一種基于雙軸mems陀螺儀的計(jì)步裝置及實(shí)現(xiàn)方法
【專利說明】一種基于雙軸MEMS陀螺儀的計(jì)步裝置及實(shí)現(xiàn)方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于行人導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了基于雙軸MEMS陀螺儀的計(jì)步裝置及實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0003]傳統(tǒng)計(jì)步裝置的設(shè)計(jì)思想是利用固定與人體腰、背部等部位的3軸加速度計(jì)測量行人行進(jìn)時(shí)的加速度信號，然后通過算法足夠識別出行人行走的站立期和邁步期，同時(shí)實(shí)現(xiàn)行走的步數(shù)的計(jì)算，利用加速度計(jì)傳感器進(jìn)行計(jì)步是目前最常用技術(shù)，但由于行人步行形態(tài)的不確定性，若要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)計(jì)步就需要高精度的傳感器和復(fù)雜的軟件算法來精確檢測真實(shí)的步伐，對CPU和成本提出了較高的要求。本專利提出了一種新的基于雙軸MEMS陀螺儀的計(jì)步方法，但與加速度計(jì)計(jì)步不同的是，它是利用人行走過程中腳部的周期性抬起和落下帶動(dòng)陀螺儀輸出角速度繞軸向前后周期性擺動(dòng)進(jìn)行計(jì)步的，本專利實(shí)現(xiàn)的算法簡單，對硬件要求低，易于推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的:
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明專利提出了一種以雙軸MEMS陀螺儀為核心的新的計(jì)步實(shí)現(xiàn)方法，它利用人行走過程中足部的周期性抬起落下的特征，使用MEMS陀螺儀感知角速度的變化進(jìn)行計(jì)步，同時(shí)感知行人的轉(zhuǎn)動(dòng)來辨識行人是轉(zhuǎn)彎的角度和方向，算法簡單，成本低，計(jì)步更加準(zhǔn)確，而且易于實(shí)現(xiàn)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于雙軸MEMS陀螺儀的計(jì)步裝置，其特征是，包括:
測試模塊，用于感知行人的步態(tài)，并解析行人的步數(shù)和行走狀態(tài)后發(fā)送至顯示模塊； 顯示模塊，用以實(shí)時(shí)顯示測試模塊所發(fā)送的行人的步數(shù)和行進(jìn)軌跡；
測試模塊包括感知行人步態(tài)的MEMS陀螺儀、解析行人的步數(shù)和行走狀態(tài)的CPU和將CPU的解析信息發(fā)送至顯示模塊的無線發(fā)送模塊；
顯示模塊包括接收測試模塊所發(fā)送信息的無線接收模塊和用于顯示信息的LCD液晶顯示屏。
[0006]進(jìn)一步，以人的腳踝為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)人的正前方為坐標(biāo)系的X軸，人體的豎直向下為坐標(biāo)系的Y軸，人的正右側(cè)且同時(shí)垂直于X、Y軸的方向?yàn)閆軸方向；測試模塊中的MEMS陀螺儀放置于行人的腳踝部位，且與坐標(biāo)系的三軸重合。
[0007]進(jìn)一步，MEMS陀螺儀為雙軸或三軸數(shù)字輸出的MEMS陀螺儀；雙軸數(shù)字輸出的MEMS陀螺儀的軸向分別與坐標(biāo)系的Y、Z軸重合。
[0008]所述的基于雙軸MEMS陀螺儀的計(jì)步裝置的計(jì)步實(shí)現(xiàn)方法，其特征是，包括以下步驟:
(1)MEMS陀螺儀采集數(shù)據(jù)
MEMS陀螺儀放置在人體的腳踝部位，并以人的腳踝為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)人的正前方為坐標(biāo)系的X軸，人體的豎直向下為坐標(biāo)系的Y軸，人的正右側(cè)且同時(shí)垂直于X、Y軸的方向?yàn)閆軸方向，MEMS陀螺儀的軸向與坐標(biāo)系的Y、Z軸或三軸重合，分別用于測試人行走時(shí)的航向與角速度；獲取步伐計(jì)數(shù)和運(yùn)動(dòng)方向改變值；
(2)根據(jù)Z軸向MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)的角速度周期性進(jìn)行計(jì)步
(2)根據(jù)Z軸向MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)的角速度周期性進(jìn)行計(jì)步
對采集到CPU中的Z軸向的MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)首先進(jìn)行降采樣頻率和平滑處理，濾除部分高頻噪聲和毛刺；然后通過檢測波形上升沿或下降沿的個(gè)數(shù)確定周期波的個(gè)數(shù)，人行走的步數(shù)即為周期波個(gè)數(shù)的兩倍；
