從加速度測(cè)量估計(jì)水平或垂直方向的速度的制作方法
【專利摘要】提供了一種確定設(shè)備在水平或垂直方向上速度估計(jì)值的方法，該方法包括：獲得三維中作用于所述設(shè)備的加速度的測(cè)量；使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度；利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度；對(duì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于所述方向上的加速度估計(jì)值進(jìn)行積分以給出所述方向上速度的估計(jì)值；以及使用第二濾波器從所述速度消除偏移和/或漂移以給出濾波速度；其中所述第一濾波器和第二濾波器中的至少一個(gè)是非線性濾波器。還提供了一種配置成根據(jù)以上方法工作的裝置。
【專利說明】從加速度測(cè)量估計(jì)水平或垂直方向的速度
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于對(duì)設(shè)備經(jīng)受的加速度的測(cè)量來測(cè)量或估計(jì)設(shè)備在水平或垂直方向上的速度的方法和裝置。本發(fā)明還涉及從估計(jì)的垂直速度來測(cè)量或估計(jì)設(shè)備高度或高度變化，或從估計(jì)的水平速度來估計(jì)水平位置或位移的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在老年人的護(hù)理期間，跌倒是一個(gè)顯著的問題，可能導(dǎo)致發(fā)病和死亡。從物理的角度講，跌倒會(huì)導(dǎo)致受傷，而從心理角度講，跌倒會(huì)導(dǎo)致對(duì)跌倒的恐懼，這又會(huì)導(dǎo)致社會(huì)隔離和沮喪。
[0003]已經(jīng)存在跌倒檢測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)，其能夠提供用于檢測(cè)用戶何時(shí)跌倒的自動(dòng)化和可靠手段。如果檢測(cè)到跌倒，該設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)出向用戶喚起幫助的警報(bào)。這樣向用戶保證了在發(fā)生跌倒的情況下將采取適當(dāng)措施。
[0004]通常，跌倒檢測(cè)器基于加速度計(jì)(通常是在三維中測(cè)量加速度的3D加速度計(jì))，加速度計(jì)是附著于用戶身體的設(shè)備的一部分。處理來自加速度計(jì)的信號(hào)以判斷是否發(fā)生跌倒。
[0005]可以利用另外的傳感器提高跌倒檢測(cè)的可靠性，可以使用另外的傳感器檢測(cè)作為跌倒特性的各種不同特征。重要的特征包括跌倒期間用戶與地的碰撞，用戶跌倒時(shí)的取向變化，以及地面上方傳感器單元高度的減小。在EP1642248中，提出使用氣壓傳感器來檢測(cè)設(shè)備測(cè)量的相對(duì)高度變化。
[0006]現(xiàn)有的氣壓傳感器提供了 IOcm左右的相對(duì)高度分辨率。不過，這些壓力傳感器的性質(zhì)意味著它們的測(cè)量對(duì)重力敏感，因此對(duì)傳感器單元的取向敏感。這可以通過針對(duì)傳感器單元取向補(bǔ)償壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果來解決，如W02009/101566中所述。此外，氣壓傳感器還對(duì)環(huán)境中的氣壓波動(dòng)做出清晰的響應(yīng)，因此跌倒檢測(cè)器需要驗(yàn)證氣壓測(cè)量值增大所表示的高度變化是否是因?yàn)?或可能是因?yàn)?傳感器單元和用戶的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。氣壓傳感器的另一個(gè)問題是它們?cè)龃罅巳菁{傳感器的設(shè)備的機(jī)械構(gòu)造的復(fù)雜性。具體而言，要求該設(shè)備在設(shè)備內(nèi)部的氣壓傳感器和外部環(huán)境空氣之間具有快速響應(yīng)通道，這個(gè)通道也受到屏蔽，以防止?jié)駳?、光和其他沾污?br> [0007]確定高度變化的測(cè)量值的另一種方式是使用加速度計(jì)信號(hào)。通過對(duì)垂直加速度信號(hào)積分，可以獲得針對(duì)垂直速度的度量，并且通過對(duì)垂直速度信號(hào)積分，可以獲得針對(duì)位置/高度的度量。積分通常需要了解初始垂直速度和初始位置/高度。
[0008]由于在跌倒檢測(cè)中一個(gè)目標(biāo)是檢測(cè)高度的變化，即兩個(gè)位置隨時(shí)間之間的差異，所以實(shí)際上能夠無需了解初始位置的值就進(jìn)行積分，因?yàn)樗诓罘址匠讨械咒N了。
[0009]此外，在跌倒檢測(cè)中，初始垂直速度為零，條件是正確選擇了“初始”時(shí)刻。在通常的日常狀況下，這可以是跌倒開始之前的任一點(diǎn)。不過，將要指出的是，真實(shí)物理垂直速度與零的任何偏離都會(huì)在選定的范圍上積分，導(dǎo)致位置/高度估計(jì)的誤差。
[0010]不過，使用加速度計(jì)信號(hào)的二重積分的另一個(gè)問題涉及從用戶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的加速度分量適當(dāng)分離重力加速度。為了實(shí)現(xiàn)I秒內(nèi)IOcm高度測(cè)量的精確度，加速度信號(hào)中的剩余重力分量應(yīng)當(dāng)保持在0.2ms_2之內(nèi)。假定重力大約為10ms_2，需要以百分之幾的精確度分離重力。
[0011]由于傳感器單元的取向可能在用戶跌倒時(shí)改變，所以按照傳感器單元的坐標(biāo)系而言的垂直方向也將變化。在這里，出現(xiàn)了相同的問題。取向估計(jì)的誤差導(dǎo)致非重力垂直分量加速度計(jì)算的誤差。出于相同的原因，取向誤差還意味著計(jì)算對(duì)應(yīng)重力分量的誤差。這些誤差在垂直速度估計(jì)中表明了它們自身，因此還在設(shè)備的估計(jì)高度(或高度變化)中表明它們自身。
[0012]此外，如果未適當(dāng)校準(zhǔn)加速度傳感器，或者隨著時(shí)間流逝而失去校準(zhǔn)，感測(cè)到的重力也將隨著傳感器單元取向而變化。
[0013]因此，需要一種克服以上問題的改進(jìn)型方法和裝置，用于基于對(duì)設(shè)備經(jīng)受的加速度的測(cè)量，來測(cè)量或估計(jì)設(shè)備在水平或垂直方向上的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種確定設(shè)備在水平或垂直方向上速度估計(jì)值的方法，所述方法包括:獲得三維中作用于所述設(shè)備的加速度的測(cè)量；使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度；利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度；對(duì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于所述方向上的加速度估計(jì)值進(jìn)行積分以給出所述方向上速度的估計(jì)值；以及使用第二濾波器從所述速度消除偏移和/或漂移以給出濾波速度；其中所述第一濾波器和第二濾波器中的至少一個(gè)是非線性濾波器。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度的步驟包括從獲得的測(cè)量值估計(jì)作用于設(shè)備上垂直方向的加速度；以及向作用于垂直方向上的加速度估計(jì)值應(yīng)用第一濾波器以估計(jì)重力加速度；其中估計(jì)加速度的步驟包括估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向上的加速度；并且其中利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于垂直方向的加速度的步驟包括從估計(jì)的作用于垂直方向的加速度減去估計(jì)的重力加速度以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于垂直方向的加速度的估計(jì)值。
[0016]在該實(shí)施例中，從獲得的測(cè)量值估計(jì)作用于設(shè)備上垂直方向中的加速度的步驟包括計(jì)算所獲得測(cè)量值的范數(shù)。
[0017]在備選實(shí)施例中，使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度的步驟包括向獲得的測(cè)量值應(yīng)用第一濾波器以在三維中估計(jì)重力加速度；且其中利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度的步驟包括:使用估計(jì)的重力加速度從獲得的測(cè)量值估計(jì)作用于水平或垂直方向上的加速度；以及從估計(jì)的作用于所述方向的加速度減去估計(jì)的重力加速度以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于所述方向的加速度估計(jì)值。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，第二濾波器為非線性濾波器，第一濾波器為線性濾波器。在替代實(shí)施例中，第一濾波器為非線性濾波器，第二濾波器為線性濾波器。
[0019]非線性濾波器例如可以從中值濾波器、加權(quán)中值濾波器、遞歸中值濾波器、近中值濾波器、自適應(yīng)中值濾波器和波模濾波器中選擇。線性濾波器例如可以從輸出恒定值的估算器、低通濾波器和滑動(dòng)平均濾波器中選擇。[0020]在優(yōu)選實(shí)施例中，第一濾波器和第二濾波器都是非線性濾波器。非線性濾波器例如均可以從中值濾波器、加權(quán)中值濾波器、遞歸中值濾波器、近中值濾波器、自適應(yīng)中值濾波器和波模濾波器中選擇。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述第一濾波器的操作包括:對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下采樣；以及向經(jīng)下采樣的信號(hào)應(yīng)用非線性濾波器。
[0022]優(yōu)選地，所述下采樣步驟包括產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都具有相應(yīng)的相位；并且其中應(yīng)用非線性濾波器的步驟包括向多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)的每個(gè)應(yīng)用非線性濾波器。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一濾波器的操作還包括將多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)組合成單一信號(hào)；以及將所述單一信號(hào)上采樣到初始采樣速率。
