專利名稱：用于測量鍛煉活動中的效能的方法和系統(tǒng)以及用于該系統(tǒng)中的運動鞋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定在跑步或步行中的速度、經(jīng)過的距離、持續(xù)時間、平均速度、由人或動物所消耗的卡里路的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及用于該系統(tǒng)和方法中的運動鞋或旅游鞋。
在以前，事實表明定期鍛煉是抵抗心血管疾病的重要因素。并且還表明定期鍛煉對人的精神狀況有正面的影響。因此許多個人著手于他們的健康計劃，如定期慢跑、跑步或步行。跑步被認(rèn)為對身體有治療效果。它增加心肺健康、幫助降低血壓、降低與心臟病有關(guān)的膽固醇以及減輕體重。由于步行、慢跑和跑步的人數(shù)增加，同樣輔助進(jìn)行步行、慢跑或跑步的人們的設(shè)備的數(shù)目也增加。已經(jīng)在市場上常見的這種設(shè)備通常稱為計步器或步數(shù)計。如果跑步者或步行者的步幅長度為常數(shù)，則該計步器給出跑步者或步行者的速度測量值以及經(jīng)過的距離。但是，步幅長度通常不是常數(shù)，并且不由各種速度所確定，因此這些設(shè)備不是非常準(zhǔn)確。
測量跑步的速度的現(xiàn)有設(shè)備不能輸出步幅長度。這些方法中的一種在美國專利第4,578,769號中描述，其通過測量鞋與地面之間的接觸時間計算跑步或步行速度。但是，接觸時間與速度之間的關(guān)系僅對于超過8公里/小時的跑步速度才為線性。用這種設(shè)備不可能準(zhǔn)確地確定步行時的步行速度和通過距離。另外，所述關(guān)系和所述確定方法依賴于個人情況。
一種更準(zhǔn)確的設(shè)備可從國際申請?zhí)朩O 97/21983的文獻(xiàn)中得知。在這種已知的設(shè)備中，執(zhí)行數(shù)學(xué)計算以確定每步的距離和高度的加速計和旋轉(zhuǎn)傳感器以及電路被置于跑步者的鞋底中。這種已知的設(shè)備采用三個加速度傳感器和三個旋轉(zhuǎn)傳感器用于測量跑步者的腳的位移量?？梢岳斫膺@種已知的設(shè)備是復(fù)雜的并且相對昂貴。
本發(fā)明的一個目的是提供一種新的和改進(jìn)的用于輔助跑步的測量方法和系統(tǒng)，其克服現(xiàn)有設(shè)備的缺點，并且相對便宜和簡單并且便于使用。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種跑步輔助設(shè)備，用其可以容易和精確地確定跑步者的速度。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種跑步輔助設(shè)備，用其可以容易和精確地確定跑步者的通過距離。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種跑步輔助設(shè)備，用其可以容易和精確地確定平均和最大速度、跑步者的總通過距離、跑步者的步幅長度、持續(xù)時間、由跑步者所消耗的卡里路數(shù)。
為了實現(xiàn)上述和其它目的，根據(jù)本發(fā)明，在此提供一種用于測量鍛煉活動中的效能的系統(tǒng)，其中包括加速度傳感器，用于測量在鍛煉者的腳的運動方向上的加速度，并用于根據(jù)所述加速度提供一個加速度信號；信號處理裝置包括用于分析加速度信號的波形和用于從該分析確定由鍛煉者的腳邁出一步的過程中腳的運動開始和結(jié)束的裝置；用于在所述運動的開始和所述結(jié)束之間對加速度信號求單積分和雙重積分的裝置，以分別在步幅的過程中計算作為時間的函數(shù)的腳步速度，以及計算作為時間的函數(shù)的腳步通過距離；用于通過用在腳運動結(jié)束時的速度除以步幅結(jié)束和開始之間的持續(xù)時間來補償加速度誤差從而計算加速度誤差的裝置；用于通過在腳運動的結(jié)束和開始之間的所述持續(xù)時間上求加速度誤差的雙重積分計算距離誤差的裝置；用于通過從步幅過程中通過的距離減去距離誤差而計算校正的距離的裝置。
用于本發(fā)明中以確定跑步或步行時的速度和通過距離的方法是基于持續(xù)監(jiān)控跑步者或步行者的腳的加速度而進(jìn)行的。這是至少通過一個附著到腳或鞋上或者安裝在跑步者的鞋中測量加速度的加速計而實現(xiàn)的，如果要監(jiān)控跑步者的前進(jìn)速度和步幅長度，則測量與腳趾和腳踝之間的直線相平行或與鞋頭和鞋跟之間的直線相平行的前進(jìn)方向上的加速度；或者如果要測量跑步者的垂直速度和跳躍高度，則測量與上述方向相垂直方向上的加速度；或者測量用戶感興趣的在鍛煉過程中的效能的任何方向上的加速度。由加速度計所產(chǎn)生的信號被處理和分析。
