一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，包括以下步驟：（1）對于加速度計采集到的人體運動的垂直方向加速度az和前進(jìn)方向加速度ay，進(jìn)行FIR低通濾波，去除高頻噪聲；（2）檢測垂直方向加速度的峰值，并保存峰值所處的采樣點位置；（3）以垂直方向加速度峰值所在采樣點位置，判斷同一時刻同樣位置的前向加速度的采樣點是處于上升的趨勢還是下降趨勢，如果處于上升趨勢，則判定人體為后退，否則表明人體為前進(jìn)。
【專利說明】一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對象動作行為識別的方法，特別是涉及室內(nèi)導(dǎo)航定位中一種人體前進(jìn)后退動作的識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增加，利用安裝在人體腰部的無線傳感器采集的信息進(jìn)行行為識別，是室內(nèi)定位的一個重要的研究方向。這些行為包括行走、上下樓梯、跑步等，其中行走可以分為向前行走(前進(jìn))、向后行走(后退)、側(cè)向行走。
[0003]后退動作一般是較為低速的運動，特別是在消防現(xiàn)場這樣的場景，幾乎不可能有聞速的后退情況出現(xiàn)。如進(jìn)和后退動作如圖1所不，圖中箭頭的方向表不行走的方向，左圖為前進(jìn)，右圖為后退。在行人導(dǎo)航室內(nèi)定位中，前進(jìn)和后退兩個不同動作通過固連于人體腰部的傳感器得到的航向是一致的，而兩個動作的實際運動方向是完全相反的。所以，行人的前進(jìn)和后退動作的識別是非常重要的。換言之，前進(jìn)和后退的識別關(guān)系到室內(nèi)定位的準(zhǔn)確性問題?，F(xiàn)有技術(shù)中對后退動作的識別算法是提取信號的幾何特征(周期，信號的波峰、波谷)，信號的能量特征等，在提取特征之前要對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，不僅計算量大、算法復(fù)雜，且識別率并不理想。
[0004]室內(nèi)定位的用途十分的廣泛。例如，室內(nèi)定位的需求在消防領(lǐng)域內(nèi)日益凸顯，在當(dāng)今重特大惡性災(zāi)害、火災(zāi)事故和化學(xué)泄漏事故日益增多的形勢下，面對各種類型的嚴(yán)峻災(zāi)害，如何在有效提升災(zāi)害救援進(jìn)度和效率的同時，又能最大限度地保障第一線消防員個人安危，正成為一個亟待解決的現(xiàn)實問題。隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是定位導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步，將為這個問題的解決提供更加科學(xué)的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)計算量大、識別率不理想的不足，提供一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，包括以下步驟:
[0007](I)對于加速度計采集到的人體運動的垂直方向加速度az和前進(jìn)方向加速度ay，進(jìn)行FIR低通濾波，去除高頻噪聲；
[0008](2)檢測垂直方向加速度的峰值，并保存峰值所處的采樣點位置；
[0009](3)以垂直方向加速度峰值所在采樣點位置，判斷同一時刻同樣位置的前進(jìn)方向加速度的采樣點是處于上升的趨勢還是下降趨勢，如果處于上升趨勢，則判定人體為后退動作，否則表明人體為前進(jìn)動作。
[0010]本發(fā)明步驟(3)的具體算法為:
[0011](I)如果，ay(k+l) >ay(k) > ay (k_l),則判定人體該動作為后退；[0012](2)如果，ay(k+l) < ay(k) < ay (k_l)，則判定人體該動作為前進(jìn)；
[0013]其中，ay(k)表示與垂直方向加速度的波峰的采樣點對應(yīng)的前進(jìn)方向加速度波形上的點，ay(k_l)表示點ay(k)的前一點，ay (k+1)表示點ay(k)的后一點。
[0014]本發(fā)明步驟(2)中去除小于閾值10?12.5m/s2的垂直方向加速度的峰值。
