[发明专利]智能化的俯仰运动系统

权利要求书

1.本发明所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于：包括仰卧起坐板、支撑座、勾脚架、前后支撑座、显示器、陀螺仪、加速度计、腕部脉搏传感器、温度计、分析模块、计时模块、无线模块、声音模块、电源模块；仰卧起坐板、支撑座、勾脚架以及前后支撑座是完成仰卧起坐的设备；显示器用于显示个数、脉搏、体温、消耗的卡路里数以及评估；陀螺仪和加速度计的输出数据用于计算使用者运动过程中的角度；腕部脉搏传感器用于监测使用者运动过程中的脉搏变化；温度计用于检测使用者运动过程中的体温；分析模块用于判断使用者的运动角度是否符合标准仰卧起坐的角度；计时模块用于实时测量运动时间；无线模块用于传输数据。

2.根据权利要求1所述的一种智能化的俯仰运动系统，其特征在于，具有计数功能，具体步骤如下：

步骤1)使用者平躺在仰卧起坐板上，双脚放入勾脚架，屈膝成90度，陀螺仪与加速度分别计算出此刻使用者腹部的角度(俯仰角)，即为初始角度；使用者坐起，直至双肘触膝，陀螺仪与加速度计再次计算出使用者腹部的角度(俯仰角)，即为终止角度；

步骤2)将上述初始角度和终止角度作为判断基准储存起来；

步骤3)使用开始锻炼，再次平躺在仰卧起坐板上，获得相应的角度；

步骤4)将上述角度与初始角度进行对比判断，若上述角度等于初始角度，则表示使用者平躺到位，若上述角度不等于初始角度，则表示使用者未平躺到位，并进行语音播报，提示使用者平躺到位；

步骤5)使用者坐起，直至双肘触膝，再次获得使用者背部相应的角度；

步骤6)将上述角度与终止角度进行对比判断，若上述角度大于或者等于终止角度，则表示使用者动作到位，并计数增加一次，若上述角度小于终止角度，则重复步骤5；

步骤7)重复步骤3到6，直至锻炼结束，需要注意的是，平躺与坐起的角度都符合判断，才计数增加一次。

3.根据权利要求2所述的根据角度判断进行计数，其特征在于，上述加速度计和陀螺仪的输出值均用于计算出使用者的俯仰角，并对两者的计算值进行互补滤波，提高角度的准确性，判断仰卧起坐的个数更加精确与稳定，避免多数或少数仰卧起坐的个数。

4.根据权利要求3所述的角度计算以及互补滤波器设计如下所示：

基于加速度计的俯仰角θ_a计算公式：

${\mathrm{\γ}}_a=\left\{\begin{array}{c}\arctan \left(\frac{-f_x^b}{f_z^b}\right);f_z^b\<0\\ \arctan \left(\frac{-f_x^b}{f_z^b}\right)+\mathrm{\π};f_z^b\>0,\arctan \left(\frac{-f_x^b}{f_z^b}\right)\<0\\ \arctan \left(\frac{-f_x^b}{f_z^b}\right)-\mathrm{\π};f_z^b\>0,\arctan \left(\frac{-f_x^b}{f_z^b}\right)\>0\\ \frac{\mathrm{\π}}{2};f_x^b\>0,f_z^b=0\\ -\frac{\mathrm{\π}}{2};f_x^b\<0,f_z^b=0\end{array}\right.$

${\mathrm{\θ}}_a=\arctan \frac{f_y^b}{f_z^b{\mathrm{cos\γ}}_a-f_x^b{\mathrm{sin\γ}}_a}$

式中，γ_a表示横滚角，f_x^b、f_y^b、f_z^b表示加速度计的三向输出值。

基于陀螺仪的俯仰角θ_g计算如下所示：

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}1-2q_2^2-2q_3^2& 2q_1{q}_2-2q_0{q}_3& 2q_1{q}_3+2q_0{q}_2\\ 2q_1{q}_2+2q_0{q}_3& 1-2q_1^2-2q_3^2& 2q_2{q}_3-2q_0{q}_1\\ 2q_1{q}_3-2q_0{q}_2& 2q_2{q}_3+2q_0{q}_1& 1-2q_1^2-2q_2^2\end{array}\right]$

$\stackrel{\·}{q}=\frac{1}{2}q\⊗w^b$

${\mathrm{\θ}}_g=-\arcsin (2q_1{q}_3-2q_0{q}_2);\[-\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{\mathrm{\π}}{2}\]$

式中，q＝[q₀q₁q₂q₃]，w^b表示陀螺仪的三向输出。

互补滤波器的传递函数：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{sK}}_P+K_I}{s^2+{\mathrm{sK}}_P+K_I}{\mathrm{\θ}}_a+\frac{s^2}{s^2+{\mathrm{sK}}_P+K_I}{\mathrm{\θ}}_g$

式中，K_P、K_I用于调节滤波器的截至带宽。

通过调节K_P、K_I调整加速度计和陀螺仪的权重，抑制姿态的误差，提高其精确性与稳定性。