用于解釋加速度信號的算法基本上包括三個主要功能，即，步幅的開始和結(jié)束的確定、加速度信號的雙重積分、以及雙重積分信號的校正。步幅的開始和結(jié)束的確定通過分析加速度信號的波形而完成。加速度信號在開始和結(jié)束之間的單積分得出作為時間的一個函數(shù)的腳步速度，而加速度的雙重積分給出作為時間的函數(shù)的腳步距離。
但是，如加速度傳感器所感應(yīng)的加速度與腳或鞋在步行或跑步方向上的實際加速度不同。由于腳或鞋與地面之間的角度不斷改變，因此在步行或跑步方向上的加速度與由加速度傳感器所感應(yīng)的加速度之間的關(guān)系復(fù)雜。另外，還由于該改變的角度，以及重力加速度導(dǎo)致附加的復(fù)雜信號。但是，本發(fā)明人認(rèn)識到當(dāng)利用進(jìn)一步的條件時，不需要知道作為時間的函數(shù)的角度值。
在步幅的結(jié)束時，腳或鞋的速度為0，因為它落在了地面上。但是由于加速度信號的附加成分，從步幅的開始到步幅的結(jié)束之間的加速度信號的單積分的結(jié)果，即在步幅結(jié)束時腳或鞋的速度，不等于0。該附加成分可從步幅結(jié)束時的速度計算，并被用于計算步幅過程中的校正的通過距離。跑步者的速度通過把該校正距離除以相繼的步幅之間的持續(xù)時間而計算。這樣，通過的距離和跑步者的速度可以被精確計算，而不采用多個加速度和旋轉(zhuǎn)傳感器。
通過輸入個人數(shù)據(jù)，利用鍛煉者的質(zhì)量，可以計算由鍛煉所消耗的卡里路數(shù)。通過添加心率監(jiān)控器，并結(jié)合心率數(shù)據(jù)和由鍛煉在單位時間內(nèi)消耗的卡里路，則可以產(chǎn)生一個表示鍛煉者的健康狀況或狀態(tài)的數(shù)值。該跑步輔助系統(tǒng)還可以包括一個纏繞在手腕或其它地方的顯示單元，它顯示例如當(dāng)前速度、步幅長度、持續(xù)時間、平均速度、最大速度、總的通過距離、消耗的卡里路以及健康指示等數(shù)據(jù)。包括加速度傳感器的單元和信號處理裝置與顯示單元之間的通信最好通過傳感器單元中的無線發(fā)射器和顯示單元中的接收器而實現(xiàn)。
加速度傳感器可以包含在一個要附著在鍛煉者的腳上的單元。該單元可以包含在運動鞋的鞋底中，該單元還可以包括信號處理裝置和發(fā)射器。
從下文參照附圖對本發(fā)明的實施例的描述中，本發(fā)明的上述和其它特點和優(yōu)點將變得更加清楚，其中

圖1為示出傳感器單元附著到腳上以及接收和顯示單元纏繞在手腕上的跑步者的透視圖2為具有按照本發(fā)明的原理進(jìn)行工作的內(nèi)置加速度傳感器的運動鞋的部分截面示圖；圖3示出在與跑步者所穿著的運動鞋的鞋頭和鞋跟之間的直線平行的方向上的跑步者的腳的加速度；圖4示出構(gòu)成跑步輔助系統(tǒng)的電子單元的方框圖；圖5示出當(dāng)跑步者以6公里/小時的速度步行時加速度傳感器信號的波形的一個實例；圖6示出當(dāng)跑步者以9公里/小時的速度跑步時加速度傳感器信號的波形的一個實例；圖7示出用于計算速度和由跑步者所通過的距離的算法的主程序的流程圖；以及圖8示出用于計算跑步者的速度的程序的流程圖。
在附圖和優(yōu)選實施例的描述中所采用的相同參考標(biāo)號表示相同或非常類似的條目。
圖1示出帶有繞在其手腕上的顯示單元2并穿著運動鞋4的一個步行者或跑步者。在其中一只鞋4上附著傳感器單元6。但是，傳感器單元6還可以包含在鞋底中，這在圖2中更加詳細(xì)地示出。傳感器6還可以直接附著到人的腳上。圖4示出在顯示單元2和傳感器6中的電子裝置的方框圖。傳感器單元6包括如此安裝的一個加速度傳感器8，它感應(yīng)在基本上與鞋4的鞋頭和鞋跟之間的直線相平行的方向上的加速度，或者如果這人把傳感器單元6直接附著在腳上，則該傳感器感應(yīng)與該人的腳趾和腳跟之間的直線相平行的方向上的加速度。圖3示出穿著具有內(nèi)置傳感器單元6的跑步者。箭頭表明沿著鞋4的鞋頭和鞋跟之間的直線上的鞋4的加速度方向。加速度傳感器8應(yīng)當(dāng)被安裝為對圖3中的箭頭所示的方向敏感。適用于此目的的加速度傳感器例如為由Murata所生產(chǎn)的PKGS-OOLA-TC型壓電加速計。傳感器單元6還包括把來自加速度傳感器8的加速度信號AS放大到適合于把放大的模擬加速度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)12的電平。該數(shù)字信號被提供給微處理器14，它對加速度傳感器信號的波形進(jìn)行分析，計算跑步者的速度，步幅長度和其它參數(shù)，并產(chǎn)生用于驅(qū)動發(fā)射器16的信號。顯示單元2包括接收器18和顯示器20。
