用于对人的基本位移进行计数的系统和方法

摘要

用于对人的基本位移进行计数的系统，包括壳体(BT)和用于将所述壳体安全地连接到所述人的身体的一部分的固定装置(CEF)，包括：具有至少一个测量轴的磁力计(3M)；以及计算装置(CALC)，其适配成用于针对每个测量轴执行至少一个时间掩码和在所述掩码的持续时间上沿着所述测量轴的信号的分量的标积。

说明书

本发明涉及用于对人的基本位移进行计数的系统和方法，例如，游泳 者在泳池中的去程-回程或转向，或者自行车赛手或跑步者在给定的线路中 的去程-回程。

人的基本位移可以对应于人的方向或行进方向的改变，或者对应于由 跑步者或骑自行车者对重复的诸如运动场的一圈之类的循环路程的循环的 穿越，或者游泳者在泳池中的去程-回程。

在示例性应用中，许多跑步者期望能够精确地估计他们在比赛期间在 运动场的轨道或在其循环以连续的方式进行重复的路程中步行或骑自行车 所经过的距离。通常，所完成的循环对参与者是已知的，并且对应于向其 告知的距离。在内心对所完成的循环进行计数的同时完成其体育锻炼并不 总是容易的。因而，对所完成的循环进行自动计数使得能够获得所经过的 总距离。同样地，对于在泳池中完成一系列长度的游泳者来说，基本位移 对应于一段长度，然后是转向，以及随后是在相反的方向上的一段长度。

存在使得能够对这种类型的已经过的距离进行估计的系统，例如，如 在关于足部运动分析系统的文档US 6513381B2中或者在有关用于对物体 的重复运动的周期、或频率进行测量的文档FR 2912813A1中所描述的，在 文档FR 2912813A1中的方法中，对陆地磁场在连接到或位于移动的物体上 的磁力计的轴上的投影的至少一个变量分量进行测量，并且对对应于该测 量的信号的周期或频率进行检测。

在另一示例性应用中，许多游泳者希望能够精确地估计在游泳比赛期 间他们所经过的距离。不得不对长度或所经过的去程-回程的数量进行计数 是令人厌烦的，这包括不可忽视的错误风险，并且对于高水平游泳者来说， 可能会妨碍他并且限制他的表现。

存在使得能够对游泳的长度自动进行计数的系统，例如如在美国专利 申请US2007/0293374A1中所描述的，该专利申请是关于在通过固定装置附 着到游泳者身上的壳体内的泳池去程-回程计数器，该固定装置包括罗盘传 感器，该传感器提供根据游泳者在泳池中的去方向或回方向而变化的信号。 这种用于游泳者的去程-回程计数器包括：壳体；用于将壳体固定在游泳者 身上的装置；位于所述壳体内用于提供根据游泳者在泳池中的去方向或回 方向而变化的输出信号的罗盘传感器；以及，处理器，被编程为在罗盘传 感器的输出信号中区分游泳者的方向变化以及对后面的去程-回程的数目进 行计数。这种计数器还能够对使用该计数器的游泳者的游泳位移进行计数。