(3)根據(jù)Y軸向MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)的角速度周期性進(jìn)行方向計(jì)算
對采集到CPU中的Y軸向MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行降采樣頻率和平滑處理，濾除部分高頻噪聲和毛刺；
再根據(jù)Y軸向數(shù)據(jù)的突變數(shù)據(jù)進(jìn)行步伐方向的判斷和計(jì)算；
(4)計(jì)算行人運(yùn)動(dòng)里程
對計(jì)步數(shù)、運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)里程進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新，設(shè)L為步長值，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)距離增量值Λ SX、A Sy，設(shè)第1-1次里程更新時(shí)人的運(yùn)動(dòng)里程為SX1 1、Syl i，則第i次里程更新的運(yùn)動(dòng)里程為Sxl= Λ Sx + SX1 1; Syl= Λ Sy + Syl 1;從而依次推算出行人的運(yùn)動(dòng)里程。
[0009]進(jìn)一步，步驟(2)中，
周期波的個(gè)數(shù)的檢測包括以下步驟:
首先所檢測波形幅值的絕對值是否大于閾值K ;
然后判斷該幅值是不是極大值；
最后判斷兩個(gè)檢測波形有效振動(dòng)之間的數(shù)據(jù)之差是否大于門限值M，且小于門限值N;其中，閾值K是行人行走時(shí)的腳抬起和下落時(shí)的最小角速度；門限值Μ是行人以最慢速度行走時(shí)的步速；Ν是行人以最快速度行走時(shí)的步速。
[0010]采用數(shù)組data[3]存放3個(gè)連續(xù)的Z軸數(shù)據(jù)，其中data[l]是當(dāng)前要判斷處理的數(shù)據(jù)，具體要滿足的條件是:
①data[l]>K ；
②data[l]>data[0] && data[l]>data[2]。
[0011]如果上述條件同時(shí)滿足則計(jì)步有效標(biāo)志flag=l ；
當(dāng)判斷下一組數(shù)據(jù)時(shí)，對數(shù)據(jù)data[3]進(jìn)行移位，即data[0]=data[l]，data[l]=data[2]，data[2]中存放最新采集的陀螺數(shù)據(jù)；
③(T-t)> M &&(T-t) < No
[0012]如果條件①、②、③同時(shí)成立，則行人行走的總步伐數(shù)為Step=Step+flag*2 ;
其中T為當(dāng)前有效振動(dòng)步伐總更新數(shù)據(jù)，t為前一刻有效振動(dòng)步伐總更新數(shù)。
[0013]進(jìn)一步，步驟(3)中，
步伐方向的判斷包括以下步驟:
第一步，步伐方向改變時(shí)陀螺數(shù)據(jù)突變的幅值檢測； 第二步，判斷MEMS陀螺儀Y軸向數(shù)據(jù)的幅值在相鄰兩側(cè)的兩個(gè)數(shù)據(jù)中是不是最大值； 第三步，使用數(shù)據(jù)窗口濾除無效的方向改變。
[0014]進(jìn)一步，步驟(4)中，
運(yùn)動(dòng)距離增量值Λ Sx=flag*2*L*sin (angle)，Δ Sy=flag*2*L*cos (angle)
式中，flag為計(jì)步有效標(biāo)志，angle為寄存器存放的步伐方向改變值。
[0015]本發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點(diǎn)以及達(dá)到的效果:
(1)實(shí)現(xiàn)本專利的算法簡單，降低了傳統(tǒng)計(jì)步裝置的軟件復(fù)雜度，減少了對高性能CPU的依賴，可以有效降低能耗和成本。
[0016](2)本專利使用陀螺儀感知行人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以作為計(jì)步裝置設(shè)計(jì)中步伐檢測和計(jì)步的一種全新的實(shí)現(xiàn)方法，而且對傳感器精度要求低，易于實(shí)現(xiàn)。
[0017](3)本專利進(jìn)一步應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，可以省去專門用于計(jì)步的加速度計(jì)，對簡化系統(tǒng)和節(jié)省成本具有重要意義。
【附圖說明】
[0018]圖1計(jì)步裝置原理框圖；
圖2雙軸陀螺儀數(shù)據(jù)變化圖；