執(zhí)行上述傳感器單元6的電路功能所需的電子元件可以安裝在一塊小的印刷電路板上并且裝在鞋底內(nèi)或者置入附著到鞋的一側(cè)或上部的小盒內(nèi)。
跑步者或步行者必須能夠讀取當(dāng)前的跑步或步行速度、通過的距離、平均速度、持續(xù)時間，等等。為此目的，需要在手表中、在小的手持設(shè)備中帶有顯示器，或通過任何其它方式由用戶所獲得。在鞋4中或附著在鞋上的傳感器單元6與繞在手腕或其它部位上的顯示單元2之間的通信是無線通信。數(shù)據(jù)傳輸可以非常類似于傳感器與周數(shù)計算機(jī)(cyclocomputer)的顯示單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。周數(shù)計算機(jī)從接近于旋轉(zhuǎn)的自行車輪的傳感器接收重復(fù)脈沖信號，并根據(jù)該信號和輪的周長計算騎自行車的速度。在作發(fā)明中可以采用相同的原理。位于鞋4中或附著到鞋4上的傳感器單元中的微處理器14把以每秒米數(shù)為單位的速度轉(zhuǎn)換為每秒脈沖數(shù)，等價于一定的每秒虛擬輪周數(shù)。一個小的射頻振蕩電路把該脈沖發(fā)送到主要包含象標(biāo)準(zhǔn)的周數(shù)計算機(jī)這類電子裝置的顯示單元2。另一個可能情況是發(fā)送具有速度和其它測量數(shù)據(jù)的信息的信息字節(jié)。
在顯示器20上監(jiān)控速度、平均速度、最大速度、經(jīng)過距離、總距離、經(jīng)過時間、時鐘和所消耗的卡里路。為了計算所消耗的卡里路，需要用戶的質(zhì)量，該質(zhì)量已經(jīng)按照常規(guī)方式輸入到顯示單元2的計算機(jī)中，例如通過顯示單元2上的按鍵22。為了避免與其它帶有相同測量設(shè)備的跑步者或步行者相干擾，該無線傳輸必須被編碼。
加速度傳感器8的加速度信號AS表示在前進(jìn)方向上的鞋4的加速度，該方向即跑步者的腳趾的方向。盡管由于每一步與前一步相類似，因此該加速度信號是重復(fù)式的，但是輸出信號根據(jù)跑步和步行的速度或風(fēng)格有很大的變化。但是，一個重要的方面對于所有步幅來說是共同的，并且反映在加速度的信號的波形中腳以步幅的開始時為靜止，并且在步幅結(jié)束時再次為靜止。這是顯而易見的，但是對于加速度信號的解釋和分析來說非常重要。
圖5示出一個以6公里/小時的速度步行的人在2.5秒的時間過程中所放大加速度信號AS的一個實例。相對較小的負(fù)峰值BS表示步幅的開始，其對應(yīng)于鞋離開地面并開始運動的時刻。在大的負(fù)峰值之后的零交叉ES表示步幅的結(jié)束，其對應(yīng)于鞋再次落在地面上并停止運動的時刻。兩個零交叉之間的時間是步幅時間ST。圖6示出對于一個以9公里/小時的速度跑步的人的加速度信號AS。在該信號中，相對較小的負(fù)峰值也表示步幅的開始，并且零交叉也表示步幅的結(jié)束。
加速度信號AS經(jīng)過由微處理器14所執(zhí)行的算法。該算法的第一主要功能是查找步幅的開始和結(jié)束。這是通過分析加速度信號AS的波形，以及查找在信號中表示步幅的開始的相對較小的負(fù)峰值BS和剛好在表示步幅結(jié)束的零交叉BS之前的相對較大的負(fù)峰值而實現(xiàn)的。負(fù)峰值可以通過監(jiān)控加速度信號的第一導(dǎo)數(shù)從負(fù)變?yōu)檎臅r刻而檢測。另外，加速度信號AS的平滑變型被連續(xù)監(jiān)控。最后，兩個極小值被記錄，這兩個極小值是在腳離開地面的時刻的總體的最小值和在較小負(fù)峰值BS附近的局部最小值。當(dāng)在特定負(fù)峰值處加速度信號的數(shù)值低于一定的限度時，該峰值被檢測。該限度位于平滑信號和最小值之間的一半處。結(jié)合圖7的流程圖更加具體地解釋該峰值查找算法。在加速度信號AS中，步幅的結(jié)束可以相對容易地識別，因為腳落地時沖擊造成高的加速度峰值。但是查找步幅的開始比較困難。當(dāng)腳靜止于地面上準(zhǔn)備以進(jìn)行下一步時，該加速度信號AS不等于0，這可以從圖5和6中在時刻BS處的波形看出。這是因為以下幾個原因在腳落地之后沖擊恢復(fù)緩慢，在落地和腳從地面抬起之間鞋的展開過程中腳的不斷運動，以及由于腳的快速角運動造成重力加速度的作用減弱。
