一種基于慣性傳感器的步態(tài)識別方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于體域網領域，涉及一種基于慣性傳感器的步態(tài)識別方法。
【背景技術】
[0002] 步態(tài)識別研宄是體域網領域的一個分支，在疾病診斷、運動訓練和人機交互等方 面起到重要作用。當前的步態(tài)識別方法主要有兩種：基于計算機視覺的方法和基于慣性傳 感器的方法。前者需限定在布置攝像頭的特定環(huán)境下使用，設備成本較高，且不利于保護個 人隱私。隨著體域網技術的發(fā)展，越來越多的研宄采用可穿戴式傳感器代替攝像頭識別步 態(tài)。這種方法通過佩戴于人體的慣性傳感器感知動作行為，價格較低廉，且不受監(jiān)測場景和 時間的限制，相比之下具有更為廣闊的應用前景。
[0003] 基于慣性傳感器的步態(tài)識別方法一般由數(shù)據(jù)采集、特征提取和步態(tài)分類三個階段 組成。在數(shù)據(jù)采集階段，將慣性傳感器固定于身體表面的一個或多個部位，用于測量表征人 體運動狀態(tài)的各物理量。在特征提取階段，通過分析有限長度時間窗口內的數(shù)據(jù)，提取描述 步態(tài)行為的屬性組，即特征向量。在步態(tài)分類階段，利用機器學習方法訓練分類器，將特征 向量作為分類器的輸入，計算得到步態(tài)類別。在實現(xiàn)上述步態(tài)識別方法的過程中，至今仍存 在一些問題難以較好解決，例如選擇采集哪些信號，如何確定時間窗口的大小和特征向量 的元素，以及選擇何種分類算法等。這些問題均會對步態(tài)識別方法的準確性造成影響。此 外，對于實時性要求較高的場合來說，方法的計算復雜度同樣至關重要。因此，設計準確率 高、實時性好且計算復雜度低的方法已成為步態(tài)識別研宄的共同目標。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是基于慣性傳感器，提出一種步態(tài)識別方法。與傳統(tǒng)包 含三個階段的方法不同，該方法增加了周期劃分階段，可降低整體計算量，并提高識別準確 性。
[0005] 本發(fā)明的具體技術方案如下：
[0006] 基于慣性傳感器的步態(tài)識別方法主要包括數(shù)據(jù)采集、周期劃分、特征提取和步態(tài) 分類四個階段。
[0007] 數(shù)據(jù)采集階段采用的硬件設備包括傳感器節(jié)點和基站兩部分。傳感器節(jié)點集成了 陀螺儀、加速度計和電子羅盤等3種傳感器，并設計有一個無線收發(fā)器；基站也設計有一個 無線收發(fā)器，可通過無線方式與傳感器節(jié)點通信，并通過有線方式連接至上位機。將4個傳 感器節(jié)點通過彈性粘扣帶固定在測試者大腿和小腿外側，使之與自身的正中矢狀面平行。 將1個傳感器節(jié)點固定于測試者的腰間皮帶上，用于檢測人體的轉向變化。腿部節(jié)點按固 定頻率采集和發(fā)送角速度信號；腰部節(jié)點采用捷聯(lián)慣性導航技術將角速度轉換為描述節(jié)點 姿態(tài)信息的四元數(shù)，然后利用加速度與磁場強度對四元數(shù)進行卡爾曼濾波校準，減小陀螺 儀信號漂移產生的累積誤差。采集數(shù)據(jù)的過程當中，所有節(jié)點均以50Hz的頻率連續(xù)采集傳 感器信號，并將數(shù)據(jù)封裝成幀，采用同步時分復用模式發(fā)送至基站。
[0008] 周期劃分階段主要通過分析小腿角速度信號的波形曲線來進行數(shù)據(jù)分段，為后續(xù) 階段提取步態(tài)特征做準備。周期劃分包含兩種情況：連續(xù)步態(tài)的周期劃分和靜止前最后一 個步態(tài)的周期劃分。在行走、跑步、轉身、上下樓等連續(xù)步態(tài)行為中，小腿角速度波形具有相 似的波動規(guī)律。首先通過尋找角速度值大于IOOdps的波峰來檢測一次步態(tài)行為，將該波峰 出現(xiàn)的時刻定義為P ;然后根據(jù)波峰P前后最近的兩個波谷確定腳尖離地和腳跟擊地事件 的發(fā)生時刻；將代表腳尖離地的波谷作為當前步態(tài)周期的起點，該時刻定義為IC，IC也是 上一個步態(tài)周期的終點；同時，將代表腳跟擊地的波谷發(fā)生的時刻定義為TC。對于靜止前 最后一個步態(tài)行為來說，由于獲取不到下一個步態(tài)的波谷，因而無法確定當前步態(tài)周期的 終止時間。為此，選擇根據(jù)角速度值以及變化趨勢識別靜止狀態(tài)，并取靜止狀態(tài)的前一時刻 為終點，得到當前步態(tài)周期的近似范圍。至此，對于所有的步態(tài)行為，均可采用上述方法解 決周期劃分問題。
[0009] 在特征提取階段，需從固定時長的周期分段數(shù)據(jù)中提取具有價值的特征作為劃分 步態(tài)類別的依據(jù)。通過觀察分析各類腿部動作的小腿角速度波形以及行為表現(xiàn)，選取19種 波形特征和行為特征，以右腿為例，用符號k表示步態(tài)周期的次序，列舉如下：
[0010] 特征1 :小腿擺動波形的波峰P點處的角速度：ωρ(1〇
[0011] 特征2 :腳尖離地時刻IC的角速度：ω IC(k)
[0012] 特征3 :腳跟擊地時刻TC的角速度：ω TC (k)
[0013] 通過對上述三個特征相互作差可求得如下三個特征：
[0014] 特征 4 :DiffIC，TC(k) = t〇IC(k)-t〇TC(k)
[0015] 特征 5 :DiffP，IC(k) = t〇p(k)-t〇IC(k)
[0016] 特征 6 :DiffP，TC (k) = ω p (k) - ω TC (k)
[0017] 除差值外，還可以通過比值的形式反映極值點間的大小關系，得到如下三個特 征：
[0018] 特征 7 :RatioIC，P(k) = t〇IC(k)/t〇p(k)
[0019] 特征 8 :RatioTC，P(k) = c〇TC(k)/c〇p(k)
[0020] 特征 9 :RatioIC_TC，P(k) = DiffIC，TC(k)/t〇p(k)
[0021] 采用P (k)、IC (k)和TC (k)表示第k個步態(tài)周期內右小腿波形三個極值點的發(fā)生 時刻，P'（k)、1C'（k)和TC'（k)表示第k個步態(tài)周期內左小腿波形三個極值點的發(fā)生時刻。 定義P(k)與P'（k)的時間間隔Time P，，P(k)為特征10 :
[0022] 特征 10 :TimeP，，P(k) = |P，（k)-P(k)
[0023] 定義IC(k)與TC'（k)的時間差TimeIQTC，（k)為特征11，代表雙腳同時支撐地面的 時間：
[0024] 特征 11 :TimeIC，TC，（k) = I IC(k)_TC，（k)
[0025] 除得到能夠用于描述兩腿交替情況的特征外，利用各極值點的時序關系還可以求 得行走、跑步、上下樓等步態(tài)行為的特征如下：
[0026] 特征 12 :步態(tài)周期時間：GC(k) = IC(k+l)_IC(k)
[0027] 特征 13 :