[发明专利]一种基于多源信号的便携式运动模式实时识别系统

权利要求书

1.一种基于多源信号的便携式运动模式实时识别系统，其特征在于，包括便携式多源信号采集装置，以及与其通过Wi-Fi进行数据交换的上位机；

所述的便携式多源信号采集装置包括肌电信号采集前端、惯性测量模块、无线MCU模块和电源管理模块；

所述的肌电信号采集前端与肌肉体表贴附的肌电电极连接，包括ADS1299转换芯片和肌电信号预处理电路，用于对肌电信号进行预处理、放大、采样，最后信号送入无线MCU模块；

所述的惯性测量模块用于采集加速度信号和陀螺仪信号，最后信号送入无线MCU模块，并能够与肌电信号采集前端的采集实现同步；

所述的无线MCU模块用于从肌电采集前端和惯性测量模块获取肌电信号、加速度信号以及陀螺仪信号，并将多源信号打包通过Wi-Fi发送至上位机；

所述的电源管理模块与所述的肌电信号采集前端、惯性测量模块以及无线MCU模块连接，为三者提供正常工作所需电压；

所述的上位机安装有运动模式实时识别系统软件，提供以下功能：用于开始采集前对便携式多源信号采集装置的工作方式进行设置，并控制其的启动和关闭；对采集到的多源信号进行预处理、运动起始点检测、实时特征提取、分类模型训练以及运动模式实时识别；对受试者信息、实验数据进行归档管理；能够针对用户开发个性化的实验范式，完成范式设计和生成，并且提供实验范式呈现和信号采集同步的控制方法；

所述的运动模式实时识别，其步骤如下：

(1)对采集到的肌电信号进行带通滤波，对采集到的加速度和陀螺仪信号进行均值滤波；

(2)基于滤波后的肌电信号，完成运动起始点检测；

(3)根据检测到的运动起始点，截取起始点之后的一定长度肌电信号、加速度信号以及陀螺仪信号作为活动段信号；

(4)对活动段信号进行特征提取，形成特征向量；

(5)对特征向量进行最大最小值归一化；

(6)重复进行步骤1～4采集不同类别的运动模式，收集不同类别运动模式的特征向量样本集，然后利用样本对分类器算法进行训练；

(7)利用训练后的分类器算法对后续运动模式所产生的多源信号进行实时识别；

所述的步骤(4)中所提取的特征包括：

肌电信号所提取的特征：

幅值绝对值均值(MAV)；Wilson幅值(WAMP)；波长(WL)；2阶谱矩(SM2)；6阶线性自回归系数；

加速度信号和陀螺仪信号所提取的特征：

均值(Mean)；标准差(STD)；过均值率(MCR)；最大值(MAX)；最小值(MIN)；最大最小值索引；四分位距(IQR)；信号幅值面积(SMA)；

所述的步骤(6)具体为：使用的分类器算法为支持向量机，其中，算法采用了使用非线性核函数的支持向量机，核函数为RBF，分类器的两个参数：核函数参数γ以及惩罚因子C，训练阶段通过网格搜索法来确定其最优值，具体做法如下：

(1)对γ和C进行取值，各自生成从2^-16到2¹⁶之间按指数等分的取值；

(2)对于γ和C的每一个取值进行组合，对每一个组合对应的分类器使用训练数据进行交叉验证，得到该组合下的交叉验证正确率；

(3)选取交叉验证正确率最高的一个组合，其组合对应的参数γ和C即为参数的最优值；

所述的能够针对用户开发个性化的实验范式，完成范式设计和生成，并且提供实验范式呈现和信号采集同步的控制方法，其实现步骤如下：

(1)收集实验需要用到的刺激材料，刺激材料类型包括图片、音乐、文字；

(2)按照实验范式设置每个刺激材料的出现顺序，刺激间隔，出现时长，以及出现频次；

(3)开始信号采集的同时，实验范式计时器开始工作；

(4)当实验范式计时器达到某个刺激的开始时间点时，呈现该刺激；

(5)当实验范式计时器达到某个刺激的结束时间点时，则关闭该刺激的呈现；

(6)当实验范式计时器达到最后一个刺激的结束时间点时，关闭该刺激，并同时结束信号采集；

(7)保存该次采集的信号及相应的刺激序列。