一種基於身高和運動特徵的行人步長綜合測量方法與流程

2023-10-17 15:52:19

本發明涉及一種基於身高和運動特徵的行人步長綜合測量方法，屬於慣性測試領域，可提高行人的步長計算精度和行人導航的定位精度。適用於室內自主式行人導航中的步長測量和導航定位，也可用於步態分析、運動訓練和健康監測等領域。

背景技術：

隨著城市化的不斷發展和建築水平的不斷提高，現在城市中出現了越來越多大型且結構複雜，會嚴重遮擋衛星定位信號的建築，比如大型商場、圖書館、機場航站樓、大型超市以及地下停車場等。當這些複雜室內環境中發生火災、地震等災難時，武警和消防人員搶救傷員時的安全尤為重要，因此亟需一套能夠自主定位的室內行人導航系統。步長計算在行人導航領域是一個很重要的方面，步長測量精度的高低將直接影響基於步長和姿態角進行解算的行人導航系統定位精度。而且步長測量在其他領域，比如步態分析、運動訓練和健康監測等也有著很大的作用和研究價值。以上需求背景要求得到行走過程中的高精度步長信息。現有的步長測量方法主要有基於運動肢體的幾何模型估計步長和基於運動特徵計算步長的方法。在行走過程中，行人肢體的幾何模型並不規則，現有的方法均是對其進行近似以得到較為規則的幾何模型，再利用勾股定理對步長進行計算。由於該方法忽略的影響因素較多且幾何參數測量時會涉及到積分運算，故會導致誤差增大，步長的測量精度降低。基於運動特徵的計算方法較多，但是現有的方法對與步長相關的因素均不同程度有所忽略，而且沒有考慮不同的行人個體之間的差異，所以會導致步長測量適應性差，精度低。

技術實現要素：

本發明的目的：克服現有技術的不足，提出一種基於身高和運動特徵 的行人步長綜合測量方法。該方法綜合考慮行人身高、行走頻率和一步之內的加速度方差三個信息，對行走過程中的步長進行計算，具有可靠性強、精度高的特點

本發明的技術解決方案為：一種基於身高和運動特徵的行人步長綜合測量方法，採用置於腰部後側中間位置的IMU測量人體行走過程中身體重心處的加速度，由加速度信息檢測和計算每一步的頻率和每一行走周期內身體重心處垂直向加速度的方差，輸入當前使用者的身高，從而對步長進行高精度測量，包括以下步驟：

(1)建立IMU的誤差模型，並在轉臺上進行六位置標定實驗，計算出誤差模型的參數；

(2)將IMU置於行人身體腰部後側中間位置，在行走過程中，對身體重心處附近的加速度進行測量；

(3)輸入當前攜帶該IMU的行人身高h；

(4)根據行走過程中行人運動的周期性特徵和加速度計垂直向輸出，採用雙窗口峰值檢測法對行走過程中的步伐進行檢測，得到每一步加速度峰值時刻時間ti；

(5)計算每一邁步周期(ti-1，ti)內的行走頻率fi和加速度方差vi；

(6)根據身高h、行走頻率fi和加速度方差vi三個因素與步長之間的關係，計算並輸出行走過程中的步長SLi；

(7)重複步驟(4)至(6)，直到測量過程結束。

本發明的原理：本裝置採用IMU中的加速度計測量行人身體重心處的加速度，利用行走過程中的身體周期性運動特徵來測量步長，核心器件是 加速度計。考慮到不同個體之間的差異，引入行人身高因素h。

加速度計的輸出為:

UA(a)＝UA(0)+kAa+fA(a)+εA (1)

式中UA(a)是載體加速度a對應的加速度計輸出電壓，UA(0)是a為零時的加速度計輸出電壓，kA是加速度計標度因數，fA(a)是與加速度有關的誤差項，εA是加速度計的噪聲。

根據加速度信息檢測出的每一步峰值時刻ti，得到每一步的行走頻率fi：

與此同時，可以由下式計算得到每一邁步周期內身體重心處垂直向加速度方差vi：

式中at和分別為t時刻行人的垂直向加速度和該邁步周期內的垂直向加速度均值，ti-1和ti為第i步前後兩個邁步周期的加速度峰值時刻時間，N為該邁步周期內傳感器輸出的採樣數。

當前攜帶該IMU的行人身高為h，當不同的個體使用該裝置測量步長時，輸入當前使用者的身高信息。只要使用者不變，該值不需要重新輸入。

在實際行走過程中，根據使用者身高h、行走頻率fi和一步之內加速度方差vi與行走步長之間的關係，可以按照下式計算步長SLi：

SLi＝h*(a*fi+b*vi+c)+d (4)

