一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法技术

本发明专利技术涉及一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法，包括：时间窗口的定义；采集数据；时间窗口比对同步分析计算；数据同步；时间窗口比对同步的验证；应用。本发明专利技术通过设置基准时间窗口和比对时间窗口群，建立时间窗口的比对对象，再利用计算统计误差的方式计算基准时间窗口与比对时间窗口群中各个比对窗口的误差，并对获得统计误差数组进行分析，以此找到惯性测量单元与其他复步测量仪器的同步点，实现同步测量。与现有技术相比，本发明专利技术适用于各种复步运动监测设备与惯性测量单元的同步，所使用测量仪器和计算设备均为常规的设备，所有窗口的构建和统计计算均使用软件实现，大大降低了设备成本。大大降低了设备成本。大大降低了设备成本。

【技术实现步骤摘要】
一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法
[0001]本专利技术涉及一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法，是一种用于人体运动科学的研究中运动数据的分析方法，是一种惯性测量单元与其他实验设备以时间窗口进行比对同步的数据采集和分析方法。

技术介绍

[0002]在人体运动科学的研究中，通常需要在被研究的个体身上连接多种实验设备进行运动数据采集，这些仪器通常包括：惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、红外摄像系统、测力台、肌电测量系统等。IMU作为一种简便的测量工具能够直接或间接的测量多个运动参数。时间参数是设备通用采集数据且是周期性动作项目的重要运动参数。复步运动是一种人或动物的一连串有规律动作所形成的周期性运动。跑步是一种典型的复步运动，但每个跑步复步周期的时间参数是存在差异的，因为人不会走出完全一模一样的两步，因此时间参数是跑步复步周期的参数之一。如果能够通过IMU和测力台采集的跑步复步周期的时间参数进行比对、找到同步点，建立一种时间窗口比对同步系统，将极大地增进同步点确定的科学化水平。
[0003]使用IMU的问题在于如何将IMU所获取的实验数据精确与其他测量系统所采集的数据进行同步，以相互印证，获得更加精确的运动数据。然而，现在市面上能通过蓝牙或有线连接和其他实验设备实现直接同步的IMU较少且价格昂贵。通常使用的作法是通过第三方设备例如手机等同步但会出现数据偏移，或者对于和IMU采集同样指标的设备通过比对数据曲线找到同步点。因此目前对于和IMU采集不同指标的设备与IMU的同步没有一个合适的解决方案。如何以低成本、简单、有效的将IMU与其他测量设备同步是一个需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法。所述的方法通过设置时间窗口和对时间窗口的比对和统计误差算法，寻找周期性运动中不同测量设备间数据采集同步点。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法，所述方法所使用的系统包括：安装在受试者身上的惯性测量单元，及其或者安装在受试者身上或者在跑步机周围的复步检测单元，所述的惯性测量单元和复步检测单元与窗口同步子系统连接，所述的惯性测量单元和复步检测单元使用同一触发信号启动；
[0006]所述方法的步骤如下：
[0007]步骤1，时间窗口的定义：惯性测量单元或复步检测单元在一段时间内采集受试者的连续多个复步动作为m，这些复步动作的时间称为时间窗口T，时间窗口T中的单个复步动作的时间为T
i
(i＝1，2，
…
，m)；复步检测单元或惯性测量单元采集受试者的连续多个复步动作n，这些复步动作的时间称为时间窗口t，时间窗口t中的单个复步动作的时间为t
i
(i＝1，2，
…
，n)；在时间窗口T中任意选取k个连续复步动作的时间定义为基准时间窗口，在时间
窗口t中从t1开始每k个连续复步动作的时间为一个比对时间窗口，并从t1开始第次设置比对窗口，直至t
n
‑
(k
‑
1)
，形成比对时间窗口群；将基准时间窗口和比对时间窗口中的复步动作个数定义为k，起始检测状态时的复步动作个数定义为k0；
[0008]步骤2，采集数据：受试者开始复步动作，当复步动作达到相对均匀和平稳时同时启动惯性测量单元和复步检测单元进行采集，经过一段时间的数据采集后，记录到时间窗口T、t中m、n个复步动作及其时间，之后同时关闭两个单元的采集；
[0009]步骤3，时间窗口比对同步分析计算：
[0010]包括如下子步骤：
[0011]子步骤1，统一采集频率：如果惯性测量单元和复步检测单元的数据采集频率不同，则通过插值法将惯性测量单元和复步检测单元的数据采集频率统一，如果惯性测量单元和复步检测单元的数据采集频率相同则跳过本子步骤；
