基于加速度傳感器的計步器設計與實(shí)現

計步器是一種日常鍛煉進(jìn)度監控器，可以計算人們行走的步數，估計行走距離、消耗的卡路里，方便人們隨時(shí)監控自己的健身強度、運動(dòng)水平和新陳代謝。早期的機械式計步器利用人走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)觸發(fā)機械開(kāi)關(guān)檢測步伐，雖然成本低，但是準確度和靈敏度都很低，體積較大，且不利于系統集成。

隨著(zhù)MEMS 技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS 技術(shù)的慣性傳感器得到迅速發(fā)展，其具有價(jià)格低、體積小、功耗低、精度高的特點(diǎn)，利用MEMS 加速度傳感器設計的電子計步器，通過(guò)測量人體行走時(shí)的加速度信息，經(jīng)過(guò)軟件算法計算步伐，可以克服機械式計步器準確度和靈敏度低的缺點(diǎn)，可準確地檢測步伐，同時(shí)還可以輸出運動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數據，對運動(dòng)數據進(jìn)行采集和分析。

1 人體運動(dòng)模型

通過(guò)步態(tài)加速度信號提取人步行的特征參數是一種簡(jiǎn)便、可行的步態(tài)分析方法。行走運動(dòng)包括3 個(gè)分量，分別是前向、側向以及垂直向，如圖1 所示。LIS3DH 是一種三軸( X，Y，Z 軸) 的數字輸出加速度器，可以與運動(dòng)的3 個(gè)方向相對應。

行走運動(dòng)分量在一個(gè)步伐，即一個(gè)邁步周期中加速度變化規律如圖2 所示，腳蹬地離開(kāi)地面是一步的開(kāi)始，此時(shí)，由于地面的反作用力垂直加速度開(kāi)始增大，身體重心上移，當腳達到最高位置時(shí)，垂直加速度達到最大，然后腳向下運動(dòng)，垂直加速度開(kāi)始減小，直至腳著(zhù)地，加速度減至最小值，接著(zhù)下一次邁步發(fā)生。前向加速度由腳與地面的摩擦力產(chǎn)生的，因此，雙腳觸地時(shí)增大，在一腳離地時(shí)減小。

圖3 為一次步行實(shí)驗中，LIS3DH 檢測到的X，Y，Z 軸的加速度變化情況?？梢钥闯觯?Z 軸加速度數據( 人行走的豎直方向) 具有明顯的周期性，加速度值最小處對應的是腳離開(kāi)地面( 一步的開(kāi)始或結束) ，最大值對應腳抬到最高點(diǎn)。

在具體使用時(shí)，手持設備的放置情況是隨意的，加速度計的3 個(gè)軸有可能不與人體模型定義的3 個(gè)軸向重合，文中提到利用加速度的峰—峰值來(lái)判斷加速輸出最大的一軸作為有效軸。但這種方法易丟失計數點(diǎn)，使計數不夠準確。為了充分利用加速度傳感器輸出的三軸信號，本文將加速度信號進(jìn)行取模求和后用來(lái)計步。

2 算法設計

由圖3 可知，Z 向加速度計原始輸出雖然具有一定的周期性，但由于噪聲導致變化復雜，不易于直接進(jìn)行計步，需對信號進(jìn)行濾波，盡可能消除噪聲影響。通常情況下，人的步頻最快不會(huì )超過(guò)5 steps /s，最慢為0.5 steps /s。因此，可以認為原始信號中頻率為0. 5 ～ 5 Hz 的信號為有用信號，其他信號均為噪聲?？梢杂? FFT) 濾波實(shí)現保留部分頻率信息的要求，提取有用信息。但正常行走的任一段時(shí)間內，步頻的變化都會(huì )集中在峰值頻率附近的一個(gè)小范圍內，而不是0. 5～ 5 Hz 這么大，所以，本文經(jīng)過(guò)分析大量實(shí)驗數據的頻譜，建立了一個(gè)比0. 5 ～ 5 Hz 小的自適應頻率范圍( f1，f2) ( 如圖4 所示) ，通過(guò)FFT 保留該頻率范圍內的有用信號，去除范圍外的無(wú)用信息。

