一种基于身高和运动特征的行人步长综合测量方法与流程

本发明涉及一种基于身高和运动特征的行人步长综合测量方法，属于惯性测试领域，可提高行人的步长计算精度和行人导航的定位精度。适用于室内自主式行人导航中的步长测量和导航定位，也可用于步态分析、运动训练和健康监测等领域。

背景技术：

随着城市化的不断发展和建筑水平的不断提高，现在城市中出现了越来越多大型且结构复杂，会严重遮挡卫星定位信号的建筑，比如大型商场、图书馆、机场航站楼、大型超市以及地下停车场等。当这些复杂室内环境中发生火灾、地震等灾难时，武警和消防人员抢救伤员时的安全尤为重要，因此亟需一套能够自主定位的室内行人导航系统。步长计算在行人导航领域是一个很重要的方面，步长测量精度的高低将直接影响基于步长和姿态角进行解算的行人导航系统定位精度。而且步长测量在其他领域，比如步态分析、运动训练和健康监测等也有着很大的作用和研究价值。以上需求背景要求得到行走过程中的高精度步长信息。现有的步长测量方法主要有基于运动肢体的几何模型估计步长和基于运动特征计算步长的方法。在行走过程中，行人肢体的几何模型并不规则，现有的方法均是对其进行近似以得到较为规则的几何模型，再利用勾股定理对步长进行计算。由于该方法忽略的影响因素较多且几何参数测量时会涉及到积分运算，故会导致误差增大，步长的测量精度降低。基于运动特征的计算方法较多，但是现有的方法对与步长相关的因素均不同程度有所忽略，而且没有考虑不同的行人个体之间的差异，所以会导致步长测量适应性差，精度低。

技术实现要素：

本发明的目的：克服现有技术的不足，提出一种基于身高和运动特征 的行人步长综合测量方法。该方法综合考虑行人身高、行走频率和一步之内的加速度方差三个信息，对行走过程中的步长进行计算，具有可靠性强、精度高的特点

本发明的技术解决方案为：一种基于身高和运动特征的行人步长综合测量方法，采用置于腰部后侧中间位置的IMU测量人体行走过程中身体重心处的加速度，由加速度信息检测和计算每一步的频率和每一行走周期内身体重心处垂直向加速度的方差，输入当前使用者的身高，从而对步长进行高精度测量，包括以下步骤：

(1)建立IMU的误差模型，并在转台上进行六位置标定实验，计算出误差模型的参数；

(2)将IMU置于行人身体腰部后侧中间位置，在行走过程中，对身体重心处附近的加速度进行测量；

(3)输入当前携带该IMU的行人身高h；

(4)根据行走过程中行人运动的周期性特征和加速度计垂直向输出，采用双窗口峰值检测法对行走过程中的步伐进行检测，得到每一步加速度峰值时刻时间t_i；

(5)计算每一迈步周期(t_i-1，t_i)内的行走频率f_i和加速度方差v_i；

(6)根据身高h、行走频率f_i和加速度方差v_i三个因素与步长之间的关系，计算并输出行走过程中的步长SL_i；

(7)重复步骤(4)至(6)，直到测量过程结束。

本发明的原理：本装置采用IMU中的加速度计测量行人身体重心处的加速度，利用行走过程中的身体周期性运动特征来测量步长，核心器件是 加速度计。考虑到不同个体之间的差异，引入行人身高因素h。

加速度计的输出为:

U_A(a)＝U_A(0)+k_Aa+f_A(a)+ε_A (1)

式中U_A(a)是载体加速度a对应的加速度计输出电压，U_A(0)是a为零时的加速度计输出电压，k_A是加速度计标度因数，f_A(a)是与加速度有关的误差项，ε_A是加速度计的噪声。

根据加速度信息检测出的每一步峰值时刻t_i，得到每一步的行走频率f_i：

与此同时，可以由下式计算得到每一迈步周期内身体重心处垂直向加速度方差v_i：

式中a_t和分别为t时刻行人的垂直向加速度和该迈步周期内的垂直向加速度均值，t_i-1和t_i为第i步前后两个迈步周期的加速度峰值时刻时间，N为该迈步周期内传感器输出的采样数。

当前携带该IMU的行人身高为h，当不同的个体使用该装置测量步长时，输入当前使用者的身高信息。只要使用者不变，该值不需要重新输入。

在实际行走过程中，根据使用者身高h、行走频率f_i和一步之内加速度方差v_i与行走步长之间的关系，可以按照下式计算步长SL_i：

SL_i＝h*(a*f_i+b*v_i+c)+d (4)

