用于确定游泳度量的设备和方法与流程

1.本发明涉及一种用于确定游泳者的游泳度量的设备和方法，特别是转弯或圈计数。


背景技术：

2.业余/专业游泳者使用具有惯性测量单元（imu）传感器（诸如（一个或多个）加速度计和（一个或多个）陀螺仪，并且主要是磁力计）的腕表。在这三个传感器当中，加速度计消耗非常少的功率，而磁力计具有高功率消耗。现有产品使用高功耗传感器、诸如磁力计（以获取航向方向）和陀螺仪（以估计取向）进行转弯事件检测。此外，基于陀螺仪的转弯检测器需要“游泳风格”信息，这需要以高计算成本来估计。已经存在的设备使用imu（加速度计和陀螺仪）和/或磁力计的组合作为“转弯检测器/计圈器”。所采用的方法包括：对具有高计算复杂度的imu信号进行机器学习（ml）以导出特征向量并将ml应用于所提取的特征上，或者对imu信号的取向估计（主要在陀螺仪上）用于转弯检测，这不对于游泳风格和转弯风格无关，即转弯检测器算法需要“游泳风格”分类，或者基于磁力计信号的方向航向改变。
3.根据现有技术us2010204952，公开了一种用于体育运动的运动分析设备。描述了一种用于确定关于游泳时人体移动的信息的便携式腕戴设备。所述设备包括防水外壳，所述防水外壳包含：可操作来生成加速度信号的加速度计；处理器，可操作来处理加速度信号以便生成与人体移动相关的一个或多个度量；以及用于向用户反馈所述一个或多个度量的装置。加速度计可以可操作来生成沿着平行于使用中的用户手臂的近端-远端轴的轴的加速度信号，和/或加速度计可以可操作来生成沿着平行于使用中的用户手的手背-手掌轴的轴的加速度信号。所述设备也可以用在除游泳以外的体育运动中。
附图说明
4.参考以下附图描述了本公开的实施例，图1图示了根据本发明实施例的用于确定游泳度量的设备的框图；图2图示了根据本发明实施例的描绘仰泳的游泳度量的确定的波形；图3图示了根据本发明实施例的描绘蛙泳的游泳度量的确定的波形；图4图示了根据本发明实施例的描绘混合泳中游泳度量的确定的波形，以及图5图示了根据本发明确定游泳度量的方法。
具体实施方式
5.图1图示了根据本发明实施例的用于确定游泳度量的设备的框图。设备100包括至少一个加速度计120和从至少一个加速度计120接收输入信号的控制器110。控制器110被配置为使用滤波器模块102从输入信号对划水特性进行滤波。控制器110然后对滤波信号应用第一统计模块104，并获得第一输出信号。由于第一统计模块104，获得了第一输出信号，该第一输出信号对于游泳者采用的游泳划水类型无关。第一统计输出移除划水特性/特征并
增强转弯特性/特征。控制器110然后基于第一输出信号和自适应阈值确定游泳度量。游泳度量是游泳者在游泳期间的圈完成或圈计数或转弯事件。在控制器110成功检测到游泳者的转弯之后，确定圈计数。
6.控制器110将第二统计模块106应用于第一输出信号，并获得第二输出信号。控制器110然后将自适应阈值确定为第二输出信号的倍数。验证模块108验证所确定的游泳度量。
7.通过将转弯特性的持续时间与经验导出值进行比较来进行验证。在验证之后，控制器110存储圈计数和/或给出输出118，诸如显示或声音。滤波模块102、第一统计模块104、第二统计模块106和验证模块108是存储在控制器110的存储器元件（未示出）中的功能或指令集。控制器110按照预定序列调用模块来处理从至少一个加速度计120接收的原始输入信号，以确定游泳度量。此外，经验导出值也存储在存储器元件中。
8.第一统计模块104和第二统计模块106分别基于标准偏差技术和移动平均技术，但不限于此。本领域已知的其他技术可用于获得类似或等效的结果。
9.根据本发明的实施例，至少一个加速度计120包括三个三轴加速度计，即分别为x轴的第一加速度计112、y轴的第二加速度计114和z轴的第三加速度计116。三个加速度计112、114、116独立地对接/连接到控制器110。替代地，三个加速度计112、114和116被集成为单个单元，然后对接到控制器110。
10.在三个加速度计112、114、116的情况下，控制器110能够通过处理来自至少一个加速度计120的原始输入信号来确定游泳度量。如果第一加速度计112的输入信号首先被处理，则该输入信号被用于确定游泳度量。在这种情况下，剩余加速度计114、116的处理信号可选地可用于进一步验证游泳度量。
11.图2图示了根据本发明实施例的描绘仰泳的游泳度量的确定的波形。波形的x轴表示时间，并且y轴表示在相应合适单位下的电压。第一波形202描绘了来自至少一个加速度计120的原始输入信号。诸如第一加速度计112的（任何轴的）原始加速度计信号被馈送到包括滤波器模块102的控制器110。诸如但不限于低通滤波器、无限脉冲响应（iir）滤波器的滤波器模块102移除划水特性/特征并增强转弯特性/特征。滤波器模块102也被称为增强器模块。从滤波器模块102获得的滤波信号在第二波形204中描绘。滤波信号包括在时刻t1、t3和t5的波峰、波谷和波峰-波谷两者。
