基于三軸加速度信號的人體行走步數(shù)檢測

基于三軸加速度信號的人體行走步數(shù)檢測

1計步器的組成隨著社會的發(fā)展，人們越來越注重自己的健康，走捷徑已成為一種便捷有效的訓(xùn)練形式。計步器可以幫助人們實時掌握鍛煉情況,它的主要功能是檢測步數(shù),通過步數(shù)和步幅可計算行走的路程。目前,計步器的構(gòu)成有機械式和電子式2種。機械式的計步器利用人體行走時的振動引起計步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動來產(chǎn)生電子脈沖,內(nèi)部處理器通過判斷電子脈沖的方法來達到計步的功能。電子式的計步器就是利用加速度傳感器(ADXL330),通過測量人體行走時加速度的變化,來達到計步的功能。由于每個人走路的姿態(tài)、步幅不一樣,所以除了步數(shù)較為準確以外其他數(shù)據(jù)并不準確。但對于步態(tài)呈病狀的人來講可能連步數(shù)也不準確(振幅不夠大,一步兩顛等)。鑒于此,本文利用MATLAB對計步器計數(shù)算法進行了仿真研究,具有一定的參考價值。2檢測步數(shù)的加速度要實現(xiàn)步數(shù)的檢測,首先要對人走路的姿態(tài)有一定了解。距離、速度、加速度等有很多的參數(shù)來描述人體行走的行為,本文主要采用加速度這個參數(shù)來模擬人體行走。行走時,腳腿腰部手臂都在運動,它們的運動都會產(chǎn)生相應(yīng)的加速度,并且會在某點有一個峰值。從腳的加速度來檢測步數(shù)是最準確的,而腰部的上下位移最為明顯,且攜帶方便,所以選擇利用腰部的運動來檢測步數(shù)。行走時腰部有上下的垂直運動,每步開始會有一個比較大的加速度,利用對加速度的峰值檢測可以得到行走的步數(shù)。如圖1所示,可以分別定義3個不同方向的加速度:垂直、前向和側(cè)向。ADXL330是1個三軸(x軸、y軸和z軸)模擬輸出的加速度傳感器,正好可以作為垂直、前向和側(cè)向3個方向的傳感器。ADXL330的x軸、y軸、z軸的數(shù)據(jù)輸出就代表了人體行走3個方向的加速度值。3自適應(yīng)門限值的估計不同的人行走會有不同大小的加速度,還受振動噪聲的影響,也就是說信號加速度變化時受干擾的影響是未知和時變的。如果使用固定門限的檢測方法,往往不能獲得良好的檢測性能,這就要求采用自適應(yīng)門限檢測技術(shù)。自適應(yīng)門限是由接收到的信號的平均功率確定的,也就是利用通過估計匹配濾波器以前的信號功率來構(gòu)造自適應(yīng)門限值。自適應(yīng)門限值的構(gòu)造則需要先估計出接收信號的功率。信號功率P是N個采樣點的平均功率,則信號的平均功率P為P=1N∑i=1N|ri(t)|2(1)Ρ=1Ν∑i=1Ν|ri(t)|2(1)其中:ri(t)為信號第i個采樣點的值?；谛盘柟β实淖赃m應(yīng)檢測方法屬于恒虛警概率檢測。由常數(shù)C可以使系統(tǒng)虛警概率保持恒定,當系統(tǒng)虛警概率恒為Pa時,常系數(shù)C取為C=1?(Pa)1/(N?1)(2)C=1-(Ρa)1/(Ν-1)(2)從而得到基于信號功率的相關(guān)檢測算法的自適應(yīng)門限VT為VT=CP=1N[1?(Pa)1/(N?1)]∑i=1N|ri(t)|2(3)VΤ=CΡ=1Ν[1-(Ρa)1/(Ν-1)]∑i=1Ν|ri(t)|2(3)4加速度檢測步數(shù)實驗通常來講,人體每秒鐘行走0.5~2.0步,最多不超過5.0步。因此,合理的計步器輸出為0.5~5.0Hz。采用截止頻率為5.0Hz的FIR低通濾波器來過濾高頻噪聲。圖2是低通濾波器的頻率響應(yīng)。圖3是將計步器佩戴在腰間采集到的垂直軸加速度波形圖,從圖上可以清楚地看出有8個峰值,代表行走了8步,說明利用腰部的加速度來檢測步數(shù)是可行的。根據(jù)資料顯示,人行走的頻率一般在110步/min(1.8Hz),跑步時的頻率不會超過5Hz,選擇100Hz的采樣率可以比較準確地反映加速度變化。不同的人行走會有不同加速度大小的輸出,傳統(tǒng)方法是采用一軸最大加速度輸出為有效的輸出,加速度傳感器的峰-峰值用來判斷哪個軸輸出為有效的輸出。但這樣的方法易丟失計數(shù)點,使計數(shù)不夠準確。因此本文充分利用加速度傳感器輸出的三軸信號,來克服這一缺點。加速度傳感器輸出的三軸信號,經(jīng)采樣、低通濾波、微分等一系列處理后,在峰值檢測時,利用基于信號能量自適應(yīng)門限的算法,準確地檢測出人體行走的步數(shù)。5自適應(yīng)門限檢測本文采用ADXL330加速度傳感器檢測人體運動時的加速度變化。原理框圖如圖4所示,ADXL330加速度傳感器輸出三路信號,每0.01s采集1個數(shù)據(jù),即采樣率為100Hz。從圖4中可知,由ADXL330加速度傳感器輸出的三路加速度信號分別經(jīng)采樣和微分處理后,對三路信號的模進行求和,然后通過低通濾波器濾去5.0Hz以上頻率的信號后,再通過自適應(yīng)門限來進行峰值檢測,進而檢測出人體運動的次數(shù)。圖5為加速度傳感器輸出的三路信號。這三路信號經(jīng)采樣后,分別進行微分處理,微分處理的目的是使干擾段趨于平坦,信號段更加尖銳,如圖6所示。對三路微分后的信號進行求和后再求模,最后通過低通濾波,濾去5.0Hz以上的雜波,波形如圖7所示,可見,經(jīng)過低濾波后的信號更加平滑?；谛盘柲芰孔赃m應(yīng)門限檢測中,設(shè)采樣點數(shù)N=15,系統(tǒng)虛警概率恒為Pa=0.0001,圖8為自適應(yīng)門限檢測情況,從圖8中可以看出,自適應(yīng)門限能隨信號的變化而變化。當信號的功率未知且不斷變化時,固定門限不能適應(yīng)信號衰落、干擾等動態(tài)變化,而門限的自動調(diào)整能有效解決這些問題。通過計算波峰使計步器精確計算出人體運動次數(shù)。表1是通過與傳統(tǒng)方法在不同人群中檢測情況之間的對比,大量實驗表明,文中基于信號能量自適應(yīng)門限檢測方法檢測精度更高。6自