一種基于慣性傳感器和氣壓計的爬山與爬樓梯分類識別方法

王豐

摘要：在日常生活中，用戶可能會戴手表爬山或者爬樓梯，這兩者的共同特征是手表內置的氣壓計報出來的高度值發生變化。如果再使用GPS定位，可以進一步識別用戶是爬山還是爬樓梯，但是GPS功耗較大而且信號有時候不太穩定，即使定位準確，也無法區分用戶是在爬山還是在山里的大樓里爬樓梯。

本文的方法，抓住爬山和爬樓梯的本質特征區別，通過手表內置的加速度傳感器、陀螺儀以及氣壓計，不需要GPS信號也可以準確區分用戶是爬山還是爬樓梯，而且可以區分是攀登山上的階梯還是爬樓房里的階梯，進而給智能手機以及其他無GPS芯片的智能終端設備增加了此類場景識別，改善了用戶體驗。

關鍵詞：佩戴;手表;加速度傳感器 陀螺儀;爬山;爬樓梯

慣性傳感器包含加速度傳感器（獲取平移運動信息）和陀螺儀（獲取旋轉運動信息）等，可以用來獲取用戶運動的三個軸的加速度和繞三個軸的旋轉角速度，使用這些數據通過算法可以計算多種運動特征。

加速度傳感器內置于移動終端里，體積小，功耗低，在室內運動沒有GPS信號的情況下也可以實時地精確地記錄用戶的運動信息。

陀螺儀內置于移動終端里，可以記錄每時每刻用戶攜帶的終端設備繞三個軸旋轉的角速度，進而估計用戶的轉動動作及其周期性。

氣壓計可以通過測量移動終端的氣壓變化，進而得到高度值及其變化量。

準備階段

抓住爬山和爬樓梯的本質特征區別，在無GPS信號的情況下，把加速度傳感器、陀螺儀和氣壓計采集的氣壓值（轉化為高度值）數據結合，判斷用戶是爬山還是爬樓梯，具體方法如下。

（1）使用加速度傳感器判斷相鄰兩個步伐所持續的時間區間Tq1、Th1，前兩個步伐和后兩個步伐所持續的時間區間Tq2和Th2，以及前三個步伐和后三個步伐所持續的時間區間Tq3和Th3。

例如用戶走了12步，則相鄰兩個步伐所持續的時間區間Tq1、Th1為第1步與第2步、第2步與第3步、第3步與第4步，以此類推。

前兩個步伐和后兩個步伐所持續的時間區間Tq2和Th2為第1、2步與第3、4步，第3、4步與第5、6步，第5、6步與第7、8步，以此類推。

前三個步伐和后三個步伐所持續的時間區間Tq3和Th3為第1、2、3步與第4、5、6步，第4、5、6步與第7、8、9步，第7、8、9步與第10、11、12步，以此類推。

（2）計算在對應的這些時間區間內的氣壓計的高度值的增量Hq1、Hh1、Hq2、Hh2、Hq3、Hh3。

這里指的是氣壓計通過測得的氣壓值在內部換算之后得到的高度值，這個高度值的確會存在個體差異，也會有不小的誤差，但是高度值的增量基本上就比較準確了。本方法只需要使用高度值的增量即可（高度值的增量=對應時間區間內的終點時刻的高度值減去起點時刻的高度值），而且氣壓計還可以根據氣象局的高度值數據定時校準自身的高度值數據。

（3）計算相鄰步伐的高度值增量的偏差abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）、abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） 、abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3）。

（4）相鄰步伐的高度值增量的偏差的和abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）+abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） +abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3） 是否小于或者等于對應的閾值。

如果是，則認為用戶在爬樓梯;如果否，則認為用戶在爬山。

因為爬樓梯的時候，前一次步伐的高度值增量與后一次步伐的高度值增量比較接近，所以對于相鄰步伐的高度值增量的偏差的和，爬樓梯時比爬山時更小;

樓梯的相鄰兩個臺階的高度值增量是很接近的，但是爬山的時候相鄰兩個步伐的高度值增量在絕大多數情況下都不是很接近，所以上述相鄰步伐的高度值增量的偏差的和小于預設的閾值的時候是爬樓梯。

