TWI515432B - 用於估測物體週期運動的方法及裝置 - Google Patents

用於估測物體週期運動的方法及裝置 Download PDF

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Description

用於估測物體週期運動的方法及裝置
本發明是有關於一種運動估測方法，特別是指一種用於估測物體週期運動的方法及裝置。
現有許多產品將加速度計應用在計步器或搭配手機應用程式，計算走路或跑步的步數，也有應用在手錶中，計算游泳時，揮擺手臂的次數。過去技術多是利用頻率域的方式作信號的頻率分析，設計濾波器及設定不同參數門檻值，但是遇到不同運動型態而有例如不同的擺動、振動或轉動方式就需要設計不同的濾波器或是演算法，有些演算法則是需要透過參數門檻值調整，以因應不同的使用者。因此，如何設計一個能適用於不同運動型態的計數器，就成為一值得研究的主題。
因此，本發明之目的，即在提供一種用於估測物體週期運動的方法，能適用於不同型態的週期運動。
因此，本發明之另一目的，即在提供一種用於 估測物體週期運動的裝置，能適用於不同型態的週期運動。
於是，本發明用於估測物體週期運動的方法，由一用於估測物體週期運動的裝置執行，該裝置包括相連接的一加速度計、一處理器及一週期運動計數器，該加速度計可偵測該物體的週期運動以得到一代表一軸向上的軸向加速度分量的軸向加速度值及一代表垂直該軸向的一徑向上的徑向加速度分量的徑向加速度值，該方法包含該處理器接收該軸向加速度值及徑向加速度值後所執行的以下步驟：根據該徑向加速度值及該軸向加速度值計算二夾角值，分別代表一合成加速度與該軸向及該合成加速度與該徑向的夾角，其中該合成加速度是由該徑向加速度分量及該軸向加速度分量所合成。
判斷該二夾角值在時間上的變化，當其中一夾角值由小於或等於另一夾角值變成大於該另一夾角值時，該週期運動計數器的數值加一。
較佳地，其中，在計算該二夾角值前，還進行一數值反轉步驟，該步驟包括先分別計算過去一第一穩定期間內各該加速度值的平均值，然後分別判斷是否各該平均值符合一不等式，若是則將對應的加速度值乘以負一，再據以計算該二夾角值，其中該不等式是該平均值小於零及該平均值大於零其中之一。
較佳地，其中，該加速度計還可偵測得到一代 表沿一同時垂直該軸向及該徑向的第三方向上的第三方向加速度分量的第三方向加速度值，在對該三個加速度值進行該數值反轉步驟後，根據一加成計算式，將該第三加速度值加成至該徑向加速度值中，再根據該軸向加速度值及加成後的該徑向加速度值計算該二夾角值。
較佳地，其中，該加成計算式是進行純量相加，即是將該第三方向加速度值加上該徑向加速度值。
較佳地，其中，在計算該二夾角值後，還進行一數值平移步驟，該步驟包括先分別計算過去一基準期間內該二夾角值的平均值，並計算其中一平均值減另一平均值所得的差值，再使該另一平均值對應的該夾角值加上該差值，而將該二夾角值平移至相同的基準上，再據以判斷該二夾角值在時間上的變化。
較佳地，其中，判斷該二夾角值在時間上的變化方式是，判斷是否其中一夾角值大於該另一夾角值，若是則使一資料量計數器的數值加一，若否則記錄該資料量計數器的一資料量值並使該資料量計數器的數值歸零，然後判斷該資料量值是否大於一資料量閾值，若是才使該週期運動計數器的數值加一。
較佳地，其中，該資料量閾值等於過去一第二穩定期間內該資料量值的平均值乘以一小於一且大於零的資料量門檻係數。
較佳地，其中，判斷該二夾角值在時間上的變化後，還計算且記錄該二夾角值的絕對差值，並據以計算 過去一差值觀測期間內該絕對差值的總合，然後判斷該絕對差值的總合是否大於一夾角差總合閾值，若是，才使該週期運動計數器的數值加一。
較佳地，其中，在該處理器接收各該加速度值後，還先進行一平滑濾波步驟，即是計算過去一特徵保留期間各加速度值的平均值，並以各該平均值做為經平滑處理的各該加速度值，而據以進行後續計算。
較佳地，其中，是將該週期運動計數器得到的數值乘以二後輸出。
於是，本發明裝置，執行如上所述用於估測物體週期運動的方法。
