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一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，包括如下步驟：1、基于斜率運(yùn)算及加速度值的檢峰方法；2、步頻計(jì)算，通過計(jì)算并存儲(chǔ)相鄰兩個(gè)峰值點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)其進(jìn)行排序，然后從中間往兩邊各取四分之一的數(shù)據(jù)算平均值作為走一步的時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，由該采樣點(diǎn)數(shù)結(jié)合加速度傳感器的采樣頻率可以算出步頻；3、基于多變量回歸的模型估計(jì)。具有估算簡單和估算方便等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種估算實(shí)時(shí)步長技術(shù)，特別涉及一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]美國全球定位系統(tǒng)GPS自20世紀(jì)70年代開始研制并于1994年全面建成以來，在民用市場，軍事和政府部門的導(dǎo)航服務(wù)中起到了無法估計(jì)的作用。作為當(dāng)前民用導(dǎo)航定位的重要手段，其廣泛應(yīng)用于大地勘測、應(yīng)急救援、物流業(yè)、智能交通、個(gè)人導(dǎo)航定位等領(lǐng)域。然而，雖說GPS是獲取位置信息最常用的方式，但由于衛(wèi)星信號(hào)容易受障礙物的遮擋，故GPS不適合用于室內(nèi)場合以及一些有較高遮擋物的室外場合。在智能手機(jī)普及的今天，利用手機(jī)里面集成的多種傳感器開發(fā)各種應(yīng)用軟件已經(jīng)屢見不鮮。目前，關(guān)于慣性導(dǎo)航的室內(nèi)定位和走路計(jì)算的研究已經(jīng)有了一定的成果，然而，這些研究成果主要針對(duì)高精度的傳感單元，對(duì)于利用智能手機(jī)完成實(shí)時(shí)步長計(jì)算的方案還比較少。因此，通過智能手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器獲取人體走路時(shí)的加速度信號(hào)，分析人體走路時(shí)的步態(tài)，計(jì)算實(shí)時(shí)走路步頻，結(jié)合用戶的身高，體重信息建立數(shù)學(xué)模型，從而求解出用戶行走時(shí)的步長，具有其實(shí)際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，該估計(jì)方法是一種有效的，簡便的室內(nèi)外定位方案。
[0004]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，通過用戶的身高、體重和實(shí)時(shí)走路步頻來估計(jì)用戶的實(shí)時(shí)走路步長，包括如下步驟:
[0005](I)基于斜率運(yùn)算及加速度值的檢峰方法，通過確定加速度數(shù)據(jù)當(dāng)前點(diǎn)和下一點(diǎn)的斜率正負(fù)以及加速度值來確定峰值點(diǎn)；
[0006](2)步頻計(jì)算，通過計(jì)算并存儲(chǔ)相鄰兩個(gè)峰值點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)其進(jìn)行排序，再除去不滿足人體走路頻率的數(shù)據(jù)，然后從中間往兩邊各取四分之一的數(shù)據(jù)算平均值作為走一步的時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，由該采樣點(diǎn)數(shù)結(jié)合加速度傳感器的采樣頻率可以算出步頻；
[0007](3)基于多變量回歸的模型估計(jì)，首先建立走路步長關(guān)于身高、體重和步頻的多變量回歸模型，再對(duì)步長、身高、體重、步頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行特征歸一化處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)運(yùn)用梯度下降算法求解多變量回歸模型，通過多次調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，最后得到最優(yōu)的實(shí)時(shí)步長估計(jì)模型。
