隨著MEMS 技術的發展，基於MEMS 技術的慣性傳感器得到迅速發展，其具有價格低、體積小
、功耗低、精度高的特點，利用MEMS jiasuduchuanganqishejidedianzijibuqi

，tongguoceliangrentixingzoushidejiasuduxinxi
，jingguoruanjiansuanfajisuanbufa，keyikefujixieshijibuqizhunqueduhelingmindudidequedian，kezhunquedijiancebufa，tongshihaikeyishuchuyundongzhuangtaideshishishuju，duiyundongshujujinxingcaijihefenxi。

　　1 人體運動模型

　　通過步態加速度信號提取人步行的特征參數是一種簡便
、可行的步態分析方法。行走運動包括3 個分量

，分別是前向
、側向以及垂直向
，如圖1 所示。LIS3DH 是一種三軸（ X，Y，Z 軸） 的數字輸出加速度器
，可以與運動的3 個方向相對應。

　　行走運動分量在一個步伐，即一個邁步周期中加速度變化規律如圖2 所suo示shi，腳jiao蹬deng地di離li開kai地di麵mian是shi一yi步bu的de開kai始shi，此ci時shi
，由you於yu地di麵mian的de反fan作zuo用yong力li垂chui直zhi加jia速su度du開kai始shi增zeng大da
，身shen體ti重zhong心xin上shang移yi
，當dang腳jiao達da到dao最zui高gao位wei置zhi時shi，垂chui直zhi加jia速su度du達da到dao最zui大da，然ran後hou腳jiao向xiang下xia運yun動dong，垂chui直zhi加jia速su度du開kai始shi減jian小xiao
，直zhi至zhi腳jiao著zhe地di，加jia速su度du減jian至zhi最zui小xiao值zhi，接jie著zhe下xia一yi次ci邁mai步bu發fa生sheng。前qian向xiang加jia速su度du由you腳jiao與yu地di麵mian的de摩mo擦ca力li產chan生sheng的de，因yin此ci

，雙shuang腳jiao觸chu地di時shi增zeng大da，在zai一yi腳jiao離li地di時shi減jian小xiao。

　　圖3 為一次步行實驗中
，LIS3DH 檢測到的X
，Y
，Z 軸的加速度變化情況。可以看出： Z 軸加速度數據（ 人行走的豎直方向） 具有明顯的周期性，加速度值最小處對應的是腳離開地麵（ 一步的開始或結束） ，最大值對應腳抬到最高點。

　　在具體使用時，手持設備的放置情況是隨意的，加速度計的3 個軸有可能不與人體模型定義的3 個軸向重合，文中提到利用加速度的峰—峰(feng)值(zhi)來(lai)判(pan)斷(duan)加(jia)速(su)輸(shu)出(chu)最(zui)大(da)的(de)一(yi)軸(zhou)作(zuo)為(wei)有(you)效(xiao)軸(zhou)。但(dan)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)易(yi)丟(diu)失(shi)計(ji)數(shu)點(dian)，使(shi)計(ji)數(shu)不(bu)夠(gou)準(zhun)確(que)。為(wei)了(le)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)三(san)軸(zhou)信(xin)號(hao)，本(ben)文(wen)將(jiang)加(jia)速(su)度(du)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)取(qu)模(mo)求(qiu)和(he)後(hou)用(yong)來(lai)計(ji)步(bu)。

　　2 算法設計

　　由圖3 可知，Z 向xiang加jia速su度du計ji原yuan始shi輸shu出chu雖sui然ran具ju有you一yi定ding的de周zhou期qi性xing
，但dan由you於yu噪zao聲sheng導dao致zhi變bian化hua複fu雜za
，不bu易yi於yu直zhi接jie進jin行xing計ji步bu，需xu對dui信xin號hao進jin行xing濾lv波bo
，盡jin可ke能neng消xiao除chu噪zao聲sheng影ying響xiang。通tong常chang情qing況kuang下xia
，人ren的de步bu頻pin最zui快kuai不bu會hui超chao過guo5 steps /s，最慢為0．5 steps /s。因此，可以認為原始信號中頻率為0． 5 ～ 5 Hz 的信號為有用信號
，其他信號均為噪聲。可以用（ FFT） 濾lv波bo實shi現xian保bao留liu部bu分fen頻pin率lv信xin息xi的de要yao求qiu，提ti取qu有you用yong信xin息xi。但dan正zheng常chang行xing走zou的de任ren一yi段duan時shi間jian內nei，步bu頻pin的de變bian化hua都dou會hui集ji中zhong在zai峰feng值zhi頻pin率lv附fu近jin的de一yi個ge小xiao範fan圍wei內nei，而er不bu是shi0． 5～ 5 Hz 這麼大，所以，本文經過分析大量實驗數據的頻譜，建立了一個比0． 5 ～ 5 Hz 小的自適應頻率範圍（ f1，f2） （ 如圖4 所示） ，通過FFT 保留該頻率範圍內的有用信號，去除範圍外的無用信息。

　　經實驗驗證利用該動態頻率範圍能更好地去除噪聲對步數判斷的影響，如圖5（ a） 和（ b） 所示。圖5 （ a） 是利用FFT 濾波和動態頻率範圍對原始加速度信號濾波後的加速度變化曲線
，圖5（ b） 是直接利用FFT 濾波與0． 5 ～ 5 Hz 的頻率範圍對原始加速度濾波後的加速度變化曲線。

