[发明专利]一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，可有效抵抗振动等因素引起的干扰，实现对人体行进步数的准确计数，属于行人导航领域，可用于提高行人导航中行人定位精度。

背景技术

基于微机电系统(MEMS)惯性传感器的行人导航是近年来惯性技术领域内一门新兴技术，通常在室内、山川、峡谷、隧道等GPS信号无效情况下，应用于消防、救灾、盲人引导、大型建筑物内人员调度等场合。在有无线电场合中，应用无线电对行人定位已经比较成熟，并得到了广泛应用。而在无法获取无线电信号时，通常依靠运动传感器并结合惯性技术、人体动力学来实现行人自主定位，而微机电系统惯性传感器是常用的运动传感器。由于微机电系统惯性传感器存在较大器件误差以及行人行走动作的复杂性，使得基于微机电系统惯性传感器的行人自主定位有一定的难度。由于将微机电系统惯性传感器放置在腰间进行行人定位具有使用方便的特点，使得腰式行人定位成为研究热点。

针对腰式行人定位如何准确检测步数问题，现有大部分研究是利用行人行走时重心上下起伏变化特征来检测步数，即通过天向加速度计输出信号来检测步数。但是行走过程中脚着地和其他扰动会产生各种振动，从而导致天向加速度计引入各种干扰信号，使得检测步数的准确率下降。针对腰式行人定位中，如何抵抗行人行走时振动的干扰以提高步数检测率，这是行人导航领域中的一个难点和也是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的：为有效解决振动等干扰因素导致行人导航中步数检测率下降问题，在研究运动状态下人体重心起伏变化规律基础上提出一种双窗口步数检测法，并根据人体运动状态提出窗口长度自适应调整准则，实现行人在不同行走速度下对步数的准确检测。

本发明的技术解决方案是：通过分析运动状态下人体重心起伏变化规律，找出可表征行走步数的特征量。进一步分析此特征量在实际中运动中受到的扰动因素，提出一种基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，此方法特征在于：引入两个用于提取行人天向加速度峰值的一维数组(简称窗口)，窗口长度L就是数组长度，也就是所包含的采样点数，两个窗口首尾只重叠一个采样点数；通过双窗口来识别行人行走时天向加速度的波峰数，并通过人体运动状态自适应调整窗口长度，可有效抵抗行走时振动产生的干扰信号，实现行人步数的准确检测。

利用所述的基于单轴加速度计的自适应步数检测方法，包括以下步骤：

(1)将单轴加速度计固定在人体腰后侧并用于测量行人天向加速度；

(2)初始化时设定步态周期T(0)，加速度计信号最大波峰数N1＝0，加速度计信号最小波谷数N2＝0,行进步数N＝0；

(3)利用步态周期T(N)和系统采样频率fs自适应调整两窗口的长度L(N)，其中两窗口只重叠1个采样点；

(4)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最大峰值，判断两窗口最大峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是,则N1＝N1+1，否则N1不变，并记录出现最大峰值的时序j,并存储于maxpeak_tim(e N)1；

(5)两窗口分别求取各窗口内所含加速度计输出信号的最小峰值，判断两窗口最小峰值是否是同一时序下对应的同一个数，是,则N2＝N2+1,否则N2不变，并记录出现最小峰值的时序j,并存储于minpeak_tim(e N)2；

(6)当N1＝N2且N1>0时，步数N＝N+1，并计算步态周期T(N),否则N和T(N)不变，从而实现自适应步数检测。

本发明的原理：文中行走一步是指单脚往前迈一步，az表示行人行走时的天向加速度。在不考虑振动等干扰条件下，行人行走步态与相应天向加速度az对应关系见附图1。

当人体两足跨幅最大时，此时人体重心在最低位置，az达到最小波谷值；人再继续向前迈步时，人体重心位置开始往上移动，该时间内az单调增加；当人体在直立状态时，此时双腿几乎处于竖直状态，重心达到最高位置，_az达到最大波峰值；接着人体重心在随着步伐从最高位置到达最低位置，完成向前行走一步的动作，形成一个变化周期。

通过重心在竖直方向起伏变化规律可知，行走一步内行人重心在最高位置时，az信号总是相应出现一次波峰。不考虑振动等干扰时行人行走一步，az相应出现一次最大波峰。因此az出现波峰次数Num_crest与步数Num_step满足以下关系式：

Num_crest＝Num_step(1)