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可穿戴式步测量系统研制

王晨昊  
【摘要】:步态特征是指人类运动时下肢的运动特征参数,主要与时间空间相关。通过客观量化的方式将人体下肢的步态状况表示出来,用于分析被测者是否存在潜在的疾病或评估患者下肢康复情况。但是现有的步态采集系统因为体积大,需要特定环境与空间的设置,要求患者必须在医院中才能进行检测,存在成本高、效率低的缺点。因此本文设计了一种低成本的可穿戴式步态测量分析系统,使用该设备可以有效降低采集成本,简化采集工作。主要研究工作如下:采用惯性传感器(IMU)和压力传感器信号融合的方式来提取步态特征信息。通过使用压力传感器提取出被测者行走时脚底的压力数据,经处理后计算出相关的步态时相信息;使用IMU传感器提取与空间相关的原始数据。之后,将实时的步态时相信息和空间信息的原始数据进行采样存储,并通过无线通信的方式将系统中存储的数据打包发送到上位机端进行最后的数据分析。本文完成了传感器信号采集、微处理器外围电路、电源管理模块、FLASH储存模块、无线通信模块的硬件电路与程序设计。在此基础上,通过上位机中的特征计算程序对IMU传感器与压力传感器所提取的原始数据进行拟合处理,提取出关键的步态特征参数。针对IMU传感器原始数据难以直接转换为步态特征信息,本文设计了一种基于原始数据处理的方法取出关键的姿态角、步速、步长等信息。首先需要对IMU传感器进行精准标定,采用六位置标定的方法将IMU传感器的静态误差降到最低;其次,使用Mahony算法将加速度计与陀螺仪原始数据进行拟合,做闭环处理提取出四元数,通过转换公式将四元数转化为欧拉角;最后,使用零速度检测的方式,将加速度累积的积分误差进行处理,得到精确的速度与位移数据。系统软硬件设计、调试完成后,进行了步态测试实验。实验结果表明,本系统的步态周期准确率在97.5%以上,最大偏差为100ms步速的准确率在90.03%以上,最大测量偏差为7cm/s;步长的准确率在80.05%,最大偏差在11.7cm左右。最后通过实验验证了本系统的可行性。


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