CN102818913B - 一种人体运动信息检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体运动信息检测装置及其检测方法，属于电子信息与模式识别领域。本发明人体运动信息检测装置及其检测方法基于单个三轴加速度计和Zigbee模块，所述的检测方法基于步态识别技术和统计数据建模，只依靠三轴加速度计就可以实现部分人体运动信息的检测；检测装置包括设置在一双鞋子上的无线传感综合模块和连接在PC终端的上位机接收模块，采用触发方式进行运动数据的无线传输并用以人机交互；采用Zigbee低功耗的设计也使得***可以使用体积和容量更小的电池，以减小整个***重量和体积，更加有利于放置在鞋子的底部；采用稳压供电设计，避免了加速度计在使用电池供电过程中，由于工作电压下降带来的量化后的加速度值的误差。

Description

一种人体运动信息检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于传感器与电子通讯技术的人体运动信息检测装置及其检测方法，属于电子信息与模式识别领域。

背景技术

智能运动鞋是一个信息技术与传统制鞋业的交叉产物。目前市面上所出现的智能运动鞋有耐克的nike+和阿迪达斯的micoach。其中nike+系列运动鞋采用了压电感应技术，通过其专利技术实现了跑步的计数和里程的估算，并实时的通过无线传输技术将人体的运动数据传输到苹果的智能终端上，如IPOD、IPHONE等；阿迪达斯的micoach智能运动鞋，采用了VTI科技有限公司的技术，基于内置的加速度计，结合其修正技术，可以测量加速度、速度以及跑动的里程。阿迪达斯的micoach除了实时传输外，还可以将数据记录在内置的闪存中，将运动数据离线的传输给PC机等智能终端。

国内所申请的专利中，申请号为201020676320.6的专利申请公开了一种多功能智能鞋，是基于加速度计实现的，其提到的“所述的空间传感器可以包括三轴加速度传感器，采集的原始数据包含空间位置、方向、加速度、加速度时间等，数据价值高”，其中对于采集的“原始数据包含”的内容表述是不科学的。加速度计本身只能输出代表实际加速度值的三个电压值，经过AD采样量化，以及做零偏和刻度因数的试验后，可以根据所选用的加速度计量程，通过计算还原成实际的加速度值。所谓“原始数据”自然也就只有加速度信息一种。而对于利用加速度计所得到的信息还原“空间位置”，工程上基本是不可能实现的，具体原因有三个：

1、所有的加速度计都是基于其本身的局部坐标系的，也就是说每一次所采集的加速度都是相对值，加速度计所输出的信息是三个局部坐标系轴向上的加速度，而局部坐标系的本身就是一个不断变化的，其原点位置和姿态都是随着人体的脚部的移动随时变化的。单靠加速度计是无法还原出加速度在空间中的真实方位的，当然也就不可能实现“空间位置”的测量；

2、其所谓的“可以根据实际应用中不同功能的鞋子，设计安放位置”对于计算“空间位置”是一个巨大的缺陷，原因在于如果加速度计的放置位置是任意的，比如将所谓的“空间传感器”绑在鞋带上，那么加速度计的基准位置就是不定的（运动过程中会剧烈晃动，导致姿态变化。退一步讲，即使绑的很结实，那么每个人体绑的位置和姿态不同，加速度计的三个轴向输出的基准值也是不同的，也就是说静止状态时刻，加速度计三个轴向的输出电压是不确定的，XYZ三个轴向的静止时刻加速度输出也是各不相同的），一般而言，对于平放在地面的加速度计，设地平面为XOY面，天地轴为Z轴，其经过计算量化后的实际输出应该接近，aX=0,aY=0,aZ=g(其中g是重力加速度)。因此，想要测量“空间位置”，校准是必不可少的，即使将装置平放在鞋底，也是需要对静止状态下加速度计三个轴向的输出进行测量，作为校正的基准，才有可能通过加速度等原始数据测量得到所谓的“空间位置”。

3、加速度计至少需要配合陀螺（最好还要附加磁阻传感器进行航向修正），才可以测量传感器所在载体的“空间位置”，因为陀螺（附加磁阻传感器）可以提供运动的方向数据，将加速度计所计算得到的相对坐标系下的位移量，通过空间坐标的转换，转换到绝对的坐标系下，经过每一个计算周期不断的计算，才可以计算得到空间位置以及姿态信息。因此在实际应用中，仅仅依靠三轴加速度计，是几乎不可能计算出所谓的“空间位置”的。