[0015]本發(fā)明步驟(2)中如果兩個垂直方向加速度峰值的之間的時間差小于時間閾值
0.1?0.3s，則將后一個峰值去除。
[0016]后退行為識別原理:考慮人體的不同動作，加速度信號會有不同的特征，這些特征包括幾何特征(周期，信號的波峰、波谷)，信號的能量特征等。本發(fā)明通過識別兩軸加速度的幾何特征，來區(qū)分前進(jìn)和后退。
[0017]有益效果:本發(fā)明后退行為識別方法簡單、有效，通過對垂直和前向兩個軸的加速度進(jìn)行簡單處理，即可判斷出后退行為，可以達(dá)到以下有益效果:
[0018]( I)計算量小。利用垂直方向和前進(jìn)方向的加速度進(jìn)行后退行為識別，不需要計算加速度信號的均值、方差等特征值，降低了計算量
[0019](2)完全識別。實際測試的數(shù)據(jù)顯示，該后退識別的方法的識別率達(dá)到100%，能夠完全識別前進(jìn)和后退，且該方法適用于不同人。
[0020](3)實時性好。以計步為基礎(chǔ),垂直加速度每檢測到一個峰值,即為行走一步,每行走一步即可判斷出是前進(jìn)還是后退。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說明，本發(fā)明的上述和/或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。
[0022]圖1為人體前后和后退的姿勢體態(tài)圖。
[0023]圖2加速度計的三軸方向示意圖。
[0024]圖3為本發(fā)明流程圖。
[0025]圖4為人體前進(jìn)和后退的前向和垂直方向的加速度波形圖。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明公開了一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，包括以下步驟:
[0027](I)對于加速度計采集到的人體運動的垂直方向加速度az和前進(jìn)方向加速度ay，進(jìn)行FIR低通濾波，去除高頻噪聲；
[0028](2)檢測垂直方向加速度的峰值，并保存峰值所處的采樣點位置；
[0029](3)以垂直方向加速度峰值所在采樣點位置，判斷同一時刻同樣位置的前進(jìn)方向加速度的采樣點是處于上升的趨勢還是下降趨勢，如果處于上升趨勢，則判定人體為后退，否則表明人體為前進(jìn)。
[0030]本發(fā)明步驟(3)的具體算法為:
[0031](I)如果，ay(k+1) > ay(k) > ay(k_l),則判定人體該動作為后退；
[0032](2)如果，ay(k+l) < ay (k) < ay (k_l)，則判定人體該動作為前進(jìn)；
[0033]其中，ay(k)表示與垂直方向加速度的波峰的采樣點對應(yīng)的前進(jìn)方向加速度波形上的點，ay(k_l)表示點ay(k)的前一點，ay (k+1)表示點ay(k)的后一點。[0034]本發(fā)明步驟(2)中去除小于閾值10~12.5m/s2的垂直方向加速度的峰值。
[0035]本發(fā)明步驟(2)中如果兩個垂直方向加速度峰值的之間的時間差小于時間閾值
0.1~0.3s，則將后一個峰值去除。
[0036]實施例
[0037]本發(fā)明方法應(yīng)用的系統(tǒng)為穿戴式航位推算導(dǎo)航系統(tǒng)，采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器，包含三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計?；谛腥瞬綉B(tài)特征估計步長，聯(lián)合航向信息推算行人的位置。
[0038]本發(fā)明利用加速度計的信號，進(jìn)行后退行為識別。如圖2所示，傳感器固連于人體腰部，按照預(yù)設(shè)的方向放置，三軸加速度計由三個正交的單軸加速度計構(gòu)成，則傳感器采集的三個加速度波形分別對應(yīng)的方向為已知。加速度計三軸方向的定義為，az表示垂直方向的加速度，與重力加速度的方向相反，ay表示人體前進(jìn)方向的加速度，ax表示側(cè)向方向加速度，與ay、az構(gòu)成右手坐標(biāo)系。在本發(fā)明中，僅僅需要ay、az兩軸的加速度信號。
[0039]如圖3所示，本實施例的步驟如下:
[0040](I)分別對垂直方向加速度和前進(jìn)方向加速度進(jìn)行FIR低通濾波，去除高頻噪聲。