这种计数器具有有限的精确度。

本发明的目的在于提出一种用于对人的基本位移(例如，在泳池中游 泳者的去程-回程)进行计数的系统，其以有限的成本具有提高的精确度。

根据本发明的一个实施例，提出了一种用于对人的基本位移进行计数 的系统，其包括壳体和用于将所述壳体安全地连接到在所述人的身体的一 个部分的固定装置。该系统包括：

-具有至少一个测量轴的磁力计；以及

-计算装置，其适配成针对至少一个测量轴执行至少一个时间掩码和

在所述掩码的持续时间上沿着所述测量轴的信号的分量的标积。

从而在具有改善的精确度的情况下，能够对装备有根据本发明的一个 方面的系统的人的基本位移的发生进行计数。

在一个实施例中，所述系统还包括用于针对每个测量轴基于在所述基 本位移期间由所述磁力计提供的测量来确定所述时间掩码的装置。

从而，可以由用户基于在基本位移期间由磁力计所执行的测量的记录 来确定时间掩码。

根据一个实施例，所述基本位移是周期性位移的一个循环，例如一圈 跑道，如自行车赛手或跑步者的一圈跑道。

因此，所述系统能够自动地通知用户在比赛期间他已经经过的圈数或 实际经过的距离。

在一个实施例中，针对每个测量轴预先确定所述时间掩码。

从而，不需要通过记录与基本位移的信号来校准所述系统。

例如，所述系统被适配成用于在对直线进行两个相反方向的跨越之间 对人的转向进行检测，其中，针对每个测量轴，所述掩码包括具有第一持 续时间T1的第一阶段的第一常量值N，接着是具有第二持续时间T2的第 二过渡阶段的零值，然后是具有第一持续时间T1的第三阶段的常量值-N， 常量值-N等于所述第一常量值N的相反值，并且沿着测量轴的信号的分量 在所述掩码的持续时间2T1+T2上。

所述第一常量值N可以等于1，从而限定了计算的数目。

掩码的所述第二持续时间T2可以是固定的，并使得Tmin 表示小于或等于用于执行对所述直线进行跨越的最小持续时间的阈值时 间。

因而，在时间标积的计算期间，这种掩码使得在方向改变的时刻出现 尖峰信号，并且将范数应用于标积。过渡阶段T2使得能够对与过渡阶段的 方向改变相对应的信号进行掩蔽。在游泳的情况下，对掩码的尺寸被适配 成使得考虑在泳池中游泳者的转向。

例如，掩码的所述第二持续时间T2位于0和Tmin/2之间。

在一个实施例中，掩码的所述第二持续时间T2根据时间而增加，并且 所述计算装置被适配成用于计算其分量为所考虑的每个测量轴上的所述标 积的矢量的第一范数以及用于当所述第一范数相对于阈值而改变相对位置 时对转向进行检测。

因此，在存储器中保存与掩码的开始相关联的信号相对应的特定方向。

例如，对于适配成游泳的系统，在不从腹侧切换到背侧而仅有游泳者 的两种类型的可能位移(去程和回程)的情况下，更加健壮地提供了检测。

根据一个实施例，当T2固定时，所述计算装置被适配成用于计算其分 量为所述标积的矢量的第二范数，以及用于当所述第二范数超过阈值时对 人的转向进行检测。

可以通过增加在第一滑动窗口上检测该矢量的所述第二范数的局部最 大值的条件来改善这种检测。

从而能够容易地对人的转向进行检测。

例如，所述计算装置被适配成用于：

-在检测到所述第二范数超过所述阈值之后创建所述第一滑动窗口；

-确定与转身相对应的在所述滑动窗口上所述第二范数的局部最大值 中的最大的局部最大值以及与所述最大的局部最大值相关联的时 刻；

-在时间跨度期间去激活所述第一滑动窗口；以及

-在所述时段后当所述第二范数回落到阈值之下时重新激活所述滑动 窗口。

从而，极大地减少了检测错误，并改善了检测。

在有利的方式中，计算装置被适配成用于在当所述第二范数超过所述 阈值时所述标积的所述最大值分量的标记与在先前的转向期间该相同分量 的标记不相同时对人的转向进行检测。

的确，通过对所述标积的最大值分量的标记添加约束进一步改善了这 种检测。在时刻t的最大值分量是在该时刻表现出振幅绝对值最大的分量。 从而，当在所述第二范数超过所述阈值时所述最大值分量的标记与在先前 的转向期间该相同分量的标记不同时，对人的转向进行检测。

这些范数的使用使得能够减少所要处理的信息量，当至少使用两个测 量轴时，通过将要处理的信息量从两个或三个信息项减少到仅一个信息项。 从而限制了计算负荷。

根据一个实施例，所述阈值取决于与该阈值相关的传感器的测量范围， 和/或传感器或多个传感器针对基本位移的序列(séquence)进行的信号记 录的数据库，和/或自动地确定。

在优选的方式中，用标积分量的绝对值的加权和来代替所述范数。具 有权重的矢量是赋范的，并且允许所述标积沿着测量轴的分布能量。对于 这些轴中的每一个，在第二滑动窗口上计算所述标积的能量，所述第二滑 动窗口的尺寸将小于实现基本位移的最小持续时间。

