。兩個傳感器單元分別通過帶彈性的固定帶固定在用戶的兩條小腿外側(cè)。定義小腿的三維方向，如圖2所示：X軸與該小腿平行；Y軸在矢狀面內(nèi)，與該小腿垂直；Z軸垂直于矢狀面。放置在小腿上的傳感器的坐標軸應(yīng)該與該小腿保持一致，以用來采集相應(yīng)坐標軸的數(shù)據(jù)。上位機單元結(jié)構(gòu)上包括單片機、按鍵、電池以及SD卡存儲模塊。單片機通過IIC通信協(xié)議與兩個慣性傳感器通信，控制它們采樣并收集它們采集的加速度、角速度數(shù)據(jù)，隨后存儲入SD卡中，后續(xù)各個過程中使用的傳感器數(shù)據(jù)均為存入SD卡中的數(shù)據(jù)，并基于MATLAB編寫相應(yīng)程序，完成后續(xù)計算過程。

由于傳感器放置的位置通常不能達到標準的理想狀態(tài)(X軸與該小腿平行；Y軸在矢狀面內(nèi)，與該小腿垂直；Z軸垂直于矢狀面)，傳感器檢測到的數(shù)據(jù)在使用前需要先后經(jīng)過動態(tài)修正和靜態(tài)修正。為了減少行走過程中傳感器震動帶來的誤差，需要再使用截止頻率為3Hz左右的低通濾波器對修正后的Y軸加速度進行濾波，以便后面步驟使用。后續(xù)步驟需要使用修正過后的傳感器單元的未濾波的X、Y軸加速度、濾波后的Y軸加速度數(shù)據(jù)以及未濾波的Z軸角速度數(shù)據(jù)進行步長計算。

動態(tài)修正是利用人體行走過程中小腿的擺動對小腿上的傳感器的X、Y、Z軸三軸數(shù)據(jù)不斷進行修正。在用戶安放傳感器時，由于矢狀面是不可見的，小腿不是規(guī)則的圓柱體形狀，傳感器放置位置容易出現(xiàn)偏離，使得X、Y軸偏離矢狀面，造成傳感器的X、Y、Z軸偏移，因此需要確定X、Y軸偏離矢狀面的角度動態(tài)修正是傳感器數(shù)據(jù)修正的第一次修正，具體如下：

測量步長之前，預(yù)先監(jiān)測目標用戶的一定距離內(nèi)的直線行走過程，假定該過程小腿僅在矢狀面內(nèi)運動，即小腿僅在其Z軸方向上有角速度，由此確定每個傳感器的X、Y軸實際方向偏離矢狀面的角度：

式中：為該傳感器X軸實際方向偏離矢狀面的角度，為該傳感器Y軸實際方向偏離矢狀面的角度，為用戶行走過程中在站立相(近似的取小腿Z軸角速度為負值的時段)時該傳感器X軸角速度的平均值，為用戶行走過程中在站立相時該傳感器Y軸角速度的平均值，為用戶行走過程中在站立相時該傳感器Z軸角速度的平均值。上述各平均值可通過直線行走過程中，多個站立相時段的數(shù)據(jù)取平均后得到。

在測量步長過程中，每個傳感器測得的三軸加速度，三軸角速度數(shù)據(jù)在使用前都利用X、Y軸偏離矢狀面的角度預(yù)先進行動態(tài)修正。該修正過程可以理解為變換傳感器的空間坐標系從而將X、Y軸放置在矢狀面內(nèi)，即先以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過坐標系在X-Z平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)將X軸修正到矢狀面內(nèi)(如圖9所示，其中X、Y、Z為傳感器原始坐標軸，X₁、Z′為經(jīng)過該修正后的X、Z坐標軸)，再以修正后的X軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過坐標系在Y-Z平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)將Y軸修正到矢狀面內(nèi)，使得修正后的X軸、Y軸均在矢狀面內(nèi)(如圖10所示，其中Y₁、Z₁為經(jīng)過該修正后的Y、Z坐標軸)，因為X、Y、Z三軸存在空間關(guān)系(即互相垂直)，所以修正后的Z軸與矢狀面垂直。修正后各軸加速度、角速度計算公式為：