此外，任何电池供电过程中，电压都是在不断下降的，而对于加速度计，工作电压直接影响到其三个轴向的电压输出。由于在实际的工程应用中，，人在较快的运动中，其脚部瞬时加速度绝对值可达5g，因此以±10g的量程的加速度计为例，3.3V供电，2.5V参考电压下，实际输出的零偏1.65V，当工作电压下降0.05V，则代表着实际输出的加速度将偏差为10g*0.05/（2.5-1.65）=0.588g，也意味着误差将达到重力加速度的一半还多，这将严重影响到对于实际加速度和速度，以及位置等信息的计算。因此对于任何依靠加速度计进行测量的***，稳定工作电压是必不可少的，否则所量化得到的加速度值本身就是错误的，也就无从谈起后续的速度和距离等的计算。

对于一种可以植入鞋子内部的无线传感器，必须要考虑其功耗问题，否则会导致使用时间过短，或者由于功耗太大需要安装大容量的电池，将会带来体积和重量过大，不利于安装和使用的情况。因此无论是选择MCU还是无线通讯手段，都要按照低功耗的原则选取。针对无线通讯这一关键技术而言，某些专利文献中所谓采用WIFI以及电信领域的通讯技术，是完全不具备可行性的，原因在于目前WIFI以及电信领域通讯技术的功耗过大。目前而言，低功耗蓝牙技术，以及Zigbee技术是比较切实可行的通讯解决方案。

发明内容

本发明针对前述背景技术中存在的几点不足，设计了一种基于单个三轴加速度计和Zigbee无线通讯模块的人体运动信息检测装置及其检测方法，所述的检测方法基于步态识别技术和统计数据建模，只依靠三轴加速度计就可以实现部分人体运动信息的检测，并且填补了利用单个三轴加速度计测量人体运动方向，将其用于人机交互应用的空白。依靠低功耗的单片机配合Zigbee通讯技术，实现了较低的整机功耗，可以采用较低容量的电池，有利于缩小整个***的体积和重量，使得***可以很方便的植入鞋子内部。

本发明所述的一种基于三轴加速度计和Zigbee无线模块的人体运动信息检测装置，主要包括设置在一双鞋子上的无线传感综合模块和连接在PC终端的上位机接收模块，所述的无线传感综合模块包括基于三轴加速度计的三自由度传感器单元、中央处理单元、无线传输模块A、基于闪存的存储单元、独立供电的可充放电电源单元和电源控制芯片；所述的电源单元为三自由度传感器单元、中央处理单元、无线传输模块和存储单元供电，所述的三自由度传感器单元采集的加速度信息经过信号调理单元调理后进入中央处理单元，中央处理单元对数据进行处理后得到人体运动信息，一部分存储在存储单元中，另一部分由无线传输模块A传送到上位机接收模块，实现对PC、手机、电视和其他智能终端的交互控制。

所述的人体运动信息主要包括：加速度a、速度v、运动的起止时间Tstart、Tend、每一次运动的距离d、检测到运动初始时刻、人体出脚的方向θ（相对于局部坐标系的方向）和运动的步数step。

本发明中将采集人体运动信息的无线传感综合模块放置在鞋子的足弓处，原因有两点，其一在于足弓处受力小，利于无线传感综合模块的保护；其二在于鞋子底部较为平坦，加速度计在静止状态下水平面两个轴向的输出加速度接近0，有利于后期计算。

本发明中将设置有凹槽的鞋作为存放无线传感综合模块的载体。在设计上，左右脚每只鞋子足弓处有凹槽，便于无线传感综合模块的安装和固定，之所以设计在鞋子底部，其原因在于对于人体而言，在静止状态下，鞋底与地面是基本平行的，在地平面内两个轴向的加速度输出基本是在0左右（由于噪声的存在以及量化误差，其输出是不绝对为0的），有利于后期的运动检测，并可以采用校准技术使测量结果更加精确；此外鞋子本身与无线传感综合模块可分离，目的在于便于鞋子的清洗，而不会损坏电子设备；此外，便于给无线传感综合模块充电。

