了解模型
在可用于分析跑步或步行的特征當(dāng)中,我們選擇“加速度”作為相關(guān)參數(shù)。個(gè)體(及其相關(guān)軸)的運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)分量,分別是前向(“滾動(dòng)”)、豎向(“偏航”)和側(cè)向(“俯仰”),如圖1所示。ADXL345檢測(cè)其三個(gè)軸——x、y和z上的加速度。計(jì)步器處于未知方向,因此測(cè)量精度不應(yīng)嚴(yán)重依賴于運(yùn)動(dòng)軸與加速度計(jì)測(cè)量軸之間的關(guān)系。
圖1. 各軸的定義
讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個(gè)步伐,我們將其定義為單位步行周期,圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關(guān)系。
圖2. 步行階段與加速度模式
圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側(cè)向加速度相對(duì)應(yīng)的x、y和z軸測(cè)量結(jié)果的典型圖樣。無(wú)論如何穿戴計(jì)步器,總有至少一個(gè)軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化,因此峰值檢測(cè)和針對(duì)所有三個(gè)軸上的加速度的動(dòng)態(tài)閾值決策算法對(duì)于檢測(cè)單位步行或跑步周期至關(guān)重要。
圖3. 從一名跑步者測(cè)得的x、y和z軸加速度的典型圖樣
算法
步伐參數(shù)
數(shù)字濾波器:首先,為使圖3所示的信號(hào)波形變得平滑,需要一個(gè)數(shù)字濾波器??梢允褂盟膫€(gè)寄存器和一個(gè)求和單元,如圖4所示。當(dāng)然,可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑,但響應(yīng)時(shí)間會(huì)變慢。
圖4. 數(shù)字濾波器
圖5顯示了來(lái)自一名步行者所戴計(jì)步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對(duì)于跑步者,峰峰值會(huì)更高。
圖5. 最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)
動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度:系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值,每采樣50次更新一次。平均值(Max + Min)/2稱為“動(dòng)態(tài)閾值”。接下來(lái)的50次采樣利用此閾值判斷個(gè)體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次,因此它是動(dòng)態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性,并且足夠快。除動(dòng)態(tài)閾值外,還利用動(dòng)態(tài)精度來(lái)執(zhí)行進(jìn)一步濾波,如圖6所示。
圖6. 動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度
利用一個(gè)線性移位寄存器和動(dòng)態(tài)閾值判斷個(gè)體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個(gè)寄存器:sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱為sample_new和sample_old。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí),sample_new無(wú)條件移入sample_old寄存器。然而,sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件:如果加速度變化大于預(yù)定義精度,則最新的采樣結(jié)果sample_result移入sample_new寄存器,否則sample_new寄存器保持不變。因此,移位寄存器組可以消除高頻噪聲,從而保證結(jié)果更加精確。
步伐邁出的條件定義為:當(dāng)加速度曲線跨過(guò)動(dòng)態(tài)閾值下方時(shí),加速度曲線的斜率為負(fù)值(sample_new 《 sample_old)。 。
峰值檢測(cè):步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì)算步數(shù)。如果加速度變化太小,步伐計(jì)數(shù)器將忽略。
步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作,但有時(shí)顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Q杆倩蚍浅>徛卣駝?dòng)時(shí),步伐計(jì)數(shù)器也會(huì)認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐,必須排除這種無(wú)效振動(dòng)。利用“時(shí)間窗口”和“計(jì)數(shù)規(guī)則”可以解決這個(gè)問(wèn)題。
“時(shí)間窗口”用于排除無(wú)效振動(dòng)。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步,最慢的步行速度為每2秒1步。這樣,兩個(gè)有效步伐的時(shí)間間隔在時(shí)間窗口[0.2 s - 2.0 s]之內(nèi),時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。
ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)間窗口。表1列出了TA = 25°C, VS = 2.5 V, and VDD I/O = 1.8 V時(shí)的可配置數(shù)據(jù)速率(以及功耗)。
表1. 數(shù)據(jù)速率和功耗
此算法使用50 Hz數(shù)據(jù)速率(20 ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間,則說(shuō)明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內(nèi);否則,時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外,步伐無(wú)效。
“計(jì)數(shù)規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個(gè)工作狀態(tài):搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設(shè)經(jīng)過(guò)四個(gè)連續(xù)有效步伐之后,發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則(in regulation),那么步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)刷新和顯示結(jié)果,并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時(shí),每經(jīng)過(guò)一個(gè)有效步伐,步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)更新一次。但是,如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)無(wú)效步伐,步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)返回搜索規(guī)則模式,重新搜索四個(gè)連續(xù)有效步伐。
評(píng)論
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