式中：a_x、a_y、a_z為該傳感器測量的X、Y、Z軸加速度，a_x1、a_v1、a_z1為傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)該次修正后得到的X、Y、Z軸加速度；ω_x、ω_y、ω_z為該傳感器測量的X、Y、Z軸角速度，ω_x1、ω_v1、ω_z1為傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)該次修正后得到的X、Y、Z軸角速度。

靜態(tài)修正是在動態(tài)修正后的第二次修正，通過人體靜止站立狀態(tài)對傳感器的數(shù)據(jù)進行修正。經(jīng)過第一次動態(tài)修正后，雖然修正過的X、Y軸被轉(zhuǎn)移至矢狀面內(nèi)，Z軸被轉(zhuǎn)移至垂直于矢狀面的位置，但是在矢狀面內(nèi)X、Y軸還存在偏移，因此還需要一次修正。靜態(tài)修正具體如下：

測量步長之前，預(yù)先監(jiān)測目標用戶的靜止站立狀態(tài)，并認為靜止站立狀態(tài)人體的兩條小腿與地面垂直，由此狀態(tài)確定每個傳感器經(jīng)第一次修正后的X軸偏離小腿的角度，即經(jīng)第一次修正后的X軸與鉛垂線的夾角：

式中：為該傳感器經(jīng)第一次修正后的X軸與鉛垂線的夾角，a_vs1為用戶靜止站立時該傳感器測得的經(jīng)過第一次修正后的Y軸加速度，g為重力加速度。

在之后的測量步長過程中，每個傳感器經(jīng)過第一次動態(tài)修正后得到的三軸加速度、三軸角速度數(shù)據(jù)，在使用前還需進行靜態(tài)修正，即在第一次修正的基礎(chǔ)上，以修正后的Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，通過坐標系在X-Y平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)修正X軸使之與小腿平行，同時由于X、Y軸的空間關(guān)系，Y軸與小腿垂直(如圖11所示，其中其中X_c、Y_c、Z_c為經(jīng)過該修正后的X、Y、Z坐標軸)，靜態(tài)修正后的各個坐標軸的加速度、角速度計算公式如下：

式中：a_xc、a_yc、a_zc為傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)靜態(tài)修正后得到的X、Y、Z軸加速度；ω_xc、ω_yc、ω_zc為傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)靜態(tài)修正后得到的X、Y、Z軸角速度。

在測量步長過程中，a_xc、a_yc、a_zc即為小腿X、Y、Z軸加速度，ω_xc、ω_yc、ω_zc即為小腿X、Y、Z軸角速度。

(2)基于Z軸角速度檢測步態(tài)事件，并通過Z軸角速度積分計算左右小腿在各個時刻與鉛垂線的夾角：

以上各項準備工作完成后，可以開始測量用戶的步長。用戶在平坦的地面上行走，兩個慣性傳感器采集加速度、角速度數(shù)據(jù)，并用于后續(xù)處理。

人的走路步態(tài)周期如圖4所示，一個周期中主要有擺動中期A、腳落地B、站立中期C、腳離地D四個步態(tài)事件，本方法中需要檢測的步態(tài)事件為腳落地以及站立中期。小腿的Z軸角速度可以檢測用戶該腿的每一個步態(tài)周期內(nèi)的步態(tài)事件，如圖5所示。腳落地事件是走路過程中前腳后落地的時刻，發(fā)生在每個步態(tài)周期內(nèi)小腿角速度的最高波峰后的角速度震動區(qū)域中的第一個負值波谷處，即在最高波峰后的第一個負值轉(zhuǎn)折點，并且在其發(fā)生后能夠被立刻檢測；站立中期為該腿作為支撐腿，移動到接近垂直與地面的位置的時刻，位于小腿角速度的較大的矮波峰處，且峰值為負值。

在左小腿或右小腿的各個站立中期時刻，小腿角加速度接近于0，腳底與地面接觸，小腿處于以腳底為旋轉(zhuǎn)中心做勻速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，如圖7所示，因此可以利用重力加速度在Y軸的分量計算該小腿與鉛垂線的夾角(下述左小腿或右小腿的計算公式，并非同時進行計算，而是根據(jù)當前待測的目標擇一選用。例如，當檢測到左小腿處于站立中期，則計算θ_lms；當檢測到右小腿處于站立中期，則計算θ_rms。后續(xù)步驟中的公式也采用類似方法)：