圖3計(jì)步裝置參數(shù)算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]圖1為計(jì)步裝置原理圖，它由測試模塊和顯示模塊組成。測試模塊感知行人的步態(tài)，并按照算法解析行人的步數(shù)和行走狀態(tài)，由MEMS陀螺儀、CPU、無線發(fā)送模塊構(gòu)成；顯示模塊有無線接收模塊和LCD液晶顯示屏組成，用以實(shí)時(shí)顯示行人的步數(shù)和行進(jìn)軌跡，本專利實(shí)施中采用4.2寸液晶IXD模塊(800*400)，也可以采用其他同類型液晶顯示屏。
[0021]CPU模塊包括嵌入式處理器及外圍電路，CPU實(shí)時(shí)采集陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理，然后進(jìn)行解算得到行人的行進(jìn)狀態(tài)，最后將結(jié)果發(fā)送到輸出顯示模塊。本專利中采用ST公司的高性能低功耗產(chǎn)品SMT32L151型ARM處理器，實(shí)施中也可以采用同等性能的其他產(chǎn)品，如各種類型的單片機(jī)等。
[0022]無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)步端與顯示端的數(shù)據(jù)通信。本專利實(shí)施中選用支持Zigbee技術(shù)的低功耗2.4GHz雙向無線模塊JF24C，實(shí)施中也可以采用同等性能的其他產(chǎn)品。
[0023]( 1)雙軸陀螺儀數(shù)據(jù)的采集
MEMS陀螺儀選用雙軸或三軸數(shù)字輸出的MEMS陀螺儀，每個(gè)軸向量程大于200dps，本專利實(shí)施中采用ST公司的L2G2IS型雙軸陀螺儀，實(shí)施中也可以采用同等性能的其他產(chǎn)品。計(jì)步裝置放置在人體的腳踝部位，并以人的腳踝為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)人的正前方為坐標(biāo)系的X軸，人體的豎直向下為坐標(biāo)系的Y軸，人的正右側(cè)且同時(shí)垂直于X、Y軸的方向?yàn)棣S方向，此時(shí)雙軸陀螺儀的軸向與Υ、Ζ軸重合，分別用于測試人行走時(shí)的方向與角速度。行人在步行、跑步以及運(yùn)動(dòng)過程的轉(zhuǎn)向都會(huì)帶動(dòng)腳踝部位的雙軸陀螺儀繞著相應(yīng)的軸向做轉(zhuǎn)動(dòng)，形成相應(yīng)的角速度如圖2所示，通過相關(guān)算法處理可以獲取步伐計(jì)數(shù)和運(yùn)動(dòng)方向改變值，圖中實(shí)線為用來測量步數(shù)的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)，虛線為測量轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)。
[0024]放置測試模塊時(shí)需保證模塊的軸向與以上坐標(biāo)系重合，這樣Y軸向陀螺儀感知行人的運(yùn)動(dòng)方向，Z軸向陀螺儀感知行人的步態(tài)以計(jì)步。
[0025](2)根據(jù)Z軸陀螺儀數(shù)據(jù)的角速度周期性進(jìn)行計(jì)步
對采集到CPU中的Z軸MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行降采樣頻率和平滑處理，濾除部分高頻噪聲和毛刺；然后通過檢測波形上升沿或下降沿的個(gè)數(shù)來確定周期波的個(gè)數(shù)，人行走的步數(shù)即為周期波個(gè)數(shù)的兩倍。周期波個(gè)數(shù)的檢測主要分成3步，首先所檢測波形幅值的絕對值大于閾值K，然后判斷該幅值是不是極大值。采用數(shù)組data[3]存放3個(gè)連續(xù)的Z軸陀螺數(shù)據(jù)，其中data[l]是我們當(dāng)前要判斷處理的數(shù)據(jù)，具體要滿足的條件是:
①data[l]>K;
②data[l]>data[0] && data[l]>data[2]。
[0026]如果上述條件同時(shí)滿足則計(jì)步有效標(biāo)志flag=l。當(dāng)判斷下一組數(shù)據(jù)時(shí)，需要對數(shù)M data[3]進(jìn)行移位，即 data[0]=data[l]，data[l]=data[2]，data[2]中存放最新采集的陀螺數(shù)據(jù)。如果止于這兩步雖然計(jì)步裝置已經(jīng)能夠完成計(jì)數(shù)功能，但是當(dāng)計(jì)步裝置中的陀螺儀因?yàn)樾腥瞬叫谢蛘吲懿揭酝獾脑蚨浅Ｑ杆倩蛘呔徛恼駝?dòng)時(shí)，計(jì)步裝置也會(huì)認(rèn)為這是有效的，為了能夠真正有效的計(jì)步，必須排除這些無效的振動(dòng)，這樣就必須使用“數(shù)據(jù)窗口”來解決這一問題，即根據(jù)實(shí)際情況規(guī)定兩個(gè)有效振動(dòng)之間的數(shù)據(jù)之差應(yīng)該大于門限值M，且小于門限值N，同時(shí)門限值Μ小于門限值Ν。
[0027]③(T-t)> M &&(T-t) < No