[0024]在備選實(shí)施例中，所述第一濾波器的操作還包括對(duì)多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)的每個(gè)進(jìn)行上采樣；以及將多個(gè)經(jīng)上采樣的信號(hào)組合成單一信號(hào)。
[0025]在優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一濾波器的操作還包括在下采樣步驟之前，向輸入信號(hào)應(yīng)用低通濾波器以產(chǎn)生經(jīng)低通濾波的信號(hào)；其中所述下采樣步驟包括將經(jīng)低通濾波的信號(hào)下采樣到基于所述低通濾波器的截止頻率的速率。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述第二濾波器的操作包括:計(jì)算以輸入信號(hào)中感興趣樣本處或附近為中心的多個(gè)子窗口的每個(gè)中的中值；以及基于計(jì)算的中值調(diào)整用于產(chǎn)生感興趣樣本的輸出值的中值濾波器的窗口尺寸；其中如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是多個(gè)中值中的最大值或最小值，用于產(chǎn)生輸出值的窗口尺寸大于以感興趣樣本為中心的子窗口。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值不是多個(gè)中值的最大值或最小值，將針對(duì)感興趣樣本前面的樣本確定的值用作輸出值。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例，所述第二濾波器的操作包括:計(jì)算以輸入信號(hào)中感興趣樣本處或附近為中心的多個(gè)子窗口的每個(gè)中的中值；以及基于計(jì)算的中值調(diào)整用于產(chǎn)生感興趣樣本的輸出值的中值濾波器的窗口尺寸，其中如下調(diào)整窗口尺寸:
[0029]-如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是中值的最大值，使用大于以感興趣樣本為中心的子窗口的窗口尺寸來產(chǎn)生輸出值；
[0030]-如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是中值的最小值，使用與以感興趣樣本為中心的子窗口相同的窗口尺寸來產(chǎn)生輸出值；
[0031]-否則，使用對(duì)應(yīng)于以感興趣樣本為中心的子窗口和具有中值最大值的子窗口的窗口來產(chǎn)生輸出值。
[0032]本發(fā)明的這一方面還提供了一種估計(jì)設(shè)備位置或高度的方法，該方法包括如上所述確定設(shè)備在水平或垂直方向上的速度估計(jì)值；以及對(duì)經(jīng)濾波的速度進(jìn)行積分以給出設(shè)備位置或高度的估計(jì)值。
[0033]本發(fā)明的另一方面提供了一種檢測(cè)設(shè)備用戶跌倒的方法，該方法包括如前一段所述估計(jì)設(shè)備的高度；以及通過檢查設(shè)備估計(jì)高度隨時(shí)間的變化來檢測(cè)跌倒。
[0034]還提供了一種估計(jì)設(shè)備水平位移或高度變化的方法，包括如上所述確定設(shè)備在水平或垂直方向上的速度估計(jì)值；以及對(duì)要計(jì)算高度變化的時(shí)間窗口中的經(jīng)濾波速度估計(jì)值求和。[0035]本發(fā)明的另一方面提供了一種檢測(cè)設(shè)備用戶跌倒的方法，該方法包括如前一段所述估計(jì)設(shè)備的高度變化；以及通過檢查高度的估計(jì)變化來檢測(cè)跌倒。
[0036]在一些實(shí)施例中，在檢測(cè)跌倒之后，該方法還包括檢查設(shè)備高度的變化以檢測(cè)與用戶起身對(duì)應(yīng)的設(shè)備高度增大。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中包含計(jì)算機(jī)程序代碼，配置所述計(jì)算機(jī)程序代碼，使得在由計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行根據(jù)以上段落的任一段定義的方法。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種裝置，包括處理模塊，被配置成:接收三維中作用于設(shè)備上的加速度的測(cè)量值；使用第一濾波器和加速度的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度；利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度；對(duì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于所述方向上的加速度估計(jì)值進(jìn)行積分以給出所述方向上速度的估計(jì)值；以及使用第二濾波器從所述速度消除偏移和/或漂移以給出濾波速度；其中所述處理模塊使用的所述第一濾波器和第二濾波器中的至少一個(gè)是非線性濾波器。
[0039]在一個(gè)實(shí)施例中，所述處理模塊被配置成:通過從加速度的測(cè)量值估計(jì)作用于設(shè)備上垂直方向的加速度來使用第一濾波器和加速度的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度；以及向作用于垂直方向上的加速度估計(jì)值應(yīng)用第一濾波器以估計(jì)重力加速度；其中估計(jì)加速度的步驟包括估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向上的加速度；并且其中處理模塊被配置成通過從估計(jì)的作用于垂直方向的加速度減去估計(jì)的重力加速度以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于垂直方向的加速度的估計(jì)值，而利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于垂直方向的加速度。
[0040]在這一實(shí)施例中，處理模塊可以被配置成通過計(jì)算接收的測(cè)量值的范數(shù)從接收的測(cè)量值估計(jì)作用于設(shè)備上垂直方向的加速度。
[0041]在備選實(shí)施例中，所述處理模塊被配置成通過向加速度的測(cè)量值應(yīng)用第一濾波器以在三維中估計(jì)重力加速度來使用第一濾波器和加速度的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度；以及其中處理模塊被配置成通過如下方式來利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于水平或垂直方向的加速度:使用估計(jì)的重力加速度從加速度的測(cè)量值估計(jì)作用于所述方向上的加速度；以及從估計(jì)的作用于所述方向的加速度減去估計(jì)的重力加速度以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于所述方向的加速度估計(jì)值。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，第二濾波器為非線性濾波器，第一濾波器為線性濾波器。在備選實(shí)施例中，第一濾波器為非線性濾波器，第二濾波器為線性濾波器。
[0043]優(yōu)選地，非線性濾波器例如從中值濾波器、加權(quán)中值濾波器、遞歸中值濾波器、近中值濾波器、自適應(yīng)中值濾波器和波模濾波器中選擇，而線性濾波器例如從輸出恒定值的估算器、低通濾波器和滑動(dòng)平均濾波器中選擇。
[0044]在優(yōu)選實(shí)施例中，第一濾波器和第二濾波器都是非線性濾波器。非線性濾波器例如均可以從中值濾波器、加權(quán)中值濾波器、遞歸中值濾波器、近中值濾波器、自適應(yīng)中值濾波器和波模濾波器中選擇。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，處理模塊使用的第一濾波器被配置成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下采樣，并向下采樣的信號(hào)應(yīng)用非線性濾波器。
[0046]優(yōu)選地，第一濾波器被配置成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下采樣以產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都具有相應(yīng)的相位；并且其中第一濾波器被配置成向多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)的每個(gè)應(yīng)用非線性濾波器。
[0047]在一個(gè)實(shí)施例中，第一濾波器還被配置成將多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)組合成單一信號(hào)；并對(duì)單一信號(hào)上采樣成初始采樣速率。
[0048]在備選實(shí)施例中，第一濾波器還被配置成對(duì)多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)的每個(gè)進(jìn)行上采樣；并且將多個(gè)經(jīng)上采樣的信號(hào)組合成單一信號(hào)。
[0049]在優(yōu)選實(shí)施例中，第一濾波器還被配置成在下采樣之前向輸入信號(hào)應(yīng)用低通濾波器以產(chǎn)生低通濾波信號(hào)；其中第一濾波器被配置成將低通濾波信號(hào)下采樣到基于低通濾波器截止頻率的速率。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，處理模塊使用的第二濾波器被配置成計(jì)算輸入信號(hào)中多個(gè)以干興趣樣本處或附近為中心的子窗口的每個(gè)中的中值；并且基于計(jì)算的中值調(diào)整用于產(chǎn)生感興趣樣本輸出值的中值濾波器的窗口尺寸，其中
[0051]-如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是多個(gè)中值的最大值或最小值，使用窗口尺寸產(chǎn)生比以感興趣樣本為中心的子窗口更大的輸出值。
[0052]在一個(gè)實(shí)施例中，如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值不是多個(gè)中值的最大值或最小值，第二濾波器被配置成將針對(duì)感興趣樣本前面的樣本確定的值用作輸出值。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例，處理模塊使用的第二濾波器被配置成計(jì)算輸入信號(hào)中多個(gè)以干興趣樣本處或附近為中心的子窗口的每個(gè)中的中值；并且基于計(jì)算的中值調(diào)整用于產(chǎn)生感興趣樣本輸出值的中值濾波器的窗口尺寸，其中如下調(diào)整窗口尺寸:
[0054]-如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是中值的最大值，使用大于以感興趣樣本為中心的子窗口的窗口尺寸來產(chǎn)生輸出值；
