基于自相關(guān)運算的計步方法
【技術(shù)領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及消費類應用電子技術(shù)領域，尤其涉及一種能夠?qū)κ褂谜卟綌?shù)進行計數(shù) 的計步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著可穿戴式電子設備的快速發(fā)展，計步器得到了廣泛應用，計步器是一種日常 鍛煉進度監(jiān)控器，可以計算人們行走的步數(shù)、估計人們行走的距離、計算運動所消耗的卡路 里，方便人們隨時監(jiān)控自己的健身強度、運動水平和新陳代謝。
[0003] 計步器的所使用的傳感器有多種類型，例如中國專利文獻《使用磁傳感器的計步 器及測量方法》（CN101086450A)公布了一種使用磁傳感器的計步器及測量方法。該方法 在一只腳上附加一個條形磁鐵，在另一只腳上安裝接收裝置，通過檢測磁通量的水平分量 是否過零來計步。該方法存在使用不方便，受磁場影響大的缺點。目前絕大部分計步器是 基于微電子系統(tǒng)MEMS的三軸加速度傳感器來采集使用者運動過程中的三軸數(shù)據(jù)，通過分 析三軸加速度數(shù)據(jù)來進行計步的。例如中國專利文獻《計步器》（CN102297701A)、《一種在 Android手機上實現(xiàn)計步器的方法》（CN104567912A)以及《一種基于3軸加速計的計步方 法和計步器》（CN103712632A)分別公布了一種利用閾值檢測的計步算法。
[0004] 《計步器》（CN102297701A)通過設定多種峰值閾值和時間閾值來判定檢測到的峰 值是否可以表示有一個有效步。
[0005] 《一種在Android手機上實現(xiàn)計步器的方法》（CN104567912A)設定一個波峰的閾 值以及波峰的方差閾值和窗口時間，計算一個時間窗口內(nèi)的峰值的方差是否在方差閾值以 內(nèi)，然后檢測該峰值與前一峰值的時間間隔是否在時間窗口內(nèi)并且滿足波峰閾值條件來判 斷是否可以將該波峰作為一個有效步。
[0006] 《一種基于3軸加速計的計步方法和計步器》（CN103712632A)首先計算出三軸加 速度數(shù)據(jù)的模值，再計算預設窗口內(nèi)加速度模值的最大值和最小值的差值，并根據(jù)所述差 值大小設置當前時間窗口范圍。依次判斷加速度模值是否存在連續(xù)的至少三個模值呈依次 減小趨勢，若是，則第一個加速度模值與上一個步伐起始時刻是否落入所述當前時間窗口 范圍內(nèi)，若是，則判斷為一個有效步。
[0007] 上述三個發(fā)明專利都是用時間閾值和峰值閾值來判斷當前處理的峰值是否為一 個有效步，但是都存在以下問題：
[0008] 1、使用時計步器放置的位置不同，使用者運動的幅度不同以及使用者的兩條腿的 運動情況不對稱，導致不同使用者所產(chǎn)生的加速度峰值有很大的不同，所以很難設定有效 的峰值閾值來對出現(xiàn)的峰值是否代表一個有效步來進行判別，導致計步不準確。
[0009] 2、在實際的使用中，由于使用者的運動情況非常復雜并且設備并不一定緊隨人體 一同運動，導致測得的三軸加速度數(shù)據(jù)存在非常多的噪聲，甚至在一次步伐中出現(xiàn)好幾個 峰谷，如圖2所示，由于這些峰值分布較分散，其低頻成分與計步需要的低頻成分重疊，無 法通過濾波手段有效去除，所以必然會導致計步的錯誤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。本發(fā)明提出了一種基于自相 關(guān)運算的計步方法，該方法通過對采樣數(shù)據(jù)的自相關(guān)運算，在包含大量噪聲的信號中將周 期信號的周期特征凸顯出來，再通過計數(shù)自相關(guān)函數(shù)的峰值數(shù)檢測出有效步數(shù)，有效的提 高了計步的準確性。