該算法的第二主要功能是在步幅的開始BS和結(jié)束ES之間的積分時間IT過程中對加速度信號AS的單和雙重積分。加速度信號的單積分得到作為時間函數(shù)的腳的速度v(t)，而加速度信號的雙重積分得到作為時間的函數(shù)的腳的通過距離x(t)v(t)＝∫a(t)dt，x(t)＝∫∫a(t)dt2但是，加速度信號AS不表示腳在步行或跑步方向上的加速度。因為腳和地面之間不斷改變的角度，在跑步或步行方向上的加速度與由加速度傳感器8所感應(yīng)的加速度之間具有復(fù)雜的關(guān)系。另外，還因為該變化的角度，重力加速度也產(chǎn)生一個信號。另一個作用來自于該電子裝置。對于零加速度的信號電壓不總是相同，換句話說，由于加速度傳感器8本身的放大器10中的漂移和溫度漂移使得加速度信號的偏移量不能夠準(zhǔn)確得知。
但是，本發(fā)明的一個重要方面是，當(dāng)利用在步幅結(jié)束ES時由于鞋落在地面上從而鞋的速度為0的條件時，不需要所有這些信號的作用。但是，由于上述信號作用所造成的加速度的誤差，使得從腳開始運動時步幅的開始BS到腳停止運動時步幅的結(jié)束ES之間對加速度信號的單積分，即在步幅結(jié)束時鞋的速度v(t＝ES)，不等于0。該誤差aerr可以通過把在步幅結(jié)束時獲得的速度v(t＝ES)除以積分時間IT而計算aerr＝v(ES)/IT已知加速度誤差aerr，則步幅長度的誤差xerr是xerr=12aerr(IT)2]]>校正的步幅長度xcorr是通過從在積分時間IT中對加速度信號的雙重積分之后得到的步幅長度x(t＝ES)減去誤差xerr而計算的xcorr＝x(ES)-xerr接著通過把校正的步幅長度除以步幅時間ST計算步行或跑步速度vv=xcorrST]]>由于人的步態(tài)有一點不規(guī)則，并且速度的確定可能有小的偏差，當(dāng)通過用所計算速度與前一步的速度取平均所計算速度一定程度上得到平滑，速度計算的準(zhǔn)確度增加。
該系統(tǒng)可以用另外一個在與跑步者水平方向相垂直的方向上敏感的加速度傳感器而擴(kuò)展，該加速度傳感器用于與測量步幅長度相同的方式測量步幅高度或跳躍高度。
步行或跑步速度與跑步或步行的能量消耗之間有合理確切的關(guān)系。如果跑步者的質(zhì)量已知，可以從速度數(shù)據(jù)計算總能量消耗。所消耗的卡里路與速度之間的相互關(guān)系是對于步行和跑步來說是線性的，盡管這兩個線性關(guān)系之間具有不同的斜率和截距。為此目的，顯示單元2可以具有用于輸入的按鍵22和用于存儲跑步者體重的存儲器24，以及用于結(jié)合從傳感器單元6接收的速度數(shù)據(jù)與體重數(shù)據(jù)并計算跑步者所消耗的卡里路數(shù)的某種計算裝置26。但是，跑步者的體重也可以通過安裝在運動鞋4中的傳感器以與個人體重計相類似的方式自動進(jìn)行測量。
可以加到上述系統(tǒng)中的分離系統(tǒng)有例如心率監(jiān)視器和高度計。心率與單位時間所消耗的能量之間的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為一個表示用戶的健康狀況或狀態(tài)的數(shù)字。由該跑步輔助裝置所指導(dǎo)的合理鍛煉可以測量作為心率的函數(shù)的能量消耗，從中可以估計用戶的健康狀況，表達(dá)為VO2，max(亳升/分鐘/公斤)。
本發(fā)明不限于測量人類的鍛煉效能。應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明還可以用于動物，例如馬和狗。特別對于馬來說，用于感應(yīng)跳躍高度的附加的加速度傳感器是一個有用的特征。
現(xiàn)在具體參照圖7和8所示的流程圖具體給出上述算法。圖7的方框中具有如下內(nèi)容<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[1讀AdcX2ai＝(ai+AdcX)/2 CountInterval＝CountInterval+13ai＞aiold3A slopex＝True3B slopex＝False4CountUpper＝3/4*StepTime CountLower＝1/4*StepTime5ai＜minwindowloc CountInterval＞CountLower CountInterval＜CountUpper5A minwindowloc＝ai6ai＜minloc6a minloc＝ai7xav＝(7*xav+ai)/88NOT slopexold AND slopex aiold＜minwindow+(xav-minwindow)/2 CountInterval＞CountLower CountInterval＜CountUpper8App＝True vx＝0 xp＝0 n＝0 takeoff＝CountInterval9 aiold＜o(jì)ffx-(offx-min)/2 NOT slopexold