式中：θ_lms、θ_rms分別為左小腿、右小腿在其站立中期時刻與鉛垂線的夾角，a_lyms、a_ryms分別為左小腿、右小腿在其站立中期時刻的經(jīng)濾波后的Y軸加速度。

在到下一個站立中期時刻之前的各個時刻，通過角速度積分計算該小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角：

式中：t_l、t_r分別為當前時刻距離左、右小腿的上一個站立中期時刻的時間，θ_l(t_l)、θ_r(t_r)分別為左小腿在t_l時刻、右小腿在t_r時刻在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角，ω_lz(δ)、ω_rz(δ)分別為左小腿、右小腿瞬時Z軸角速度。

由此可以得到用戶行走過程中的各個時刻的兩小腿與鉛垂線的夾角。

(3)計算各個時刻兩小腿在水平前進方向上的加速度：

利用小腿X、Y軸加速度計算該小腿在水平前進方向上的加速度，即計算X、Y軸加速度在水平前進方向上的分量和，每個時刻的加速度均通過下式進行相應(yīng)的計算：

a_hl(t_l)＝-a_lx(t_l)·sinθ_l(t_l)+a_ly(t_l)·cosθ_l(t_l)

a_hr(t_r)＝-a_rx(t_r)·sinθ_r(t_r)+a_ry(t_r)·cosθ_r(t_r)

式中，各加速度均未經(jīng)過濾波，a_hl(t_l)、a_hr(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在tr時刻時在水平前進方向上的加速度，a_lx(t_l)、a_rx(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時的X軸加速度，a_ly(tl)、a_ry(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時的Y軸加速度。

(4)根據(jù)步態(tài)事件對水平前進方向上加速度進行二次積分計算步距：

通過對相鄰兩個站立中期之間的時段的水平前進方向加速度進行二次積分，再結(jié)合傳感器在小腿上的位置，可以計算出步距，具體計算過程如下：

如圖8所示，在左小腿或右小腿的各個站立中期時刻，計算該小腿(傳感器)此時刻的水平前進方向上的運動速度，作為后續(xù)加速度第二次積分的初始速度：

v_imms＝-d·ω_lzms·cosθ_lms

v_rms＝-d·ω_rzms·cosθ_rms

式中，v_lms、v_rms為左、右小腿在其站立中期時刻在水平前進方向的運動速度，ω_lzms、ω_rzms為左、右小腿在其站立中期時刻的Z軸角速度，d為該小腿上的傳感器的擺放位置距離腳底的距離。

如圖8所示，將傳感器視為小腿上的一點，在左小腿或右小腿的各個站立中期時刻，傳感器與該側(cè)腳底有一定的水平距離，計算步距時也應(yīng)考慮，因此計算該水平位移，也可稱為該小腿(傳感器)的在水平前進方向上的初始位移：

s_lms＝-d·sinθ_lms

s_rms＝-d·sinθ_rms

式中，s_lms、s_rms為左、右小腿在其站立中期時刻在水平前進方向上的初始位移，即站立中期時該小腿上傳感器距離腳底的水平距離。

在到下一個站立中期時刻之前的各個時刻，該小腿(傳感器)的水平前進方向上的運動速度通過該方向上的加速度積分而得：

式中，u_l(t_l)、v_r(t_r)分別為左小腿在t_l時刻時、右小腿在t_r時刻時水平前進方向上的運動速度，a_hl(δ)、a_hr(δ)分別為左小腿、右小腿瞬時的水平前進方向上的加速度。

通過加速度積分可以得到該小腿上傳感器在相鄰兩個站立中期時刻之間的位移距離：

式中：T_l、T_r分別為左、右小腿的兩個相鄰站立中期時刻之間的時間長度，s_l、s_r分別為左、右小腿傳感器兩個相鄰站立中期時刻之間的位移距離。

再兩個相鄰站立中期時刻之前，從前一個站立中期積分計算的在后一個站立中期時該小腿在水平前進方向上的速度，與后一個站立中期時直接計算的初速度之間存在一定差距，因此對傳感器加速度積分得的位移距離有一定的誤差，需要利用這個速度差距進行修正：

式中：s_lc、s_rc分別為左、右小腿傳感器修正后的兩個相鄰站立中期時刻之間的位移距離，v_lmsn、v_rmsn分別為左、右小腿在該腿后一個站立中期時刻的水平前進方向上的運動速度，u_l(T_l)、v_r(T_r)分別為左小腿在T_l時刻時、右小腿在T_r時刻時水平前進方向上的運動速度。