本發明之功效在於：透過各加速度值來計算分別代表該合成加速度與軸向的夾角及該合成加速度與徑向的夾角的該二夾角值，再判斷該二夾角值在時間上的變化來對週期運動計數，而能適用於不同型態之週期運動。
1‧‧‧用於估測物體週期運動的裝置
11‧‧‧加速度計
12‧‧‧處理器
13‧‧‧週期運動計數器
14‧‧‧資料量計數器
2‧‧‧束帶單元
9‧‧‧肢幹
S1-S9‧‧‧步驟
S31-S39‧‧‧步驟
S71、S81、S91‧‧‧步驟
S100-S102‧‧‧步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明用於估測物體週期運動的方法的一較佳實施例，一用於估測物體週期運動的裝置被配戴於使用者的手臂；圖2是一流程圖，說明該較佳實施例；圖3是一流程圖，說明該較佳實施例；圖4是一使用示意圖，說明該用於估測物體週期運動的 裝置置於手臂內側的配戴方式；圖5是一使用示意圖，說明該用於估測物體週期運動的裝置置於手臂外側的配戴方式；圖6是一使用示意圖，說明該用於估測物體週期運動的裝置置於手臂偏上方的一側的配戴方式；圖7是一使用示意圖，說明該用於估測物體週期運動的裝置置於手臂偏下方的一側的配戴方式；圖8是一座標圖，說明所接收的各加速度值；圖9是一向量示意圖，說明合成加速度位於第一象限的情況；圖10是一向量示意圖，說明合成加速度位於第三象限的情況；圖11是一向量示意圖，說明合成加速度位於第二象限的情況；圖12是一向量示意圖，說明合成加速度位於第四象限的情況；圖13是一座標圖，說明數值反轉後的結果；圖14是一座標圖，說明加成計算後的結果；圖15是一座標圖，說明計算所得的夾角值；圖16是一座標圖，說明數值平移後的結果；及圖17是一座標圖，說明資料量計數器及週期運動計數器的數值加一的時間點。
參閱圖1至圖3，本發明用於估測物體週期運動 的方法之較佳實施例，由一用於估測物體週期運動的裝置1執行，該裝置1被設置於一束帶單元2上，且被束縛於該物體上，舉例來說，是被配戴於一使用者的沿一軸向延伸的一肢幹9如手臂(如圖1)或腿部(未圖示)。該束帶單元2是例如一可纏繞並固定於肢幹9的護腕或護膝。該裝置1包括相連接的一加速度計11、一處理器12、一週期運動計數器13，及一資料量計數器14，該加速度計11在本實施例中為一個三軸加速度計，但也可以是使用一個二軸加速度計。該加速度計11可偵測X、Y、Z三軸的方向上的加速度分量，而配戴的方式是使Y軸方向平行該肢幹9的軸向，而X軸及Z軸方向則依使用者之使用習慣會有所不同，因此定義配戴後的X軸方向為徑向，Z軸方向為第三方向。於是在該裝置1被配戴於肢幹9上後，該加速度計11可偵測到一平行軸向的軸向加速度分量的軸向加速度值、一垂直軸向的徑向上的徑向加速度分量的徑向加速度值，及一代表沿一同時垂直軸向及徑向的第三方向上的第三方向加速度分量的第三方向加速度值。該方法包含該處理器12所執行的以下步驟：步驟S1-依序接收該加速度計11所偵測並輸出的各加速度值，包括軸向加速度值、徑向加速度值、第三方向加速度值。在本實施例中各加速度值被偵測並輸出的頻率為每秒60次。以下進行步驟S2。
步驟S2-進行平滑濾波，將各該平均值做平滑處理。處理方式為計算過去一特徵保留期間各加速度值的 平均值，並以各該平均值進行做後續步驟對各該加速度值的計算。本步驟的目的在於去除原始資料中的極值，但同時必須保留資料波形的特徵，因此在本實施例中該特徵保留期間是1/3秒，本步驟即是對過去20筆各該加速度值分別進行平均。以下進行步驟S3。
步驟S3-計算過去第一穩定期間加速度值的平均值。本步驟的目的是找出各加速度值的「主成分」，意即分辨各加速度值主要是落在大於零的區域或是落在小於零的區域。
如前所述，由於不同使用者會有不同之使用習慣，例如配戴方式可能會將該裝置1置於手臂內側(如圖4)、手臂外側(如圖5)、手臂偏上方的一側(如圖6)或手臂偏下方的一側(如圖7)，因此各加速度值的「主成分」也會有所不同，而這樣的不同顯示在座標圖上就會如圖8所示，由圖8可以概略看出，其中一方向之加速度值的「主成分」大於零，另二方向之加速度值的「主成分」小於零。欲分辨「主成分」的原因容後說明。