此外，所述第二滑动窗口的持续时间取决于用于执行对所述直线进行 跨越的最小持续时间。

在一个实施例中，所述方向的变化是在对直线进行的两个相反方向的 跨越之间的转向，所述第一持续时间T1取决于用于执行所述直线的跨越的 最小持续时间。该最小持续时间还可以取决于所述直线的长度。

从而，在不擦除重要事件(即转身)的情况下最小化了特别是由于游 泳动作、加速度的干扰以及磁干扰。

根据一个实施例，所述计算装置被适配成用于以比由所述磁力计执行 测量的频率低的频率来计算所述标积。

从而限制了所执行的计算的数量。

根据一个实施例，所述系统另外包括加速度计，并且所述计算装置适 配成用于针对所述加速度计的每个测量轴在第三滑动窗口上计算在所述测 量轴上测量的值的标准偏差。

第三滑动窗口的持续时间位于基本动作(针对跑步的跨步、针对游泳 的头部动作)所用的时间和转身的持续时间之间。例如，对于游泳来说， 这个值将介于1s和5s之间。

因而，由于后者包括用户动作的第二指示符而改善了系统的可靠性。

此外，例如，所述计算装置被适配成用于当至少一个所述标准偏差临 时改变值时对活动的变化进行检测。

的确，如果在一定数量的连续估计期间，所计算的标准偏差中的至少 一个改变了值，则人已经改变了活动，例如进行了转向。

从而，该系统能够更好地检测活动的改变，诸如游泳类型的改变，或 在适配成游泳的系统的情况下的转向。

在一个实施例中，所述计算装置被适配成用于计算分量是所考虑的每 个测量轴上的所述标准偏差的矢量的第三范数。

从而，由于限制了所要处理的信息项的数目而限制了计算负荷。

例如，所述计算装置被适配成用于当所述第三范数的变化的绝对值超 过阈值并且所述第三范数的变化的绝对值是局部最大值时对活动的改变进 行检测。

因此，作为变形，还对用户的活动的改变(例如，从直线切换到转向) 进行检测。

根据一个实施例，所述计算装置被适配成用于通过对基于多个所述掩 码并行执行的基本位移的检测进行比较来检测基本位移。

从而能够通过使不同的检测方法并行来增强检测的有效性，并且产生 合成的结果。

根据一个实施例，所述系统被适配成用于在泳池中对游泳者的去程-回 程进行计数，其中所述壳体是气密的，并且所述基本位移是泳池长度，接 着是转身，然后是在相反方向上的所述长度。

所述系统特别适合用于这种用途。于是，所经过的长度数为所检测出 的转身数加1。

对于长度为25米的泳池来说，所述第一持续时间T1可以介于2秒和 10之间，而对于长度为50米的泳池来说，其介于2秒和20秒之间。

从而，在不消除转身的情况下擦除掉约为1s的持续时间的游泳动作 (50m的世界纪录为20s的数量级)。

第一掩码的所述第二持续时间T2介于0秒和5秒之间。

从而，考虑了在相反的方向上两次跨越泳池之间的转身的持续时间。

使加权系数代表根据三个分量的能量分布，所述第一持续时间T1的选 择将能够对所述第二滑动窗口的持续时间的选择进行提示。

例如，所述第二滑动窗口的持续时间对于长度为25米的泳池来说介于 2秒和10秒之间，而对于长度为50米的泳池来说其介于2秒和20秒之间。

所述第三滑动窗口的持续时间可以介于1秒和5秒之间。

例如，设置该系统的身体的部分为头部。

因而，传感器可以被集成到游泳者的泳镜中。

根据一个实施例，所述阈值取决于与该阈值相关的传感器的测量范围， 和/或传感器或多个传感器针对游泳序列进行的信号记录的数据库，和/或在 所述游泳序列期间不存在游泳者的腹侧/背侧位置的改变的情况下，自动地 确定。

