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摘要计步的准确性是当前计步器中存在的主要问题之一,尤其是在平坦的土地上缓慢行走并执行不同的活动(例如,上下楼梯和在倾斜平面上行走)时。尽管基于加速度计的计步器在
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本科毕业设计(论文)外文翻译译文
学生姓名: 李永辉
院 (系): 计算机学院
专业班级: 计 1601
指导教师: 康磊
完成日期:
2020
年
3
月
6
日
要 求
1、外文翻译是毕业设计(论文)的主要内容之一,必须学生独立完成。
2、外文翻译译文内容应与学生的专业或毕业设计(论文)内容相关,不得少于
15000 印刷符号。
3.外文翻译译文用 A4 纸打印。文章标题用 3 号宋体,章节标题用 4 号宋体,正
文用小 4 号宋体,20 磅行距;页边距上、下、左、右均为 2.5cm,左侧装订,装订线
0.5cm。按中文翻译在上,外文原文在下的顺序装订。
4、年月日等的填写,用阿拉伯数字书写,要符合《关于出版物上数字用法的试
行规定》,如“2005 年 2 月 26 日”。
5、所有签名必须手写,不得打印。
基于陀螺仪数据的计步器算法
A Gyroscopic Data based Pedometer Algorithm
作者: Sampath Jayalath
斯里兰卡信息技术学院电气与计算机工程系
斯里兰卡马拉贝新坎迪路
adasdjsampath@gmail.com
起止页码:551-555
出版日期(期刊号):
2013
年
4
月
26
日至
28
日
出版单位:第八届计算机科学与教育国际会议(ICCSE 2013)
外文翻译译文:(小 4 号宋体)
摘要
计步的准确性是当前计步器中存在的主要问题之一,尤其是在平坦的土地上缓慢
行走并执行不同的活动(例如,上下楼梯和在倾斜平面上行走)时。尽管基于加速度
计的计步器在较高速度下行走时可提供合理的精度,但在慢速行走和执行不同活动时,
其准确性仍不足。本文提出了一种新颖的算法,该算法使用嵌入在移动设备中的单点
陀螺仪传感器来检测步距。对在男性和女性志愿者的参与下在不同环境中收集的数据
进行的初步分析表明,陀螺仪本身可以提供足够的信息来进行准确的步幅检测。该算
法是基于陀螺仪陀螺数据,同时结合了过零和阀值检测技术而开发的。结果证明,基
于陀螺仪的步检测算法在执行不同活动和慢速步行时提供较高的准确性。
关键字:计步器算法 陀螺仪数据 单点传感器 成批设备 移动应用程序
1.
介绍
现代医学研究强调,计步器不仅支持人体行为,而且也在很大程度上支持人类的
心理活动
[1]
,
[2]
,
[3]
。低成本的计步器有助于提高步行者的动力
[4]
,还可以应用于室内导
航、活动识别以及各种医疗保健领域。计步器可用于检测人体垂直加速度产生的步数。
这在两种机制下起作用。一种是基于机械的加速度计,另一种是基于电子的加速度计。
现代计步器通常基于 MEMS(微机电系统)加速度计,主要基于 1 轴,但是也有 2
轴和
3
轴加速度计,陀螺仪和磁力计的使用提高了精度并释放了一些使用限制,例如
计步器定位。这些系统的精度处于可接受的水平,但是还不够完美,因为存在着各种
缺陷
[5]
,计步器的应用程序现已升级,可以在移动设备中找到它。随着计步器在移动
设备上的应用显而易见,现在已经提高了医疗应用的标准。
研究人员提出的某些计步器算法的方法将在背景技术部分进行讨论,包括其特征
和缺点。
2. 背景
S.E Crouter
等人
[6]
比较了市场上可用的
10
个计步器的准确性和可靠性。这些计步
器基于诸如加速度计,金属对金属和磁簧片接近开关之类的机制。 注意所有测试均
以正常的步行速度进行很重要。他们的结论是,计步器的准确性在很大程度上取决于
内部机制和灵敏度。但是,当他们缓慢行走并进行诸如上下楼梯之类的活动时,他们
无法测量计步器的准确性。
Jerome 和 Albright
[7]
用市售的计步器进行的比较研究表明,准确度很差,最小平
均绝对误差值为
13
%。他们的结论是,这些计步器均不能用于研究目的或通常用途。
Wasiq Waqar 等人
[8]
为他们的“ 室内定位系统”开发了一种基于加速度计的计步器,
该计步器包括一个基于阈值的预设阈值检测方法来识别有效步长,而步周期模式检测