在本實施例中該第一穩定期間是5秒，即是過去300筆資料。接下來分別對徑向、軸向、第三方向上的加速度值進行步驟S31、S34、S37之數值反轉步驟。
步驟S31-判斷是否徑向加速度值的平均值小於0。若是，則進行步驟S32，若否，則進行步驟S33，然後進行步驟S4。
步驟S32-將徑向加速度值乘以-1。
步驟S33-維持原值。
步驟S34-判斷是否軸向加速度值的平均值小於0。若是，則進行步驟S35，若否，則進行步驟S36，然後進行步驟S4。
步驟S35-將軸向加速度值乘以-1。
步驟S36-維持原值。
步驟S37-判斷是否第三方向加速度值的平均值小於0？若是，則進行步驟S38，若否，則進行步驟S39，然後進行步驟S4。
步驟S38-將第三方向加速度值乘以-1。
步驟S39-維持原值。
值得一提的是，本實施例是將平均值小於0所對應的加速度值反轉，使得各方向的「主成分」均大於零，但不以此為限，也可以將平均值大於0所對應的加速度值反轉，使得各方向的「主成分」均小於零。
需要說明的是，在程式寫作上，各加速度值反轉後的值可能是指派給新的變數名稱再進行後續步驟的計算，如此各加速度值的歷史記錄才能被保留，也才能於下次計算時方便再次計算「主成份」是否小於零。在本實施例中為幫助理解，是盡量使各數值的名稱保持一致，而採用各數值依序接受不同計算的觀點來描述。
步驟S4-進行以下加成計算式之計算：徑向加速度值=徑向加速度值+第三方向加速度值。後續步驟的徑向加速度值已非代表原始意義的在該徑向上之加速度分量 ，而是反應出原始意義之徑向加速度分量及第三方向加速度分量的一個數值。在使用二維加速度計11的實施態樣則省略此一步驟。本步驟的加成是使用純量相加以節省運算量，也可以用向量相加，即平方和開根號的方式計算，但加成的方式不影響後續的判斷，以下將與需辨別「主成分」的原因一併說明。
參閱圖9，將本步驟所加成後的徑向加速度值以一向量xz1表示，位於一抽象的XZ軸，而該軸向加速度值以一向量y1表示，位於Y軸，在一平面座標上可畫出如圖9的向量圖。由於本步驟的加成是使用純量相加，因此該XZ軸嚴格來說並沒有對應到三維空間中的任一個方向，但是由於加成前的徑向加速度分量與第三方向加速度分量均與該軸向加速度分量垂直，因此可合理的將XZ軸定義為在一個與Y軸垂直的方向上。據此，可定義出一合成加速度xz1_y1，其為向量xz1及向量y1進行向量相加所合成。
本發明將倚賴合成加速度xz1_y1與Y軸的夾角xz1_agl及與XZ軸的夾角y1_agl的消長來估測週期。依照向量xz1及向量y1的正負值，該合成加速度xz1_y1有可能會出現在四個象限，當在第一象限(如圖9)、第三象限(如圖10)時，可以發現在夾角xz1_agl增加時夾角y1_agl會減少，反之在夾角xz1_agl減少時夾角y1_agl會增加，而在第二象限(如圖11)、第四象限時(如圖12)，夾角xz1_agl與夾角y1_agl會同時增加或同時減少。
為了利用一消一長的波形來進行週期的估測， 必須使得該合成加速度xz1_y1是落在第一象限或第三象限。在本實施例中是選擇第一象限，而為了使該合成加速度xz1_y1是落在第一象限，便進行了如前所述的辨別「主成分」及數值反轉的步驟S3、S31-S39，如此會使得三個方向上的加速度值均大於零(如圖13)或至少大部分大於零，而加成後的徑向加速度值亦會大於零(如圖14，二條數值線中，偏上方者為加成後的徑向加速度值，偏下方者為軸向加速度值)。此外，由於是利用夾角的消長來進行週期估測，因此向量xz1的值的大小是用純量相加或用向量相加並不重要。而在使用二軸加速度計11的情況，便可直接使用該二軸來進行夾角計算，但若運動方向恰巧主要是在沒有量測的第三軸之方向上，則結果會有偏誤。參閱圖2、15，以下進行步驟S5。
步驟S5一計算徑向夾角值xz_agl及軸向夾角值y_agl。根據三角函數的數學關係式，其中一方式是先計算徑向加速度值(下稱new_xz)與軸向加速度值(下稱new_y)的平方和開根號得到合成加速度值L_xz_y，即L_xz_y=sqrt(new_xz*new_xz+new_y*new_y)，再如下取反餘弦函數：xz_agl=ACOS(new_xz/L_xz_y)，y_agl=ACOS(new_y/L_xz_y)。
