一种基于微机械陀螺仪的计步方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微机械陀螺仪的计步方法，以人体中心为坐标原点建立参考坐标系，Z轴指向垂直方向，X轴指向人前进方向，Y轴指向左侧，符合右手定则；微机械陀螺仪放置在行人的大腿部，其敏感轴平行于Y轴；通过检测微机械陀螺仪是否存在周期性输出来确定行人的运动状态，计算行人行走的步数。本发明专利技术提出的基于微机械陀螺仪的新的计步方法，功能完善，方法易于实现，效果明显，能够替代常用的基于加速度计的计步方法；应用于导航定位系统中，可以省去专门用于计步的加速度计，对简化系统和节省成本具有重要意义。

A step counting method based on MEMS gyroscope

The invention discloses a step-counting method based on micromachined gyroscope, which establishes a reference coordinate system with the center of human body as the origin of coordinate, Z axis directs perpendicular direction, X axis directs human forward direction, Y axis directs left side, and accords with the right-hand rule. The periodic output of the micromachined gyroscope is measured to determine the movement state of pedestrians and calculate the walking steps of pedestrians. The new step-counting method based on the micromachined gyroscope proposed by the invention has perfect function, easy realization and obvious effect, and can replace the commonly used step-counting method based on the accelerometer; when applied to the navigation and positioning system, the accelerometer specially used for the step-counting can be omitted, which is important for simplifying the system and saving the cost. Significance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微机械陀螺仪的计步方法
本专利技术属于行人导航
，特别涉及了微机械陀螺仪的行人计步方法。
技术介绍
传统计步装置的设计思想是利用固定于人体腰、背部等部位的3轴加速度计测量行人行进时的加速度信号，然后通过算法足够识别出行人行走的站立期和迈步期，同时实现行走的步数的计算，利用加速度计传感器进行计步是目前最常用技术，但由于行人步行形态的不确定性，若要准确实现计步就需要高精度的传感器和复杂的软件算法来精确检测真实的步伐，对CPU和成本提出了较高的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的：本专利技术专利提出了一种以微机械陀螺仪为核心的新的计步实现方法，它利用人体自然行走过程中大腿部发生的周期运动的特征，使用陀螺仪感知人体运动的变化进行计步。该专利的实现方法简单，准确度高，易于实现。实现本专利技术目的技术解决方案为：一种基于微机械陀螺仪的计步方法，其特征是，以人体中心为坐标原点建立参考坐标系，Z轴指向垂直方向，X轴指向人前进方向，Y轴指向左侧，符合右手定则；微机械陀螺仪放置在行人的大腿部，其敏感轴平行于Y轴；通过检测微机械陀螺仪是否存在周期性输出来确定行人的运动状态，计算行人行走的步数。定义行人的一个步伐周期是从迈出一步后脚跟触地开始，到相同脚的脚跟下一次触地结束；在一个步伐周期中，行人大腿向前迈出到落地过程中，微机械陀螺仪感知大腿部的运动状态输出相应的角速度，两次触地时腿部瞬间静止，微机械陀螺仪输出为零。判定行人运动一个步伐周期的条件是，微机械陀螺仪输出数据的波形经过两个零点，并且两个零点之间有一个明显的峰值；通过检测零点的总数以及峰值计算行人行走的步数。计算行人行走的步数时，还包括阈值验证的步骤：在每一次的过零检测之后，使用阈值去验证是否符合步伐判断条件；当检测到一个零点时，对于接下来的波峰检测其值是否大于阈值；波峰值大于阈值时，则步数加1，否则滤除。所述阈值按如下方法确定：持续更新微机械陀螺仪输出的最大值和最小值；每采样不少于50次时将最大值与最小值取均值，将该均值设为阈值；接下来的相同的不少于50次采样利用此阈值判断行人是否迈出1步。计算行人行走的步数时，还包括时间窗口滤波的步骤：定义两个有效步伐的时间间隔0.2s～2.0s之间的时间段为时间窗口，对两个步伐时间间隔超出该时间窗口的所有步伐进行滤除，排除无效的零点。采用高速信号处理器采集微机械陀螺仪输出的数据，并对采集到的数据进行低通滤波和平滑处理。滤波时截至频率设计为3Hz～5Hz。本专利技术创造的优点以及达到的效果：(1)本专利提出的基于微机械陀螺仪的新的计步方法，功能完善，方法易于实现，效果明显，能够替代常用的基于加速度计的计步方法。(2)本专利进一步应用于导航定位系统中，可以省去专门用于计步的加速度计，对简化系统和节省成本具有重要意义。附图说明图1计步方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。以人体中心为坐标原点建立参考坐标系，Z轴指向垂直方向，X轴指向人前进方向，Y轴指向左侧，符合右手定则。微机械陀螺仪放置在行人的大腿部，其敏感轴平行于Y轴。在正常行走过程中，大腿呈周期单摆运动状态，此时陀螺仪输出的数据变化具有周期性，并且幅度较大。通过检测陀螺仪是否存在周期性输出来确定行人的运动状态，完成计步，方法如图1所示，各步骤详述如下：1、数据采集与处理通过高速信号处理器采集陀螺仪输出的数据，然后对采集到的数据进行低通滤波和平滑处理，滤除部分高频噪声和毛刺，截至频率设计为3Hz～5Hz；2、步伐判定本方法中定义行人一步是从迈出一步后脚跟触地开始，到相同脚的脚跟下一次触地结束。在一个步伐周期中，大腿向前迈出到落地过程中，陀螺仪感知腿部的运动状态输出相应的角速度，两次触地时腿部瞬间静止，陀螺仪输出为零。本方法中判定行人运动一步的条件是，陀螺仪输出数据的波形经过两个零点，并且两个零点之间有一个明显的峰值。通过检测零点的总数以及峰值就可以计算行人行走的步数。3、阈值验证步伐检测中，在每一次的过零检测之后，还要使用阈值去验证是否符合步伐判断条件。陀螺仪的读数在每一次过零点之后都会达到峰值，但由于行走时的振动或陀螺仪的测试误差等原因，会出现明显小很多的峰值，它并不对应大腿的摆动，因此这个峰值是要消除的。在本方法中，当检测到一个零点时，对于接下来的波峰还要检测其值是否大于阈值。波峰值大于阈值时，步数就会加1，否则滤除。阈值按如下方法确定，系统持续更新陀螺仪的最大值和最小值，每采样不少于50次将最大值与最小值取均值，该值即为阈值。接下来的相同的不少于50次采样利用此阈值判断行人是否迈出步伐。4、时间窗口滤波行人在一个步伐内，从脚触地到离开，陀螺仪信号以一个负斜率过零，但由于振动等干扰仍可能在短时间内以正斜率过零，这就会造成误差。时间窗口滤波用于排除无效的零点。行人最快的跑步速度为每秒5步，最慢的步行速度为每秒半步。这样，两个有效步伐的时间间隔在0.2s～2.0s之内，在此定义为“时间窗口”，两个步伐时间间隔超出该时间窗口的所有步伐将被滤除。本专利提出了一种新的基于微机械陀螺仪的计步方法，与加速度计计步不同的是，它是利用微机械陀螺仪检测人行走过程中大腿部发生的周期运动状态进行计步，本专利实现的算法简单，对硬件要求低，易于推广。以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微机械陀螺仪的计步方法，其特征是，以人体中心为坐标原点建立参考坐标系，Z轴指向垂直方向，X轴指向人前进方向，Y轴指向左侧，符合右手定则；微机械陀螺仪放置在行人的大腿部，其敏感轴平行于Y轴；通过检测微机械陀螺仪是否存在周期性输出来确定行人的运动状态，计算行人行走的步数。