方法则要丢弃由于加速度计的瞬时读数而导致无效步长。应该注意的是,由于预设阈
值,计步器的结果可能会随不同的步行模式和速度而变化。
Melis Oner 等人
[9]
为他们的“坠落早期检测系统”实现了另一步检测算法。该特定
算法的阶跃检测依赖于步行过程中加速度计传感器产生的数据中某个时间段内的峰
值检测。他们能够在较高的步行速度下以及将移动式计步器固定并宽松地放在口袋中
时获得更高的精度。但是,他们的算法无法在缓慢的步行过程中准确地计算步数。
Mi-hee Leer
等人
[10]
通过一些先进的处理,如
FFT
,
Fuzzy C
和统计计算,能够在
其便携式加速度传感器模块中实现 99%的精度。但是他们最终一直认为,他们的系
统不能实时处理数据,无法在活动过程中测量步数,例如上楼梯和下楼梯,并且需要
一种有效的设备来进行处理。
A.M. Cavalcante 等人
[11]
开发了一种计步器,用于“移动设备上的室内实时跟踪”
研究。该系统结合滑动窗口机制比较加速度样本的平均值以检测步。他们的结论是,
适当的采样率,滑动窗口和嵌入在移动设备中的质量传感器是准确检测步的主要要求。
据 Garcia 等人
[12]
对基于手机的计步器与市售的计步器精度的比较研究得出的结
论是,与市售的计步器相比,手机具有竞争优势。此外,当速度较慢时,两者的准确
性均较低;而步行较快时,两者的准确性均较高。
Lim 等人
[13]
提出了一种基于陀螺仪的计步器,但并未对其实际使用进行深入讨论。
Zhong 等人
[14]
还讨论了基于加速度计传感器的计步器,该传感器附在脚上,并在 PDA
上进行处理,能够达到
90
%以上的准确度。但是这些计步器都不能方便地将任何传
感器与身体相连,因此无法与任何应用程序配合使用。
根据 G. Boyce 等人
[15]
对市场上免费提供的基于手机的计步器技术准确性的比较
研究得出的结论是,在确定步数时,基于手机的应用程序落后于使用商用计步器。需
要进行设置的进一步操作以提高一个活动级别的步数计数的准确性,但是随着活动强
度的变化,需要重新校准。
M.Ayabe
等人
[16]
对计步器在上下楼梯时的准确性进行了重要的研究。他们使用了
一个弹簧杠杆式和两个压电式电子计步器来测试准确性。他们的结论是,计步器可以
在爬楼梯活动期间以 80 步每分钟的步速或在 18 厘米或更高的楼梯速度下更快地在可
接受的测量误差范围内准确评估步数。但是,应该指出的是,他们已经强调了在较慢
的步进速度下精度较差。
以前的大多数研究已经确定,计步器在慢速行走时效果较差,可靠性较差。这种
不准确性是由于臀部的较小垂直运动引起的,该运动低于特定的计步器阈值,因此未
被记录。计步器的另一个限制是它不包含内部时钟。因此,不可能确定所进行活动的
强度或持续时间。
3.
实施算法
该算法是基于 N. Abhayasinghe 等人在“室内定位与导航”
[17]
理论研究所做的实
验结果提出的。该特定算法仅使用由移动设备产生的陀螺仪数据来预测步长。可以描
述如下:
A. 算法背后的初始概念
步行过程中腿部运动表现出正弦行为。通过监视腿的角速度,可以清楚地识别这
种行为。因此,陀螺仪的一个轴根据设备的方向提供有关腿部运动的信息。一项关于
“将现代移动设备放在口袋中的方式”的小型研究证明,几乎所有用户都将其设备垂
直放置在口袋中。因此,考虑监视陀螺 x 轴数据。重要的是要注意,对于不同的方向,
仅需要更改的变量就是我们从陀螺仪获取数据的轴。
B. 过滤原始数据
最初,原始数据是使用适当的过滤器过滤的,该过滤器将保留行走的属性。典型
的步行速度可能在
2 Hz
左右,而跑步可能会翻倍,慢速步行可能是其一半。选择适
合慢节奏活动的截止频率是实现更高精度的主要考虑因素。因此,滤波器的选择是具
有截止频率在 0.9 Hz 至 3 Hz 范围内的简单的六阶 Butter 有价值的低通滤波器。图 1
描绘了原始
gyro-x
值及其滤波版本(
2 Hz
)。
C. 去除不需要的信号成分
陀螺仪数据在对设备的阶跃和瞬时运动进行滤波之后,呈现正弦曲线行为。采样
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柏傅美
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