[0041](2)對垂直方向加速度進(jìn)行峰值檢測，并保存峰值所處的采樣點位置。
[0042](3)以垂直方向加速度峰值所在采樣點位置，判斷同一時刻同樣位置的前進(jìn)方向加速度的采樣點是處于上升的趨勢還是下降趨勢，如果處于上升趨勢，則判定人體為后退，否則表明人體為前進(jìn)。在進(jìn)行室內(nèi)定位時，需要將前進(jìn)和后退的每一步，對應(yīng)前進(jìn)和后退計數(shù)器進(jìn)行分別加I處理。
[0043]前進(jìn)和后退動作的前向和垂直方向的加速度波形圖如圖4所示。
[0044]從圖4中可以明顯看出，當(dāng)垂直方向加速度處于波峰值時，前進(jìn)方向加速度所對應(yīng)的狀態(tài):前進(jìn)時，前進(jìn)方向加速度處于下降趨勢；后退時，前進(jìn)方向加速度處于上升趨勢。
[0045]通過比較某一采樣點與前一采樣點和后一采樣點的大小來判斷上升下降趨勢，即有一采樣點的值比上一采樣點大，比下一采樣點小，則該點處于上升趨勢；相反，則該點處于下降趨勢。從而可以根據(jù)垂直方向加速度峰值點對應(yīng)的前進(jìn)方向加速度的上升下降趨勢來判斷是后退還是前進(jìn)。算法描述為:
[0046](I) ay (k) > ay (k_l),且 ay (k) < ay (k+1),則該動作為后退；
[0047](2)ay (k) < &7&-1)，且&^10 > ay (k+1)，則該動作為前進(jìn)；
[0048]人體的行走運動并非絕對周期，因此，對加速度直接進(jìn)行峰值檢測，會造成誤檢。采用FIR(Finite Impulse Response)低通濾波對加速度進(jìn)行濾波之后,進(jìn)行峰值檢測,提高檢測準(zhǔn)確度。
[0049]對垂直方向加速度進(jìn)行FIR濾波，選取滑動窗口，實時判斷窗口內(nèi)的樣本最大值作為捕獲到一個潛在的加速度峰值，連續(xù)移動滑窗，最終選擇一步中加速度的峰值。本實施例為了提高峰值檢測的準(zhǔn)確率，在峰值檢測時加入以下兩個約束條件:
[0050](I)加速度峰值必須大于閾值10.5m/s2;
[0051](2)兩個峰值之間的時間差必須大于時間閾值0.2s。
[0052]本發(fā)明提供了一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，具體實現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對于加速度計采集到的人體運動的垂直方向加速度az和前進(jìn)方向加速度ay，進(jìn)行FIR低通濾波，去除高頻噪聲； (2)檢測垂直方向加速度的峰值，并保存峰值所處的采樣點位置； (3)以垂直方向加速度峰值所在采樣點位置，判斷同一時刻同樣位置的前進(jìn)方向加速度的采樣點是處于上升的趨勢還是下降趨勢，如果處于上升趨勢，則判定人體為后退動作，否則表明人體為前進(jìn)動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，其特征在于， 步驟(3)的具體算法為: (1)如果，ay(k+l)>ay(k) > ay (k_l),則判定人體該動作為后退； (2)如果，ay(k+1) < ay(k) < ay(k_l),則判定人體該動作為前進(jìn)； 其中，ay(k)表示與垂直方向加速度的波峰的采樣點對應(yīng)的前進(jìn)方向加速度波形上的點，ay(k_l)表示點ay(k)的前一點，ay (k+1)表示點ay(k)的后一點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，其特征在于， 步驟(2)中去除小于閾值10?12.5m/s2的垂直方向加速度的峰值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于加速度計的人體前進(jìn)后退的識別方法，其特征在于， 步驟(2)中如果兩個垂直方向加速度峰值的之間的時間差小于時間閾值0.1?0.3s,則將后一個峰值去除。
【文檔編號】G01P13/04GK103792387SQ201410059809
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】申崇江, 馮成濤, 王麗華, 林乾浩 申請人:南京北大工道創(chuàng)新有限公司