[0055]-如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是中值的最小值，使用與以感興趣樣本為中心的子窗口相同的窗口尺寸來產(chǎn)生輸出值；
[0056]-否則，使用對(duì)應(yīng)于以感興趣樣本為中心的子窗口和具有中值最大值的子窗口的窗口來產(chǎn)生輸出值。
[0057]在另一實(shí)施例中，處理模塊還被配置成通過對(duì)濾波后的速度積分以給出設(shè)備的位置或高度來從濾波后的速度估計(jì)設(shè)備的水平位置或高度。
[0058]在另一實(shí)施例中，處理模塊還被配置成通過對(duì)要計(jì)算位移或高度變化的時(shí)間窗口中的經(jīng)濾波速度估計(jì)值求和來估計(jì)設(shè)備的水平位移或高度變化。
[0059]在優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置用于檢測(cè)設(shè)備用戶的跌倒，且其中處理模塊進(jìn)一步被配置成通過檢查設(shè)備的估計(jì)高度隨時(shí)間的變化來檢測(cè)跌倒。
[0060]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置用于檢測(cè)設(shè)備用戶的跌倒，且其中處理模塊進(jìn)一步被配置成通過檢查設(shè)備高度的估計(jì)變化來檢測(cè)跌倒。
[0061]在另一實(shí)施例中，處理模塊還被配置成在檢測(cè)跌倒之后，檢查設(shè)備高度的變化以檢測(cè)與用戶起身對(duì)應(yīng)的設(shè)備高度增大。
[0062]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種配置成由用戶佩戴的設(shè)備，該設(shè)備包括在三維中測(cè)量作用于設(shè)備的加速度的加速度計(jì)；以及如上所述的裝置。
[0063]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種系統(tǒng)，其包括被配置成由用戶佩戴的設(shè)備，所述設(shè)備包括:加速度計(jì)，其在三維中測(cè)量作用于所述設(shè)備的加速度；以及基站單元，所述基站單元被配置成與所述設(shè)備通信?；締卧ㄈ缟纤龅难b置，用于處理從設(shè)備接收的加速度測(cè)量值。
[0064]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波的濾波器，該濾波器被配置成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下采樣，并向下采樣的信號(hào)應(yīng)用非線性濾波器。
[0065]優(yōu)選地，濾波器被配置成對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下采樣以產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都具有相應(yīng)的相位；并且其中濾波器被配置成向多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)的每個(gè)應(yīng)用非線性濾波器。
[0066]在一個(gè)實(shí)施例中，該濾波器還被配置成將多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)組合成單一信號(hào)；并對(duì)單一信號(hào)上采樣成初始采樣速率。
[0067]在備選實(shí)施例中，該濾波器還被配置成對(duì)多個(gè)經(jīng)濾波信號(hào)的每個(gè)進(jìn)行上采樣；并將多個(gè)經(jīng)上采樣的信號(hào)組合成單一信號(hào)。
[0068]在優(yōu)選實(shí)施例中，該濾波器還被配置成在下采樣之前向輸入信號(hào)應(yīng)用低通濾波器以產(chǎn)生低通濾波信號(hào)；其中該濾波器被配置成將低通濾波信號(hào)下采樣到基于低通濾波器截止頻率的速率。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波的濾波器，該濾波器被配置成計(jì)算輸入信號(hào)中以感興趣樣本處或附近為中心的多個(gè)子窗口的每個(gè)中的中值；并且基于計(jì)算的中值調(diào)整用于產(chǎn)生感興趣樣本輸出值的中值濾波器的窗口尺寸，其中如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是多個(gè)中值的最大值或最小值，用于產(chǎn)生輸出值的窗口尺寸比以感興趣樣本為中心的子窗口更大。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種與上述濾波器對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波的方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0071]以下將參考附圖，僅通過舉例的方式描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，在附圖中:
[0072]圖1 (a)和(b)分別是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的設(shè)備和系統(tǒng)的方框圖；
[0073]圖2為方框圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例處理加速度計(jì)信號(hào)以確定高度變化；
[0074]圖3為流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例處理加速度計(jì)信號(hào)以確定高度變化的方法；
[0075]圖4 Ca)到4 Cf)是一系列曲線圖，示出了在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的處理各個(gè)階段的信號(hào)；以及
[0076]圖5是一組曲線圖，示出了從一組示范性加速度測(cè)量值估計(jì)的高度變化和高度；
[0077]圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的近中值濾波器的方框圖；
[0078]圖7是示出了近中值濾波器工作基本原理的曲線圖；
[0079]圖8是示出了近中值濾波器工作的另一曲線圖；
[0080]圖9是示出了操作近中值濾波器的示范性方法的流程圖；
[0081]圖10是曲線圖，示出了向包括一組正弦信號(hào)和高斯噪聲的信號(hào)應(yīng)用近中值濾波器的結(jié)果；
[0082]圖11是曲線圖，示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的自適應(yīng)中值濾波器使用的中值濾波器子窗口 ；以及[0083]圖12是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中使用的示范性自適應(yīng)中值濾波器的方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0084]下面將針對(duì)檢測(cè)用戶跌倒中對(duì)其使用的情況(其中可以任選地使用估計(jì)的垂直速度給出用戶佩戴的設(shè)備的高度或高度變化)描述本發(fā)明，但要認(rèn)識(shí)到，可以將本發(fā)明用于其他應(yīng)用中，例如監(jiān)測(cè)用戶的身體活動(dòng)(例如計(jì)算活動(dòng)期間消耗的能量或施加的力，或計(jì)算活動(dòng)的類型，例如步行、坐、躺和站立)。在這些應(yīng)用中，可以直接使用和/或還進(jìn)一步積分水平或垂直速度以確定用戶佩戴的設(shè)備的位移或高度。在下文提供的發(fā)明描述中，詳細(xì)描述了垂直速度和高度的估計(jì)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將要認(rèn)識(shí)到，可以使用描述的技術(shù)確定加速度的水平分量，因此確定水平速度和水平位置或位移。
[0085]此外，盡管在如下所述的跌倒檢測(cè)應(yīng)用中，從加速度測(cè)量估計(jì)設(shè)備/用戶的高度或高度變化，以便判斷是否發(fā)生了跌倒，但也可以使用設(shè)備的估計(jì)高度來判斷用戶在跌倒之后是否起身(在這種情況下，可能會(huì)撤回跌倒警報(bào))，或者判斷用戶躺在地板上的時(shí)長(zhǎng)。
[0086]圖1 (a)示出了實(shí)施根據(jù)本發(fā)明確定垂直速度的方法以進(jìn)行跌倒檢測(cè)的示范性設(shè)備2。設(shè)備2的形式是由用戶佩戴的傳感器單元。可以通過帶有頸繩的垂飾形式提供設(shè)備2以繞著用戶頸部放置，但也可以配置設(shè)備2以佩戴在用戶身體的不同部分，例如手腕、腰部、軀干、骨盆或胸骨，并將包括用于將設(shè)備2附著到身體該部分的適當(dāng)布置(例如帶子或扎帶)。
[0087]設(shè)備2用于測(cè)量用戶經(jīng)受的加速度，并處理測(cè)量結(jié)果以確定垂直速度，然后確定設(shè)備2的高度變化(由此確定用戶的高度變化)。盡管本文未描述，但要認(rèn)識(shí)到，設(shè)備2可以對(duì)加速度測(cè)量執(zhí)行額外的處理以識(shí)別跌倒的其他特性，例如碰撞或碰撞之后一段時(shí)間的靜止不動(dòng)。還要認(rèn)識(shí)到，設(shè)備2可以包含更多傳感器，例如陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)、氣壓傳感器和/或氣流傳感器，可以處理其信號(hào)以確定或輔助確定與跌倒相關(guān)聯(lián)的高度、取向或其他特性。
[0088]設(shè)備2包括沿三個(gè)正交軸測(cè)量加速度的加速度計(jì)4。將加速度計(jì)4輸出的信號(hào)提供給處理器6進(jìn)行分析。如圖所示，設(shè)備2包括聲音報(bào)警單元8，如果檢測(cè)到跌倒，可以由處理器6觸發(fā)它。這種警報(bào)能夠?yàn)橛脩粽賳編椭?。不過，要認(rèn)識(shí)到，設(shè)備2中存在聲音報(bào)警單元是任選的。另一任選的部件是幫助按鈕，用戶可以按下它以召喚幫助。
[0089]設(shè)備2還包括發(fā)射機(jī)或收發(fā)器電路9以及關(guān)聯(lián)的天線10，可以使用其向遠(yuǎn)程(基站)單元發(fā)送處理結(jié)果或向呼叫中心撥打緊急呼叫，以在檢測(cè)到跌倒時(shí)或在按下幫助按鈕(如果有的話)時(shí)召喚幫助。
[0090]設(shè)備2任選地還包括存儲(chǔ)器11，用于存儲(chǔ)來自加速度計(jì)4的測(cè)量結(jié)果，并存儲(chǔ)處理器6處理的結(jié)果。
[0091]在一些實(shí)施例中，加速度計(jì)4是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)。
[0092]可以在30Hz的速率下對(duì)加速度計(jì)4經(jīng)受的加速度采樣，但要認(rèn)識(shí)到，可以使用很多其他采樣頻率(例如50Hz)。