对通过完全非限定性举例的方式描述以及由如下附图所示出的几个实 施例进行研究将更好地理解本发明，其中：

-图1示意性地示出了根据本发明的一个方面的系统的实施例；

-图2表示通过对骑自行车围绕建筑物的第一圈进行记录来确定的示 例性掩码；

-图3表示示例性的预定掩码；以及

-图4到图10示出了在游泳的背景中根据本发明的一个方面的示例性 实施例。

在所有的图中，具有相同标记的元件相类似。

诸如图1中所示出的，用于对人的基本位移进行计数的系统包括壳体 BT，该壳体BT包括具有至少一个测量轴的磁力计，在该例中为三轴磁力 计3M。壳体BT被适配成被固定到所述人的身体的一部分，在该例中通过 弹性固定带CEF来固定。作为变形，任何其它的固定装置可以适用。

壳体BT还包括可选的加速度计，该加速度计具有至少一个测量轴，在 该例中为三轴加速度计3A。计算模块CALC针对三轴磁力计3M的每个测 量轴执行至少一个掩码和在所述掩码的持续时间上沿着该测量轴的信号的 分量的标积。

可选的确定模块使得能够根据在基本位移期间由磁力计3M所提供的 测量结果来针对每个测量轴确定掩码。在确定开始或结束对掩码进行记录 方面，一组控制按钮EBC对用户尤为有用。作为变形，可以预先确定该掩 码。

显示装置AFF，例如连接到壳体上，使得能够显示结果。作为变形， 当该系统适用于游泳并且被固定到游泳者的泳镜上时，可以利用耳机中的 语音消息来取代显示。

计算模块CALC被适配成用于在符合香农条件的情况下以大于或等于 0.5Hz的采样频率对从传感器接收的信号进行采样。

图2示出了掩码的记录，该掩码的记录与在骑自行车绕矩形建筑物一 圈期间对由磁力计3M的每个测量轴所发送的信号的记录相对应，然后是与 骑自行车绕该建筑物连续三圈相对应的信号的记录。位于与所述掩码相对 应的第一圈的两侧的振动或颠簸(磁力计3M的信号具有较大变化)使得能 够对掩码记录序列(开始和结束)进行划界。振动同样位于用于对骑自行 车经过的圈数进行计数的记录序列的两侧(序列的开始和结束)以便对其 进行划界。可以利用较小的跳跃或按钮的按压来代替振动。然后是通过对 掩码的识别来对三个连续的圈(第二圈、第三圈和第四圈)进行检测。

图3表示应用于对每个轴的标积进行计算的预定的掩码，包括具有第 一持续时间T1的第一阶段的第一常量值N，其位于时刻0与时刻t₁之间， 接着是具有第二持续时间T2的第二过渡阶段，从时刻t₁到时刻t₂的零值， 然后是具有第一持续时间T1的第三阶段的常量值-N，其位于时刻t₂与时刻 t₃之间，其中，常量值-N与第一常量值N相反。例如，N可以等于1。

在以下通过示例的方式进行的描述中，该系统被适配成用于利用气密 壳体BT对游泳者在泳池中的去程-回程进行计数，并且其中，基本位移是 在泳池中的转身。着重描述的是计算模块操作的方式。

在时刻t_k处利用采样间隔Te以定期的方式对表示为B^c(t_k)＝B^c(kTe)(c 是表示测量轴的索引)的磁力计3M的信号进行采样。

图4示出了由磁力计3M的三个测量轴发送的三个原始信号以及指示 从去程切换到回程以跨越泳池的矩形参考信号Ref的系统的示例。

考虑被称为维数为(2T1+T2)/Te并且持续时间为2T1+T2的掩码的矢量 M，该矢量M由下式定义：

M(i)＝N，其中0≤i＜T1/Te

M(i)＝0，其中T1/Te≤i＜(T1+T2)/Te

M(i)＝-N，其中(T1+T2)/Te/Te≤i＜(2T1+T2)/Te

在轴c上的标积由下式定义：

${\mathrm{PS}}^c\left(t_k\right)=\underset{i=0}{\overset{(2T1+T2)/\mathrm{Te}-1}{\Sigma }}M\left(i\right)B^c(t_k-i)$

以使得将游泳的周期性动作过滤掉的方式来选择时间T1，尤其当所述 系统被固定到游泳者的头部时。因此，其必须大于两个或三个头部动作。

例如，对于长度为25m的泳池T1＝8s，跨越25m泳池的世界纪录速度 为10s。

针对更长的长度增加该值以便获得更佳的过滤。

由于在T2时段期间掩码值等于0，因此时间T2对应于不予处理 (disregard)的阶段。这种不予处理使得能够忽视在其动作通常为不可重现 的转向期间(尤其从一个个人到另一个个人或在游泳变化的期间)的瞬变 时段。