再利用前文所述的站立中期時傳感器與腳底的水平距離(小腿初始位移)，可以通過兩個相鄰站立中期之間小腿上傳感器的位移得到該腿腳底在兩個相鄰站立中期之間的位移，即在兩個相鄰站立中期之間產(chǎn)生的該腿的步距，也是該腿相鄰著地點之間的距離，通過下式計算：

式中：LSDL、RSDL分別為左腿步距、右腿步距，s_lmsl、s_rmsl分別為左、右小腿在該腿前一個站立中期時刻的初始位移，s_lmsn、s_rmsn分別為左、右小腿在該腿后一個站立中期時刻的初始位移。

(5)拆分步距得到步長：

在腳落地時刻，人體兩側(cè)大腿、小腿基本處于伸直狀態(tài)，將人體下肢簡化為單擺二維幾何模型，并將用戶的運動簡化為矢狀面內(nèi)的平面運動，如圖6所示，將兩腿簡化為桿，髖關(guān)節(jié)簡化為鉸鏈。

根據(jù)圖6，整條腿與鉛垂線的夾角可以近似等于小腿與鉛垂線的夾角，由此從理論上可以跟據(jù)幾何關(guān)系近似計算該腿相鄰兩個站立中期時刻之間產(chǎn)生的步長：

LSL＝L(sinθ_llc-sinθ_rlc)

RSL＝L(sinθ_rrc-sinθ_lrc)

式中，LSL為左腿步長，RSL為右腿步長，θ_llc、θ_rlc分別為發(fā)生在該腿前一個站立中期時刻到后一個站立中期時刻之間的左腳落地時刻的左、右小腿與鉛垂線的夾角，θ_lrc、θ_rrc分別為發(fā)生在該腿前一個站立中期時刻到后一個站立中期時刻之間的右腳落地時刻的左、右小腿與鉛垂線的夾角，L為整條腿的長度。

但是，這樣近似的計算會引入較大誤差，因為在腳落地時刻腿并不是完全伸直的，因此這樣計算得出步長不可取。但是左右腿步長的比例卻沒有很大誤差，可以加以利用，本實施例中通過利用上述幾何關(guān)系估算的兩腿步長比例拆分步距，得到左腿和右腿的步長。。根據(jù)圖6，對于左腿，步距等于左腿步長與之前一步的右腿步長之和：

LSDL＝LSL+RSL

因而我們可以根據(jù)左右腿步長的比例準確拆分左腿步距計算左腿步長：

而右腿步長也有相同的計算方式：

RSDL＝RSL+LSL

(6)步長測量效果驗證：

通過上述步驟(1)～(5)完成步長測量后，我們利用實測數(shù)據(jù)進一步驗證了測量精度。

本例中用戶無下肢運動障礙，在步長測量過程中一共采集了26步。通過與每一步的步長的實際值對比，該過程測量的所有步長的均方根誤差為3.2cm，為該用戶實際平均步長(57.2cm)的5.6％。由此可見，本發(fā)明的方法相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，擁有較高的精度；另一方面，由于使用加速度二次積分獲得距離，本方法受個人行走習慣影響較小，因此擁有較好的在不同人群中的適應(yīng)性。

以上所述的實施例只是本發(fā)明的一些較佳的方案，然而其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。例如，上述實施例也可以使用其他算法或者使用其他傳感器來計算小腿的角度，如使用加速度計、陀螺儀、磁場傳感器融合進行卡爾曼濾波算法計算左、右小腿的角度，進而用于水平前進方向上的加速度求解，并利用如圖6的幾何模型進行步距拆分，計算步長。而上述可穿戴設(shè)備也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的其他結(jié)構(gòu)或?qū)Ω綀D中展示的設(shè)備進行改動，如去除原設(shè)備中的有線連接，使用無線通訊傳輸數(shù)據(jù)，以更方便地使用。上位機單元也可以采用遠程的PC機等形式。另外，在本發(fā)明的方法中，在傳感器安裝角度和位置準確的情況下，還可以省略對放置在腿上的傳感器采集的數(shù)據(jù)進行校正的步驟，直接將傳感器加速度、角速度數(shù)據(jù)作為小腿的相應(yīng)數(shù)據(jù)用于步長測量的過程。

由此可見，凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。