基于MEMS傳感器的運動軌跡的追蹤系統

摘 要： 設計一種基于MEMS慣性傳感器的行人運動軌跡的追蹤系統。測量方式采用計步器的原理，直接利用加速度傳感器來檢測記錄行人步伐的加速度的變化波形，采用三軸磁力計檢測行人的運動方向，同時采用加速度值對方向進行傾角補償。采用平滑濾波的方法對測量結果濾波，通過微處理器處理原始數據，得到比較準確的行人步數和運動方向。最后通過實驗驗證系統的有效性和可行性。

關鍵詞： 加速度傳感器； 磁力計； 計步器； 追蹤系統

中圖分類號： TN965?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0117?03

Abstract： A pedestrian motion trail tracking system based on MEMS inertial sensor was designed. According to the principle of pedometer， the acceleration sensor is directly used to measure and record the acceleration’s changing waveform of pedestrian pace， the three?axis magnetometer is employed to detect the motion direction of the pedestrian， and the acceleration magnitude is adopted to compensate the inclination. The method of smoothing filtering is used to filter the measured results. The microprocessor is used to process the original data to obtain the pedestrian’s accurate step number and motion direction. The effectiveness and feasibility of the system was verified by experiments.

Keywords： acceleration sensor； magnetometer； pedometer； tracking system

運動是一個無處不在的現象，而對于運動的研究到現在為止也有了上千年的歷史。如今隨著導航定位功能的蓬勃發展，對運動軌跡追蹤技術的準確性以及可靠性的要求日益迫切。常見的追蹤定位系統有GPS全球定位系統、基于傳感器網絡的空間定位系統、磁空間追蹤系統、激光追蹤系統、基于三維計算機視覺的空間定位系統等。文獻[1]采用GPS測量物體的運動軌跡，由于受到地形或建筑物遮蔽等復雜環境的影響，接收器定位精度很差甚至無法定位。而采用MEMS傳感器進行運動軌跡的測量不需要在運動場地預先安裝定位設備、成本低、操作靈活。文獻[2]采用MEMS加速度傳感器，其運用加速度積分原理對運動軌跡進行測量估計，然而加速度傳感器累計誤差過大，影響測量效果。

本文基于MEMS傳感器對正常人的運動軌跡進行測量，測量方法采用計步器的原理，這種方式避免了補償加速度傳感器測量過程中產生的累計誤差，直接運用傳感器輸出的加速度波形進行步伐的探測，運用磁力計來校正運動方向，測量過程簡單，容易實現。運動軌跡最終通過Matlab直觀顯示出來。

1 行人步態模型

分析正常人行走的加速度波形，有以下規律：

（1） 正常人行走步態具有周期性，每個步態周期包括單步支撐、擺動和站立。常用參數包括步頻和步長。正常成年人自然行走步頻為1～3步/s，步長范圍為50～80 cm，由于個人身高、習慣、心情、路面情況的不同，不同人的行走步頻會不同，在步速變化不明顯的自然行走中，行人步長變化不大，標準差在5 cm以內；

（2） 行人前進的單步加速度信號波形能夠反映出步態的周期性特征，一個步伐周期內僅出現一次加速度極大值和極小值，有一個上升區間和一個下降區間，如圖1所示，其中AD區間是一個單步周期，B，C分別為極大值和極小值。

2 測量系統方案以及設計

MEMS慣性傳感器的快速發展，為個人導航實現提供了有利條件。在導航中，由于足部運動方向基本可以代表人體運動方向，且加速度變化明顯，因此，本系統將傳感器系統固定在行人腳踝上。傳感器系統選擇三軸加速度傳感器測量運動過程中的足部加速度，使用磁力計測量磁場。測量的數據通過微處理器濾波、處理，最終發送至上位機，得到行人的運動運動軌跡。圖2為本系統的結構組成。

從設計方案可以看出，追蹤測量過程分為三個部分：步長估計、步數檢測、運動方向檢測。

2.1 算法流程

由上述分析可知，系統的軟件流程主要包括三個步驟：步頻的探測、步長的估計、運動方向的識別，設計軟件流程圖如圖3所示。

2.2 步長估計模型

本系統假定步長是一個常量，具體數值可通過預定義獲得，不同年齡、身高的用戶數值不同。在文獻[3]中，正常成人行走步態特征研究的參數結果如表1所示。

2.3 步頻的測量

根據行人步態模型，正常人行走時的加速度值中含有峰值和波谷，一個邁步周期內，當腳抬起時，足部加速度逐漸變大，當行人足部抬到最高處時出現峰值，之后會出現一個波谷，根據規律可以采用峰?峰值檢測出步數。然而三軸加速度傳感器采集到的原始數據包含較多的高頻噪聲，因此可以采用滑動窗口濾波和峰?峰值檢測的方式進行計步。平滑濾波能夠抑制加速度信號的高頻噪聲，還減少走動時因身體抖動引起的誤差，得到比較平滑的測量結果。濾波效果如圖4所示，圖4（a）中含有較多高頻噪聲，峰值不明顯，圖4（b）為濾波之后的加速度曲線，顯然，峰值比較明顯，便于步數的計量。測量的算法流程圖如圖5所示，其中[at-1]，[at]分別為第t-1，t個采樣點的加速度值。

2.4 運動方向的識別

磁力計用來測量足部的運動方向，而固定在行人足部的傳感器系統會隨著足部運動發生擺動和傾斜，因此可以利用重力加速度在載體三個軸方向上的投影計算傾斜角，從而對三軸磁力計的測量值進行傾角補償，最終得到足部的運動方向角。計算步伐的運動方向，大體分為兩步：

（1） 測量載體坐標系下的x，y，z三個軸的磁場強度分量。

（2） 傾角補償：通過三軸加速度傳感器測量載體坐標系下重力加速度在三個軸方向上的分量。空間坐標如圖6所示：P為空間一點，P1是重力加速度在平面xOy上的投影，根據幾何知識可以推算出重力加速度與坐標軸的夾角：

其中[α]是重力加速度與X軸的夾角；[β]是重力加速度與y軸的夾角；[γ]是重力加速度與z軸的夾角。[Ax]，[Ay]，[Az]是重力加速度在x，y，z三個坐標軸上的分量。

3 實驗驗證

實驗系統硬件選擇ADXL343為三軸加速度傳感器，三軸磁力計采用HMC5883L，微處理器采用STM32F103RC，處理后的數據經過串口上傳至PC機，通過Matlab將結果顯示出來。將傳感器系統固定在測試者的腳踝上，測試者按照預定軌跡繞6 m×4 m的實驗室4圈，根據表1，將測試者步長設為62 cm。根據人體步態模型可知計步器輸出應為1～3 Hz，將系統采樣率設為100 Hz，實驗結果通過Matlab直觀顯示出來。通過表2可以看出，步數的測量結果準確率較高，誤差控制在3%以內，達到了預期目標，說明算法的可行性較高。

4 結 論

人們對行人運動軌跡的追蹤要求逐漸變高，因此本文介紹了一種基于MEMS慣性傳感器的運動軌跡追蹤方法。系統充分利用行走時腳步的運動規律，從而采用精度較低的MEMS慣性傳感器獲得了較理想的測量效果。

參考文獻

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