[0011] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的。本發(fā)明提供了一種基于自相關(guān)運算的計步方法，包 括以下步驟：
[0012] 步驟1，將整個計步過程分成相同大小的時間段，每一個時間段的時間窗口的長度 為T，采用計步器的三軸加速度傳感器采集每個時間窗口內(nèi)的三軸加速度數(shù)據(jù)，每一個時間 窗口內(nèi)的采樣點數(shù)為N個，初始化當前計步總數(shù)為0,所述三軸加速度傳感器的采樣頻率為 f ;
[0013] 步驟2,選取一個時間窗口作為當前時間窗口，通過計步器的三軸加速度傳感器采 集當前時間窗口內(nèi)的N個三軸加速度數(shù)據(jù)，并計算出該N個三軸加速度數(shù)據(jù)模值，將該N個 三軸加速度數(shù)據(jù)模值進行存儲；
[0014] 步驟3,先用步驟2同樣的方法采集當前時間窗口的下一個時間窗口內(nèi)的N個三 軸加速度數(shù)據(jù)并計算出N個三軸加速度數(shù)據(jù)模值，然后從中取出前L個三軸加速度數(shù)據(jù)模 值放到步驟2當前時間窗口內(nèi)獲得的N個三軸加速度數(shù)據(jù)模值后面得到N+L個合并后的數(shù) 據(jù)，并將合并后的數(shù)據(jù)記為采樣數(shù)據(jù)x(n)，其中，n為采樣序號，n= 1，2, 3. . .N+L，N為每一 個時間窗口內(nèi)的采樣點數(shù)，L為從當前時間窗口的下一個時間窗口中取出的三軸加速度數(shù) 據(jù)模值的個數(shù)；
[0015] 步驟4,通過滑動平均濾波方法對采樣數(shù)據(jù)x(n)進行濾波，其表達式為：
[0016]
[0017] 其中，K為滑動濾波長度系數(shù)；
[0018] 步驟5,對濾波后的采樣數(shù)據(jù)x(n)進行自相關(guān)運算，自相關(guān)函數(shù)Rx(m)的表達式 為：
[0019]
[0020] 其中，m為自相關(guān)函數(shù)的自變量，取值范圍為0彡m彡N-1 ;
[0021] 步驟6,檢測自相關(guān)函數(shù)Rx(m)的波峰數(shù)，將波峰數(shù)作為當前時間窗口內(nèi)檢測出的 步數(shù)，并將該步數(shù)與當前計步總數(shù)相加作為新的當前計步總數(shù)；
[0022] 步驟7,將當前時間窗口的下一個時間窗口作為新的當前時間窗口；
[0023] 步驟8,重復步驟2到步驟7,直到運動結(jié)束，停止采樣，此時的當前計步總數(shù)即為 整個運動過程的計步總數(shù)。
[0024] 優(yōu)選的，所述時間窗口的長度T為3-30秒鐘，采樣頻率f為10-40赫茲。
[0025] 優(yōu)選的，所述從當前時間窗口的下一個時間窗口內(nèi)取出的三軸加速度數(shù)據(jù)模值的 個數(shù)L=Cf，其中C為系數(shù)，其值為0. 6-2。
[0026] 優(yōu)選的，所述滑動濾波長度系數(shù)K的取值為1-5。
[0027] 與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0028] 1、不需要對峰值閾值和時間閾值進行設定，所以避免了由于峰值閾值和時間閾值 設置不合理導致的計數(shù)誤差。
[0029] 2、通過自相關(guān)運算，信號中的高頻噪聲以及低頻噪聲被完全剔除，信號中的周期 成分完完全全顯現(xiàn)出來。
[0030] 3、計算后的自相關(guān)函數(shù)接近正弦波形。如圖3所示，所以只需要簡單的計數(shù)波峰 數(shù)即可得到步數(shù)，極大的簡化