微信运动（XX手环）记步准确么？看了这篇你就知道了！
编者按：
随着智能手机和智能硬件的发展，以微信运动等为代表的记步app和以智能手环为代表的记步软件已经走进了千家万户。每晚在运动排行榜上审视自己和好友一天的运动情况成了很多人新的爱好。由此也引发了不少讨论：
“xxx每天都显示走了两万多步，是不是把手机绑到狗身上了？”
🐶：“冤枉啊……”
---why？---
看了下面这篇文章，你会：
了解人的行走的“运动分解”模式
了解一般记步器的原理
知道作者对此所做的改进并有理由相信，未来的记步软件会更加精确
“再也不怕别人质疑我的运动步数了呢！
我就是--运动健将！”
如果你是个阿宅……当我没说
引用本文：
陈国良, 杨洲. 基于加速度量测幅值零速检测的计步算法研究[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2017, 42(6): 726-730, 788
（扫描二维码可查看论文）
绿皮 行人运动模型
行人行走是左右腿周期性交替摆动的过程。行人的步态周期可以分为脚部着地阶段和跨步摆动阶段。着地阶段从行人脚跟着地开始，到脚尖离地结束；跨步摆动阶段从脚尖离地开始到脚跟着地结束，如此双腿不断交替运动
◎行人运动模型
运动参数分析：
从运动参数角度，行人肢体周期性地运动会导致运动参数如速度、加速度和旋转角速度等发生周期性的变化。
◎运动参数变化曲线图
行人正常行走进入跨步摆动阶段，脚尖离地后，加速度为正值(以行人行走方向为正)，速度增大，腿部加速摆动；
随后加速度减小直至为零，速度达到最大值，腿部抬至最高点；
加速度继续减小为负值，速度开始减小，腿部经历减速过程直至脚部着地，此时速度和加速度都近似为零，进入脚部着地阶段。
想不到吧？普通的一个走路动作，包含了这么多细节。
绿皮 基于零速检测计步算法设计
常见的利用加速度进行计步的算法有波峰检测法、相关性分析法和零速检测法。
波峰检测法是通过检测信号波形的峰值，根据运动特征判断有效步伐，统计步数。这种检测方法通过检测加速度曲线的极值，而加速度曲线并不是严格的正弦或余弦曲线，因此，存在误差。
自相关判别法是利用当前跨步周期和上一跨步周期的加速度值的相关性来判别行人的运动状态。这种方法依赖于严格的加速度值之间的相关性，对算法要求较高。
零速检测常用来处理惯性导航系统(inertial navigation system，INS)中累计误差问题。
人们在停止运动时，理论上速度和加速度均为零，而实际上系统仍然有输出值，将输出值当做零速误差作为外部测量值修正INS（惯性导航系统，inertial navigation system），是减小误差，准确记步的有效方法。
行人运动是在地理坐标下的运动，而IMU输出的加速度是载体坐标系下的数值，为便于阈值的选取和方便判别的实施，需要进行坐标转换。
◎坐标系
◎ 加速度坐标转换
经过了一系列的坐标转化，行人脚步着地时三轴加速度线型水平且均为零，转换后的加速度曲线便于正确统计行人前进步数。
（想看完整算法，记得点击“阅读原文”或扫描二维码查看全文哟！）
整个算法改进步骤如下：
绿皮 实验与分析
为了实验的精确性，采用了专业的记步设备进行实验（各种xx手环退散！）
该硬件产品是美国Microstrain公司生产的3DM-GX3-25微型航向参考系统，同时集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，所有的参数输出都经过温度补偿，保证了元件工作过程中的稳定性。3DM-GX3-25的数据输出频率从1 Hz到1 000 Hz，适用于各种运动姿态的检测，实验中使用USB接口实现3DM-GX3-25与计算机进行数据传输。
实验时利用胶带将测量元件固定在脚面上方，数据采集频率为50 Hz；算法采用MATLAB编程实现。为了验证计步算法的准确性以及对不同运动状态的适应性，开展三种不同的实验：第一种是行人沿走廊直线行走；第二种是行人行走过程中经过两个拐角；第三种是行人行走过程中经过楼梯，利用上述计步算法分别测试3种实验场景中的计步效果。
下图显示了3种不同运动状态下加速度波形的相应变化，可以看出不同运动状态下的加速度曲线各不相同。直线行走状态由于运动状态比较稳定，加速度呈现出明显的周期性，并且曲线变化比较稳定；行走过程中遇到拐角时，由于脚踝和腿部的旋转，三轴加速度会产生变化，波形也表现出相应的变化；而在行人上下楼梯中加速度变化比较明显，特别是竖轴加速度。
◎三种状态下的加速度变化曲线
三种状态分别做5次实验，每次实验行走100步，具体的实验结果如表 1所示。
虽然三种运动状态差异较大，相应的加速度曲线也各不相同，但是利用加速度量测幅值零速检测进行计步的算法仍然可以准确的统计出行人行走的步数。直线行走状态下几乎可以完全统计出行人行走的步数，计步正确率达到99%以上，经过拐角和楼梯的运动状态也具有较为准确的统计结果，达到了98%以上，实验结果表明该计步算法具有良好的准确性和稳定性。
制作 | 王晓醉
公众号ID：GeoInfoSciWhu
武汉大学学报信息科学版
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