摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于MEMS慣性傳感器的行人運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤系統(tǒng)。測量方式采用計(jì)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(jì)檢測行人的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)采用加速度值對方向進(jìn)行傾角補(bǔ)償。采用平滑濾波的方法對測量結(jié)果濾波，通過微處理器處理原始數(shù)據(jù)，得到比較準(zhǔn)確的行人步數(shù)和運(yùn)動(dòng)方向。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞： 加速度傳感器； 磁力計(jì)； 計(jì)步器； 追蹤系統(tǒng)

中圖分類號： TN965?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)動(dòng)是一個(gè)無處不在的現(xiàn)象，而對于運(yùn)動(dòng)的研究到現(xiàn)在為止也有了上千年的歷史。如今隨著導(dǎo)航定位功能的蓬勃發(fā)展，對運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤技術(shù)的準(zhǔn)確性以及可靠性的要求日益迫切。常見的追蹤定位系統(tǒng)有GPS全球定位系統(tǒng)、基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間定位系統(tǒng)、磁空間追蹤系統(tǒng)、激光追蹤系統(tǒng)、基于三維計(jì)算機(jī)視覺的空間定位系統(tǒng)等。文獻(xiàn)[1]采用GPS測量物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，由于受到地形或建筑物遮蔽等復(fù)雜環(huán)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的測量不需要在運(yùn)動(dòng)場地預(yù)先安裝定位設(shè)備、成本低、操作靈活。文獻(xiàn)[2]采用MEMS加速度傳感器，其運(yùn)用加速度積分原理對運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測量估計(jì)，然而加速度傳感器累計(jì)誤差過大，影響測量效果。

本文基于MEMS傳感器對正常人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測量，測量方法采用計(jì)步器的原理，這種方式避免了補(bǔ)償加速度傳感器測量過程中產(chǎn)生的累計(jì)誤差，直接運(yùn)用傳感器輸出的加速度波形進(jìn)行步伐的探測，運(yùn)用磁力計(jì)來校正運(yùn)動(dòng)方向，測量過程簡單，容易實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)軌跡最終通過Matlab直觀顯示出來。

1 行人步態(tài)模型

分析正常人行走的加速度波形，有以下規(guī)律：

（1） 正常人行走步態(tài)具有周期性，每個(gè)步態(tài)周期包括單步支撐、擺動(dòng)和站立。常用參數(shù)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(gè)人身高、習(xí)慣、心情、路面情況的不同，不同人的行走步頻會(huì)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(biāo)準(zhǔn)差在5 cm以內(nèi)；

（2） 行人前進(jìn)的單步加速度信號波形能夠反映出步態(tài)的周期性特征，一個(gè)步伐周期內(nèi)僅出現(xiàn)一次加速度極大值和極小值，有一個(gè)上升區(qū)間和一個(gè)下降區(qū)間，如圖1所示，其中AD區(qū)間是一個(gè)單步周期，B，C分別為極大值和極小值。

2 測量系統(tǒng)方案以及設(shè)計(jì)

MEMS慣性傳感器的快速發(fā)展，為個(gè)人導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)提供了有利條件。在導(dǎo)航中，由于足部運(yùn)動(dòng)方向基本可以代表人體運(yùn)動(dòng)方向，且加速度變化明顯，因此，本系統(tǒng)將傳感器系統(tǒng)固定在行人腳踝上。傳感器系統(tǒng)選擇三軸加速度傳感器測量運(yùn)動(dòng)過程中的足部加速度，使用磁力計(jì)測量磁場。測量的數(shù)據(jù)通過微處理器濾波、處理，最終發(fā)送至上位機(jī)，得到行人的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡。圖2為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

從設(shè)計(jì)方案可以看出，追蹤測量過程分為三個(gè)部分：步長估計(jì)、步數(shù)檢測、運(yùn)動(dòng)方向檢測。

2.1 算法流程

由上述分析可知，系統(tǒng)的軟件流程主要包括三個(gè)步驟：步頻的探測、步長的估計(jì)、運(yùn)動(dòng)方向的識別，設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖3所示。

2.2 步長估計(jì)模型

本系統(tǒng)假定步長是一個(gè)常量，具體數(shù)值可通過預(yù)定義獲得，不同年齡、身高的用戶數(shù)值不同。在文獻(xiàn)[3]中，正常成人行走步態(tài)特征研究的參數(shù)結(jié)果如表1所示。

2.3 步頻的測量

根據(jù)行人步態(tài)模型，正常人行走時(shí)的加速度值中含有峰值和波谷，一個(gè)邁步周期內(nèi)，當(dāng)腳抬起時(shí)，足部加速度逐漸變大，當(dāng)行人足部抬到最高處時(shí)出現(xiàn)峰值，之后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波谷，根據(jù)規(guī)律可以采用峰?峰值檢測出步數(shù)。然而三軸加速度傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)包含較多的高頻噪聲，因此可以采用滑動(dòng)窗口濾波和峰?峰值檢測的方式進(jìn)行計(jì)步。平滑濾波能夠抑制加速度信號的高頻噪聲，還減少走動(dòng)時(shí)因身體抖動(dòng)引起的誤差，得到比較平滑的測量結(jié)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(shù)的計(jì)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(gè)采樣點(diǎn)的加速度值。

2.4 運(yùn)動(dòng)方向的識別

磁力計(jì)用來測量足部的運(yùn)動(dòng)方向，而固定在行人足部的傳感器系統(tǒng)會(huì)隨著足部運(yùn)動(dòng)發(fā)生擺動(dòng)和傾斜，因此可以利用重力加速度在載體三個(gè)軸方向上的投影計(jì)算傾斜角，從而對三軸磁力計(jì)的測量值進(jìn)行傾角補(bǔ)償，最終得到足部的運(yùn)動(dòng)方向角。計(jì)算步伐的運(yùn)動(dòng)方向，大體分為兩步：

（1） 測量載體坐標(biāo)系下的x，y，z三個(gè)軸的磁場強(qiáng)度分量。

（2） 傾角補(bǔ)償：通過三軸加速度傳感器測量載體坐標(biāo)系下重力加速度在三個(gè)軸方向上的分量?？臻g坐標(biāo)如圖6所示：P為空間一點(diǎn)，P1是重力加速度在平面xOy上的投影，根據(jù)幾何知識可以推算出重力加速度與坐標(biāo)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(gè)坐標(biāo)軸上的分量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件選擇ADXL343為三軸加速度傳感器，三軸磁力計(jì)采用HMC5883L，微處理器采用STM32F103RC，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口上傳至PC機(jī)，通過Matlab將結(jié)果顯示出來。將傳感器系統(tǒng)固定在測試者的腳踝上，測試者按照預(yù)定軌跡繞6 m×4 m的實(shí)驗(yàn)室4圈，根據(jù)表1，將測試者步長設(shè)為62 cm。根據(jù)人體步態(tài)模型可知計(jì)步器輸出應(yīng)為1～3 Hz，將系統(tǒng)采樣率設(shè)為100 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過Matlab直觀顯示出來。通過表2可以看出，步數(shù)的測量結(jié)果準(zhǔn)確率較高，誤差控制在3%以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，說明算法的可行性較高。

4 結(jié) 論

人們對行人運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方法。系統(tǒng)充分利用行走時(shí)腳步的運(yùn)動(dòng)規(guī)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。

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