在一个实施例中，T2可以是在每个时间间隔增加一个采样的变量。因 此，总是利用在游泳者开始游泳时在信号的开始处所取得的在参考时刻处 的磁场值来进行比较。如果正确地选择参考，则可以改善检测的稳定性。 当没有前后切换时，标积为具有两个值的陷波形状。然后，计算模块CALC 被适配成用于计算其分量为所考虑的每个测量轴上的所述标积的矢量的第 一范数(norm)以及用于当所述第一范数相对于阈值改变相对位置时对转 向(about-turn)进行检测。

在另一实施例中，掩码的所述第二持续时间T2可以是固定的，并且使 得Tmin表示阈值时间。掩码的第二持续时间T2位于例如0 和Tmin/2之间。

为了限制计算的成本，可以每D个采样计算磁力计轴上的标积。对于 游泳的情况来说，以1秒的时间间隔的计算是先验足够的。例如，在采样 频率为100Hz的情况下，对于25米泳池可以采用D＝100(每秒一个点)。

对于更大的泳池(或对于较慢的游泳者)，可以增加这个值，并且对于 更小的泳池(或者对于较快的游泳者)可以减小该值。这使得无论该长度 的持续时间为何，都能够具有每单位长度相等数量的采样。

针对T2为可变的或T2是固定的情况，计算模块可以分别计算其分量 为所考虑的每个测量轴上的标积的矢量的第一范数和第二范数。

第一范数和第二范数中的各个可以由例如下列表达式中的一个定义：

${\left(\underset{c=1}{\overset{3}{\Sigma }}{\alpha }^c\right|{\mathrm{PS}}^c\left(t_k\right)\left|\right)}^2;$或者

$\left(\underset{c=1}{\overset{3}{\Sigma }}{\alpha }^c\right|{\mathrm{PS}}^c\left(t_k\right)\left|\right)$称为范数1；或者

$\left(\underset{c=1}{\overset{3}{\Sigma }}{\alpha }^c{\left({\mathrm{PS}}^c\left(t_k\right)\right)}^2\right)$称为范数2。

其中，

还可以将加权系数α^c定义成使得考虑标积沿着三个测量轴的能量分 布。在这种情况下，针对每个分量的加权系数与由标积的总能量所归一化 的该分量的能量相对应。在其持续时间可以被选择等于T1的第二滑动窗口 上计算各种能量。

图5示出了对于T2可变的情况，关于三个测量轴、与图4的测量信号 相对应的三个时间标积的示例性计算。

在T2为可变的情况下，可以在第一范数相对于阈值改变相对位置(更 高或更低)时对游泳者的转向进行检测。确实地，计算模块CALC可以确 定穿过阈值的任何一侧(当第一范数低于阈值时游泳者在第一方向上跨越 泳池，以及当第一范数高于阈值时游泳者在另一方向上跨越泳池两者)。

图6示出了在图5的情况下T2可变时的范数2的示例性应用。在该例 中，选择的阈值等于大约250(当输入到系统时不使用单位；由模拟/数字 转换器数字化的信号的整数值可供使用，从而使得能够避免校准传感器)。 代表范数2的曲线每次穿过阈值的任何一侧与转向的检测相对应，并且所 经过的长度数等于该转向数加1。因此，还能够计算在两个连续的转向之间 完成每个长度所用的时间。

在T2为固定的情况下，可以在第二范数超过阈值时，以及以改进的方 式，当其还为滑动窗口上的局部最大值时对游泳者的转向进行检测。

计算模块CALC还可以被适配成用于：

-对第二范数超过第一阈值进行检测；

-在检测到第二范数超过所述阈值时，创建第一滑动窗口；

-确定与转身相对应的在所述滑动窗口上第二范数的局部最大值中最 大的局部最大值以及与所述最大的局部最大值相关联的时刻；

-在时间跨度期间去激活第一滑动窗口；以及

-在当第二范数回落到阈值(该阈值可能不同于或等于该另一个阈值) 之下时的时段之后，重新激活第一滑动窗口。

为了减少误报的数量，计算模块CALC还可以被适配成用于包括对标 积的最大值分量的标记的约束。这样，将仅在在第二范数超过第一阈值时 最大值分量的标记不同于在之前的转向期间该相同分量的标记的情况下， 对游泳者的转向进行检测。