本发明设计了一种基于单个三轴加速度计和Zigbee无线模块的人体运动信息采集***，并提出了一种基于模式识别技术的运动检测方法，并通过统计数据建模，给出了一种改进的运动距离测量方法。本发明将人体运动信息作为触发性的消息，通过无线传输方式发送给上位机，进行人机交互使用，可以用来控制PC、手机等智能终端，用以玩游戏等用途。所述的检测方法包括如下步骤：

（1）在人体静止状态下进行校准，下位机中的三轴加速度计测量得到静止状态下的加速度基准值a_x0,a_y0,a_z0，上位机向下位机发送开始采集数据指令，同时提示人体自由移动；

（2）三轴加速度计采集加速度数据，加速度数据经过信号调理单元后进入中央处理单元，中央处理单元按照预设的时钟周期对采集到的数据进行解算，解算得到人体运动信息，并将人体运动信息数据存储于数据存储单元中；

（3）人体运动起止时刻检测，具体为：

当前时刻T=k时，通过三轴加速度计，获得鞋子局部坐标系的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作a_x，a_y，a_z；当人体发生了移动时，令人体运动起始时刻Tstart=k，即完成了人体运动初始时刻检测，具体方式如下：

计算本时刻的加速度值：

$\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2},$

将该加速度值与阈值ThresholdA进行对比，如果发现T=k时刻该加速度值大于阈值ThresholdA即认为人体存在脚部移动，如果接下来的m个周期，加速度值都大于阈值ThresholdA，且当前状态为静止状态，即认为人体的脚部出现了移动；

当人体的运动信息满足两个条件时，即认为运动停止：其一是加速度值连续p个周期小于阈值ThresholdA，其二是当前状态为运动状态；当满足这两个条件时，即认为是一次动作的结束，即当T=k时刻到T=k+p时刻，有以下两个条件满足：

$\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2}<\mathrm{ThresholdA}$

记录此刻的时间，令Tend=k+p，即为运动结束时刻；

人体脚部有移动，转入（4）；如果检测到人体脚部没有运动，返回步骤（2）继续进行数据采集；

（4）检测到人体脚部有运动，则在此后的n个周期内，利用一次积分运算获得鞋子局部坐标系X_bY_bZ_b三个轴向上的速度Vx(n),Vy(n),Vz(n)，当n=N时刻，N为自然数，即根据局部坐标系三个轴向上的速度Vx，Vy，Vz的值，得到相对于鞋子局部坐标系下的一个三维矢量(Vx,Vy,Vz)，该矢量即表示人体所出脚的方位，判断得到人体出脚的方向；

（5）对于距离的测量，通过对大量样本的检测，基于步态识别技术，令

$d=K{({\mathrm{Axy}}_{\mathrm{Max}}-C)}^{\frac{1}{2}},$

其中K为常数，C为基准常数，Axy_Max是运动过程中，XOY平面上的加速度的最大值，

所计算得到的鞋子的运动数据将存储在下位机的缓存中，并传递给无线传输模块A发送；

（6）上位机接收模块接收无线传输模块A发送的信息，上位机中的单片机将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备***调用。

本发明的创新性和优点在于：

1、依托内置在鞋子足弓处的无线传感综合模块，设计了一种基于模式识别技术的人体运动检测方法，具有适应范围广，准确率高的特点；

2、提出了一种基于步态识别技术的改进型的距离测量算法，具有计算简便，无需每时每刻进行积分，而是通过一种统计规律结合运动模态进行数学建模，实现了一种近似的估算。相比通过二次积分计算距离，本方法具有没有累计误差的特点，因为人体运动的速度是不断的积分计算得到的，长期的计算将会造成累计误差。而本发明提供的计算方法是在每个运动周期内，根据经验公式通过原始数据加速度来进行推算，不涉及计算速度也无需进行再次积分算位移，因此没有累计误差。

3、采用触发方式进行运动数据的无线传输并用以人机交互，也就是检测到人体有运动发生的时候才发送数据，使得***功耗大大降低，比如控制游戏和其他人机交互应用时，只有当人体作出动作时，才将运动信息向上位机发送，而不是每时每刻的发送，这样的设计模式将大大降低功耗。进一步提高***的待机能力和使用时间。