而另一方式是如下取反正切函數：xz_agl=ATAN(new_y/new_xz)，y_agl=ATAN(new_xz/new_y)。
計算結果如圖15所示。由圖15可發現，計算 結果很可能會有其中一數值線的數值普遍較大而位於偏上方的部分，而圖15中偏上方者為軸向夾角值y_agl，偏下方者為徑向夾角值xz_agl。參閱圖2、16，以下進行步驟S6。
步驟S6-對該等夾角值進行數值平移。先分別計算過去一基準期間內該二夾角值的平均值，在本實施例中該基準期間為1秒，即是過去60筆資料，該基準期間的選擇是希望能反應出使用者走跑變化所反應出的數值。然後計算其中一平均值減另一平均值所得的差值，如：offset=xz_agl_avg-y_agl_avg
其中，offset為平移值，xz_agl_avg為徑向夾角值的平均值，y_agl_avg為軸向夾角值的平均值。再使該另一平均值對應的該夾角值加上該差值，而將該二夾角值平移至相同的基準上，如：new_y_agl=y_agl+offset
其中，y_agl為軸向夾角值，new_y_agl為平移後的軸向夾角值。本實施例是平移軸向夾角值，但不以此為限，也可以是平移徑向夾角值。平移後的結果如圖16。以下進行步驟S7。
步驟S7-判斷是否徑向夾角值大於軸向夾角值？若是，進行步驟S71，若否，進行步驟S8。
步驟S71-使資料量計數器14的資料量值，即其數值，加一，回到步驟S1。參閱圖3、17，以下說明步驟S8。
步驟S8-記錄資料量值，使資料量計數器14的數值歸零，並根據所記錄的資料量值計算資料量閾值。該資料量閾值等於過去一第二穩定期間內該資料量值的平均值乘以一小於一且大於零的資料量門檻係數，在本實施例中該第二穩定期間是選擇與第一穩定期間相同，均為5秒，即300筆資料；而該資料量門檻係數是選擇為0.5。
就數值的意義上來說，本步驟首先計算出「正常」狀態下該資料量值應該是多少，方式是計算過去300筆資料量值的平均值，然後再計算「可接受的」資料量值，方式是將平均值乘以0.5，但不以此為限，資料量門檻係數越高代表篩選條件越嚴格，反之代表篩選條件越寬鬆。以下進行步驟S81。
步驟S81-判斷是否資料量值大於資料量閾值？若是，進行步驟S9，若否，進行步驟S101。
步驟S9-計算且記錄該二夾角值new_y_agl、xy_agl的絕對差值(absolute difference)diff_xy_y_agl如下：diff_xy_y_agl=abs(new_y_agl-xy_agl)
然後計算過去一差值觀測期間內該絕對差值的總合。本步驟的用意在於判斷是否該徑向夾角值與該軸向夾角值過於接近，如果兩者太接近則表示可能是雜訊，如此可避免雜訊造成計數錯誤。在本實施例中該差值觀測期間為1/6秒，即過去10筆資料。以下進行步驟S91。
步驟S91-判斷是否絕對差值的總合大於一預 設之夾角差總合閾值？若是，進行步驟S100，若否，進行步驟S101。該夾角差總合閾值需要根據實際系統的狀態去調整，是一預設之定值，不因運動的形態不同而需改變。
步驟S100-週期運動計數器13的數值加一。計算結果如圖17所示，其中，進入步驟S71使資料量計數器14的資料量值加一的時間點以數值線count表示，進入本步驟使週期運動計數器13的數值加一的時間點以數值線result表示。以下進行步驟S101。
步驟S101-在接收到一週期運動計數輸出指令後，將週期運動計數器13的值乘以2後輸出。一般來說各種具有週期性運動行為的體育活動包括走路、跑步，經過一完整的週期後通常是進行了兩步，即便是游泳的捷式與仰式，也是划水兩次，至於蛙式與蝶式則可經使用者設定不將週期運動計數器13的值乘以2。在本實施例中，該週期運動計數輸出指令是指例如接收到使用者輸入的指示停止計數的指令，但不以此為限，也可以是在判斷本次計算中，週期運動計數器13的數值加一的情況下輸出，又或者是每次計算皆輸出。若未接收到停止的指令，則重新回到步驟S1。