（5）判斷是否滿足陀螺儀的三個軸的旋轉角度呈現明顯的周期性。

目前很多山都是有階梯的，因此方案的更精確的區分可以通過如下方法解決，可以抓住爬山時候的階梯與爬樓梯時候階梯的特征差異進行區分。

樓房里的階梯的特點是每層樓有相同的陀螺儀旋轉特征，比攀登山上的階梯有明顯的陀螺儀旋轉的周期性特征。

第一，樓房里的階梯大多數是每層樓有兩段方向相反的階梯。這種情況下，當用戶在兩段階梯之間拐彎的時候，手機陀螺儀的旋轉特性是相同的，例如如果用戶在兩段階梯之間拐彎的時候手機的y軸正方向是豎直向上的，則繞y軸旋轉180度;如果用戶在兩段階梯之間拐彎的時候手機的z軸正方向是豎直向上的，則手機繞z軸旋轉180度;無論拐彎的時候手機的姿態如何，每次拐彎的時候，陀螺儀的三個軸的旋轉角度呈現明顯的周期性。

第二，少數情況下，樓房里的階梯如果是每層樓有三段階梯，則上述的每段階梯拐彎處的旋轉角度從180度變成90度，而且三段階梯是同一個方向旋轉90度，然后到達上一個樓層以后在平路上走一小段距離再旋轉90度。

總之，無論樓層之間分為幾段階梯，無論拐彎的時候手機的姿態如何，相鄰兩個樓層之間，陀螺儀的三個軸的旋轉角度呈現明顯的周期性。而氣壓計可以比較準確地檢測到相鄰兩個周期內的高度的變化量。如果陀螺儀的三個軸的旋轉角度呈現明顯的周期性，而且相鄰兩個周期內氣壓計檢測到的高度變化量是相等的（或者高度變化量的差值小于預設的閾值，例如小于0.1米），則認為用戶是在樓房里爬樓梯，而不是在爬山上的階梯。

隨著高度的增加，同樣高度的臺階，氣壓計讀出來的高度值可能誤差會有一些差別，但是高度值增量還是比較準確的，而且氣壓計讀出來的高度值跟當前海拔高度有關，但是相鄰步伐的高度值增量跟當前海拔高度關系很小，相鄰步伐的高度值增量的偏差只是體現了相鄰兩個步伐的相似性，跟當前所處的海拔高度無關;所以相鄰步伐的高度值增量的偏差的和abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）+abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） +abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3） 跟當前所處的海拔高度無關。

具體實施步驟

Step 1：采集加速度傳感器陀螺儀和氣壓計的數據;

Step 2： 使用加速度傳感器判斷相鄰兩個步伐所持續的時間區間Tq1、Th1，前兩個步伐和后兩個步伐所持續的時間區間Tq2和Th2，以及前三個步伐和后三個步伐所持續的時間區間Tq3和Th3;

Step 3：計算在對應的這些時間區間內的氣壓計的高度值的增量Hq1、Hh1、Hq2、Hh2、Hq3、Hh3;

Step 4：計算相鄰步伐的高度值增量的偏差abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）、abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） 、abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3）;

Step 5：相鄰步伐的高度值增量的偏差的和abs（Hq1-Hh1）/abs（Hq1+Hh1）+abs（Hq2-Hh2）/abs（Hq2+Hh2） +abs（Hq3-Hh3）/abs（Hq3+Hh3） 是否小于或者等于對應的閾值。

如果是，則進入Step 6，進一步確認;如果否，則判斷為攜帶著移動終端的用戶在爬山（無階梯）。

Step 6：是否滿足陀螺儀的三個軸的旋轉角度呈現明顯的周期性（參考準備階段第（5）點），而且相鄰兩個周期內氣壓計檢測到的高度變化量是相等的，或者高度變化量的差值小于預設的閾值，例如小于0.1米。

如果是，則認為用戶是在樓房里爬樓梯;如果否，則認為用戶是在爬山（攀登山上的階梯）。

流程圖

見左圖。

結尾

本文通過慣性傳感器和氣壓計可以比較準確地識別用戶是在爬山還是爬樓梯，不依賴于GPS，對于沒有GPS模塊的移動終端以及GPS信號較差的移動終端有很高的使用價值，即使在GPS較好的移動終端里也可以不依賴于GPS，進而大幅度地節省功耗。

參考文獻

【1】田博顯.采用慣導、GPS與氣壓計數據的飛控系統高度濾波算法，北京航空航天大學，《國際航空航天科學》2018年第4期77-87，共11頁.