4、***采用低功耗设计，所选择的MCU为低功耗的单片机，用于无线接收和发送的无线传输模块采用了近距离低功耗的无线解决方案Zigbee。低功耗的设计也使得***可以使用体积和容量更小的电池，以减小整个***重量和体积，更加有利于放置在鞋子的底部。

5、采用了稳压供电设计，避免了加速度计在使用电池供电过程中，由于工作电压下降带来的量化后的加速度值的误差。

附图说明

图1为设置有无线传感综合模块的鞋子结构示意图；

图2为鞋子上局部坐标系示意图；

图3为本发明中的无线传感综合模块与上位机接收模块的结构示意图；

图4为无线传感综合模块采集运动信息的工作流程图；

图5上位机接收模块的硬件组成结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于三轴加速度计和Zigbee无线模块的人体运动信息检测装置及其实现方法。如图1所示，所述的鞋子1在底部设置有无线传感综合模块2，优选将无线传感综合模块2设置在鞋子的足弓处；所述的无线传感综合模块2与上位机接收模块3之间基于无线通讯进行连接，上位机接收模块3直接与PC机等终端设备连接。

本发明提供的人体运动信息检测装置包括无线传感综合模块2和上位机接收模块3，所述的无线传感综合模块2与上位机接收模块3进行无线通信，上位机接收模块3用于接收鞋子1的运动信息，所得到的运动信息可以应用于数据分析、仿真虚拟训练或人机交互。无线传感综合模块2上采用低功耗单片机作为中央处理单元的处理器，人体脚部运动数据的解算过程全部在无线传感综合模块2内部完成，实现了更高的集成度。所述的无线传感综合模块2安置在鞋子底部，并且无线传感综合模块2的质心作为鞋子局部坐标系的原点，鞋子局部坐标系的建立如图2所示：原点O为本发明鞋子上的无线传感综合模块2的质心，x_b,y_b,z_b轴分别指向鞋子的纵轴、横轴、和竖轴向上。

所述的无线传感综合模块2和上位机接收模块3之间的通信实现如附图3所示，二者通过无线传输模块A和无线传输模块B实现通信。其中的无线传感综合模块2含基于三轴加速度计的三自由度传感器单元、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块A、数据存储单元、电源单元和设置在电源单元输出端的电源控制芯片，所述的电源单元用于为三自由度传感器单元中的三轴加速度计、信号调理单元、中央处理单元、无线传输模块A和数据存储单元供电；所述的电源控制芯片用于将电源单元输出电压稳定到其他模块所需电压；所述的三轴加速度计采集鞋子三个轴上的加速度运动信息并经过信号调理单元调理为可用信号后，发送到中央处理单元MCU，经过基于校准技术的运动检测，以及相关计算，得到人体的运动信息。所述的人体运动信息主要包括加速度a、速度v、运动的起止时间Tstart和Tend、每一次运动的距离d、以及检测到运动初始时刻、人体出脚的方向θ（相对于局部坐标系的方向），以及运动的步数step。人体运动信息一部分存储在数据存储单元，一部分经过无线传输模块A的发送端发送给上位机接收模块。

所述的上位机接收模块3，面向PC等带有USB接口的设备，其包含单片机、无线传输模块B、USB/UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口，如图5所示，所述的无线传输模块B的接收端接收无线传输模块A的发送端的人体运动信息数据，而信号类型转换芯片为FT232R，FT232R为USB/UART转换芯片，其主要功能是在内部硬件逻辑作用下实现USB和一步串行数据传输接口的转换。芯片内部继承了1024位的EEPROM和多频率时钟发生器（6MHz，12MHz，24MHz，48MHz）。电源芯片采用上文提到的AMS1117-3.3，提供3.3V输出为FT232R和Zigbee模块供电。USB接口用于与终端设备如PC机相连，完成数据传输以及电源供电功能。无线传输模块B接收的人体运动信息数据通过接口转换后，转换为可传输的格式输出到PC等设备终端。上位机中的单片机用于将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备***调用。