[0012]子步骤2，计算统计误差：选定惯性测量单元或复步检测单元中的k个连续复步动作定义基准时间窗口，用复步检测单元或惯性测量单元的k个连续复步动作作为比对时间窗口，用个数递进的方式构建比对时间窗口群，用基准时间窗口依次与比对时间窗口群中的各个比对时间窗口用统计误差的方式进行误差计算，形成统计误差数组；其中基准时间窗口或比对时间窗口中的复步动作个数k值的确定：如果是初次误差计算则将k定义为k0，如果已经进行了几轮误差计算，则将上一轮误差计算所使用的k值加一；
[0013]子步骤3，误差比对：将统计误差数组中的误差值进行比对，如果在统计误差数组中只有一个最小值，则认为找到了惯性测量单元和复步检测单元的数据采集同步点，同步点的时间值为基准时间窗口的第一个值T1和对应的误差值最小的比对时间窗口的第一个t
i
；如统计误差数组中的最小值个数大于1，则认为没有找到同步点，需要回到子步骤2，再次进行统计误差计算，直到找到同步点；
[0014]子步骤4，核算并确认同步点：用获得T1和t
i
的k值分别加1和加2，再次重复子步骤2和子步骤3，对同步点T1和t
i
进行确认，将核算确定的同步点定义为T1和t
j
；
[0015]步骤4，数据同步：利用确认的同步点T1和t
j
将截取惯性测量单元和复步检测单元数据使采集的同步点前后所有的复步动作一一对应，得到复步检测单元和惯性测量单元2份对应的复步运动数据；其中：j为窗口t中确定的与T1的同步点；
[0016]步骤5，时间窗口比对同步的验证：收集多人的复步运动数据得到每个人在各自的运动速度下同步后的2份惯性测量单元和复步检测单元对应的复步运动数据，对这些对应的复步运动数据或者采用绝对误差和相对误差计算，或者采用Bland
‑
Altman一致性检验，以验证同步数据的准确性；
[0017]步骤6，应用：应用惯性测量单元和复步检测单元数据的采集，以及所构建的窗口同步子系统对复步时间参数进行比对，为复步运动的实验和研究提供科学检测方法，在实验和研究过程中判断窗口同步子系统是否合理并进行不断修正。
[0018]本专利技术的优点和有益效果是：本专利技术通过设置基准时间窗口和比对时间窗口群，建立时间窗口的比对对象，再利用计算统计误差的方式计算基准时间窗口与比对时间窗口群中各个比对窗口的误差，并对获得统计误差数组进行分析，以此找到惯性测量单元与其他复步测量仪器数据的同步点，实现同步测量。与现有技术相比，本专利技术适用于各种复步运动监测设备与惯性测量单元的同步，所使用测量仪器和计算设备均为常规的设备，所有窗
口的构建和统计计算均使用软件实现，大大降低了设备成本。本专利技术能够很容易结合采集的实验数据进行数据采集同步点的确定，在计算机的辅助下，非常短时间就可以完成数据采集同步点的确定并截取所有一一对应的复步周期，为数据采集同步点的确定节省时间。本专利技术具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以时间窗口进行比对同步的运动数据采集分析方法，所述方法所使用的系统包括：安装在受试者身上的惯性测量单元，及其或者安装在受试者身上或者在跑步机周围的复步检测单元，所述的惯性测量单元和复步检测单元与窗口同步子系统连接，所述的惯性测量单元和复步检测单元使用同一触发信号启动；其特征在于，所述方法的步骤如下：步骤1，时间窗口的定义：惯性测量单元或复步检测单元在一段时间内采集受试者的连续多个复步动作为m，这些复步动作的时间称为时间窗口T，时间窗口T中的单个复步动作的时间为T
i
(i＝1，2，
…
，m)；复步检测单元或惯性测量单元采集受试者的连续多个复步动作n这些复步动作的时间称为时间窗口t，时间窗口t中的单个复步动作的时间为t
i
(i＝1，2，
…
，n)；在时间窗口T中任意选取k个连续复步动作的时间定义为基准时间窗口，在时间窗口t中从t1开始每k个连续复步动作的时间为一个比对时间窗口，并从t1开始第次设置比对窗口，直至t
n
‑
(k
‑
1)
，形成比对时间窗口群；将基准时间窗口和比对时间窗口中的复步动作个数定义为k，起始检测状态时的复步动作个数定义为k0；步骤2，采集数据：受试者开始复步动作，当复步动作达到相对均匀和平稳时同时启动惯性测量单元和复步检测单元进行采集，经过一段时间的数据采集后，记录到时间窗口T、t中m、n个复步动作及其时间，之后同时关闭两个单元的采集；步骤3，时间窗口比对同步分析计算：包括如下子步骤：子步骤1，统一采集频率：如果惯性测量单元和复步检测单元的数据采集频率不同，则通过插值法将惯性测量单元和复步检测单元的数据采集频率统一，如果惯性测量单元和复步检测单元的数据采集频率相同则跳过本子步骤；子步骤2，计算统计误差：选定惯性测量单元或复步检测单元中的k个连续复步动作定义基准时间窗口，用复步检测单元或惯性测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝卫亚，潘嘉慧，于海，李上校，王冬梅，
申请(专利权)人：国家体育总局体育科学研究所，
类型：发明
国别省市：