[发明专利]一种基于单节点传感器的步态识别系统设计方法

权利要求书

1.一种基于单节点传感器的步态识别系统设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S101、构建数据采集模块和数据处理分析模块：数据采集模块包括电源模块、微控制器、九轴惯性传感器、气压传感器和无线射频模块；数据处理分析模块包括无线模块和微控制器；

步骤S102、将数据采集模块做成脚环的形式佩戴在测试者的脚腕处采集人体运动数据，采集的人体运动数据包括受试者的行走、转向、上楼梯、下楼梯四种动作所产生的加速度、角速度、姿态角和气压值，九轴惯性传感器的X轴对应人体前进方向、Y轴垂直于大地向下、Z轴指向人体右侧方向；

步骤S103、对步骤S102中采集的人体运动数据过无线装置传输到数据处理分析模块进行数据分析处理，得到步态时域特征、步长、步高与转向角度的数据并制作数据集；

步骤S104、利用多种机器学习分类器进行模型训练从而进行特征降维，特征降维是找到贡献度占比90％以上的特征向量，将无关特征向量剔除，特征降维后选取的特征为：z轴角速度最小值和气压计计算的高度变化；

步骤S105、在计算机上完成步骤S102～S4后，用Keil软件将步骤S102～S4的算法过程编写C语言程序写入微控制器中完成嵌入式开发。

2.根据权利要求1所述的一种基于单节点传感器的步态识别系统设计方法，其特征在于：所述步骤S103中的数据分析处理包括数据预处理、步态切割和时域特征计算。

3.根据权利要求2所述的一种基于单节点传感器的步态识别系统设计方法，其特征在于：所述数据预处理包括坐标系转换和降噪处理，坐标系转换是将步骤S102中九轴惯性传感器采集的人体运动数据中的加速度利用姿态角坐标系转换矩阵处理统一在地球坐标系下，降噪处理包括去除异常值和滤波去噪，对于异常值采用拉依达准则进行剔除，对于运动过程中不规则震颤引起的噪声采用扩展卡尔曼滤波器进行滤波处理。

4.根据权利要求3所述的一种基于单节点传感器的步态识别系统设计方法，其特征在于：所述姿态角坐标系转换矩阵处理过程如下：

绕Y轴旋转的旋转矩阵角度ψ为姿态角中的航向角yaw；

绕Z轴旋转的旋转矩阵角度θ为姿态角中的俯仰角pitch；

绕X轴旋转的旋转矩阵角度为姿态角中的翻滚角roll；

按照Y-Z-X的顺序进行旋转得到旋转矩阵

坐标转换方程为其中，为地球坐标系下的三轴加速度，为九轴惯性传感器坐标系下的三轴加速度，

所以九轴惯性传感器坐标系下的三轴加速度转换为地球坐标系下的三轴加速度转换方程为：

5.根据权利要求4所述的一种基于单节点传感器的步态识别系统设计方法，其特征在于：得到地球坐标系下的三轴加速度后，通过建立多个阈值对三轴加速度和角速度的约束条件来确定步态运动的站立相和摆动相，未进入摆动相时进行零速修正和计算航向角方差，设定航向角方差的阈值判断是否进入转向动作，若方差大于设定阈值则判断为进入转向动作并记录此时航向角，继续接收数据直至方差回归阈值下，判断转向动作已完成并记录此时航向角，并根据这两个航向角变化计算转向角度；进入摆动相时持续接收并记录数据直至结束摆动相，根据需求计算所需特征用以判断平地行走、上楼、下楼动作，记录的三轴加速度双重积分结合经验公式得到的位移和气压计精确测量步长、步高的运动数据。