專利名稱：一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法屬于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于單個(gè)三軸加速度傳感器信號(hào)的步行速度與行走距離的分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)步行速度與距離的高精度計(jì)算。
背景技術(shù)：
基于加速度傳感器的步行速度與距離分析研究是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域的重要研究方向，在醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其本質(zhì)在于首先通過(guò)一個(gè)或多個(gè)加速度傳感器獲取人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度信號(hào)，可由實(shí)時(shí)處理，亦可通過(guò)本地保存或?qū)崟r(shí)傳輸?shù)姆绞綄⒓铀俣葦?shù)據(jù)交由后處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，計(jì)算使用者大致的行走距離。行走距離分析在醫(yī)療、體育、健康指導(dǎo)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如采用加速度傳感器信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練分析，記錄其運(yùn)動(dòng)速度與短時(shí)加速度，結(jié)合醫(yī)學(xué)測(cè)量結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)調(diào)整其訓(xùn)練內(nèi)容，避免運(yùn)動(dòng)損傷等目的；又如采用加速度傳感器信號(hào)對(duì)老人或病人進(jìn)行步行距離分析，可依據(jù)分析結(jié)果對(duì)其日常活動(dòng)情況進(jìn)行分析，并反饋給使用者有針對(duì)性的建議。目前，現(xiàn)有算法多依據(jù)加速度傳感器的信號(hào)分析人在行走過(guò)程中的重心移動(dòng)，以重心移動(dòng)信息進(jìn)行步數(shù)分析，再依據(jù)步幅計(jì)算行走距離。雖然步數(shù)的分析已較為精確，但對(duì)于不同個(gè)體，步幅的差距未能在算法中得到充分體現(xiàn)，因此步行距離的計(jì)算誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足之處，提供一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法，是一種基于單個(gè)加速度傳感器信號(hào)的步行速度與距離分析算法，利用此種算法，可準(zhǔn)確計(jì)算使用者行走的距離以及一定時(shí)間內(nèi)的行走速度，可用于日常健康監(jiān)護(hù)與運(yùn)動(dòng)分析等相關(guān)領(lǐng)域。一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法，包括如下步驟:
I)加速度信號(hào)的預(yù)處理
通常加速度傳感器采集的信號(hào)除了包含人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度信號(hào)外，還包含重力加速度和多種噪聲。為了更好的實(shí)現(xiàn)后續(xù)算法，在對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分析之前，先進(jìn)行預(yù)處理操作。所述的預(yù)處理包括:
1-1)采用三階滑動(dòng)平均濾波器進(jìn)行信號(hào)的平滑處理，所述三階滑動(dòng)平均濾波器的平滑濾波參數(shù)為5 ；
1-2)采用一維零均值高斯濾波器進(jìn)一步完成對(duì)噪聲的濾除，高斯濾波器的標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)為 2.5。2)動(dòng)態(tài)加窗處理
加窗是將較長(zhǎng)的加速度信號(hào)分割成許多具有相同長(zhǎng)度的重疊的窗口，步驟(2)中采用50%重疊的滑動(dòng)窗對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的加速度信號(hào)進(jìn)行加窗操作，窗寬采用獨(dú)有的基于小波系數(shù)估計(jì)的分形維數(shù)與小波能量分布的動(dòng)態(tài)窗寬調(diào)增算法確定。所述動(dòng)態(tài)加窗處理包括如下步驟:
2-1)當(dāng)窗中含有有效加速度信號(hào)時(shí)，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行小波分解，并將小波分解后的分形維數(shù)與小波能量WE作為初始值；
初始窗寬由采樣頻率決定，一般設(shè)為N，N為固定值，本發(fā)明中，初始窗寬N=320 ；
2-2)當(dāng)窗口滑動(dòng)后，重新對(duì)新窗口內(nèi)的有效加速度信號(hào)進(jìn)行與步驟(2-1)相同的小波分解計(jì)算，得到新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量WE ；
2-3)將步驟(2-2)中的計(jì)算值與步驟(2-1)中的初始值進(jìn)行對(duì)比，若新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量均增加，則增加窗口寬度，并作為下一個(gè)窗口的實(shí)際寬度，此寬度設(shè)為NI，此時(shí)窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)仍保持與N相關(guān)，以避免丟失信息；
若新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量均減少，則減少窗口寬度，設(shè)為N2，但窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)仍保持與N相關(guān)；