中央处理单元选用自带高精度AD采集以及看门狗的MCU。AD采集用于获得经过信号调理单元调理的三自由度传感器单元的电压输出，并还原为加速度信息，经过一次积分得到速度信息，通过基于统计数据的数学建模，对于整个运动状态中的加速度进行分析，计算得到每一次移动的距离。看门狗用于当处理器程序跑飞或者处于死机状态时，看门狗将从硬件上对处理器进行强制复位，使处理器重新进入正常工作模式。特别的，电源控制芯片将负责为三自由度传感器单元中的三轴加速度计和中央处理单元中的单片机等提供稳定的电压，主要为了解决加速度计此类惯性器件，对工作电压的敏感问题，如果供电电压不断下降，将会给后续的加速度计的输出的加速度值造成很大的误差。

上位机接收模块作为接收和处理鞋子中无线传感综合模块所发送信息的模块，其核心在于通过无线通讯协议，与无线传感综合模块建立连接并接收相关数据，并设置初始化时刻的工作模式以及工作参数。

针对所选用的加速度计，需要进行使用之前的标定，通过国家标准的位置实验，标定所选用加速度计的零偏V0，以及刻度因数scale。作为后续计算的基础。标定后的三个轴向加速度的电压值即可由下列公式转换为实际的加速度，计算公式为，以X轴向为例：

$a_x=\frac{(V_x-V_{x0})\&times;R}{{\mathrm{scale}}_x}$

通过该公式即可将加速度原始的输出的电压值（该电压值可以是AD采样后的整数，也可以是还原后的真实电压，相对应的刻度因数scale量纲也不同）转换为实际的加速度值，其中Vx为X轴向的加速度计的电压输出，Vx0为X轴向零偏，R是指加速度计的量程为[-R，+R]，scale_x是指刻度因数。

所述的三自由度传感器单元中的三轴加速度计，采用KXD94加速度计芯片，KXD94是Kionix公司生产的三轴加速度计。该器件测量范围为最大±13g，灵敏度系数为200mV／g（5V供电），工作电压为2.5～5.25V；该加速度计功耗很低，电流约0.9-1.5mA，可以满足整体设计的低功耗要求。KXD94三路输出分别代表X轴输出、Y轴输出、Z轴输出，提供给后续信号调理单元之后最终被中央处理单元的单片机AD采集。

所述的中央处理单元采用TI公司的MSP430F247单片机，可以满足信息的实时采集并进行在线计算得到位移信息的要求。MSP430系列是超低功耗的单片机品种，很适合电池供电的长时间工作场合。MSP430芯片活动模式电流225uA，待机状态仅0.8uA，掉电模式0.1uA。采用数字控制振荡器，从待机到唤醒模式响应时间不超过6us。4K的RAM容量，8路12位AD采集，I2C/SPI接口、UART/USART等。MSP430可以有效实现本发明要求的集成度高、低功耗、低成本的嵌入式应用。

无线传输模块A和无线传输模块B采用ZigBee模块。ZigBee无线通信技术是一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信网络技术，可广泛应用于工业监控、安全***、传感器网络、智能家居等领域。ZigBee的优势在于低功耗，相较蓝牙或者WiFi待机时间可提高几十倍；低成本，降低了对通讯控制器的要求，而且协议专利免费；高容量，一个主节点可以管理多个子节点，最多可达254个子节点；此外还具有短时延，高安全，免执照频段等优势。Zigbee模块可以满足设计应用的要求。无线传输模块A或无线传输模块B均包括发送和接收两部分，分别安装在无线传感综合模块2以及上位机接收模块3中，用于数据无线通信。

电源单元采用锂电池供电，电池采用可充电超薄锂电池，容量300-500mAh，工作电压6V，充放电次数可达500次，即使使用很频繁也可以保证至少一年的使用时间。

电源控制芯片可使用AMS1117-3.3作为电源稳压芯片，使电源单元输出稳定为3.3V，可以为ARM、三轴加速度计、及无线传输模块A稳定供电。AMS1117-3.3芯片输入电压范围4.75～12V，输出电压3.267～3.333V，输出电流1A，工作温度-40～125℃。

