本文關鍵詞：基于加速度和脈搏波的運動狀態(tài)識別和心率檢測算法研究

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【摘要】：心率是人體重要的生理參數(shù),運動心率可以有效的評估運動效果。最近華為小米等公司都相繼開發(fā)了穿戴式腕表或者手環(huán),運動狀態(tài)的識別和運動心率檢測是這些腕表最重要的健康功能。這些設備都通過對人體加速度信號和脈搏波信號的分析來實現(xiàn)心率檢測。然而這些腕表的運動下心率識別的準確性有待提高。針對這些現(xiàn)狀,本文擬對運動狀態(tài)識別算法和心率檢測算法進行研究。本文首先設計了一款實驗用的心率腕表,該腕表可以采集三軸加速度信號和兩通道的脈搏波信號,該設備作為后續(xù)算法研究的基礎。隨后論文基于公開數(shù)據(jù)庫開發(fā)了一套基于加速度信號的運動狀態(tài)識別算法。算法提取加速度信號的時域特征、頻域特征和時頻特征,并利用SVM和決策樹來實現(xiàn)運動狀態(tài)的識別。分析結果表明算法可以有效識別靜止、走路、跑步、跳躍、原地踏步5類動作,決策樹運動狀態(tài)識別正確率超過了93%。隨后的實驗表明基于心率腕表的運動狀態(tài)識別準確率為81.78%。然后進行了心率檢測算法的研究。運動會引起很大幅度的脈搏波干擾,論文對各種不同的運動類型引起的脈搏波干擾進行了研究,發(fā)現(xiàn)脈搏波中的干擾信號與加速度有相同的頻率成分,基于此論文提出了利用功率譜抵消技術來實現(xiàn)心率檢測。我們利用研制的腕表進行了運動實驗,來驗證算法的性能。實驗共采集了10組安靜狀態(tài)、22組跑步狀態(tài)、21組踢足球時的數(shù)據(jù)。實驗過程中被試佩戴了polar心率帶,記錄的心率作為心率的標準。使用平均絕對誤差E′、誤差小于5BPM所占百分比(PE5),誤差小于10BPM所占百分比(PE10)三個指標來評價心率算法的準確性。實驗結果表明安靜、跑步、足球三種運動下E′分別是3.80BPM、6.94BPM、16.38BPM;PE5分別為76.77%,68.09%,32.06%;PE10分別為94.4%,83.5%,47.28%。結果表明在足球運動下,功率譜抵消技術效果不是很好。論文隨后使用獨立成分分析、經(jīng)驗模式分析、自適應濾波3種方法對不規(guī)律運動(足球)的數(shù)據(jù)進行分析。選擇獨立成分分析處理后的脈搏波信號計算心率,算法改進后E′減小了1.8BPM。PE10和PE5分別提升了5.73%和3.55%。本論文提出了一種運動狀態(tài)識別算法獲得了較高的準確率,設計的心率檢測算法可以在靜止和跑步下獲得較好的準確率,而在不規(guī)則的踢足球等運動下準確率有待提高,該算法有望在運動腕表中得到應用。
【關鍵詞】：心率 脈搏波 加速度信號 可穿戴式設備
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R54
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 課題的研究背景和意義10-11
• 1.2 運動識別算法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 心率檢測算法國內(nèi)外現(xiàn)狀12-14
• 1.4 本文結構14-16
• 第2章 脈搏波測量原理及系統(tǒng)硬件設計16-26
• 2.1 光電容積脈搏波原理16-17
• 2.2 系統(tǒng)設計17-18
• 2.3 系統(tǒng)各模塊設計18-23
• 2.3.1 主控單片機18-20
• 2.3.2 加速度傳感器模塊設計20
• 2.3.3 光電容積脈搏波模塊設計20-21
• 2.3.4 電源模塊21-22
• 2.3.5 藍牙模塊22-23
• 2.3.6 顯示模塊23
• 2.4 PCB及封裝23-24
• 2.5 本章小結24-26
• 第3章 基于加速度信號的運動狀態(tài)識別算法26-42
• 3.1 引言26
• 3.2 特征提取26-32
• 3.2.1 信號預處理26-27
• 3.2.2 時域特征27-29
• 3.2.3 頻域特征29-30
• 3.2.4 時頻特征30-32
• 3.3 分類器設計32-34
• 3.3.1 SVM分類器32
• 3.3.2 決策樹分類器32-34
• 3.4 SCUT-NAA識別結果以及分析34-37
• 3.4.1 基于SVM的識別結果及分析34-35
• 3.4.2 基于決策樹識別結果及分析35-37
• 3.5 實驗數(shù)據(jù)運動狀態(tài)識別37-40
• 3.5.1 運動實驗設計37-38
• 3.5.2 實驗識別結果及分析38-40
• 3.6 本章小結40-42
• 第4章 運動心率檢測算法研究42-68
• 4.1 運動對脈搏波干擾研究42-45
• 4.2 基于功率譜抵消技術的心率檢測算法45-50
• 4.3 實驗設計和實驗結果分析50-61
• 4.3.1 心率采集實驗設計50-52
• 4.3.2 實驗評價標準52-53
• 4.3.3 實驗數(shù)據(jù)結果分析53-61
• 4.4 心率檢測算法優(yōu)化及結果分析61-67
• 4.4.1 脈搏波信號預處理61-66
• 4.4.2 心率檢測算法優(yōu)化后結果及討論66-67
• 4.5 本章小結67-68
• 結論68-70
• 參考文獻70-74
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文74-76
• 致謝76

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本文編號：1103195