若新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量變化趨勢(shì)相左(即一個(gè)增大，一個(gè)減少)，則窗口寬度及窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)均保持不變。
所述的NI，N2與N之間的關(guān)系由下列表達(dá)式確定:
權(quán)利要求
1.一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)加速度信號(hào)的預(yù)處理 所述的預(yù)處理包括: 1-1)采用三階滑動(dòng)平均濾波器進(jìn)行信號(hào)的平滑處理，所述三階滑動(dòng)平均濾波器的平滑濾波參數(shù)為5 ； 1-2)采用一維零均值高斯濾波器進(jìn)一步完成對(duì)噪聲的濾除，高斯濾波器的標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)為 2.5 ; 2)動(dòng)態(tài)加窗處理 加窗是將較長(zhǎng)的加速度信號(hào)分割成許多具有相同長(zhǎng)度的重疊的窗口，步驟(2)中采用50%重疊的滑動(dòng)窗對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的加速度信號(hào)進(jìn)行加窗操作，窗寬采用基于小波系數(shù)估計(jì)的分形維數(shù)與小波能量分布的動(dòng)態(tài)窗寬調(diào)增算法確定； 3)計(jì)算步行距離 所述的步行距離采用基于三維加速度球質(zhì)心的步行距離分析方法得到，其計(jì)算公式為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟(2)中動(dòng)態(tài)加窗處理包括如下步驟: 2-1)當(dāng)窗中含有有效加速度信號(hào)時(shí)，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行小波分解，并將小波分解后的分形維數(shù)與小波能量WE作為初始值； 初始窗寬由采樣頻率決定，設(shè)為N，初始窗寬N=320 ； 2-2)當(dāng)窗口滑動(dòng)后，重新對(duì)新窗口內(nèi)的有效加速度信號(hào)進(jìn)行與步驟(2-1)相同的小波分解計(jì)算，得到新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量WE ； 2-3)將步驟(2-2)中的計(jì)算值與步驟(2-1)中的初始值進(jìn)行對(duì)比，若新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量均增加，則增加窗口寬度，并作為下一個(gè)窗口的實(shí)際寬度，此寬度設(shè)為NI，此時(shí)窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)仍保持與N相關(guān)，以避免丟失信息； 若新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量均減少，則減少窗口寬度，設(shè)為N2，但窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)仍保持與N相關(guān)； 若新窗口內(nèi)的分形維數(shù)與小波能量變化趨勢(shì)相左(即一個(gè)增大，一個(gè)減少)，則窗口寬度及窗口滑動(dòng)步長(zhǎng)均保持不變； 所述的NI，N2與N之間的關(guān)系由下列表達(dá)式確定:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法，其特征在于，所述分形維數(shù)采用如下方式計(jì)算: 選擇小波基函數(shù)如公式(I )，尺度函數(shù)如公式(2)所示
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法，其特征在于，步驟(3)中所述的試驗(yàn)方法，即特征標(biāo)定參數(shù)p的確定方法，具體為以100米標(biāo)準(zhǔn)跑道為標(biāo)定環(huán)境，使用者佩戴加速度傳感器，記錄100米行走過(guò)程中的加速度信號(hào)，采用步驟(I)至步驟(3)的算法計(jì)算參數(shù)p ;依據(jù)信號(hào)處理基本理論，以10次行走所得的參數(shù)p的均值作為最終的特征標(biāo)定參數(shù)，以降低系統(tǒng)誤差。
全文摘要
本發(fā)明一種高精度步行速度和距離的計(jì)算方法屬于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于單個(gè)三軸加速度傳感器信號(hào)的步行速度與行走距離的分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)步行速度與距離的高精度計(jì)算。其計(jì)算方法為1)加速度信號(hào)的預(yù)處理；2)動(dòng)態(tài)加窗處理；3)計(jì)算步行距離；4)計(jì)算步行速度v。本發(fā)明計(jì)算方法從時(shí)頻特征分析角度出發(fā)，對(duì)加速度信號(hào)的處理更能反映人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度變化狀態(tài)；通過(guò)構(gòu)造三維加速度球，在一時(shí)間窗范圍內(nèi)，加速度球內(nèi)散點(diǎn)體現(xiàn)了該窗內(nèi)加速度變化的趨勢(shì)，從而綜合多因素后得到此時(shí)間窗內(nèi)加速度特征的散點(diǎn)質(zhì)心；計(jì)算出來(lái)的平均距離誤差在近勻速運(yùn)動(dòng)情況下小于11.5%，平均誤差在變速運(yùn)動(dòng)情況下小于18.7%。
文檔編號(hào)G01C23/00GK103175540SQ201310074428
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月10日
發(fā)明者沈盟, 潘日勁, 阮明浩 申請(qǐng)人:南京中科盟聯(lián)信息科技有限公司