[發(fā)明專利]高精度可穿戴設(shè)備的測速方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備

在審

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• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113156155A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尹武濤;施陽;張輝;宋英健
• 申請（專利權(quán)）人: 無錫博智芯科技有限公司
• 主分類號: G01P3/00
• 分類號: G01P3/00;G06K9/62
• 代理公司: 無錫蘇元專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32471
• 代理人: 張姝

本發(fā)明涉及一種跑步訓練的高精度可穿戴設(shè)備的測速方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備，將IMU傳感器進行靈敏度以及零偏補償；對補償后的傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)融合；對融合后的傳感器數(shù)據(jù)判斷是否為腳步靜止段；對檢測結(jié)果為靜止段的數(shù)據(jù)進行四元數(shù)姿態(tài)解算；基于解算后的數(shù)據(jù)用積分計算得出速度。本發(fā)明提供實時的訓練數(shù)據(jù)以制定更高效、更科學的訓練方式，協(xié)助及時調(diào)整運動訓練強度，避免訓練強度過大造成的意外受傷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及穿戴設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種跑步訓練的高精度可穿戴設(shè)備的測速方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備。

背景技術(shù)

科學的訓練計劃對于田徑運動員以及跑步運動愛好者尤為重要，科學的訓練可以使運動員減少受傷風險，更充分的備戰(zhàn)各種級別的比賽，也便于跑步愛好者制定合適的強度運動計劃，避免意外受傷。利用人體穿戴傳感，采集跑步數(shù)據(jù)及智能化分析訓練結(jié)果，不僅可以幫助運動員提高訓練質(zhì)量和運動能力還可以推進全民運動，讓更多的人積極參與跑步運動提升全民身體素質(zhì)。這種設(shè)備既可以為運動員定制合理強度的訓練計劃，也可以為運動愛好者提供更專業(yè)的實時數(shù)據(jù)以供參考，提升了的運動的趣味性，從而推動全民運動與健身。

訓練強度的分配是制定訓練計劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而功率等同于訓練強度。計算跑步速度是衡量跑步過程中功率消耗的重要環(huán)節(jié)，功率是由力和速度共同決定，跑步過程中外力恒定，除了地球施加的重力并無其他外力，因此速度越快等同于單位時間內(nèi)做功越多，功率越大。所以高精度的測速設(shè)備對于田徑運動員以及跑步愛好者尤為重要。

現(xiàn)有技術(shù)中存在如下技術(shù)問題，上世紀90年代,Luinge等和Bachmann等對可穿戴式傳感器的人體運動跟蹤技術(shù)進行了研究。但是可穿戴式傳感器應用于實時監(jiān)測人體速度的極少，Yang開發(fā)了一種跑步測速算法且僅利用了單一傳感器，實驗結(jié)果良好，但是這對傳感器精度和成本要求都很高；Sabatini設(shè)計了一種估計人體行走速度的算法，但是缺少對高速段的實驗驗證。走和跑是兩種不同的人體運動機制，很難兼顧行走和跑步的測速準確性。且由于人的身材差異，跑步習慣，以及跑步姿勢的不同加上技術(shù)上硬件設(shè)備的誤差等干擾，致使很難精確測速。

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種跑步訓練的高精度可穿戴設(shè)備的測速方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及設(shè)備本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種跑步訓練的高精度可穿戴設(shè)備的測速方法，該測速方法包括以下步驟：

步驟一、將IMU傳感器進行靈敏度以及零偏補償；

步驟二、對補償后的傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)融合；

步驟三、對補償后的傳感器數(shù)據(jù)判斷是否為腳步靜止段；

步驟四、對檢測結(jié)果為靜止段的數(shù)據(jù)進行四元數(shù)姿態(tài)解算；

步驟五、基于解算后的數(shù)據(jù)用積分計算得出速度。

本發(fā)明的測速方法基于補償后的傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)融合來實時進行四元數(shù)姿態(tài)解算的測速算法，具體包括以下步驟：

S1:將同一個軸分別靜置于垂直向上的方向以及垂直向下的方向，靜止放置一段時間，求出兩段數(shù)據(jù)的均值，用較大的數(shù)減去較小的數(shù)得出差值，再用2去除以這個差值所得結(jié)果為加速度計這個軸的靈敏度。對加速度計的三個軸均做如上的操作，便可得出三個軸各自的靈敏度，靈敏度幾乎不隨時間或者溫度變化而變化，計算公式如下：

其中Z_sensitivity代表Z軸的靈敏度，和分別代表Z軸垂直向上和垂直向下的輸出數(shù)據(jù)的平均值。X軸和Y軸靈敏度同理可得。

S2:將測量角速度的傳感器原地分別繞X軸，Y軸，Z軸逆時針穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)N圈，所得結(jié)果積分的理想值應為N×360°，將輸出數(shù)據(jù)進行積分，所得結(jié)果與N×360°做比，即為角速度計的靈敏度，與加速度計一樣，角速度計的靈敏度也幾乎不隨時間或者溫度變化而變化。具體公式如下：