[0093]根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例，如圖1 (b)中所示，設(shè)備2是系統(tǒng)12的一部分，其中可以在與用戶佩戴的設(shè)備2獨(dú)立的基站單元13中進(jìn)行加速度計(jì)測(cè)量值的處理。在那種情況下，可以經(jīng)由收發(fā)器電路9從設(shè)備/傳感器單元2向基站單元13發(fā)送加速度計(jì)測(cè)量值。
[0094]基站單元13包括用于從設(shè)備2接收發(fā)射(例如加速度計(jì)測(cè)量值)的收發(fā)器電路14和天線15以及用于根據(jù)本發(fā)明處理測(cè)量值的處理器16。
[0095]基站單元13任選地還包括存儲(chǔ)器17，用于存儲(chǔ)從設(shè)備2接收的加速度計(jì)測(cè)量值，并存儲(chǔ)處理器16處理的結(jié)果。
[0096]可以配置收發(fā)器電路14以向呼叫中心無線撥打緊急呼叫，和/或可以配置其以經(jīng)由端口 18連接到常規(guī)PSTN線路。
[0097]在另一替代方案中，設(shè)備2可以在向基站單元13發(fā)送結(jié)果之前對(duì)加速度計(jì)測(cè)量值執(zhí)行初始處理步驟中的一些，例如，它們完成處理并估計(jì)設(shè)備2的垂直速度和高度變化。
[0098]要認(rèn)識(shí)到，圖1 (a)和(b)中僅例示了解釋本發(fā)明所需的設(shè)備2 (和系統(tǒng)12)的部件，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備2 (或系統(tǒng)12)可以包括這里所述那些之外的部件和功能。例如，要認(rèn)識(shí)到，設(shè)備2 (和基站單元13)將包括某種形式的電源和電路，用于控制設(shè)備2 (和基站單元13)的工作。
[0099]以下發(fā)明描述涉及圖1 (a)中所示的設(shè)備2，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到，如何可以針對(duì)在圖1 (b)中所示系統(tǒng)12使用來調(diào)整本發(fā)明。
[0100]簡(jiǎn)而言之，根據(jù)圖示的本發(fā)明實(shí)施例確定設(shè)備在垂直方向上的速度估計(jì)值的方法包括利用加速度計(jì)4獲得作用于設(shè)備2上垂直方向的加速度測(cè)量值，使用第一濾波器從所獲得的測(cè)量值消除重力加速度以給出由于設(shè)備2運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向的加速度估計(jì)值，對(duì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向上的加速度估計(jì)值進(jìn)行積分以給出垂直速度的估計(jì)值，并使用第二濾波器從垂直速度消除偏移和/或漂移以給出濾波后的垂直速度。根據(jù)本發(fā)明，第一濾波器和第二濾波器之一或兩者是非線性濾波器。
[0101]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例估計(jì)垂直速度，然后估計(jì)高度變化所需處理的方框圖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將要認(rèn)識(shí)到，可以在設(shè)備2的處理器6之內(nèi)實(shí)施這些處理方框或?qū)⑵鋵?shí)現(xiàn)為獨(dú)立的電子部件。圖3中示出了流程圖，其示出了估計(jì)垂直速度的對(duì)應(yīng)方法(步驟101-113)，連同從垂直速度估計(jì)高度的另一步驟(步驟115)。圖4 (a)- (f)是曲線圖，示出了圖2中所示處理各個(gè)階段的信號(hào)。
[0102]作為初始步驟(步驟101)，收集作用于加速度計(jì)4 (因此作用于設(shè)備2)的加速度的一系列測(cè)量值。如上所述，加速度計(jì)4在三維中測(cè)量加速度并輸出針對(duì)每個(gè)測(cè)量軸的相
應(yīng)信號(hào)。
[0103]向第一處理方框22提供加速度計(jì)測(cè)量值，第一處理方框22處理測(cè)量值以識(shí)別作用于垂直方向上的加速度分量。在圖3中，這一處理由步驟103代表，并可以通過若干不同方式執(zhí)行。
[0104]為了對(duì)垂直加速度做出準(zhǔn)確的估計(jì)，希望獲得加速度計(jì)4 (因此還有設(shè)備2)的取向的準(zhǔn)確估計(jì)，從而能夠向加速度計(jì)測(cè)量值應(yīng)用坐標(biāo)變換(旋轉(zhuǎn))。
[0105]在設(shè)備2包括其他傳感器，例如陀螺儀和/或磁強(qiáng)計(jì)時(shí)，可以獲得這種取向估計(jì)，使用來自這些傳感器的輸出，可能與來自加速度計(jì)4的輸出一起，確定要應(yīng)用于加速度計(jì)測(cè)量值的坐標(biāo)變換(旋轉(zhuǎn))。在坐標(biāo)變換之后，能夠容易地識(shí)別出加速度的垂直分量。
[0106]或者，可以估計(jì)加速度計(jì)測(cè)量值的低通分量(確保低通分量的大小恒定)作為重力加速度(根據(jù)定義，其作用于垂直方向)，可以使用這一分量作用的方向確定加速度計(jì)4的(垂直)取向。經(jīng)低通濾波的加速度的方向上的加速度將對(duì)應(yīng)于垂直方向上的加速度。作為又一替代方案，可以使用類似于如下所述使用非線性濾波器時(shí)由處理方框24執(zhí)行的過程的輸出來獲得重力的估計(jì)，由此獲得其方向的估計(jì)(在其現(xiàn)在對(duì)三維加速度計(jì)信號(hào)的每個(gè)分量操作的意義上，它是類似的)。
[0107]估計(jì)加速度的垂直分量的更簡(jiǎn)單方式是計(jì)算3D加速度測(cè)量值的范數(shù)。針對(duì)三個(gè)測(cè)量軸的每個(gè)的信號(hào)輸出包括重力，其指向垂直方向，可以假定其相對(duì)于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的加速度而言具有較大的量值。由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的和由于重力導(dǎo)致的加速度組合成矢量和。在計(jì)算這一矢量和的范數(shù)時(shí)，水平分量的貢獻(xiàn)較小，因?yàn)樗鼈兣c重力分量正交，且與這一重力分量相比量值更小。垂直方向上的加速度將出現(xiàn)在大小不變的范數(shù)中，條件是，在它們處于向下方向時(shí)，它們不超過重力(否則，范數(shù)將使凈負(fù)分量變化為正的，其中將向上的加速度，例如僅由重力導(dǎo)致的加速度，定義為正)。因此，范數(shù)是垂直加速度(包括重力)有成本效益的估算器。不過，如上所述，顯著的水平加速度和大的向下加速度(即超過重力)將在估計(jì)的垂直加速度中引入失真。
[0108]例如，如果設(shè)備2被實(shí)現(xiàn)為佩戴在用戶頸部周圍的垂飾，設(shè)備2通常將處于一種特定取向，可以使用對(duì)這一取向的認(rèn)識(shí)從加速度計(jì)測(cè)量值識(shí)別加速度的垂直分量。不過，要認(rèn)識(shí)到，如果未適當(dāng)佩戴設(shè)備2，或者如果在正常使用期間或跌倒期間其取向發(fā)生變化，這種方式可能有很大誤差。
[0109]在W02010/035191中描述了另一種方式，其描述了一種從具有任意取向的3D加速度計(jì)信號(hào)估計(jì)加速度的垂直分量的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，通過如下方式估計(jì)加速度的垂直分量:(i)檢查來自加速度計(jì)的信號(hào)以識(shí)別加速度計(jì)具有最高加速度分量的軸，(ii)通過確定作用于加速度計(jì)的加速度(這一加速度被假定為一般由于重力所致)和具有最高加速度分量的軸之間的夾角來確定加速度計(jì)的取向，以及(iii)使用估計(jì)的加速度計(jì)取向從加速度測(cè)量值確定垂直方向的加速度。
[0110]在圖2中用accz表不由第一處理方框22輸出的加速度的垂直分量,在圖4 (a)中示出了示范性垂直分量信號(hào)。這種信號(hào)覆蓋了發(fā)生高度增大的時(shí)間(大約1368秒的時(shí)間)；其中從桌面上的靜止位置拿起設(shè)備并拿在手中，導(dǎo)致一些振動(dòng)。將加速度的垂直分量提供給第二處理方框24以及加/減方框26。
[0111]處理方框24利用第一濾波器估計(jì)加速度垂直分量中的重力加速度(對(duì)應(yīng)于圖3中的步驟105)。
[0112]在簡(jiǎn)單實(shí)施例中，處理方框24為重力使用恒定值。這個(gè)值可以是9.81ms_2，但根據(jù)加速度計(jì)4的特定特性或校準(zhǔn)，可以是不同的值。例如，加速度計(jì)4輸出與實(shí)際值偏離
0.2ms_2或更多的加速度值并不罕見，可以將此歸因于所使用的恒定值。在圖4 (a)中可以看出這一點(diǎn),其中恒定值大于IOms'在這一簡(jiǎn)單實(shí)施例中，處理方框24能夠向加速度的垂直分量應(yīng)用估算器，其輸出重力的恒定值(例如，9.81ms—2)。如所周知，除了恒定輸出之外，可以將估算器理解為濾波器。
[0113]在備選實(shí)施例中，處理方框24能夠向加速度的垂直分量應(yīng)用線性濾波器，以提供對(duì)重力的估計(jì)。線性濾波器可以是具有適當(dāng)截止頻率的低通濾波器。例如，濾波器可以是移動(dòng)平均濾波器。
[0114]如所周知，線性濾波器的特征在于其脈沖響應(yīng)曲線。其輸入處的脈沖會(huì)獲得在時(shí)間上擴(kuò)展的信號(hào)。因此，在跌倒期間發(fā)生的加速度突變可以被視為疊加在連續(xù)感測(cè)的重力信號(hào)上的脈沖。因此，在利用線性濾波器估計(jì)重力分量時(shí)，由于脈沖擴(kuò)展，將會(huì)有過估計(jì)和欠估計(jì)。過估計(jì)或欠估計(jì)的嚴(yán)重程度取決于濾波器的帶寬(或脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度)。將在后續(xù)的積分步驟中將這些過估計(jì)和欠估計(jì)作為引動(dòng)導(dǎo)致的垂直加速度一部分來處理，因此會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的速度估計(jì)，從而也導(dǎo)致錯(cuò)誤的位置估計(jì)。
[0115]此外，在加速度計(jì)4的取向變化時(shí)，重力沿加速度計(jì)4每個(gè)測(cè)量軸的分量會(huì)變化。這種變化呈現(xiàn)為所估計(jì)重力的瞬時(shí)誤差。瞬時(shí)誤差類似于脈沖響應(yīng)，并具有相同的擴(kuò)展(更確切地說，它是一種階躍響應(yīng))。這種擴(kuò)展還導(dǎo)致積分步驟之后速度和位置估計(jì)的誤差。假設(shè)沒有校準(zhǔn)誤差，在使用范數(shù)的實(shí)施例中沒有這種類型的誤差，因?yàn)榉稊?shù)對(duì)取向不敏感。