AND slopex CountInterval＞CountLower9Apeak＝True10peak aiold＜o(jì)ffx ai＞＝offx10A min＝(minloc+min)/2 minwindow＝(minwindow+windowloc)/2 minwindowloc＝1023 minloc＝1023 GOSUB速度的計算 vx＝0 xp＝0 n＝0 pp＝False StepTime＝CountInterval CountInterval＝0 peak＝False11pp11A vx＝vx+ai/8 xp＝xp+vx/8 n＝n+112aiold＝ai slopexold＝slopex]]></pre>圖8的方框中具有如下內(nèi)容<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[20速度的計算21xpshift＝(offx/128)*n*(n+1) vxshift＝(offt/8)*n22n＜＞023vx＞vxshift23A axoff＝(vx-vxshift)/n xpcor＝1/2*n*(n+1)*axoff/8 xp＝xp-xpshift-xpcor23B axoff＝(vxshift-vx)/n xpcor＝1/2*n*(n+1)*xaoff/8 xp＝xp-xpshift+xpcor24NewSpeedValue＝1024*StepTime/xp25takeoff＜StepTime/225A NewSpeedValue＝4/3*NewSpeedValue26SpeedValue＝(SpeedValue+NewSpeedValue)/227返回]]></pre>在該流程圖的說明中，文本左側(cè)的數(shù)字表示圖7和8中的方框。
圖7示出算法主程序的流程圖。1 微處理器14命令模數(shù)轉(zhuǎn)換器12獲取加速度傳感器8的放大信號的新數(shù)值，并把所獲得數(shù)值賦于變量AdcX2 接著，變量AdcX中的數(shù)值與變量ai中的數(shù)值相平均。如此獲得的平滑數(shù)值再次存儲到變量ai中。因此該變量表示在該時間點處平滑的加速度值。另外，計數(shù)器Countlnterval增加1。該計數(shù)器計數(shù)自步幅開始的周期數(shù)，即自前一個步幅結(jié)束的周期數(shù)。3，3A，3B 將在變量ai中的數(shù)值與存儲前一個周期的ai數(shù)值的變量aiold中的數(shù)值相比較。如果ai大于aiold，則在該時間點處的加速度信號的斜率為正，并且數(shù)位slopex被置位(方框3A)。如果ai數(shù)值小于aiold，則數(shù)位slopex被復(fù)位(方框3B)。4 在變量StepTime中的數(shù)值表示前一步的步幅時間。根據(jù)該變量，一個窗口被設(shè)在CountUpper的數(shù)值與CountLower的數(shù)值中，其中CountUpper等于StepTime乘以3/4，CountLower
等于StepTime乘以1/4。5，5A 如果計數(shù)器CountInterval在由CountUpper和CountLower所設(shè)置的窗口中，則把ai的數(shù)值與變量minwindowloc中的數(shù)值相比較。如果ai小于minwindowloc，則minwindowloc被賦值為ai，并且該變量保持跟蹤該時間窗內(nèi)的ai的最小值。6，6A 如果ai小于minloc，則在后的變量被賦值為ai，使得變量minloc保持跟蹤在整個步幅內(nèi)的ai的最小值7 計算加速度信號的最后8個數(shù)值的連續(xù)觀測值的平均值，得到加速度信號的非常平滑的變型。該被存儲在xav中的平滑變型被用作為查找在腳的運動開始時的最小負(fù)峰值的工具(圖5和6中的BS)。8，8A 如果計數(shù)器CountInterval的數(shù)值在由CountUpper和CountLower所設(shè)置的窗口內(nèi)，并且顯然在此時該加速度信號處于負(fù)峰值最小值，如果slopexold為False并且slopex為True，并且如果該最小值小于minwindow與xav的中間值(方框8中的條件)，則(方框8A)找到在腳的運動開始時的最小負(fù)峰值。這是可以開始加速度信號的單積分和雙重積分的信號，其反映在數(shù)位pp的置位以及積分變量vx和xp和積分計數(shù)器n的初始化中。另外，變量takeoff等于CountInterval的數(shù)值，因此，當(dāng)在步幅結(jié)束時StepTime為已知，可以確定我們是否正在進(jìn)行步行或跑步。