人体步态测量系统信号处理方法研究(3)
以及幅度的测量，三轴的加速度计和三轴加速度传感器分别佩戴在被测者的下肢和躯体中心
位置，来测量人行走过程中的加速度和角速度信息[7]
。大连理工的韩宁采用一个三轴加速度
计和一个陀螺仪组成惯性测量模块，将模块固定在脚上，测量行走过程中的步态信号[8]
。刘
荣等在对人体步态分析中采用了三轴加速度计，通过将测量模块固定在人的后腰上，来测量
提取人行走过程中的步态参数[1]
。上海交大的杨洁等人在识别人体各中步态的项目中，则将
加速度计固定在被测者的胯部来实现信号的测量[9]
。
对步态的信号处理， 首先需要对步态信号进行步态周期的划分[10]
。 卡尔加里大学的 Godha
和成昆大学的 Jeen-ShingWang 认为人体行走过程中身体运动是周期性的， 每个周期都经历了
四个阶段。也就是将行走的一个周期分为四个部分，分别：为脚同地面充分接触的站立阶段，
脚正在离开地面时的脚尖离地阶段，脚同地面没有接触，完全分离的摆动阶段以及脚落地到
完全与地面接触的脚跟击地四个阶段[11，12]；但是莫纳什大学的 Gouwanda 却持有不同的观点。
他认为脚尖离地和脚跟击地为两个时刻点，并不是存在的时间段，因此应该将一个步态周期
分为两部分：脚与地面接触时的站立阶段和脚与地面分离的摆动阶段[13]。在对步态信号处理提取步态特征参数时，对步态周期的确定和识别是十分重要的，可以根据测量模块的选择而选择使用不同的信号来实现步态周期的确定。雅典纳特大学的 Zdragkas 使用了加速度计来测
量步态信号，因此也采用了加速度信号来实现对步态周期的分割[14]；Gouwanda 则是利用了角速度信号来进行判断[13]；大连理工的韩宁则是使用角速度信号是否为零值，来对步态周期进
行识别的[8]
。对步态参数的计算，主要是对步速、步长和步速的计算，大连理工的韩宁采用
了梯形数值积分法来进行对步速和步长的计算[8]
。中南大学的李兴超通过对加速度信号进行
自相关运算来获得行走过程中的步速特征[15]。
1.3 本文主要内容
本文基于加速度计和角速度计设计了一套人体步态测量系统，同时设计了一个用于提取
步态特征的算法，通过对角速度信号的分析完成了对步态周期的分割，并将加速度信号经过
坐标转换后完成了对步长、步速等步态特征参数的计算。
本文章节安排如下：
第一章是绪论，主要介绍了课题研究的社会背景以及国内外对该课题的研究现状。
第二章是步态测量系统介绍，主要讲了步态测量系统的构成，包括惯性测量模块、数据
传输模块以及处理模块，并且分别介绍了各个模块的硬件构成及特点。
第三章是步态信号处理算法介绍，主要是对步态信号处理过程中用到的一些算法进行了
介绍，包括坐标系的概念、四元数原理、方向余弦概念以及四台矩阵的求解方法等。
第四章是步态信号处理算法实现，具体介绍了步态信号处理算法的实现过程，包括步态
周期识别算法和步态参数求解算法。本章同时通过具体实验验证了测量系统和算法的可靠性。