[0008]所述步驟(I)中，基于斜率運(yùn)算及加速度值的檢峰方法，對(duì)于用戶走路時(shí)加速度傳感器采集到的實(shí)時(shí)加速度信號(hào)a(i),定義:m = a(i+l)-a(i), η = a (i+2)-a (i+1), i表示第i個(gè)時(shí)刻，則m和n均為有正負(fù)值的標(biāo)量，當(dāng)m或n為正時(shí)，表示i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻的斜率為正，i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻加速度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)m或η為負(fù)時(shí)，表示當(dāng)前i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻的斜率為負(fù)，當(dāng)前i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻的加速度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)下降趨勢；因此，當(dāng)i時(shí)刻有m > O且η < O時(shí)，表示i時(shí)刻處于加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；由于歸一化后的加速度數(shù)據(jù)均分布于區(qū)間[O，I]之間，為了消除前面數(shù)據(jù)預(yù)處理階段未能完全消除的、由于人的抖動(dòng)因素而導(dǎo)致的加速度數(shù)據(jù)在非波峰階段呈現(xiàn)的抖動(dòng)的現(xiàn)象，定義變量yi = 0.6A作為峰值點(diǎn)附近加速度值必須滿足的條件，其中，A為歸一化后所有加速度數(shù)據(jù)的最大值，該條件是由多次在計(jì)算機(jī)上檢峰處理效果較好得到的經(jīng)驗(yàn)值，即:需滿足i時(shí)刻有a(i) >y1； i+2時(shí)刻有a(i+2)>yi，i_2時(shí)刻有a(i_2)>yi，這是為了消除由于人的抖動(dòng)而出現(xiàn)的加速度呈現(xiàn)上下抖動(dòng)的現(xiàn)象，此外還需同時(shí)滿足i_2時(shí)刻有a(1-l)>a(i_3)，i+2時(shí)刻有a (i+1) >a (i+3)，這是為了消除加速度數(shù)據(jù)上升或下降階段未到達(dá)峰值時(shí)出現(xiàn)的加速度數(shù)據(jù)暫時(shí)下降或上升而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的想象，由此得到峰值判斷步驟如下:
[0009]步驟11、判斷當(dāng)前i時(shí)刻是否滿足m≥O且η≤0，若滿足，則可確定當(dāng)前i時(shí)刻為加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，繼續(xù)步驟(2);
[0010]步驟12、判斷當(dāng)前i時(shí)刻能否同時(shí)滿足
【權(quán)利要求】
1.一種基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，通過用戶的身高、體重和實(shí)時(shí)走路步頻來估計(jì)用戶的實(shí)時(shí)走路步長，其特征在于，包括如下步驟: (1)基于斜率運(yùn)算及加速度值的檢峰方法，通過確定加速度數(shù)據(jù)當(dāng)前點(diǎn)和下一點(diǎn)的斜率正負(fù)以及加速度值來確定峰值點(diǎn)； (2)步頻計(jì)算，通過計(jì)算并存儲(chǔ)相鄰兩個(gè)峰值點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)，對(duì)其進(jìn)行排序，然后從中間往兩邊各取四分之一的數(shù)據(jù)算平均值作為走一步的時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，由該采樣點(diǎn)數(shù)結(jié)合加速度傳感器的采樣頻率可以算出步頻； (3)基于多變量回歸的模型估計(jì)，首先建立走路步長關(guān)于身高、體重和步頻的多變量回歸模型，再對(duì)步長、身高、體重、步頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行特征歸一化處理，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)運(yùn)用梯度下降算法求解多變量回歸模型，通過調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)率和迭代次數(shù)，最后得到最優(yōu)的實(shí)時(shí)步長估計(jì)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(1)中，基于斜率運(yùn)算及加速度值的檢峰方法，對(duì)于用戶走路時(shí)加速度傳感器采集到的實(shí)時(shí)加速度信號(hào)a(i),定義:m = a(i+l)-a⑴，n = a(i+2)-a(i+1), i表示第i個(gè)時(shí)刻，則m和η均為有正負(fù)值的標(biāo)量，當(dāng)m或η為正時(shí)，表示i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻的斜率為正，i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻加速 度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)m或η為負(fù)時(shí)，表示當(dāng)前i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻的斜率為負(fù)，當(dāng)前i時(shí)刻或i+Ι時(shí)刻的加速度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)下降趨勢；因此，當(dāng)i時(shí)刻有m3 