經(jīng)實(shí)驗驗證利用該動(dòng)態(tài)頻率范圍能更好地去除噪聲對步數判斷的影響，如圖5( a) 和( b) 所示。圖5 ( a) 是利用FFT 濾波和動(dòng)態(tài)頻率范圍對原始加速度信號濾波后的加速度變化曲線(xiàn)，圖5( b) 是直接利用FFT 濾波與0. 5 ～ 5 Hz 的頻率范圍對原始加速度濾波后的加速度變化曲線(xiàn)。

由圖5 可以看出： 圖5( a) 中部分噪聲還不能消除，存在多峰值的情況，而計步圖5( b) 中加速度曲線(xiàn)較平滑，加速度的周期性化趨勢已非常明顯，變換規律也比較簡(jiǎn)單，可利用軟件算法實(shí)現計步，停止時(shí)加速度雖仍有一定的輸出，但其峰值明顯小于行走時(shí)加速度峰值，因此，可通過(guò)限定加速度的大小去除影響。對行走時(shí)加速度變化曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可以看出在一定時(shí)間間隔內會(huì )有一個(gè)加速度波谷( 圖中的1 ～ 4 點(diǎn)) 和加速度最小的時(shí)刻( 對應腳落下或者抬起) ，當腳抬起來(lái)的時(shí)候( “起點(diǎn)”) ，身體重心上移，加速度也變大，加速度曲線(xiàn)中波峰對應的是人腳抬至最高處，再到下一個(gè)波谷，這就是一個(gè)完整的步伐。此外，計步器因步行之外的原因而迅速或緩慢振動(dòng)時(shí)，也會(huì )被計數器誤認為是步伐。在步行時(shí)，速度快時(shí)一個(gè)步伐所占的時(shí)間間隔長(cháng)，走的慢時(shí)時(shí)間間隔短，但都應在動(dòng)態(tài)頻率范圍確定時(shí)間窗口內，所以，利用這個(gè)時(shí)間窗口就可以有效地減小無(wú)效振動(dòng)對步頻判斷造成的影響?；谝陨戏治?，可以確定邁步周期中加速度變化情況應具備以下特點(diǎn)

(1)一個(gè)邁步周期中僅出現一次加速度極大值、極小值，有一個(gè)上升區間和下降區間; (2)一個(gè)單調區間對應邁步周期的50 %，因而，時(shí)間間隔應該在1 /2 個(gè)時(shí)間窗口之間; (3)行走時(shí)，加速度極大值與極小值是交替出現的，且其差的絕對值不小于預設的閾值1。根據以上三點(diǎn)對加速度變化區間進(jìn)行約束，認為同時(shí)滿(mǎn)足以上三點(diǎn)變化區間對應半個(gè)步伐。具體流程圖如圖6所示。

3 硬件實(shí)現

圖7 所示為系統的硬件結構框圖。本文中選用的加速度傳感器LIS3DH 輸出數字信號，所以，采樣得到的數據不必再專(zhuān)門(mén)選用芯片來(lái)做模數轉換。傳感器和控制模塊接口為SPI 總線(xiàn)或者I2C 總線(xiàn)。加速度傳感器LIS3DH，有X，Y，Z 三個(gè)自由度的加速度數字輸出，可以全方位感知人體行走運動(dòng)信息; 控制模塊由LCD12864[5]顯示模塊、微控制器MC9S12XS128[6]、鍵盤(pán)和電源組成，用來(lái)讀取加速度信息，并將算法處理得到計步數值顯示在液晶顯示屏上。

為了檢驗計步器的精度和適應能力，在加速度計Z 軸朝上的情況下從較慢步頻、正常步頻、較快步頻3 個(gè)方面進(jìn)行測試，分別進(jìn)行2 組實(shí)驗，每次實(shí)驗行走100 步。計步器測試結果見(jiàn)表1。

4 結論

加速度傳感器LIS3DH 采用3mm mes; 3mm mes; 1mm 的小尺寸封裝，大大減小了整個(gè)系統的尺寸，可以很方便地移植到如手機、遙控器以及游戲機這些有運動(dòng)感應功能，而空間和功耗有嚴格限制的設計中; 由于具有三軸數字輸出功能，用戶(hù)可以將計步器戴在身上任何部位。該計步系統可以較好地適應不同步頻情況，計步精度高，穩定性好。