王豐

摘要：在日常生活中，用戶可能會戴手表爬山或者爬樓梯，這兩者的共同特征是手表內(nèi)置的氣壓計報出來的高度值發(fā)生變化。如果再使用GPS定位，可以進一步識別用戶是爬山還是爬樓梯，但是GPS功耗較大而且信號有時候不太穩(wěn)定，即使定位準(zhǔn)確，也無法區(qū)分用戶是在爬山還是在山里的大樓里爬樓梯。

本文的方法，抓住爬山和爬樓梯的本質(zhì)特征區(qū)別，通過手表內(nèi)置的加速度傳感器、陀螺儀以及氣壓計，不需要GPS信號也可以準(zhǔn)確區(qū)分用戶是爬山還是爬樓梯，而且可以區(qū)分是攀登山上的階梯還是爬樓房里的階梯，進而給智能手機以及其他無GPS芯片的智能終端設(shè)備增加了此類場景識別，改善了用戶體驗。

關(guān)鍵詞：佩戴;手表;加速度傳感器 陀螺儀;爬山;爬樓梯

慣性傳感器包含加速度傳感器（獲取平移運動信息）和陀螺儀（獲取旋轉(zhuǎn)運動信息）等，可以用來獲取用戶運動的三個軸的加速度和繞三個軸的旋轉(zhuǎn)角速度，使用這些數(shù)據(jù)通過算法可以計算多種運動特征。

加速度傳感器內(nèi)置于移動終端里，體積小，功耗低，在室內(nèi)運動沒有GPS信號的情況下也可以實時地精確地記錄用戶的運動信息。

陀螺儀內(nèi)置于移動終端里，可以記錄每時每刻用戶攜帶的終端設(shè)備繞三個軸旋轉(zhuǎn)的角速度，進而估計用戶的轉(zhuǎn)動動作及其周期性。

氣壓計可以通過測量移動終端的氣壓變化，進而得到高度值及其變化量。

準(zhǔn)備階段

抓住爬山和爬樓梯的本質(zhì)特征區(qū)別，在無GPS信號的情況下，把加速度傳感器、陀螺儀和氣壓計采集的氣壓值（轉(zhuǎn)化為高度值）數(shù)據(jù)結(jié)合，判斷用戶是爬山還是爬樓梯，具體方法如下。

（1）使用加速度傳感器判斷相鄰兩個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq1、Th1，前兩個步伐和后兩個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq2和Th2，以及前三個步伐和后三個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq3和Th3。

例如用戶走了12步，則相鄰兩個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq1、Th1為第1步與第2步、第2步與第3步、第3步與第4步，以此類推。

前兩個步伐和后兩個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq2和Th2為第1、2步與第3、4步，第3、4步與第5、6步，第5、6步與第7、8步，以此類推。

前三個步伐和后三個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq3和Th3為第1、2、3步與第4、5、6步，第4、5、6步與第7、8、9步，第7、8、9步與第10、11、12步，以此類推。

（2）計算在對應(yīng)的這些時間區(qū)間內(nèi)的氣壓計的高度值的增量Hq1、Hh1、Hq2、Hh2、Hq3、Hh3。

這里指的是氣壓計通過測得的氣壓值在內(nèi)部換算之后得到的高度值，這個高度值的確會存在個體差異，也會有不小的誤差，但是高度值的增量基本上就比較準(zhǔn)確了。本方法只需要使用高度值的增量即可（高度值的增量=對應(yīng)時間區(qū)間內(nèi)的終點時刻的高度值減去起點時刻的高度值），而且氣壓計還可以根據(jù)氣象局的高度值數(shù)據(jù)定時校準(zhǔn)自身的高度值數(shù)據(jù)。

（3）計算相鄰步伐的高度值增量的偏差abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）、abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） 、abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3）。

（4）相鄰步伐的高度值增量的偏差的和abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）+abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） +abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3） 是否小于或者等于對應(yīng)的閾值。

如果是，則認(rèn)為用戶在爬樓梯;如果否，則認(rèn)為用戶在爬山。

因為爬樓梯的時候，前一次步伐的高度值增量與后一次步伐的高度值增量比較接近，所以對于相鄰步伐的高度值增量的偏差的和，爬樓梯時比爬山時更小;

樓梯的相鄰兩個臺階的高度值增量是很接近的，但是爬山的時候相鄰兩個步伐的高度值增量在絕大多數(shù)情況下都不是很接近，所以上述相鄰步伐的高度值增量的偏差的和小于預(yù)設(shè)的閾值的時候是爬樓梯。