[0116]在估計(jì)加速度的垂直分量時(shí)(如上述過程中那樣)，考慮這種取向變化，該效應(yīng)被簡(jiǎn)化成方框22 (并在步驟103中)估計(jì)的取向的誤差水平。在來自加速度計(jì)4的測(cè)量包括偏移(例如上述0.2ms-2)時(shí)，取向的變化將導(dǎo)致所感測(cè)的重力分量因?yàn)槠贫霈F(xiàn)大小改變。這是另一種可能導(dǎo)致瞬時(shí)誤差的效應(yīng)，如果未適當(dāng)濾波，其再次可能呈現(xiàn)為位置估計(jì)的誤差。
[0117]因此，考慮到這些問題，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，處理方框24向加速度的垂直分量應(yīng)用非線性濾波器以提供重力的估計(jì)。這是因?yàn)榉蔷€性濾波器更加能夠“忽略”跌倒期間發(fā)生的加速度的突變，或者能夠跟蹤取向變化時(shí)發(fā)生的瞬變過程。
[0118]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，非線性濾波器是一個(gè)中值濾波器。如所周知，中值濾波器依次處理輸入信號(hào)中的每個(gè)樣本，利用若干相鄰樣本的中值替代每個(gè)樣本。由濾波器的窗口尺寸確定每個(gè)階段考慮的樣本數(shù)量。典型的半窗尺寸可以是1.6秒(因此在當(dāng)前樣本之前窗口涵蓋1.6秒價(jià)值的樣本,在當(dāng)前樣本之后,涵蓋1.6秒價(jià)值的樣本)。
[0119]已知中值濾波器用于抑制視頻圖像中的尖銳噪聲，即抑制短時(shí)間的(黑白)信號(hào)尖峰。跌倒期間經(jīng)受的加速度可以被視為(較)短時(shí)間的加速度信號(hào)中的尖峰，因此利用中值濾波器消除這種尖峰將因此產(chǎn)生好得多的重力估計(jì)，且不會(huì)出現(xiàn)與線性濾波器相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)擴(kuò)展問題。
[0120]在另一特別優(yōu)選的實(shí)施例中，非線性濾波器是遞歸中值濾波器。這種濾波器的性質(zhì)是容易粘滯到其先前的(重力)估計(jì)。通過這種方式，加速度的波動(dòng)不會(huì)立即呈現(xiàn)為重力分量估計(jì)中的串?dāng)_，同時(shí)仍然跟蹤變化，例如由于加速度計(jì)4取向變化和校準(zhǔn)不良導(dǎo)致的階躍。
[0121]如所周知，遞歸中值濾波器類似于中值濾波器，只是在針對(duì)特定樣本計(jì)算中值時(shí)，它使用樣本窗口中已經(jīng)計(jì)算的中值而不是信號(hào)中的原始樣本值。
[0122]遞歸中值濾波器可以是正向或反向遞歸中值濾波器，這決定了對(duì)垂直加速度信號(hào)濾波的方向。
[0123]正向遞歸中值濾波器將試圖保持過去的值(即保持它們恒定)，而后向遞歸中值將試圖保持將來的值。根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，這些類型的遞歸中值濾波器的每種的輸出可能不同。例如，在脈沖前的信號(hào)具有比脈沖后更低的值時(shí)，正向遞歸中值濾波器將傾向于使用較低值，而后向遞歸中值濾波器將傾向于使用更高的值，兩個(gè)輸出之間將有差異。于是，可以分別向垂直加速度信號(hào)應(yīng)用兩種濾波器，并對(duì)結(jié)果求平均，以獲得重力分量。或者，可以使用兩個(gè)濾波器輸出發(fā)散的點(diǎn)之間的線性內(nèi)插。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以使用組合兩種結(jié)果的其他形式。
[0124]在備選實(shí)施例中，非線性濾波器為加權(quán)中值濾波器，其中向?yàn)V波窗口中的每個(gè)樣本應(yīng)用相應(yīng)的權(quán)重。
[0125]在又一替代實(shí)施例中，非線性濾波器是模式濾波器。這種濾波器采取當(dāng)前窗口中大部分樣本值最接近的樣本值。
[0126]在另一實(shí)施例中，使用混合式版本對(duì)垂直加速度濾波。這種濾波器估計(jì)重力，運(yùn)行決策過程以決定使用什么值。這種決策可以是使用不同濾波器做出的估計(jì)的組合或在例如運(yùn)動(dòng)水平超過閾值時(shí)凍結(jié)估計(jì)的重力。
[0127]在另一特別優(yōu)選的實(shí)施例中(盡管比使用正常中值濾波器或遞歸中值濾波器更復(fù)雜)，使用修改的中值濾波器，這里稱為近中值濾波器，對(duì)垂直加速度進(jìn)行濾波。下文更詳細(xì)地描述了近中值濾波器。
[0128]圖4 (b)示出了在將線性低通(移動(dòng)平均值)濾波器應(yīng)用于垂直加速度信號(hào)(由線條50表不)時(shí)，且在將非線性中值濾波器應(yīng)用于垂直加速度信號(hào)(由線條60表不)時(shí),處理方框24輸出的重力加速度估計(jì)。
[0129]盡管圖2中未示出，但可以向重力加速度的估計(jì)應(yīng)用另一濾波器以對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑化。
[0130]在設(shè)備2還被配置成處理加速度計(jì)測(cè)量以判斷用戶是否在檢測(cè)到的跌倒之后起身時(shí)，可以將估計(jì)的重力加速度時(shí)間偏移一兩秒。在用戶躺在地板上時(shí)，針對(duì)重力分量的信號(hào)較為平滑(即恒定)。因此，通過對(duì)重力估計(jì)進(jìn)行時(shí)間偏移，可以在用戶可能起身的期間使用恒定值。
[0131 ] 將處理方框24輸出的重力加速度估計(jì)提供到加/減方框26，在此將其從第一處理方框22輸出的加速度垂直分量減去，留下由于設(shè)備2運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的垂直方向的加速度(步驟107)。圖4 (c)中示出了方框26輸出的運(yùn)動(dòng)所致估計(jì)垂直加速度(減去利用非線性中值濾波器(標(biāo)記為61)獲得的重力估計(jì)之后，并在減去利用移動(dòng)平均濾波器(標(biāo)記為51)獲得的重力估計(jì)之后)。
[0132]要認(rèn)識(shí)到，由于處理方框24處理所需的時(shí)間，處理方框24的輸出可能相對(duì)于直接提供到加/減方框26的垂直加速度估計(jì)被延遲。因此，可以將方框26的輸入進(jìn)行同步(例如，通過向垂直加速度估計(jì)accz中引入延遲)。
[0133]還將要認(rèn)識(shí)到，可以由單一濾波器，這里稱為“互補(bǔ)”中值濾波器，替代應(yīng)用于垂直加速度信號(hào)和后續(xù)加/減方框26的非線性中值濾波器24，“互補(bǔ)”中值濾波器與中值濾波器以相反方式工作，即其通過被中值濾波器阻擋的信號(hào)部分而阻擋被中值濾波器通過的信號(hào)部分。于是，“互補(bǔ)”中值濾波器通過代表設(shè)備2運(yùn)動(dòng)所致垂直加速度的短時(shí)間脈沖，并消除垂直加速度信號(hào)中的重力加速度。參考圖3，這種互補(bǔ)濾波器會(huì)對(duì)應(yīng)于步驟105和107的組合。
[0134]然后由處理方框28相對(duì)于時(shí)間對(duì)代表設(shè)備2運(yùn)動(dòng)所致垂直加速度的信號(hào)積分以給出垂直方向上的速度估計(jì)(步驟109)。輸入到積分方框28的初始速度值V Utl)是未知的，但通常假定為零。在任何情況下，下一濾波級(jí)(下文進(jìn)一步所述)消除垂直速度信號(hào)中的偏移和漂移，因此初始速度分量(如果非零)將基本被消除。
[0135]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無重力的加速度信號(hào)(圖4 (c)中所示)不是設(shè)備2的機(jī)械運(yùn)動(dòng)所致加速度的完美表達(dá)。信號(hào)是失真的，有效地導(dǎo)致積分方框28輸出中的額外速度分量。已經(jīng)假定，失真是由處理方框22執(zhí)行的取向估計(jì)過程導(dǎo)致的。失真不是恒定的，但涉及運(yùn)動(dòng)信號(hào)，因此不能作為處理方框24進(jìn)行的重力估計(jì)的一部分被過濾。不過，在方框28進(jìn)行積分之后，失真主要導(dǎo)致單調(diào)分量。例如，可以在圖4 (d沖標(biāo)記為62的線條中看到這一點(diǎn)，其中積分留下速度中大約0.25ms-1的偏移。如果在重力估計(jì)階段使用線性濾波器，由于濾波器響應(yīng)擴(kuò)展導(dǎo)致的所估計(jì)重力的誤差導(dǎo)致顯著的速度分量(圖4 (d)中標(biāo)記為52的線條中所示)。
[0136]因此，根據(jù)本發(fā)明，向第四處理方框30提供代表垂直速度的信號(hào)，處理方框30向垂直速度信號(hào)應(yīng)用濾波器以估計(jì)該信號(hào)中存在的偏移和任何漂移分量(步驟111)。這一濾波的結(jié)果是代表單調(diào)(即偏移和漂移)分量波動(dòng)的信號(hào)。
[0137]用于獲得DC (恒定)或緩慢變化(偏移和漂移)分量的傳統(tǒng)線性濾波器包括低通濾波器和移動(dòng)平均濾波器(其也呈現(xiàn)出低通行為)。不過，這些濾波器通過對(duì)應(yīng)于濾波器的時(shí)間響應(yīng)影響相鄰的樣本。因此，盡管可以消除偏移，但在樣本的校正展寬之前和之后將出現(xiàn)補(bǔ)償性“鬼影偏移”。這些“鬼影偏移”可能使積分樣本的校正展寬的結(jié)果顯著模糊，以獲得高度的變化。
[0138]因此，由處理方框30克服了這一問題，處理方框30優(yōu)選向垂直速度信號(hào)應(yīng)用非線性濾波器，以消除信號(hào)中存在的偏移和漂移(步驟111)。
[0139]在優(yōu)選實(shí)施例中，處理方框30向垂直速度信號(hào)應(yīng)用中值濾波器。如上所述，中值濾波器有效地阻擋信號(hào)中的脈沖和振蕩，同時(shí)通過常數(shù)和邊緣(即偏移和漂移)。針對(duì)這一濾波器的典型半窗大小可以是0.8秒(因此窗口在當(dāng)前樣本之前涵蓋0.8秒價(jià)值的樣本，在當(dāng)前樣本之后涵蓋0.8秒價(jià)值的樣本)。在替代優(yōu)選實(shí)施例中，處理方框30能夠向垂直速度信號(hào)應(yīng)用加權(quán)中值濾波器或波模濾波器。
[0140]在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，處理方框30應(yīng)用這里稱為“自適應(yīng)中值”濾波器的中值濾波器。下文將更詳細(xì)地描述自適應(yīng)中值濾波器。
[0141]要認(rèn)識(shí)到，在處理方框24應(yīng)用的濾波器是非線性濾波器的情況下，第四處理方框30能夠向垂直速度信號(hào)應(yīng)用線性濾波器，以根據(jù)使用所得速度估計(jì)的應(yīng)用，估計(jì)偏移和漂移。在圖4 (d)中可以看出，在處理方框24中應(yīng)用非線性濾波器限制了所獲得速度的擴(kuò)展。應(yīng)用線性濾波器消除偏移和漂移將導(dǎo)致一些擴(kuò)展，但在該應(yīng)用的語(yǔ)境中，擴(kuò)展處在可接受的有限范圍。
[0142]代表利用非線性中值濾波器獲得并由處理方框30輸出的垂直速度信號(hào)中偏移和漂移的信號(hào)被示為圖4 (d)中的虛線63。代表利用線性移動(dòng)平均濾波器獲得并包括如上所述的“鬼影偏移”的垂直速度信號(hào)中的偏移和漂移的信號(hào)被示為圖4 Cd)中的虛線53。