12.滤波信号由包括第一统计模块104和第二统计模块106的统计模块级联进一步处理。例如，第一统计模块104是指数加权标准偏差（ewsd）滤波器或ew方差滤波器，并且第二统计模块106是指数加权移动平均（ewma）滤波器，但不限于此。第一统计模块104和第二统计模块106的参数是使用在多个游泳时段期间从多个游泳者收集的游泳数据按经验导出的。第三波形206是第一统计模块104的输出，并且第四波形208是第二统计模块106的输出。如可以看到的，在第三波形206中，存在对应于在时刻t1、t3和t5的滤波信号变化开始的峰值开始。与第二波形204相比，在相同时刻，第三波形206仅在一侧示出变化。因此，不管在滤波信号中检测到的变化如何，第一输出信号都在一侧示出变化（峰值），该变化（峰值）突出显示转弯特性。第一统计模块104使滤波信号与游泳者执行的游泳风格和转弯风格无关。
13.第四波形208是来自第二统计模块106的输出。第二统计模块106处理从第一统计模块104获得的第一输出信号。如果由第二统计模块106计算的第二输出信号的值超过第一
输出信号的对应值，则控制器110将该值保持在相同水平，直到它变得小于第一输出信号的值。这在时刻t1和t2、t1和t2以及t5和t6之间示出。在t1，第二输出信号（指第四波形208）被检测为大于第一输出信号（指第三波形206）的对应值，并且被称为开始时间。保持该值，直到它变得小于第一输出信号（指第三波形206）的对应值，这发生在称为停止时间的时刻t2。在时刻t2和t3之间，第二输出信号的变化是可见的。
14.基于第二输出信号、即第四波形208的值，计算自适应阈值。自适应阈值被计算为第二输出信号值的倍数，诸如三倍。控制器110基于超过自适应阈值的那些值来检测转弯特性，并且从而确定转弯，并且进而确定游泳度量。风格无关（游泳风格和转弯风格两者）的第一输出信号连同自适应阈值一起被处理，以确定游泳度量。使用计算/估计的自适应阈值从第一输出信号分割转弯特性。然后使用验证模块108来验证检测到的游泳度量。验证模块108使用时间特征（从第一输出信号导出）来输出“有效转弯/圈”信号。验证模块108通过减去开始时间和停止时间将转弯特性的持续时间与标准的经验导出值进行比较。如果匹配，则确定的转弯特性被确认并在存储器元件中更新。第五波形210示出了在时刻t1、t3和t5的验证信号。
15.将至少一个加速度计120的验证模块108的输出融合在一起，以给出用于游泳度量的最终标志，即圈计数。由融合模块122执行融合。
16.图3图示了根据本发明实施例的描绘蛙泳的游泳度量的确定的波形。该解释类似于图2中给出的解释，并且为简单起见在此省略。图示的波形仅用于解释目的，并且不必限于此。波形可以基于操作方式或周围环境而改变。
17.图4图示了根据本发明实施例的描绘混合泳中游泳度量的确定的波形。混合泳是诸如仰泳、蝶泳、蛙泳和自由泳之类的不同划水类型的组合。同样，为了简单起见，省略了解释。在波形中，直到t1，执行仰泳，然后是蛙泳，接着是蝶泳，并且然后是自由泳。不管划水的类型如何，设备100都能够检测转弯特性并确定游泳度量。
18.根据本发明的另一个实施例，融合模块122的输出（至少一个加速度计120融合之后）被馈送至后处理模块124。后处理模块124取得两个输入，即来自融合模块122的输出和划水计数器模块（未示出）的输出。每当融合模块122的输出为真时，即标志为真时，后处理模块124检查条件，并相应地检测游泳度量的状态，即所确定圈的有效性。该条件包括如果所完成圈中的划水次数大于阈值极限，则游泳度量的确定为真，否则所确定的游泳度量为假。如果为假，则所确定的游泳度量无效并且不被记录。阈值极限对应于在每次游泳时段期间自适应导出的或者按经验计算并存储在控制器110的存储器元件中的每圈平均划水计数。例如，如果完成的划水次数大于阈值极限的75%，则确定的游泳度量、即该圈是有效的并被记录，否则它被丢弃。
19.图5图示了根据本发明的用于确定游泳度量的方法。该方法包括以下步骤，步骤502包括从至少一个加速度计120接收至少一个输入信号。步骤504包括从步骤502中接收的至少一个输入信号中对划水特性进行滤波。步骤506包括对滤波信号应用第一统计模块104，并获得第一输出信号。由于第一统计模块104的使用，因此第一输出信号与游泳者采用的游泳类型和转弯类型无关。步骤508包括基于第一输出信号和自适应阈值确定游泳度量。获得第一输出信号的步骤506之后是步骤510和步骤512。步骤510包括将第二统计模块106应用于第一输出信号并获得第二输出信号。步骤512包括将自适应阈值计算为第二输出信
号的倍数。
20.该方法进一步包括步骤514，该步骤514包括通过将所确定的游泳度量的持续时间与经验导出值进行比较来验证所确定的游泳度量。步骤514在步骤508之后执行。应用第一统计模块104和第二统计模块106的步骤分别基于标准偏差和移动平均的方法，但不限于此。
21.此外，从至少一个加速度计120接收至少一个输入信号的步骤包括从对应于三个轴的三个加速度计112、114、116接收三个输入信号。三个加速度计112、114、116是独立地与控制器110对接和集成为单个单元并且然后与控制器110对接中的任何一个。
22.根据本发明的实施例，设备100为游泳跟踪可穿戴解决方案提供基于加速度计120的计圈器。设备100消耗更少的功率，并且也对于游泳者采用的游泳风格和转弯风格无关。与陀螺仪和磁力计传感器相比，至少一个加速度计120的功耗非常小。此外，与现有解决方案相比，控制器110使用更少的滤波器和/或模块或信号处理的计算复杂度。设备100是健身带/手表或一般可穿戴电子设备中的任何一个。
23.应当理解，上述说明书中解释的实施例仅是说明性的，并且不限制本发明的范围。设想到许多这样的实施例和说明书中解释的实施例的其他修改和改变。本发明的范围仅由权利要求书的范围来限制。