O且η < O時(shí)，表示i時(shí)刻處于加速度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；由于歸一化后的加速度數(shù)據(jù)均分布于區(qū)間[O，I]之間，為了消除前面數(shù)據(jù)預(yù)處理階段由于人的抖動(dòng)因素而導(dǎo)致的加速度數(shù)據(jù)在非波峰階段呈現(xiàn)的抖動(dòng)的現(xiàn)象，定義變量I1 = 0.6A作為峰值點(diǎn)附近加速度值必須滿足的條件，其中，A為歸一化后所有加速度數(shù)據(jù)的最大值，該條件是由計(jì)算機(jī)上檢峰處理效果的經(jīng)驗(yàn)值，即:需滿足i時(shí)刻有a(i)>yi，i+2時(shí)刻有a(i+2)>yi，i_2時(shí)刻有a (i_2) >yi，這是為了消除由于人的抖動(dòng)而出現(xiàn)的加速度呈現(xiàn)上下抖動(dòng)的現(xiàn)象，同時(shí)滿足i_2時(shí)刻有a(1-l)>a(1-3)，i+2時(shí)刻有a(i+l)>a(i+3)，這是為了消除加速度數(shù)據(jù)上升或下降階段未到達(dá)峰值時(shí)出現(xiàn)的加速度數(shù)據(jù)暫時(shí)下降或上升而出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的想象，由此得到峰值判斷步驟如下: 步驟11、判斷當(dāng)前i時(shí)刻是否滿足m > O且η≤O，若滿足，則可確定當(dāng)前i時(shí)刻為加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，繼續(xù)步驟(2);


步驟12、判斷當(dāng)前i時(shí)刻能否同時(shí)滿足
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中步頻計(jì)算的計(jì)算方法為:在步驟(1)確定峰值點(diǎn)的同時(shí)獲取該峰值點(diǎn)在所有數(shù)據(jù)中的位置i，定義h為第j個(gè)峰值點(diǎn)與第j-Ι個(gè)峰值點(diǎn)之間加速度采樣點(diǎn)數(shù)，在所有峰值點(diǎn)確定之后，即得到矩陣K = [k1； kfkN]，其中，h為第j個(gè)峰值點(diǎn)與第j-Ι個(gè)峰值點(diǎn)之間加速度采樣點(diǎn)數(shù)，且I < j < N，N為峰值點(diǎn)的總數(shù)減I ;由于人的運(yùn)動(dòng)頻率基本在20Hz以內(nèi)，為減小誤差，先對(duì)矩陣K進(jìn)行排序，然后除去兩邊1^_ ^ 75和kj ( 10的數(shù)據(jù)，剩下的矩陣K的數(shù)據(jù)長度 記為NO，則從敵陣K的中間起向左右兩邊各取j.N0個(gè)數(shù)據(jù)，總共4 N0個(gè)數(shù)據(jù)，再把所
4I述的I NO個(gè)數(shù)據(jù)算平均值作為該次加速度傳感器采樣得到的走一步時(shí)間內(nèi)加速度的采樣點(diǎn)數(shù)Ns,貝U步頻計(jì)算公式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于加速度傳感器的實(shí)時(shí)步長估計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)中，在基于多變量回歸的模型估計(jì)時(shí)，由于正常人的步長與身高呈正相關(guān)關(guān)系，與體重呈現(xiàn)線性關(guān)系，與人的走路速度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，用步頻來表征走路速度的快慢為:步頻越高，表示速度越快，步頻越低，表示速度越慢，由此，建立步長與身高、體重和步頻的數(shù)學(xué)模型如下:
y = ah+ β w+ λ f+ μ， 其中，h為身高,w為體重，f為步頻，μ為懲罰項(xiàng)； 由該模型的特點(diǎn)可建立多變量回歸假設(shè)如下:
he (x) = θ ο+ θ 1Χ1+ θ 2Χ2+...+ θ ηΧη， 其中，χ為特征矩陣[XtlX1……xn]，其中Xtl= 1，η為特征的總數(shù)，Q1為待求解參數(shù)，其中O≤I≤η,由此,多變量回歸函數(shù)表示為:hg (χ) = θ τχ,
其中，χ = [X0 X1 χ2......χη]τ, θ = [ θ ο θ I θ 2......θ η]τ, 求解模型時(shí)先對(duì)身高、體重、步頻三個(gè)特征進(jìn)行歸一化處理，身高的歸一化步驟如下:

(h -h -) 步驟31、求解均值標(biāo)準(zhǔn)差oh，其中=
【文檔編號(hào)】G01C22/00GK103983273SQ201410179119
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】薛洋, 劉龍坡, 金連文 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)