[0143]將這個(gè)信號(hào)連同來自積分方框28的垂直速度信號(hào)一起輸入到加/減方框32,其中將它從垂直速度信號(hào)減去以給出無偏移和漂移的垂直速度信號(hào)(步驟113)。這一信號(hào)由圖
4(e)中的線64表示。于是，在更早處理階段期間應(yīng)用的非線性濾波器導(dǎo)致設(shè)備2實(shí)際垂直速度的更準(zhǔn)確估計(jì)。通過向垂直速度的估計(jì)值應(yīng)用線性移動(dòng)平均濾波器獲得的等價(jià)垂直速度由圖4 (e)中的線54示出，可以看出，已經(jīng)移除了速度中擴(kuò)展的一部分，但顯著反轉(zhuǎn)分量保持在峰附近。
[0144]對(duì)于加/減方框26，可能需要對(duì)加/減方框32的輸入進(jìn)行同步，以補(bǔ)償處理方框30引入的延遲。
[0145]要認(rèn)識(shí)到，可以由這里稱為“互補(bǔ)”中值濾波器的單一濾波器替代應(yīng)用于垂直速度信號(hào)的非線性中值濾波器30和后續(xù)加/減方框32，“互補(bǔ)”中值濾波器以與中值濾波器相反的方式工作，即其通過中值濾波器阻擋的信號(hào)部分并阻擋被中值濾波器通過的信號(hào)部分。于是，“互補(bǔ)”中值濾波器通過代表設(shè)備2實(shí)際速度的短時(shí)間脈沖，并消除垂直速度信號(hào)中存在的偏移和漂移。
[0146]然后由處理方框34相對(duì)于時(shí)間對(duì)無偏移和漂移的垂直速度信號(hào)積分，以給出設(shè)備2的高度或高度變化(步驟115)。積分方框34的初始位置值P Utl)輸入通常將是未知的，但在使用積分結(jié)果確定高度變化時(shí)，不需要了解初始位置。如果希望計(jì)算實(shí)際高度，將需要一些校準(zhǔn)或初始化以便設(shè)置P (t0)。
[0147]如上所述，設(shè)備2處理加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果，以便判斷何時(shí)有對(duì)應(yīng)于設(shè)備2的用戶跌倒的量值的設(shè)備2的高度變化。此外，要認(rèn)識(shí)到，在表示跌倒應(yīng)當(dāng)“維持”的所獲得高度估計(jì)中觀察到的高度變化表示設(shè)備2在事件之后處在與之前不同的高度。換言之，在跌倒之前的第一高度與跌倒之后的第二高度(小于第一高度)之間應(yīng)當(dāng)有變化。圖4 (f)中的線65示出了在處理期間使用非線性濾波器時(shí)獲得的位置估計(jì)值，并表示發(fā)生了“維持”高度變化(但將要指出，這幅圖表示高度增大而非跌倒)。圖4 (f)中的線55示出了在處理期間使用線性濾波器時(shí)獲得的位置估計(jì)，表示濾波器相應(yīng)擴(kuò)展導(dǎo)致的錯(cuò)誤速度分量完全補(bǔ)償了增長(zhǎng)，幾乎沒有造成任何(維持)高度變化。
[0148]積分方框34的輸出提供了高度的估計(jì)。用于檢測(cè)跌倒或升高(起身)的高度變化來自計(jì)算兩個(gè)時(shí)刻，例如當(dāng)前時(shí)刻和幾秒(例如2秒)之前估計(jì)高度之間的差異。有多種方式可以在檢測(cè)跌倒的決策邏輯中使用高度變化。例如，可以判斷計(jì)算的高度變化是否超過(向下)閾值。更完善的范例是在概率度量中使用變化自身的大小。
[0149]可以繞過積分器34，利用“移動(dòng)積分器”或加法器，直接從加/減方框32輸出的速度估計(jì)值計(jì)算高度變化，加法器對(duì)要計(jì)算高度變化的時(shí)刻之間進(jìn)行積分(求和)。移動(dòng)加法器類似于移動(dòng)平均濾波器，只是省略了滑動(dòng)平均濾波器的窗口長(zhǎng)度進(jìn)行的分割(求平均值)。因此，基本上，對(duì)窗口中的速度樣本求和并作為輸出返回，其中窗口是兩個(gè)時(shí)刻之間的區(qū)域。優(yōu)選方式(首先積分并計(jì)算差異或計(jì)算移動(dòng)和)是接下來考慮計(jì)算負(fù)載。選擇可以受到其他因素的影響，例如，要計(jì)算高度差的窗口尺寸的數(shù)量?？梢岳孟馦A濾波器實(shí)施那樣已知的類似技術(shù),優(yōu)化移動(dòng)加法器的實(shí)施。
[0150]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的處理結(jié)果，該處理是利用近中值濾波器作為第一濾波器24，利用中值濾波器作為第二濾波器30對(duì)跌倒期間獲得的加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的。于是，曲線圖示出了從下方曲線圖中示出的加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出的高度下降(即高度變化)和高度(相對(duì)于近似為零的初始高度)。計(jì)算當(dāng)前高度估計(jì)和預(yù)定時(shí)間之前(在本范例中，時(shí)間段為2秒)的高度估計(jì)之間的差異作為頂部曲線圖中的高度差異。因此，跌倒開始時(shí)導(dǎo)致并在“預(yù)定時(shí)間之前”一直可在曲線圖中保持可見2秒的高度結(jié)果下降通過該開始(S卩，在本范例中，2秒之后)。
[0151]于是，在圖5中，存在著表示跌倒發(fā)生在時(shí)間t=509 (參見頂部曲線圖)附近的高度變化，這種高度變化導(dǎo)致設(shè)備2高度的維持差異(例如，參見中間的曲線圖，在高度變化之前的時(shí)間窗口觀察到的設(shè)備2的高度高于在高度變化之后的時(shí)間窗口中觀察到的設(shè)備2的高度)。
[0152]如上文參考圖2和3所述，從三維加速度計(jì)測(cè)量(例如通過取加速度計(jì)測(cè)量的范數(shù))估計(jì)作用于垂直方向的加速度，然后向一維垂直加速度估計(jì)應(yīng)用濾波器以便估計(jì)重力加速度。不過，在替代實(shí)施例中，可以將第一濾波器應(yīng)用于來自加速度計(jì)4每個(gè)測(cè)量軸的信號(hào)，以便在估計(jì)加速度的垂直分量之前，在三維中估計(jì)重力加速度。然后能夠?qū)⑦@一三維重力估計(jì)用于估計(jì)三維加速度計(jì)測(cè)量中加速度的垂直分量，之后從估計(jì)的垂直分量減去重力估計(jì)(或利用另一濾波器(與第一濾波器相同或不同的類型)獲得的另一重力估計(jì))，以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的估計(jì)垂直加速度。此外，使用這種方式，可以估計(jì)(由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的)水平加速度并按照類似方式處理，以估計(jì)水平速度和位移。
[0153]近中值濾波器
[0154]如上所述，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將這里稱為“近中值”濾波器的濾波器應(yīng)用于由處理方框22輸出的垂直加速度的估計(jì)，以便估計(jì)該信號(hào)中的重力分量?；蛘撸梢允褂媒兄禐V波器估計(jì)從加速度計(jì)4接收的三維信號(hào)中的三維重力加速度。
[0155]同樣如上所述，加速度信號(hào)中的重力分量或多或少是恒定的(即DC)，在加速度計(jì)4和設(shè)備2被旋轉(zhuǎn)時(shí)，它改變加速度計(jì)參照系中的方向，在未對(duì)加速度計(jì)4進(jìn)行完美校準(zhǔn)時(shí)，三維加速度計(jì)測(cè)量的范數(shù)變化。
[0156]因此，需要應(yīng)用于加速度計(jì)測(cè)量(或垂直加速度的估計(jì))的濾波器輸出信號(hào)中的DC分量并瞬時(shí)(即，應(yīng)用濾波器不應(yīng)引入任何擴(kuò)展)跟蹤變化(例如由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的變化)。
[0157]低通濾波器能夠返回直流分量，但會(huì)引入擴(kuò)展，在加速度計(jì)4的取向變化時(shí)不會(huì)迅速跟蹤變化。中值濾波器盡管一般提供可接受的輸出，但在輸入信號(hào)更復(fù)雜(例如，在短的高度差上加速度計(jì)4上下平緩但連續(xù)運(yùn)動(dòng)，繼之以大的高度變化和繼續(xù)短時(shí)間的上下運(yùn)動(dòng)，可能表明代表所估計(jì)重力分量的輸出漂移)時(shí)可能會(huì)漂移。
[0158]因此，已經(jīng)設(shè)計(jì)出組合了低通濾波器和非線性濾波器的近中值濾波器。優(yōu)選地，這種濾波器是中值濾波器或基于中值的變體。圖6中示出了示范性的近中值濾波器70。
[0159]于是，向低通濾波器72中輸入信號(hào)，向中值濾波器74中輸入經(jīng)低通濾波的信號(hào)。低通濾波器72在單獨(dú)使用使可以具有更大的帶寬，這樣能夠消除輸入信號(hào)中一些高頻分量，但仍然能夠跟蹤快速運(yùn)動(dòng)。
[0160]中值濾波器74或者可以是中值變體，例如遞歸中值濾波器或加權(quán)中值濾波器。
[0161]由于輸入信號(hào)經(jīng)過低通濾波，根據(jù)奈奎斯特-香農(nóng)抽樣定理，可以將經(jīng)過低通濾波的信號(hào)下采樣到與低通濾波器的帶寬對(duì)應(yīng)的奈奎斯特速率而沒有混迭效應(yīng)。下采樣到奈奎斯特速率允許中值濾波器74能夠以兩種方式更有效地工作。一方面，它提供了計(jì)算增益，因?yàn)闉V波器的窗口中樣本更少。另一方面，認(rèn)識(shí)到濾波器在消除不希望有的成分(尖峰)方面應(yīng)當(dāng)更有效。下文將參考圖7進(jìn)一步解釋這種情況。
[0162]于是，近中值濾波器70還包括低通濾波器72和中值濾波器74之間的下采樣方框76，其對(duì)經(jīng)過低通濾波的信號(hào)下采樣到奈奎斯特速率(B卩，低通濾波器72的截止頻率的兩倍)。這里稱為“亞抽樣比”或“亞比例”的參數(shù)決定著經(jīng)低通濾波的信號(hào)的抽樣速率被減小的量。亞比例的典型值為20。通常將低通濾波器72的截止頻率設(shè)置成小于亞抽樣速率處信號(hào)的帶寬(該帶寬是抽樣速率的一半)。例如，可以將亞抽樣速率處信號(hào)的帶寬乘以0.8以設(shè)置低通濾波器72的截止頻率；選擇0.8 一值以防止下采樣時(shí)的混迭效應(yīng)。于是，對(duì)于抽樣速率為50Hz的信號(hào)，低通濾波器72的截止頻率將通常為1Hz，在下采樣之后為抽樣速率(即1.25Hz)的0.8倍。[0163]提供上采樣方框78以將中值濾波器74的輸出上采樣回輸入到近中值濾波器70的信號(hào)的抽樣速率。如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，上采樣之后繼之以圖中未示出的內(nèi)插濾波器，內(nèi)插濾波器通常是與方框72中使用的濾波器具有相同帶寬的低通濾波器。應(yīng)當(dāng)縮放濾波器以將信號(hào)強(qiáng)度保持在相同水平?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有技術(shù)中已知的幾種方式進(jìn)行上采樣。例如，一種方式是插入額外的零值樣本。另一個(gè)范例是使用樣本保持，即插入與上一可用樣本相同值的樣本。