如附图4所示，采用上述的无线传感综合模块和上位机接收模块采集人体运动信息数据的工作流程可以描述为：

（1）在人体静止状态下（无线传感综合模块与地面平行）进行校准，下位机中的三轴加速度计测量得到静止状态下的加速度基准值a_x0,a_y0,a_z0，也可以预先进行测量，得到一个可供参考的通用基准值，或者在无线传感综合模块放置较为水平情况下，近似认为是a_x0＝0,a_y0＝0,a_z0＝g，视不同场合和精度要求而定。上位机向下位机发送开始采集指令，同时通过上位机的软件应用提示人体可自由移动。

（2）三轴加速度计的加速度数据经过信号调理单元后进入中央处理单元，中央处理单元按照预设的时钟周期对采集到的数据进行解算，解算得到人体运动信息，并将人体运动信息数据存储于闪存（数据存储单元）中。

通过三轴加速度计，获得鞋子局部坐标系的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作a_x，a_y，a_z，检测人体是否运动，采用预先设置加速度阈值为ThresholdA，当

$\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2>}\mathrm{ThresholdA}$

时，即认为人体脚部有移动，阈值ThresholdA是可以根据不同的场合进行调整。如果检测到人体有运动，转入（5）；如果检测到人体没有运动，继续进行数据采集。

（3）检测到人体脚部有运动，则在此后的n个周期内（n典型取值，可根据三轴加速度计的采样频率设定，如100HZ的采样频率，n的典型取值可以为如10的自然数），利用一次积分运算获得鞋子局部坐标系X_bY_bZ_b三个轴向上的速度Vx(n),Vy(n),Vz(n)，注意，此时所用来的积分的加速度是考虑到静止下的基准值的，也就是说经过校正的。当n=N时刻，即可根据局部坐标系三个轴向上的速度Vx，Vy，Vz的值，判断得到人体出脚的方向（相对于局部坐标系）。

（4）对于距离的测量，本发明提出了一种基于统计数据建模的方法，通过对大量样本的检测，基于步态识别技术，改进了一种经验公式，令

其中K为常数，可以通过大量的样本测量得到。C为基准常数，是一个可修正的值，与具体的运动状态有关，初值可直接设置为0，通过大量的数据试验可以逼近实际值。Axy_Max是运动过程中（从单次运动的起脚到落脚的时间段内），XOY平面上的加速度的最大值，

具体应用中可根据实际的需求设计不同的K,C的值，以提高测量的准确度。所计算得到的人体运动信息数据将存储在下位机的缓存中，并传递给无线传输模块A发送。

（5）上位机接收模块接收鞋子中的无线传输模块A发送的信息。上位机中的单片机将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备***调用。

检测信息结束后，如果上位机通过直接控制发送结束指令，则采集与通讯工作流停止，并退出程序；或者直接退出程序并关闭鞋子电源。

在上述的人体运行信息检测过程中，可以在进行检测之前进行自组网工作，即：

（a）开启鞋子电源。下位机初始化，并为无线传感综合模块上电。

（b）开启上位机接收模块，进行无线搜索，匹配周围存在的无线传感综合模块，开始自组网工作。若搜索到符合协议的设备，则自动进行连接；如果超过阈值时间T秒（可设），仍然没有搜索到可匹配的相应设备，则自动转入连接失败处理程序；如果搜索到可匹配的下位机无线传感综合模块，自动进行连接，实现子节点的自动入网，并建立通讯连接。

本发明所述的基于模式识别技术和统计数据建模的人体运动信息检测方法包括人体运动起止时刻的检测、人体出脚方向检测、速度的测量、运动距离的测量和步数的测量，具体如下：

1、检测人体运动起止时刻：

当前时刻T=k时（k是自然数，代表着时钟周期，可以是5ms，10ms等，根据不同的应用可以选择不同的时钟和周期），通过三轴加速度计，获得鞋子局部坐标系的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作a_x，a_y，a_z。当人体发生了移动时，令人体运动起始时刻Tstart=k，即完成了人体运动初始时刻检测。具体方式如下：

计算本时刻的加速度值 $\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2},$ 将该加速度值与阈值ThresholdA进行对比，如果发现T=k时刻该加速度值大于阈值ThresholdA即认为人体可能存在脚部移动，进一步考察接下来的m个周期，如本发明中取m=3，即可连续4个周期（m=0也算一个周期）加速度值都大于阈值ThresholdA，且当前状态为静止状态，即认为人体的脚部出现了移动。