minwindow是與該變量，即minwindowloc，有關(guān)的局部變量的平滑變型。平滑過程在步幅的結(jié)束時開始，這將在該算法的隨后部分示出。9，9A 如果計數(shù)器CountInterval的數(shù)值大于CountLower的數(shù)值，并且如果明確在此時的加速度信號處于負(fù)峰值的最小值，由于slopexold為False，并且slopex為True，以及如果該最小值的數(shù)值小于存儲在變量offx中的零加速度線與作為minloc的平滑變型的min的中間值，則我們找到在步幅結(jié)束之前與最后的大負(fù)峰值相關(guān)的大負(fù)峰值(該峰值在圖5和圖6中零交叉的左邊)。找到該峰值的事實通過對數(shù)位Peak
置位而保留(方框9A)。10，10A 在查找較大負(fù)峰值之后，加速度變量ai的數(shù)值與零加速度線offx相交叉。查找當(dāng)Peak為True并且ai大于offx以及aiola小于offx(方框10)的時間點(方框10)。該時刻非常重要，因為它與步幅結(jié)束有關(guān)。許多事情與該步幅的結(jié)束有關(guān)(方框10A)a.計算最小值檢測器的平滑變型min和minwindow，并且把其局部變型復(fù)位到最大值1023；b.數(shù)位Peak和pp被復(fù)位；c.變量StepTime的新值可以被賦值為計數(shù)器CountInterval中的數(shù)值，并且計數(shù)器CountInterval被復(fù)位為0；d.計算步行或跑步速度，這是通過專用子程序“速度的計算”而實現(xiàn)的，該子程序在下文中說明；e.在“速度的計算”之后，積分變量vx、xp和n被復(fù)位為0，盡管這也可以在方框8A中在找到腳運動開始的小負(fù)峰值的時刻之后進(jìn)行。11，11A 如果數(shù)位pp為True(方框11)，使處理器對加速度ai求積分以獲得速度vx，并且對該速度求積分以獲得距離xp(方框11A)。ai和vx的數(shù)值除以8以避免變量vx和xp變得大于65535，該最大值可以存儲在16位變量中。12在該算法中的最后步驟是把ai中的數(shù)值替換為aiold，并且把slopex中的數(shù)值替換為slopexold。在此之后，從方框1中的循環(huán)開始處重新開始該循環(huán)。
圖8示出子程序“速度的計算”的流程圖。21微處理器僅僅可以用正整數(shù)進(jìn)行計算。當(dāng)然，在腳的運動過程中，出現(xiàn)正和負(fù)加速度。這意味著需要進(jìn)行特定的映射，使得加速度的正和負(fù)數(shù)值可以映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所許可的10位狀態(tài)。該邏輯映射使0加速度等于512，這是2到2的10次方之間的一半。加速度的負(fù)值小于512，而加速度的正值大于512。這也意味著在加速度ai和速度vx的積分過程中，該積分不是相對于實際的0進(jìn)行，而是對存儲在變量offx中的512的偏移量進(jìn)行。在積分完成之后必須從在vx和xp所獲得的數(shù)值中減去額外的部分。如果單積分被存儲在變量vxshift中并且等于偏移量offx除以8乘以n時，則該數(shù)值要被減去，這在積分過程(圖7的方框11A)中進(jìn)行以避免溢出。如果雙重積分被存儲在變量xpshift中并且等于1/2乘以n乘以(n+1)乘以偏移量offx除以8的平方(即，64)，則該數(shù)值要被減去。22如果計數(shù)器n不等于0，這意味著積分實際上已經(jīng)進(jìn)行，可以開始速度的計算，否則跳過該計算。23，23A，23B 在沒有重力的理想系統(tǒng)中vx的數(shù)值減vxshift的數(shù)值應(yīng)當(dāng)為0，因為在步幅結(jié)束時腳靜止站著在地面上。但是，實際上并不是如此。在vx中的數(shù)值被用于計算步幅長度xp的校正值。如果vx大于vxshift，則可以進(jìn)行vx-vxshift的減法運算而沒有得到負(fù)數(shù)的危險。在這種情況下，加速度axoff中的虛擬偏移量通過用n除該差值(方框23A)而計算。如果vx的數(shù)值小于vxshift，則該減法運算將得到負(fù)數(shù)。因此一個分離的例程(方框23B)通過從vxshift減去vx再除以n而計算加速度中的偏移量。接著通過把(1/2)*n(n+1)乘以axoff/8計算xp的校正值(方框23A和23B)。24既然步幅時間StepTime和步幅長度xp都為已知，因此現(xiàn)在可以計算步行或跑步速度。但是，該速度不是以公里/小時或英里/小時為單位表示的，而是以用于周數(shù)計算機(jī)的兩個相繼信號之間的時間來表達(dá)，假設(shè)已知虛擬輪周長。這是通過把StepTime除以xp將并該結(jié)果與特定的校正因子(在這種情況下為1024)相乘而計算的。該數(shù)值存儲在變量NewSpeedValue中。25，25A 這部分算法是精確校正過程。從實驗中表明跑步速度的估計約高出30％。由于該算法可以區(qū)別出步行和跑步(方框25)，可以容易地通過把NewSpeedValue乘以4/3而校正該誤差(方框25A)。從觀察中表明鞋或腳在地面上的時間在步行時大于步幅時間的50％，在跑步時小于步幅時間的
