[发明专利]一种基于惯性传感器的人体步态分析方法和系统

摘要

本发明属于步态分析技术领域，尤其涉及一种基于惯性传感器的人体步态分析方法和系统。根据人体运动特征，对传感器信号进行滤波处理消除信号噪声误差，使用改进的零速度更新算法消除积分误差，使其适用于不同的步行场景；使用迪纳维特‑哈坦伯格法融合多个传感器数据，减少腿部位置计算误差；经过误差矫正，精确计算被测者行走过程中的步速、步长、步频、步行周期和步行轨迹；建立步态数据库，通过分位数回归分析方法对不同被测者的步态数据进行统计分析。本发明能够提高步态参数测量精度，通过标准化处理使不同被测者的步态参数具有可比性。

主权项

1.一种基于惯性传感器的人体步态分析系统，其特征在于，该系统包括数据采集装置、数据分析处理装置和步态数据库单元；所述的数据采集装置包括惯性传感器标定单元、传感器信号采集单元、数据滤波单元和自容式数据存储单元，用于采集人体步行过程中下肢的运动信号和三维地磁场分量信号，运动信号包括三维加速度和三维角速度；人体步行过程中下肢的运动信号通过三轴加速度计和三轴陀螺仪采集得到；人体步行过程中的三维地磁场分量信号通过三轴电子罗盘采集得到；三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴电子罗盘分别对应安装在被测者的大腿中段，小腿中段以及足背位置；惯性传感器标定单元，用于标定传感器，通过三维转台和三维导轨对传感器进行标定；传感器信号采集单元，用于采集人体步行过程中下肢的运动信号和三维地磁场分量信号；数据滤波单元，用于对采集到的运动信号和三维地磁场分量信号进行去噪声处理；自容式数据存储单元，用于将采集到的运动信号和三维地磁场分量信号保存到存储设备中；所述数据分析处理装置包括初始姿态分析单元、步态参数计算单元和误差矫正单元；初始姿态分析单元，用于根据采集的运动信号和三维地磁场分量信号，获得人体的初始姿态，运动信号包括三维加速度信号和三维角速度信号，根据人体的初始姿态获得传感器坐标系与地面坐标系之间的偏差量，利用偏差量修正由传感器坐标系变换到地面坐标系的旋转矩阵，以对俯仰角、滚转角和偏航角进行补偿，并获得补偿后的人体初始方位信息；步态参数计算单元，用于根据采集到的运动信号以及修正的旋转矩阵，获得人体从静止站立状态切换到行走状态的开始时刻，从开始时刻开始使用扩展的卡尔曼滤波器进行传感器数据融合，更新人体方位信息，并根据采集的运动信号检测人体步行过程中的步态时相，进而获得人体步态参数；其中，所述步态时相包括支撑时相和摆动时相，支撑时相分为脚跟击地期、站立相中期、完全站立期和脚跟离地期，摆动时相分为加速期、摆动期和减速期；所述人体步态参数包括人体行走过程中的步速、步长、步频、步行周期和步行轨迹；误差矫正单元，用于消除传感器误差积累，更新人体步态参数；当检测到站立相中期时，小腿与地面垂直，以着地的腿作为摆动轴被测者身体重心前移，对整个人体建立一级倒立摆模型，执行零速度更新算法消除误差，并更新获得的人体步态参数；当检测到完全站立期时，足部完全贴合地面，足部小腿和大腿形成通过铰链关节连接的刚体，使用迪纳维特‑哈坦伯格法建立下肢运动学模型，并融合腿部的运动信号和足部的运动信号，以消除误差，并更新获得的人体步态参数。