式中a、b、c、d為該步長測量方法中的四個參數，其值可預先通過多元非線性最小二乘擬合得出。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)IMU放置於腰部，攜帶方便，測量準確；

(2)採用雙窗口峰值檢測法對步伐進行檢測，漏檢率低；

(3)綜合考慮了身高h、行走頻率fi和加速度方差vi多個因素進行步長測量，適應性更強，精度高。

附圖說明

圖1為本發明涉及步長測量方式示意圖；

圖2為本發明涉及步長測量計算流程圖。

具體實施方式

圖1是本發明涉及步長測量方式示意圖，IMU佩戴在人體腰部後側中間位置，測量行走過程中身體重心處的加速度。

圖2是本發明涉及步長測量計算流程圖，i表示第i個邁步周期，h是當前使用者的身高，fi為當前行走頻率，vi是當前邁步周期身體重心處垂直向加速度的方差，SLi是當前測量的步長。

步長測量具體分為以下幾個步驟：

(1)建立IMU的誤差模型，並在轉臺上進行六位置標定實驗，計算出誤差模型的參數。

採取在轉臺上標定的方法標定出公式(1)中的模型誤差係數UA(0)j、kAj、fA(a)j(j＝1,2,3，分別代表X、Y、Z軸)。根據fA(a)j中取的與a有關項係數的不同可採取不同的標定方案，本裝置採用六位置標定方案。

六位置方案是將慣性測量單元的x軸、y軸、z軸分別指向轉臺坐標系zp 軸的正向和負向，共六個位置，在每一個位置列寫相應的方程。利用不同位置下加速度計的輸出值與標稱值之間的關系列寫方程組，其中慣性器件的輸出是含有待定誤差係數的，通過求解方程組解出這些誤差係數就實現了對誤差係數的標定。標定實驗是在轉臺上進行的，記轉臺坐標係為oxpypzp，其中xp、yp、zp分別指向東、北、天，慣性測量單元的坐標係為oxyz。

(2)將IMU置於行人身體腰部後側中間位置，在行走過程中，對身體重心處的加速度進行測量。本方法主要根據行走過程中身體重心處加速度信息進行檢測和計算步長，腰部後側中間位置最靠近身體重心，因此將IMU佩戴在腰部後側中間位置。

(3)輸入當前攜帶該IMU的行人身高h。當不同的個體使用該裝置測量步長時，輸入當前使用者的身高信息，只要使用者不變，該值不需要重新輸入。

(4)根據行走過程中行人運動的周期性特徵和加速度計垂直向輸出，採用雙窗口峰值檢測法對行走過程中的步伐進行檢測，得到每一步加速度峰值時刻時間ti。

在行人正常行走的一個邁步周期之內，身體重心處的垂直向加速度會先增大到一個峰值再減小到一個谷值依次循環。在本測量方法中，取兩個相鄰相等長度的窗口對垂直向加速度的輸出數據進行檢測，當檢測到兩個窗口中的最大值恰好各自位於左右窗口的相鄰邊緣時，即該邁步周期的峰值位於雙窗口的正中央時，確定該點為這一次邁步周期的峰值，檢測峰值的同時也將同一個邁步周期的谷值按照相同的原理檢測標記出。同樣的道理，依次對於採集到的垂直向加速度的數據進行檢測，每一次峰值和谷值交替出現時確定為一個邁步，由此便可以檢測出行走過程中的每一個邁步過程。

(5)計算每一邁步周期(ti-1，ti)內的行走頻率fi和加速度方差vi。

由於已經檢測出了行走時的每個邁步過程，根據式(2)和式(3)便可以計算得到每一步的行走頻率fi和該邁步周期內身體重心處垂直向加速度方差vi。

(6)根據身高h、行走頻率fi和加速度方差vi三個因素與步長之間的關係：正常行走情況下，行走步長與個體的身高成一定的比例關係，不同個體相同條件下行走步長不同；行走步長還與行走頻率和一步之內的加速度方差存在線性的關係，步頻越大，加速度方差越大，則步長越長。因此由(3)和(5)得到身高h、行走頻率fi和加速度方差vi後，便可通過式(4)計算並輸出行走過程中當前的步長SLi。

(7)重複(4)至(6)，直到測量過程結束，便可以得到實際行走過程中每一步的步長。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。