类似的，当人体的运动信息满足两个条件时，即认为运动停止：其一是加速度值连续p个周期小于阈值ThresholdA，本实施例中设置p=7，其二是当前状态为运动状态。当满足这两个条件时，即认为是一次动作的结束。即当T=k时刻到T=k+p时刻，有以下两个条件满足：

$\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2}<\mathrm{ThresholdA}$

记录此刻的时间，令Tend=k+p，即为运动结束时刻。

该方法的优点在于，利用连续几个周期的信息，增强了去除噪声干扰的效果，增强了***的鲁棒性，也有效的避免了误检测。

2、人体出脚方向检测（相对于鞋子局部坐标系）：

当检测到人体发生运动后，在此后的n个周期内，本实施例中，采样频率为100HZ，即时钟周期为10ms，选取自然数N=10，在n=N个周期内利用积分运算获得鞋子局部坐标系X_bY_bZ_b三个轴向上的速度Vx(n),Vy(n),Vz(n)，注意，此时所用来积分的加速度是校准过的。当n=N时刻，即可根据Vx，Vy，Vz的值，即可得到相对于鞋子局部坐标系下的一个三维矢量(Vx,Vy,Vz)，该矢量即可大致表示人体所出脚的方位θ，整个过程中由速度组成的三维矢量是在360度区间变化的，但是对于一般的人机交互应用而言，只需要知道大概的方位就可以了，比如说，我们可以利用人体脚部的出脚方向大概划分为前后左右四个方向，将其映射为键盘上的上下左右四个方向键，只要大概知道人体的出脚的方位，即可完成该人机交互的控制。这种计算方法属于预测式，优点在于跟随性好，人体刚刚做出动作，即可预测出其方向，对于控制游戏和其他实时性要求高的场合，是非常有利的。如果采用运动结束后再根据移动的位移判断方向，将会带来很大的延迟和滞后性，导致体验感大打折扣。

3、速度的测量：

速度V的测量，是通过人体在运动起脚开始时刻Tstart直到落脚时刻Tend，沿着三个轴向，进行加速度积分计算得到，特别指出的是，用于积分的三个轴向的加速度，是已经考虑到基准位置（静止时刻）三个轴向的基准输出的a_x0,a_y0,a_z0，而不是直接利用三轴加速度计的输出值。得到三个轴向的速度信息Vx(n),Vy(n),Vz(n)，则n时刻，

$V\left(n\right)=\sqrt{\mathrm{Vx}{\left(n\right)}^2+\mathrm{Vy}{\left(n\right)}^2+\mathrm{Vz}{\left(n\right)}^2}.$

4、运动距离的测量：

对于距离的测量，本发明提出了一种基于统计数据建模的方法，通过对大量样本的检测，基于步态识别技术，改进了一种经验公式，令其中K为常数，可以通过大量的样本测量得到。C为基准常数，是一个可修正的值，与具体的运动状态有关，具体选取过程，可先令C=0，然后通过实际的步态测量，通过经验公式计算值和真实步长值得对比，不断的修正C，即可逼近最终值。Axy_Max是运动过程中，XOY平面上的加速度的最大值，

具体应用中可根据实际的需求设计不同的K,C的值，以提高测量的准确度。这种测量技术不需要时时刻刻进行速度积分，进而二次积分计算得到每一时刻的位移，累加得到一次运动的距离；而是基于步态识别技术，进行了改进，利用平面内加速度的最大值Axy_Max和基准常数C之间的关系，加上一个修正的常数K。即可直接计算得到在平面XOY上的运动距离，实际应用中，效果要优于积分运算。原因在于，本方法的常数K、C是根据大量的样本统计得到的，而且是可以采用自适应技术在线修正的，且没有累计误差。而二次积分运算则是不停的进行累加，时间长了累计误差会很大。

5、步数的测量：

根据前述测量人体运动的起止时刻，每一个起止周期，即可将步数step加1，即完成了计步器的功能。

本发明计算得到的人体运动信息，可以发送给上位机进行人机交互等使用。如通过采集人体运动数据，可以实现与手机、PC、平板电脑和电视等智能终端设备的交互，实现运动数据信息如加速度、速度和运动的距离的获取和相关的显示，以及用来玩游戏和进行虚拟现实的人机交互应用等等。