[0164]向下采樣的低通濾波信號(hào)應(yīng)用中值濾波器74使得中值濾波器74在消除信號(hào)中尖峰時(shí)更有效(即，由于加速度計(jì)4運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的加速度)。
[0165]圖7是示出了近中值濾波器70工作基本原理的曲線圖。圖7中的線80是對(duì)應(yīng)于低通濾波器72帶寬的正弦信號(hào)。線81是相同的正弦信號(hào)，但是在奈奎斯特速率下，即在方框76的輸出處被采樣。可以看出，亞采樣精確地位于正弦信號(hào)81的過零處，因此脈沖導(dǎo)致了該信號(hào)。
[0166]虛線82和83分別示出了信號(hào)80和81的中值濾波值。于是，可以看出，向亞采樣的低通濾波信號(hào)應(yīng)用中值濾波器74獲得更好的結(jié)果(真正的DC值)。
[0167]不過，要認(rèn)識(shí)到，在對(duì)低通濾波信號(hào)進(jìn)行亞采樣或下采樣時(shí)，第一樣本的選擇是任意的。圖7示出了理想情況:亞采樣精確處在正弦信號(hào)80的過零點(diǎn)。不過，圖8示出了亞采樣在正弦信號(hào)過零點(diǎn)之間半途處導(dǎo)致樣本的情形(這是最壞情況)。線84對(duì)應(yīng)于亞采樣信號(hào)，虛線85示出了中值濾波信號(hào)。
[0168]因此，可以針對(duì)壓采樣低通濾波信號(hào)中的這種相位效應(yīng)調(diào)整近中值濾波器70。具體而言，可以配置下采樣方框76以在所有相位進(jìn)行亞采樣，將中值濾波器74應(yīng)用于每個(gè)經(jīng)亞采樣的信號(hào)。中值濾波器74的最終輸出可以是對(duì)每個(gè)經(jīng)亞采樣的信號(hào)進(jìn)行中值濾波的結(jié)果的組合。
[0169]圖9是流程圖，示出了示范性近中值濾波器70的工作。在步驟131中，設(shè)置亞采樣比，即壓比例，在50Hz下對(duì)加速度計(jì)信號(hào)采樣時(shí)，它通?？赡苁?0。
[0170]在步驟133中，將低通濾波器72的截止頻率設(shè)置在Fs/2/亞比例(其中Fs/2是信號(hào)的全帶寬，在低通濾波器72的輸出處標(biāo)記為“acc”)的0.8倍。
[0171]在步驟135中，向輸入的加速度計(jì)信號(hào)acc應(yīng)用低通濾波器72以給出acc_LPF。
[0172]在步驟137中，根據(jù)亞采樣比，將經(jīng)過低通濾波的加速度計(jì)信號(hào)acc_LPF下采樣到多相信號(hào)acc_p0ly?？梢詫?duì)acc_LPF進(jìn)行亞采樣的方式數(shù)量等于壓采樣比。因此，對(duì)于從O分布到亞采樣比-1的每個(gè)相位P，索引k處的樣本acc_poly結(jié)果為
[0173]acc_poly [P, k]=acc_LPF[p+subRatio*k] (I)
[0174]在步驟139中，將中值濾波器74應(yīng)用于針對(duì)每個(gè)相位P下采樣的信號(hào)。這樣給出了表示為aCC_poly_filt[p，k]的一組信號(hào)。在本范例中，中值濾波器74的半窗尺寸為1.6秒，但要認(rèn)識(shí)到，可以使用其他值。
[0175]或者，如上所述，可以使用其他形式的中值濾波器，例如遞歸中值濾波器，或可以迭代(中值)濾波器過程(即，通過對(duì)先前輪次的結(jié)果重復(fù)中值濾波若干次)。
[0176]然后，在步驟141中，將所獲得的經(jīng)濾波相位信號(hào)的每個(gè)組合成單一信號(hào)?？梢酝ㄟ^在亞比例數(shù)量的相位上取每個(gè)樣本k的平均值或中值，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的組合，但其他方式，例如其他決策標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言也是明顯的。[0177]然后可以將組合信號(hào)上采樣回初始采樣速率(步驟143)。
[0178]在步驟141和143的替代方式中，可以將步驟139中獲得的經(jīng)濾波相位信號(hào)acc_poly_filt[p, k]的每個(gè)上采樣回初始采樣速率，以首先給出acc_poly_filt_up[p, t](步驟145)，然后可以組合經(jīng)上采樣的信號(hào)(步驟147)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，信號(hào)acc_p0ly_filt_up [p, t]能夠包括相位,它們的組合補(bǔ)償相位，即，對(duì)于整數(shù)t,使得t=p+subRatio*k,將acc_poly_filt_up[p,t]設(shè)置為acc_poly_filt [p,k]。利用內(nèi)插濾波器(與下采樣步驟之前應(yīng)用的低通濾波器相同；優(yōu)選地，將剩余樣本設(shè)置成具有“整數(shù)t”的相鄰分配樣本，即利用樣本保持方案)發(fā)現(xiàn)剩余樣本。
[0179]在步驟143或149之后，可以向組合的上采樣信號(hào)應(yīng)用另一中值濾波器，以便消除由內(nèi)插濾波器引入的任何“鈴響”效應(yīng)。這一中值濾波器可以具有與步驟139中應(yīng)用的中值濾波器相同的以秒為單位的窗口尺寸。
[0180]要認(rèn)識(shí)到，并非所有步驟都是強(qiáng)制性的。近中值濾波器的核心是以下采樣速率應(yīng)用非線性濾波器?？辜兕l濾波器，以及對(duì)不同步驟的考慮，是可以根據(jù)眼下的應(yīng)用而應(yīng)用的細(xì)化。
[0181]圖10為曲線圖，示出了向信號(hào)86應(yīng)用近中值濾波器的結(jié)果，信號(hào)86包括一組四個(gè)具有不同頻率、相位和幅度的正弦信號(hào)，以及高斯噪聲。此外，在信號(hào)中在時(shí)間t=3000有階躍。線87示出了將如上所述的近中值濾波器70應(yīng)用于信號(hào)86的結(jié)果，可以看出，該輸出提供了直流分量的良好估計(jì)并充分跟蹤該步驟。
[0182]自適應(yīng)中值濾波器
[0183]如上所述，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將這里稱為“自適應(yīng)中值”濾波器的濾波器應(yīng)用于由集成方框28輸出的垂直速度的估計(jì)，以便估計(jì)該信號(hào)中的偏移和漂移。
[0184]濾波器的目的是提取速度估計(jì)中對(duì)應(yīng)于從漂移DC (即偏移和漂移)分量偏離的脈沖形式的速度分量。偏移可以變化，也可以有一些漂移。
[0185]在這種變化期間，希望為偏移保持當(dāng)前值，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)跟蹤偏移變化易于跟蹤實(shí)際速度信號(hào)，因此導(dǎo)致實(shí)際速度的低估。
[0186]因此，在自適應(yīng)中值濾波器中，根據(jù)窗口之內(nèi)子窗口中中值的排位次序，調(diào)整用于確定特定樣本中值的窗口尺寸。中值之間的排位次序表示偏移中是否有增大或減小，后續(xù)的調(diào)整(即窗口尺寸的選擇)旨在補(bǔ)償或防止偏移值的低估。
[0187]圖11示出了包括16個(gè)樣本的信號(hào)的一部分以及以半窗口尺寸7的當(dāng)前樣本i為中心的中值濾波器窗口 90。在自適應(yīng)中值濾波器中，將中值濾波器窗口 90分成三個(gè)子窗口91a、91b和91c (在本范例中，具有半窗口尺寸2)。一個(gè)子窗口(圖11中的91a)以當(dāng)前樣本i為中心，另一個(gè)子窗口(圖11中的91b)以樣本i_5為中心(即當(dāng)前樣本減完整子窗口寬度)，第三子窗口(圖11中的91c)以樣本i+5為中心(B卩，當(dāng)前樣本加完整子窗口寬度)。
[0188]如上所述，針對(duì)三個(gè)子窗口的每個(gè)計(jì)算中值，對(duì)三個(gè)中值排序。使用排序的次序確定窗口的選擇以在產(chǎn)生自適應(yīng)中值濾波器的輸出時(shí)使用。
[0189]根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施例，使用規(guī)則集如下確定用于計(jì)算輸出的窗口的選擇:
[0190]-如果中心子窗口91a的中值是三個(gè)中值中的最大值，自適應(yīng)中值濾波器的輸出是具有大于子窗口 91a的半窗口尺寸(例如兩倍)或以樣本i為中心的子窗口中的中值；
[0191]-如果中心子窗口91a的中值介于其他子窗口 9ab和91c的值之間，自適應(yīng)中值濾波器的輸出是對(duì)應(yīng)于中心子窗口 91a和產(chǎn)生最高中值的子窗口 91b或91c的子窗口上的中值；并且
[0192]-如果中心子窗口91a的中值是三個(gè)中值中的最小值，自適應(yīng)中值濾波器的輸出是利用中心子窗口 91a獲得的中值。
[0193]根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，使用規(guī)則集如下確定用于計(jì)算輸出的窗口的選擇:
[0194]-如果中心子窗口91a的中值是三個(gè)中值中的最大值或最小值，自適應(yīng)中值濾波器的輸出是具有大于子窗口 91a的半窗口尺寸或以樣本i為中心的子窗口中的中值；
[0195]-否則，自適應(yīng)中值濾波器的輸出是用于前一樣本(即i_l)的值。
[0196]在一種實(shí)施方式中，中心子窗口 91a的中值是三個(gè)中值中的最大值或最小值，使用是子窗口 91a兩倍的半窗口尺寸來產(chǎn)生輸出值。不過，將要認(rèn)識(shí)到，可以使用比子窗口91a大的其他尺寸的窗口。
[0197]使用用于前一樣本的值的替代動(dòng)作(其中中心子窗口 91a的中值不是三個(gè)中值中的最大值或最小值)可能包括使用來自當(dāng)前中心子窗口 91a的值或向當(dāng)前中心子窗口 91a或在整個(gè)窗口上應(yīng)用遞歸中值濾波器。
[0198]通過這種方式，在中心子窗口提供最大值或最小值時(shí)使用更大窗口減小了中值濾波器跟蹤速度信號(hào)中存在的短時(shí)間上升/下降趨勢(shì)的效應(yīng)。在中心子窗口不提供最大或最小中值時(shí)使用前一值提供了上述恒定性。
[0199]圖12是本發(fā)明實(shí)施例中使用的示范性自適應(yīng)中值濾波器92的方框圖。
[0200]向標(biāo)記為93、94和95的三個(gè)濾波器提供輸入信號(hào)，三個(gè)濾波器應(yīng)用上述三個(gè)子窗口 91a、91b和91c的相應(yīng)一個(gè)。在這一實(shí)施例中，濾波器是中值濾波器，但要認(rèn)識(shí)到，濾波器可以是正常中值濾波器的變體。向決策邏輯96提供這些中值濾波器的每個(gè)的輸出，決策邏輯96實(shí)施上述規(guī)則集之一并確定要用于產(chǎn)生自適應(yīng)中值濾波器92的輸出的窗口尺寸。
[0201]由決策邏輯96向中值濾波器97輸出表不所需窗口尺寸的控制信號(hào)。中值濾波器97還接收輸入信號(hào)(具有適當(dāng)?shù)难舆t，以允許中值濾波器93、94和95以及決策邏輯96引入的處理延遲)并利用所需的窗口尺寸對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行操作。中值濾波器97的輸出是自適應(yīng)中值濾波器的輸出。