　　由圖5 可以看出： 圖5（ a） 中部分噪聲還不能消除，存在多峰值的情況
，而計步圖5（ b） 中zhong加jia速su度du曲qu線xian較jiao平ping滑hua
，加jia速su度du的de周zhou期qi性xing化hua趨qu勢shi已yi非fei常chang明ming顯xian，變bian換huan規gui律lv也ye比bi較jiao簡jian單dan，可ke利li用yong軟ruan件jian算suan法fa實shi現xian計ji步bu，停ting止zhi時shi加jia速su度du雖sui仍reng有you一yi定ding的de輸shu出chu，但dan其qi峰feng值zhi明ming顯xian小xiao於yu行xing走zou時shi加jia速su度du峰feng值zhi
，因yin此ci，可ke通tong過guo限xian定ding加jia速su度du的de大da小xiao去qu除chu影ying響xiang。對dui行xing走zou時shi加jia速su度du變bian化hua曲qu線xian進jin行xing分fen析xi，可ke以yi看kan出chu在zai一yi定ding時shi間jian間jian隔ge內nei會hui有you一yi個ge加jia速su度du波bo穀gu（ 圖中的1 ～ 4 點） 和加速度最小的時刻（ 對應腳落下或者抬起） ，當腳抬起來的時候（ “起點”） ，身shen體ti重zhong心xin上shang移yi
，加jia速su度du也ye變bian大da，加jia速su度du曲qu線xian中zhong波bo峰feng對dui應ying的de是shi人ren腳jiao抬tai至zhi最zui高gao處chu，再zai到dao下xia一yi個ge波bo穀gu，這zhe就jiu是shi一yi個ge完wan整zheng的de步bu伐fa。此ci外wai，計ji步bu器qi因yin步bu行xing之zhi外wai的de原yuan因yin而er迅xun速su或huo緩huan慢man振zhen動dong時shi
，也ye會hui被bei計ji數shu器qi誤wu認ren為wei是shi步bu伐fa。在zai步bu行xing時shi
，速su度du快kuai時shi一yi個ge步bu伐fa所suo占zhan的de時shi間jian間jian隔ge長chang
，走zou的de慢man時shi時shi間jian間jian隔ge短duan
，但dan都dou應ying在zai動dong態tai頻pin率lv範fan圍wei確que定ding時shi間jian窗chuang口kou內nei，所suo以yi，利li用yong這zhe個ge時shi間jian窗chuang口kou就jiu可ke以yi有you效xiao地di減jian小xiao無wu效xiao振zhen動dong對dui步bu頻pin判pan斷duan造zao成cheng的de影ying響xiang。基ji於yu以yi上shang分fen析xi
，可ke以yi確que定ding邁mai步bu周zhou期qi中zhong加jia速su度du變bian化hua情qing況kuang應ying具ju備bei以yi下xia特te點dian

　　（1）一個邁步周期中僅出現一次加速度極大值、極小值
，有一個上升區間和下降區間; （2）一個單調區間對應邁步周期的50 %

，因而
，時間間隔應該在1 /2 個時間窗口之間; （3）行走時，加速度極大值與極小值是交替出現的
，且其差的絕對值不小於預設的閾值1。根據以上三點對加速度變化區間進行約束，認為同時滿足以上三點變化區間對應半個步伐。具體流程圖如圖6所示。

　　3 硬件實現

　　圖7 所示為係統的硬件結構框圖。本文中選用的加速度傳感器LIS3DH 輸出數字信號，所以，采樣得到的數據不必再專門選用芯片來做模數轉換。傳感器和控製模塊接口為SPI 總線或者I2C 總線。加速度傳感器LIS3DH
，有X，Y，Z 三個自由度的加速度數字輸出，可以全方位感知人體行走運動信息; 控製模塊由LCD12864［5］顯示模塊、微控製器MC9S12XS128［6］
、鍵盤和電源組成，用來讀取加速度信息
，並將算法處理得到計步數值顯示在液晶顯示屏上。

　　為了檢驗計步器的精度和適應能力
，在加速度計Z 軸朝上的情況下從較慢步頻、正常步頻、較快步頻3 個方麵進行測試，分別進行2 組實驗，每次實驗行走100 步。計步器測試結果見表1。

　　4 結論

加速度傳感器LIS3DH 采用3mm &TImes; 3mm &TImes; 1mm 的小尺寸封裝
，大大減小了整個係統的尺寸，可以很方便地移植到如手機、遙控器以及遊戲機這些有運動感應功能
，而空間和功耗有嚴格限製的設計中; 由(you)於(yu)具(ju)有(you)三(san)軸(zhou)數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)功(gong)能(neng)
，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)將(jiang)計(ji)步(bu)器(qi)戴(dai)在(zai)身(shen)上(shang)任(ren)何(he)部(bu)位(wei)。該(gai)計(ji)步(bu)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)較(jiao)好(hao)地(di)適(shi)應(ying)不(bu)同(tong)步(bu)頻(pin)情(qing)況(kuang)，計(ji)步(bu)精(jing)度(du)高(gao)，穩(wen)定(ding)性(xing)好(hao)。








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