（5）判斷是否滿足陀螺儀的三個軸的旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)明顯的周期性。

目前很多山都是有階梯的，因此方案的更精確的區(qū)分可以通過如下方法解決，可以抓住爬山時候的階梯與爬樓梯時候階梯的特征差異進行區(qū)分。

樓房里的階梯的特點是每層樓有相同的陀螺儀旋轉(zhuǎn)特征，比攀登山上的階梯有明顯的陀螺儀旋轉(zhuǎn)的周期性特征。

第一，樓房里的階梯大多數(shù)是每層樓有兩段方向相反的階梯。這種情況下，當(dāng)用戶在兩段階梯之間拐彎的時候，手機陀螺儀的旋轉(zhuǎn)特性是相同的，例如如果用戶在兩段階梯之間拐彎的時候手機的y軸正方向是豎直向上的，則繞y軸旋轉(zhuǎn)180度;如果用戶在兩段階梯之間拐彎的時候手機的z軸正方向是豎直向上的，則手機繞z軸旋轉(zhuǎn)180度;無論拐彎的時候手機的姿態(tài)如何，每次拐彎的時候，陀螺儀的三個軸的旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)明顯的周期性。

第二，少數(shù)情況下，樓房里的階梯如果是每層樓有三段階梯，則上述的每段階梯拐彎處的旋轉(zhuǎn)角度從180度變成90度，而且三段階梯是同一個方向旋轉(zhuǎn)90度，然后到達(dá)上一個樓層以后在平路上走一小段距離再旋轉(zhuǎn)90度。

總之，無論樓層之間分為幾段階梯，無論拐彎的時候手機的姿態(tài)如何，相鄰兩個樓層之間，陀螺儀的三個軸的旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)明顯的周期性。而氣壓計可以比較準(zhǔn)確地檢測到相鄰兩個周期內(nèi)的高度的變化量。如果陀螺儀的三個軸的旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)明顯的周期性，而且相鄰兩個周期內(nèi)氣壓計檢測到的高度變化量是相等的（或者高度變化量的差值小于預(yù)設(shè)的閾值，例如小于0.1米），則認(rèn)為用戶是在樓房里爬樓梯，而不是在爬山上的階梯。

隨著高度的增加，同樣高度的臺階，氣壓計讀出來的高度值可能誤差會有一些差別，但是高度值增量還是比較準(zhǔn)確的，而且氣壓計讀出來的高度值跟當(dāng)前海拔高度有關(guān)，但是相鄰步伐的高度值增量跟當(dāng)前海拔高度關(guān)系很小，相鄰步伐的高度值增量的偏差只是體現(xiàn)了相鄰兩個步伐的相似性，跟當(dāng)前所處的海拔高度無關(guān);所以相鄰步伐的高度值增量的偏差的和abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）+abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） +abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3） 跟當(dāng)前所處的海拔高度無關(guān)。

具體實施步驟

Step 1：采集加速度傳感器陀螺儀和氣壓計的數(shù)據(jù);

Step 2： 使用加速度傳感器判斷相鄰兩個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq1、Th1，前兩個步伐和后兩個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq2和Th2，以及前三個步伐和后三個步伐所持續(xù)的時間區(qū)間Tq3和Th3;

Step 3：計算在對應(yīng)的這些時間區(qū)間內(nèi)的氣壓計的高度值的增量Hq1、Hh1、Hq2、Hh2、Hq3、Hh3;

Step 4：計算相鄰步伐的高度值增量的偏差abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）、abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） 、abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3）;

Step 5：相鄰步伐的高度值增量的偏差的和abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）+abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） +abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3） 是否小于或者等于對應(yīng)的閾值。

如果是，則進入Step 6，進一步確認(rèn);如果否，則判斷為攜帶著移動終端的用戶在爬山（無階梯）。

Step 6：是否滿足陀螺儀的三個軸的旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)明顯的周期性（參考準(zhǔn)備階段第（5）點），而且相鄰兩個周期內(nèi)氣壓計檢測到的高度變化量是相等的，或者高度變化量的差值小于預(yù)設(shè)的閾值，例如小于0.1米。

如果是，則認(rèn)為用戶是在樓房里爬樓梯;如果否，則認(rèn)為用戶是在爬山（攀登山上的階梯）。

流程圖

見左圖。

結(jié)尾

本文通過慣性傳感器和氣壓計可以比較準(zhǔn)確地識別用戶是在爬山還是爬樓梯，不依賴于GPS，對于沒有GPS模塊的移動終端以及GPS信號較差的移動終端有很高的使用價值，即使在GPS較好的移動終端里也可以不依賴于GPS，進而大幅度地節(jié)省功耗。

參考文獻(xiàn)

【1】田博顯.采用慣導(dǎo)、GPS與氣壓計數(shù)據(jù)的飛控系統(tǒng)高度濾波算法，北京航空航天大學(xué)，《國際航空航天科學(xué)》2018年第4期77-87，共11頁.