[0202]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將要認(rèn)識(shí)到，可以利用圖12中示出部件的替代布置來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)中值濾波器92。例如，由于規(guī)則集可以規(guī)定可以將中心子窗口 91a的中值作為輸出，所以決策邏輯96可以簡(jiǎn)單輸出這一值而非要求中值濾波器97重新計(jì)算它。而且，清楚的是，重新使用先前計(jì)算的輸出值不需要中值濾波器97完全重新計(jì)算。
[0203]此外，要認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)需要將窗口分成超過三個(gè)子窗口，子窗口還可以具有不同尺寸。
[0204]因此提供了一種改進(jìn)型方法和裝置，用于基于設(shè)備經(jīng)受的加速度的測(cè)量估計(jì)設(shè)備在水平或垂直方向上的速度，其克服了已知技術(shù)中的問題。
[0205]盡管已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)例示和描述了本發(fā)明，但這樣的例示和描述被認(rèn)為是例示性或示范性的而非限制性的；本發(fā)明不限于公開的實(shí)施例。
[0206]通過研究附圖、公開和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)踐請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)能夠理解和實(shí)現(xiàn)所公開實(shí)施例的其他變化。在權(quán)利要求中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一”不排除多個(gè)。單個(gè)處理器或其他單元可以完成權(quán)利要求中列舉的幾個(gè)項(xiàng)目的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中列舉特定手段的簡(jiǎn)單事實(shí)并不表示不能有利地使用這些手段的組合?？梢栽谶m當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)上存儲(chǔ)和/或分布的計(jì)算機(jī)程序，介質(zhì)例如是與其他硬件一起供應(yīng)或作為其他硬件一部分供應(yīng)的光存儲(chǔ)介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但也可以在其他形式中分布，例如通過互聯(lián)網(wǎng)或其他有線或無線電信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種確定設(shè)備在水平或垂直方向上速度估計(jì)的方法，所述方法包括: -獲得三維中作用于所述設(shè)備的加速度的測(cè)量； -使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度； -利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度； -對(duì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于所述方向上的加速度估計(jì)值進(jìn)行積分以給出所述方向上速度的估計(jì)值；以及 -使用第二濾波器從所述速度消除偏移和/或漂移以給出濾波速度； 其中所述第一濾波器和第二濾波器中的至少一個(gè)是非線性濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度的步驟包括: -從獲得的測(cè)量值估計(jì)作用于設(shè)備上垂直方向的加速度；以及 -向作用于垂直方向上的加速度估計(jì)值應(yīng)用第一濾波器以估計(jì)重力加速度； -其中估計(jì)加速度的步驟包括估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向上的加速度；其中利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向上的加速度的步驟包括: -從估計(jì)的作用于垂直方向的加速度減去估計(jì)的重力加速度以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于垂直方向的加速度估計(jì)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用第一濾波器和獲得的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度的步驟包括: -向獲得的測(cè)量值應(yīng)用第一濾波器以在三維中估計(jì)重力加速度； 且其中利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度的步驟包括: -使用估計(jì)的重力加速度從獲得的測(cè)量值估計(jì)作用于水平或垂直方向上的加速度；以及 -從估計(jì)的作用于所述方向的加速度減去估計(jì)的重力加速度以給出由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于所述方向的加速度估計(jì)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2，或3的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一濾波器的操作包括: -對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下采樣；以及 -向經(jīng)下采樣的信號(hào)應(yīng)用非線性濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述下采樣步驟包括產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)都具有相應(yīng)的相位；并且 其中應(yīng)用非線性濾波器的步驟包括向多個(gè)經(jīng)下采樣的信號(hào)的每個(gè)應(yīng)用非線性濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第一濾波器的操作還包括: -將多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)組合成單一信號(hào)；以及 -將所述單一信號(hào)上采樣到初始采樣速率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第一濾波器的操作還包括: -對(duì)多個(gè)經(jīng)濾波的信號(hào)的每個(gè)進(jìn)行上采樣；以及 -將多個(gè)經(jīng)上采樣的信號(hào)組合成單一信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4到7的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一濾波器的操作還包括:-在下采樣步驟之前，向輸入信號(hào)應(yīng)用低通濾波器以產(chǎn)生經(jīng)低通濾波的信號(hào)； 其中所述下采樣步驟包括將經(jīng)低通濾波的信號(hào)下采樣到基于所述低通濾波器的截止頻率的速率。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述第二濾波器的操作包括: -計(jì)算以輸入信號(hào)中感興趣樣本處或附近為中心的多個(gè)子窗口的每個(gè)中的中值；以及-基于計(jì)算的中值調(diào)整用于產(chǎn)生感興趣樣本的輸出值的中值濾波器的窗口尺寸，其中如果以感興趣樣本為中心的子窗口的中值是多個(gè)中值中的最大值或最小值，用于產(chǎn)生輸出值的窗口尺寸大于以感興趣樣本為中心的子窗口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述非線性濾波器是從中值濾波器、加權(quán)中值濾波器、遞歸中值濾波器和波模濾波器中選擇的。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括如下步驟: -通過對(duì)所述經(jīng)濾波速度積分來估計(jì)所述設(shè)備的位置或高度；或-通過對(duì)要計(jì)算位移或高度變化的時(shí)間窗口中經(jīng)濾波的速度估計(jì)值求和，估計(jì)所述設(shè)備的水平位移或高度變化。
12.一種裝置，包括: -處理模塊,被配置成: -接收三維中作用于設(shè)備上的加速度的測(cè)量值； -使用第一濾波器和加速度的測(cè)量值以估計(jì)重力加速度； -利用估計(jì)的重力加速度估計(jì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)而作用于水平或垂直方向上的加速度； -對(duì)由于設(shè)備運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的作用于所述方向上的加速度估計(jì)值進(jìn)行積分以給出所述方向上速度的估計(jì)值；以及 -使用第二濾波器從所述速度消除偏移和/或漂移以給出濾波速度； 其中所述處理模塊使用的所述第一濾波器和第二濾波器中的至少一個(gè)是非線性濾波器。
13.—種被配置成由用戶佩戴的設(shè)備，所述設(shè)備包括: -加速度計(jì)，其在三維中測(cè)量作用于所述設(shè)備的加速度；以及 -根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置。
14.一種系統(tǒng),包括: -配置成由用戶佩戴的設(shè)備，所述設(shè)備包括加速度計(jì)，所述加速度計(jì)在三維中測(cè)量作用于所述設(shè)備的加速度；以及 -基站單元，所述基站單元被配置成與所述設(shè)備通信并包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置。
15.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中包含計(jì)算機(jī)程序代碼，配置所述計(jì)算機(jī)程序代碼，使得在由計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行時(shí)，所述計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1到13的任一項(xiàng)所述的方法。
【文檔編號(hào)】A61B5/11GK103733078SQ201280040257
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月18日
【發(fā)明者】W·R·T·坦卡特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司