50％。26最后，平滑兩個或更多的步幅以減小速度數(shù)據(jù)的易變性。實際速度存儲在變量SpeedValue中。27該子程序結(jié)束并且控制返回到算法的主程序。
顯然，本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的許多變型和變化可以從本公開文本變得顯而易見。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到本發(fā)明不限于所公開的特殊實施例，其范圍僅由所附權(quán)利要求的范圍所規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種用于測量鍛煉活動中的效能的系統(tǒng)，其中包括加速度傳感器(8)，用于測量在鍛煉者的腳的運動方向上的加速度，并用于根據(jù)所述加速度提供一個加速度信號；信號處理裝置(14，26)包括用于分析加速度信號的波形和用于從該分析確定由鍛煉者的腳邁出一步的過程中腳的運動開始和結(jié)束的裝置(14)；用于在所述運動的開始和所述結(jié)束之間對加速度信號求單積分和雙重積分的裝置(14)，以分別在步幅的過程中計算作為時間的函數(shù)的腳步速度，以及計算作為時間的函數(shù)的腳步通過距離；用于通過用在腳運動結(jié)束時的速度除以步幅結(jié)束和開始之間的持續(xù)時間來補償加速度誤差從而計算加速度誤差的裝置(14)；用于通過在腳運動的結(jié)束和開始之間的所述持續(xù)時間上求加速度誤差的雙重積分計算距離誤差的裝置(14)；用于通過從步幅過程中通過的距離減去距離誤差而計算校正的距離的裝置(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，該信號處理裝置還包括用于通過用相繼步幅之間的持續(xù)時間除校正距離計算鍛煉者的速度的裝置(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，該運動方向被選擇為基本上與運動者的腳的腳跟和腳趾之間的直線相平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于，該運動方向被選擇為基本上與運動者的腳的腳跟和腳趾之間的直線相垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中還包括用于把鍛煉者的個人數(shù)據(jù)輸入到信號處理裝置(14，26)的裝置(22，24)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)據(jù)包括鍛煉者的質(zhì)量，該信號處理裝置從速度和質(zhì)量計算由鍛煉者所消耗的卡里路數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)據(jù)包括鍛煉者的心率，該信號處理器(14，26)從該心率和單位時間所消耗的卡里路計算一個健康指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合到信號處理裝置(14，26)用于顯示鍛煉參數(shù)的顯示裝置(20)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，該鍛煉參數(shù)至少包括如下參數(shù)中的一個當(dāng)前速度、平均速度、最大速度、步幅長度、通過距離、持續(xù)時間、所消耗的卡里路數(shù)、以及健康指數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中還包括用于把該信號處理裝置(14)耦合到顯示裝置(20)的無線發(fā)射器(16)和接收器(18)。