綜上所述，透過各加速度值來計算分別代表該合成加速度與軸向的夾角及該合成加速度與徑向的夾角的該二夾角值，再配合數值反轉步驟及數值平移步驟來對週期運動計數，且對於雜訊進行篩選，提高所輸出之計數的正確率，並能適用於不同型態之週期運動，故確實能達成 本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
S1-S7‧‧‧步驟
S31-S39‧‧‧步驟
S71‧‧‧步驟

Claims (11)

  1. 一種用於估測物體週期運動的方法，由一用於估測物體週期運動的裝置執行，該裝置包括相連接的一加速度計、一處理器及一週期運動計數器，該加速度計可偵測該物體的週期運動以得到一代表一軸向上的軸向加速度分量的軸向加速度值及一代表垂直該軸向的一徑向上的徑向加速度分量的徑向加速度值，該方法包含該處理器接收該軸向加速度值及徑向加速度值後所執行的以下步驟：根據該徑向加速度值及該軸向加速度值計算二夾角值，分別代表一合成加速度與該軸向及該合成加速度與該徑向的夾角，其中該合成加速度是由該徑向加速度分量及該軸向加速度分量所合成；及判斷該二夾角值在時間上的變化，當其中一夾角值由小於或等於另一夾角值變成大於該另一夾角值時，使該週期運動計數器的數值加一。
  2. 如請求項1所述用於估測物體週期運動的方法，其中，在計算該二夾角值前，還進行一數值反轉步驟，該步驟包括先分別計算過去一第一穩定期間內各該加速度值的平均值，然後分別判斷是否各該平均值符合一不等式，若是則將對應的加速度值乘以負一，再據以計算該二夾角值，其中該不等式是該平均值小於零及該平均值大於零其中之一。
  3. 如請求項2所述用於估測物體週期運動的方法，其中， 該加速度計還可偵測得到一代表沿一同時垂直該軸向及該徑向的第三方向上的第三方向加速度分量的第三方向加速度值，在對該三個加速度值進行該數值反轉步驟後，根據一加成計算式，將該第三加速度值加成至該徑向加速度值中，再根據該軸向加速度值及加成後的該徑向加速度值計算該二夾角值。
  4. 如請求項3所述用於估測物體週期運動的方法，其中，該加成計算式是進行純量相加，即是將該第三方向加速度值加上該徑向加速度值。
  5. 如請求項1所述用於估測物體週期運動的方法，其中，在計算該二夾角值後，還進行一數值平移步驟，該步驟包括先分別計算過去一基準期間內該二夾角值的平均值，並計算其中一平均值減另一平均值所得的差值，再使該另一平均值對應的該夾角值加上該差值，而將該二夾角值平移至相同的基準上，再據以判斷該二夾角值在時間上的變化。
  6. 如請求項1所述用於估測物體週期運動的方法，其中，該用於估測物體週期運動的裝置還包括一資料量計數器，判斷該二夾角值在時間上的變化方式，判斷是否其中一夾角值大於該另一夾角值，若是則使該資料量計數器的數值加一，若否則記錄該資料量計數器的一資料量值並使該資料量計數器的數值歸零，然後判斷該資料量值是否大於一資料量閾值，若是才使該週期運動計數器的數值加一。
  7. 如請求項6所述用於估測物體週期運動的方法，其中，該資料量閾值等於過去一第二穩定期間內該資料量值的平均值乘以一小於一且大於零的資料量門檻係數。
  8. 如請求項1所述用於估測物體週期運動的方法，其中，判斷該二夾角值在時間上的變化後，還計算且記錄該二夾角值的絕對差值，並據以計算過去一差值觀測期間內該絕對差值的總合，然後判斷該絕對差值的總合是否大於一夾角差總合閾值，若是，才使該週期運動計數器的數值加一。
  9. 如請求項1所述用於估測物體週期運動的方法，其中，在該處理器接收各該加速度值後，還先進行一平滑濾波步驟，即是計算過去一特徵保留期間各加速度值的平均值，並以各該平均值做為經平滑處理的各該加速度值，而據以進行後續計算。
  10. 如請求項1所述用於估測物體週期運動的方法，其中，是將該週期運動計數器得到的數值乘以二後輸出。
  11. 一種用於估測物體週期運動的裝置，執行如請求項1至10中任一項所述用於估測物體週期運動的方法。
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