图7示出了针对根据图4的信号，对于T2为固定的情况，关于磁力计 3M的三个测量轴的三个时间标积的计算。

在图8中示出了针对T2为固定的情况，范数1到图7的时间标积的应 用，其中尖峰信号表示跨越泳池的方向的变化。在该情况下，所选择的阈 值等于大约30。

这些阈值的选择必须使得能够检测转身。

可以用各种方式来确定这些阈值：

-先验地根据传感器的测量范围进行确定。

-在考虑下面应用的可变性的各种游泳序列中，针对传感器信号的数 据库，以优化的方式来进行确定：泳池的取向、游泳者的头部上的 传感器的取向、游泳的类型、游泳者、地理位置。针对这些序列， 手动地对转身进行注释。该优化与其它步骤一起共同地完成。选择 允许在检测的概率和误报的概率之间最佳折衷的阈值。

-如果在序列中没有腹侧-背侧变化，则针对每个游泳序列自动地进行 确定。确实地，在这种情况下，针对整个序列而言，陷波的值(对 于T2可变的情况)和尖峰信号的值(对于T2固定的情况)接近于 常量，这是由于该值实质上取决于泳池和传感器的取向。因此，能 够选择例如第一个100秒内第一范数的最大值除以3。对于T2可变 的情况，也可以取第一个100秒内的平均值。

当T2可变时，只要在阈值另一侧的点的数目不超过预定的数目，例如 在抽取之后与10s相对应的点的数目，则计算模块CALC估算出游泳者仍 在相同的方向上跨越泳池并且尚未完成转身。例如，如果D＝100，并且如 果采样频率Fe＝100Hz，则点的数目等于10。

当系统包括加速度计例如加速度计3A时，计算模块CALC可以针对 所述加速度计的每个测量轴来计算在持续时间T的滑动窗口上在所述测量 轴上测量的值的标准偏差。这样，计算模块CALC可以在所述标准偏差中 的一个标准偏差的值临时改变之后对基本位移进行检测，在该例中基本位 移为游泳者的转身。

图9示出了在信号由图4中的三轴磁力计3M所发送时，针对相同的 位移由三轴加速度计3A所发送的三轴测量的例子，图10表示所计算的标 准偏差。

计算模块CALC可以计算分量为所考虑的每个测量轴上的标准偏差的 矢量的第三范数，。

该第三范数可以是，例如，由与之前能够定义第一范数和第二范数的 那些表达式等同的表达式中的一个来定义。

图11示出了对其分量为在每个测量轴上的标准偏差的矢量的第三范数 的计算。

因此，计算模块CALC可以在第三范数的变化的绝对值超过阈值并且 第三范数的变化的绝对值为局部最大值时对活动的变化进行检测。

计算模块还可以被适配成用于通过对基于几个掩码并行完成的基本位 移的检测进行比较来检测基本位移。

这种融合原理用于选择滑动窗口，该滑动窗口也被称为时间邻域，在 滑动窗口上能够对通过所有方案检测的转身进行登记。此后，将这些信息 项进行融合以获得具有数值的单个时刻。选择策略可以是：

-具有最大值的转身的时刻

-时刻的平均值

-时刻的中值

-以所述数值作为权重的时刻的重心。

在融合后在对转身的时刻进行选择之后，如果需要，可以利用例如所 融合的转身的值之和来确定其值。另一可能的选择是保留最大的值。该值 是有用的，由于其可能在融合之后再次承担潜在的转身的阈值。利用融合 之后的阈值，能够改善整个检测的健壮性。这种阈值使得能够除去低值的 转身，低值的转身主要是错误的检测。甚至可取的是，在每个测量路径上 设置不太高的阈值，并因此对于每个路径不会有太多误报的麻烦，并且在 这后，在融合之后的另一个阈值用于进行优化。