11.一種運動鞋(4)，其中包括一個用于權(quán)利要求1至10所述的系統(tǒng)中的加速度傳感器(8)，該加速度傳感器(8)被安裝用于測量該運動鞋(4)的運動方向上的加速度，用于根據(jù)所述加速度提供加速度信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的運動鞋，其特征在于，該運動方向基本上與該鞋(4)的鞋跟與鞋頭之間的直線相平行。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的運動鞋，其特征在于，該運動方向基本上與該鞋(4)的鞋跟與鞋頭之間的直線相垂直。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12、或13所述的運動鞋，其特征在于，還包括用于發(fā)送與該加速度信號有關(guān)或從該加速度信號推導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)的發(fā)射器(16)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13或14所述的運動鞋，其特征在于，還包括信號處理裝置(14)，該信號處理裝置包括用于分析加速度信號的波形和用于從該分析確定由鍛煉者的腳邁出一步的過程中腳的運動開始和結(jié)束的裝置(14)；用于在所述運動的開始和所述結(jié)束之間對加速度信號求單積分和雙重積分的裝置(14)，以分別在步幅的過程中計算作為時間的函數(shù)的腳步速度，以及計算作為時間的函數(shù)的腳步通過距離；用于通過用在腳運動結(jié)束時的速度除以步幅結(jié)束和開始之間的持續(xù)時間來補償加速度誤差從而計算加速度誤差的裝置(14)；用于通過在腳運動的結(jié)束和開始之間的所述持續(xù)時間上求加速度誤差的雙重積分計算距離誤差的裝置(14)；用于通過從步幅過程中通過的距離減去距離誤差而計算校正的距離的裝置(14)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13、14或15所述的運動鞋，其特征在于，該信號處理裝置還包括用于通過用相繼步幅之間的持續(xù)時間除該校正距離計算鍛煉者的速度的裝置(14)。
17.一種測量鍛煉活動過程中的效能的方法，其中包括如下步驟通過加速度傳感器(8)測量在鍛煉者的腳部運動方向上的加速度，并根據(jù)所述加速度提供加速度信號；處理該加速度信號，該處理過程包括如下步驟分析加速度信號的波形，并從該分析確定由鍛煉者的腳邁出一步的過程中腳的運動開始和結(jié)束；在所述運動的開始和所述結(jié)束之間對加速度信號求單積分和雙重積分，以分別在步幅的過程中計算作為時間的函數(shù)的腳步速度，以及計算作為時間的函數(shù)的腳步通過距離；通過用在腳運動結(jié)束時的速度除以步幅結(jié)束和開始之間的持續(xù)時間來補償加速度誤差從而計算加速度誤差；通過在腳運動的結(jié)束和開始之間的所述持續(xù)時間上求加速度誤差的雙重積分計算距離誤差；通過從步幅過程中通過的距離減去距離誤差而計算校正的距離。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，該信號處理還包括如下步驟通過用相繼步幅之間的持續(xù)時間除校正距離計算鍛煉者的速度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，該運動方向被選擇為基本上與運動者的腳的腳跟和腳趾之間的直線相平行。
20.根據(jù)權(quán)利要求17、18或19所述的方法，其特征在于，該運動方向被選擇為基本上與運動者的腳的腳跟和腳趾之間的直線相垂直。
全文摘要
一種用于測量沿著表面跑步或步行時的速度的系統(tǒng)。一個加速度傳感器(8)測量在前進(jìn)方向上的加速度,并提供一個被放大(10)并且基本上由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)所采樣的加速度信號。該數(shù)字信號由微處理器(14)所述處理,其執(zhí)行一個算法,從數(shù)字化的加速度信號確定步幅長度和步幅時間并計算速度和通過的距離。如此獲得的信息通過射頻發(fā)射器(16)所發(fā)射,并由在手表或其它設(shè)備(2)中的射頻接收器(18)所接收,該手表或其它設(shè)備包括可由跑步者或步行者察看的顯示器(20)。該速度和通過的距離與其它有用的信息一同被顯示在顯示器(20)上,這些信息例如平均速度、最大速度、總通過距離、所消耗的卡里路、以及心率。
文檔編號G01P7/00GK1256752SQ99800174
公開日2000年6月14日 申請日期1999年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月25日
發(fā)明者E·P·N·達(dá)門, C·施勒 申請人:皇家菲利浦電子有限公司