本发明在实际的工程试验中，100HZ计算周期，整机功耗约6ma；对于人体运动方向的检测，正常步态识别的准确率达到了100%，随机机动步态识别的准确率达到了97.4%；对于移动距离测量：有规律的移动距离测量精度可达98%，随机运动累计精度约95%；最小可分辨的移动距离为4cm左右。在实际的测试中，用于人机交互控制，拥有较好的体验感，控制PC游戏准确快速，无延迟感。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种人体运动信息检测方法，其特征在于：

（1）在人体静止状态下进行校准，下位机中的三轴加速度计测量得到静止状态下的加速度基准值a_x0,a_y0,a_z0，上位机向下位机发送开始采集数据指令，同时提示人体自由移动；

（2）三轴加速度计采集加速度数据，加速度数据经过信号调理单元后进入中央处理单元，中央处理单元按照预设的时钟周期对采集到的数据进行解算，解算得到人体运动信息，并将人体运动信息数据存储于数据存储单元中；

（3）人体运动起止时刻检测，具体为：

当前时刻T=k时，通过三轴加速度计，获得鞋子局部坐标系的三个坐标轴方向上的加速度，分别记作a_x，a_y，a_z；当人体发生了移动时，令人体运动起始时刻Tstart=k，即完成了人体运动初始时刻检测，具体方式如下：

计算本时刻的加速度值：

$\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2},$

将该加速度值与阈值ThresholdA进行对比，如果发现T=k时刻该加速度值大于阈值ThresholdA即认为人体存在脚部移动，如果接下来的m个周期，加速度值都大于阈值ThresholdA，且当前状态为静止状态，即认为人体的脚部出现了移动；

当人体的运动信息满足两个条件时，即认为运动停止：其一是加速度值连续p个周期小于阈值ThresholdA，其二是当前状态为运动状态；当满足这两个条件时，即认为是一次动作的结束，即当T=k时刻到T=k+p时刻，有以下两个条件满足：

$\sqrt{{(a_x-a_{x0})}^2+{(a_y-a_{y0})}^2+{(a_z-a_{z0})}^2}<\mathrm{ThresholdA}$

记录此刻的时间，令Tend=k+p，即为运动结束时刻；

人体脚部有移动，转入（4）；如果检测到人体脚部没有运动，返回步骤（2）继续进行数据采集；

（4）检测到人体脚部有运动，则在此后的n个周期内，利用一次积分运算获得鞋子局部坐标系X_bY_bZ_b三个轴向上的速度Vx(n),Vy(n),Vz(n)，当n=N时刻，N为自然数，即根据局部坐标系三个轴向上的速度Vx，Vy，Vz的值，得到相对于鞋子局部坐标系下的一个三维矢量(Vx,Vy,Vz)，该矢量即表示人体所出脚的方位，判断得到人体出脚的方向；

（5）对于距离的测量，通过对大量样本的检测，基于步态识别技术，令

$d=K{(A{\mathrm{xy}}_{\mathrm{Max}}-C)}^{\frac{1}{2}},$

其中K为常数，C为基准常数，Axy_Max是运动过程中，XOY平面上的加速度的最大值，

所计算得到的鞋子的运动数据将存储在下位机的缓存中，并传递给无线传输模块A发送；

（6）上位机接收模块接收鞋子中的无线传输模块A发送的信息，上位机中的单片机将人体脚部的移动信息传输给上位机的数据缓冲区，以备***调用。

2.根据权利要求1所述的一种人体运动信息检测方法，其特征在于：所述的检测方法还包括人体脚部运动速度的测量，速度V的测量，是通过人体在运动起脚开始时刻Tstart直到落脚时刻Tend，沿着三个轴向进行加速度积分计算得到，得到三个轴向的速度信息Vx(n),Vy(n),Vz(n)，则n时刻， $V\left(n\right)=\sqrt{\mathrm{Vx}{\left(n\right)}^2+\mathrm{Vy}{\left(n\right)}^2+\mathrm{Vz}{\left(n\right)}^2}.$

3.根据权利要求1所述的一种人体运动信息检测方法，其特征在于：所述的检测方法还包括步数的测量，根据测量人体运动的起止时刻，每一个起止周期，将步数step加1，即完成了计步器的功能。

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