基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法及电子设备

摘要

本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法及电子设备，本发明通过不同通带的巴特沃斯滤波器分别滤出水平加速度和垂直加速度，并对其幅度进行估计，判断加速度主分量并用于过零点检测，根据过零点集合得到过零点周期，对其进行平滑处理后剔除距离过近的假过零点。其鲁棒性较强，能够适应不同的行走姿态，计步结果也优于传统的计步法，能够有效区分行走中的水平加速度和垂直加速度分量，并能够选择较强的加速度分量用于过零检测，从而实现高精度计步。本发明可应用于内置加速度计的智能终端设备中，如智能手机、掌上电脑、个人数字设备和智能佩戴设备等。技术原理简单，具有很好的实用性和应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法及电子设备。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的发展，基于微惯性传感器组合的惯性定位技术已成为人们研究的热点。惯性定位技术的核心部件三轴加速度计，具有成本低及体积小等优点。基于三轴加速度计的行人航迹推算(PDR)算法通过对行人步态、步长和航向等信息进行计算，进而提供位置信息，实现了行人自主定位。其中，基于三轴加速度计的计步算法准确与否直接影响着导航精度。

目前，常用的计步算法主要包括峰值检测法和过零检测法这两大类。峰值检测法是通过检测人体行走时加速度信号出现的峰值来进行计步。过零检测法将加速度计的输出移除重力加速度分量后，通过检测零点的个数来进行计步。此类算法未考虑人体行走时对三轴加速度的复杂合成影响，此类影响主要包括水平加速度和垂直加速度。其中水平加速度频率只有垂直加速度的一半，由于不同人的行走姿态不同造成水平加速度和垂直加速度的强度不同，现有常规算法无法很好区分水平加速度和垂直加速度，存在鲁棒性差、计步精度低、无法适应大部分人行走的姿态的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法及电子设备，能够有效区分行走中的水平加速度和垂直加速度分量，并能够选择较强的加速度分量用于过零检测，从而实现高精度计步。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明公开一种基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法，包括以下步骤：

S1于内置加速度计的智能终端设备中获取加速度数据并进行预处理；

S2利用双带通巴特沃斯滤波，分离加速度数据的水平加速度和垂直加速度；

S3估计水平加速度和垂直加速度的幅度，并判别选定加速度的主分量；

S4对加速度主分量进行过零检测，获得过零点集合；

S5确定过零点周期，并依据前次过零点周期值对本次过零点周期进行平滑；

S6剔除过零点集合中偏离过零点周期较多的假过零点，获得真实过零点集合；

S7重新计算过零点周期，并作为前次过零点周期值循环S5；

S8根据真实过零点集合，最终获得增加的计步值。

更进一步的，所述方法中，数据的预处理主要是对三轴加速度计采集得到的加速度数据a

a＝abs(a

更进一步的，所述方法中，用巴特沃斯数字带通滤波器filter

a

用巴特沃斯数字带通滤波器filter

a

更进一步的，所述方法中，设定计数器，估算一秒采样时间内，分别估算水平和垂直加速度的最小值

如果A

更进一步的，所述方法中，对加速度主分量过零检测时，

当加速度主分量为水平加速度时：

P

其中，a

当加速度主分量为垂直加速度时：

P

其中，a

更进一步的，所述方法中，确定过零点周期时，根据过零点大小为N的集合P

更进一步的，所述方法中，根据上次计算的过零点周期值m

m′

其中γ＝0.1。

更进一步的，所述方法中，判断前后两次过零点间隔，如果间隔较小则认为第二个过零点为假过零点，剔除假过零点后获得真实过零点集合Q

T1从P

T2若t

T3对于第n次迭代，设集合Q

T4重复T3直至遍历集合P

更进一步的，所述方法中，根据大小为N的集合Q

第二方面，本发明公开一种电子设备，包括至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行第一方面所述的基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法。

本发明的有益效果为：

本发明通过不同通带的巴特沃斯滤波器分别滤出水平加速度和垂直加速度，并对其幅度进行估计，判断加速度主分量并用于过零点检测，根据过零点集合得到过零点周期，对其进行平滑处理后剔除距离过近的假过零点。其鲁棒性较强，能够适应不同的行走姿态，计步结果也优于传统的计步法，在现实中具有很好的实用性和应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的总流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开一种基于三轴加速度计的双带通滤波计步算法，包括如下步骤：

步骤1：加速度数据的预处理；

步骤2：加速度数据的双带通巴特沃斯滤波，分离水平加速度和垂直加速度；

步骤3：水平加速度和垂直加速度幅度估计与主分量判别；

步骤4：加速度主分量过零检测，获得过零点集合P

步骤5：根据过零点集合P

步骤6：根据平滑后的m

步骤7：根据集合Q

步骤8：根据集合Q

本实施例能够有效区分行走中的水平加速度和垂直加速度分量，并能够选择较强的加速度分量用于过零检测，从而实现高精度计步。

本实施例可以应用于内置加速度计的智能终端设备中，如智能手机、掌上电脑、个人数字设备和智能佩戴设备等。技术原理简单，易于推广使用。

实施例2

参照图1所示，本实施例公开一种计步方法，具体包括下面8个步骤

步骤1.加速度数据的预处理，具体实施如下：

数据的预处理主要是对三轴加速度计采集得到的加速度数据a

a＝abs(a

步骤2：加速度数据的双带通巴特沃斯滤波，分离水平加速度和垂直加速度。

三轴加速度在走路时的加速度变化主要来自于摆臂的前后水平运动和腿部动作造成的身体上下垂直运动，分别为水平加速度和垂直加速度。水平加速度每次过零为一步，垂直加速度每两次过零为一步。不同人由于走路姿态的差异，造成水平加速度和垂直加速度幅度不同，合成加速度a的可能显示为水平加速度或垂直加速度。

三轴加速度计采集得到的加速度数据a

本实施例根据垂直加速度的频率为水平加速度两倍这一规律，设计两个带通巴特沃斯滤波器，分别滤出水平加速度和垂直加速度。

用一个数字域通带范围0.048π～0.128π的4阶巴特沃斯数字带通滤波器filter

a

用一个数字域通带范围0.128π～0.208π的4阶巴特沃斯数字带通滤波器filter

a

步骤3：水平加速度和垂直加速度幅度估计与主分量判别。设定计数器，估算一秒采样时间内，分别估算水平和垂直加速度的最小值

如果A

步骤4：加速度主分量过零检测，获得过零点集合。

当加速度主分量为水平加速度时：

P

其中，a

当加速度主分量为垂直加速度时：

P

其中，a

步骤5：根据过零点大小为N的集合P

并根据上次计算的过零点周期值m

m′

其中γ＝0.1。

步骤6：根据平滑后的m′

从P

若t

对于第n次迭代，设集合Q

重复第3步直至遍历集合P

步骤7：根据大小为N的集合Q

步骤8：集合Q

实施例3

本实施例公开一种电子设备，包括至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行基于三轴加速度计的双带通滤波计步方法。

综上，本发明提出的一种新的计步方法，通过不同通带的巴特沃斯滤波器分别滤出水平加速度和垂直加速度，并对其幅度进行估计，判断加速度主分量并用于过零点检测，根据过零点集合得到过零点周期，对其进行平滑处理后剔除距离过近的假过零点。

本发明鲁棒性较强，能够适应不同的行走姿态，其计步结果也优于传统的计步法，如基于阈值的峰峰值检测法和过零检测法。因此，在现实中具有很好的实用性和应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。