式中a、b、c、d为该步长测量方法中的四个参数，其值可预先通过多元非线性最小二乘拟合得出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)IMU放置于腰部，携带方便，测量准确；

(2)采用双窗口峰值检测法对步伐进行检测，漏检率低；

(3)综合考虑了身高h、行走频率f_i和加速度方差v_i多个因素进行步长测量，适应性更强，精度高。

附图说明

图1为本发明涉及步长测量方式示意图；

图2为本发明涉及步长测量计算流程图。

具体实施方式

图1是本发明涉及步长测量方式示意图，IMU佩戴在人体腰部后侧中间位置，测量行走过程中身体重心处的加速度。

图2是本发明涉及步长测量计算流程图，i表示第i个迈步周期，h是当前使用者的身高，f_i为当前行走频率，v_i是当前迈步周期身体重心处垂直向加速度的方差，SL_i是当前测量的步长。

步长测量具体分为以下几个步骤：

(1)建立IMU的误差模型，并在转台上进行六位置标定实验，计算出误差模型的参数。

采取在转台上标定的方法标定出公式(1)中的模型误差系数U_A(0)_j、k_Aj、f_A(a)_j(j＝1,2,3，分别代表X、Y、Z轴)。根据f_A(a)_j中取的与a有关项系数的不同可采取不同的标定方案，本装置采用六位置标定方案。

六位置方案是将惯性测量单元的x轴、y轴、z轴分别指向转台坐标系z_p 轴的正向和负向，共六个位置，在每一个位置列写相应的方程。利用不同位置下加速度计的输出值与标称值之间的关系列写方程组，其中惯性器件的输出是含有待定误差系数的，通过求解方程组解出这些误差系数就实现了对误差系数的标定。标定实验是在转台上进行的，记转台坐标系为ox_py_pz_p，其中x_p、y_p、z_p分别指向东、北、天，惯性测量单元的坐标系为oxyz。

(2)将IMU置于行人身体腰部后侧中间位置，在行走过程中，对身体重心处的加速度进行测量。本方法主要根据行走过程中身体重心处加速度信息进行检测和计算步长，腰部后侧中间位置最靠近身体重心，因此将IMU佩戴在腰部后侧中间位置。

(3)输入当前携带该IMU的行人身高h。当不同的个体使用该装置测量步长时，输入当前使用者的身高信息，只要使用者不变，该值不需要重新输入。

(4)根据行走过程中行人运动的周期性特征和加速度计垂直向输出，采用双窗口峰值检测法对行走过程中的步伐进行检测，得到每一步加速度峰值时刻时间t_i。

在行人正常行走的一个迈步周期之内，身体重心处的垂直向加速度会先增大到一个峰值再减小到一个谷值依次循环。在本测量方法中，取两个相邻相等长度的窗口对垂直向加速度的输出数据进行检测，当检测到两个窗口中的最大值恰好各自位于左右窗口的相邻边缘时，即该迈步周期的峰值位于双窗口的正中央时，确定该点为这一次迈步周期的峰值，检测峰值的同时也将同一个迈步周期的谷值按照相同的原理检测标记出。同样的道理，依次对于采集到的垂直向加速度的数据进行检测，每一次峰值和谷值交替出现时确定为一个迈步，由此便可以检测出行走过程中的每一个迈步过程。

(5)计算每一迈步周期(t_i-1，t_i)内的行走频率f_i和加速度方差v_i。

由于已经检测出了行走时的每个迈步过程，根据式(2)和式(3)便可以计算得到每一步的行走频率f_i和该迈步周期内身体重心处垂直向加速度方差v_i。

(6)根据身高h、行走频率f_i和加速度方差v_i三个因素与步长之间的关系：正常行走情况下，行走步长与个体的身高成一定的比例关系，不同个体相同条件下行走步长不同；行走步长还与行走频率和一步之内的加速度方差存在线性的关系，步频越大，加速度方差越大，则步长越长。因此由(3)和(5)得到身高h、行走频率f_i和加速度方差v_i后，便可通过式(4)计算并输出行走过程中当前的步长SL_i。

(7)重复(4)至(6)，直到测量过程结束，便可以得到实际行走过程中每一步的步长。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。