【技术特征摘要】
1.一种基于微机械陀螺仪的计步方法，其特征是，以人体中心为坐标原点建立参考坐标系，Z轴指向垂直方向，X轴指向人前进方向，Y轴指向左侧，符合右手定则；微机械陀螺仪放置在行人的大腿部，其敏感轴平行于Y轴；通过检测微机械陀螺仪是否存在周期性输出来确定行人的运动状态，计算行人行走的步数。2.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺仪的计步方法，其特征是，定义行人的一个步伐周期是从迈出一步后脚跟触地开始，到相同脚的脚跟下一次触地结束；在一个步伐周期中，行人大腿向前迈出到落地过程中，微机械陀螺仪感知大腿部的运动状态输出相应的角速度，两次触地时腿部瞬间静止，微机械陀螺仪输出为零。3.根据权利要求1或2所述的一种基于微机械陀螺仪的计步方法，其特征是，判定行人运动一个步伐周期的条件是，微机械陀螺仪输出数据的波形经过两个零点，并且两个零点之间有一个明显的峰值；通过检测零点的总数以及峰值计算行人行走的步数。4.根据权利要求3所述的一种基于微机械陀螺仪的计步方法，其特征是，计算行人行走的步数时，还包括阈值验证的步骤：在每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄艳辉，高玉霞，周建国，
申请(专利权)人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32