Android基于G-Sensor的计步算法

一、写在分享之前
写在前面,最近项目需求研究计步功能,借鉴了一下别人的算法写了一个小例子,本文最后有源码地址。算法的准确度大概可以达到95.7%,综合起来觉得是比春雨略好,但是赢不了乐动力(可以达到97.7%),希望大家提一些意见,让这个算法可以得到改进。

二、计步器算法的总体思路以及辅助调试的工具
人在走路时大致分为下面几种场景:
1、正常走路,手机拿在手上(边走边看、甩手、不甩手)
2、慢步走,手机拿在手上(边走边看、甩手、不甩手)
3、快步走,手机拿在手上(甩手、不甩手、走的很快一般不会看手机吧)
4、手机放在裤袋里(慢走、快走、正常走)
5、手机放在上衣口袋里(慢走、快走、正常走)
6、上下楼梯(上面五中场景可以在这个场景中再次适用一遍)
以上,不管出于哪一种场景(其实对应手机不同的运动规律),g-sensor的三轴数据都是有规律可以寻找的。
每一步都有特征点,找到这个特征点,就是识别出来一步。
下面推荐一个工具,叫gsensor-debug,可以观察三轴的曲线,下面是手机上下摆动的曲线
Android基于G-Sensor的计步算法_第1张图片
这是很规律曲线只要检测波峰就行了,实际的走路曲线会有很多杂波,算法的作用就是滤除这些杂波(走路的波形可以用工具自己看,可以保存为文件,用excel打开有数据,将数据转换为波形就可以自己看)

三、算法的介绍(贴出核心代码)
1、变量的定义

//存放三轴数据
float[] oriValues = new float[3];
final int valueNum = 4;
//用于存放计算阈值的波峰波谷差值
float[] tempValue = new float[valueNum];
int tempCount = 0;
//是否上升的标志位
boolean isDirectionUp = false;
//持续上升次数
int continueUpCount = 0;
//上一点的持续上升的次数,为了记录波峰的上升次数
int continueUpFormerCount = 0;
//上一点的状态,上升还是下降
boolean lastStatus = false;
//波峰值
float peakOfWave = 0;
//波谷值
float valleyOfWave = 0;
//此次波峰的时间
long timeOfThisPeak = 0;
//上次波峰的时间
long timeOfLastPeak = 0;
//当前的时间
long timeOfNow = 0;
//当前传感器的值
float gravityNew = 0;
//上次传感器的值
float gravityOld = 0;
//动态阈值需要动态的数据,这个值用于这些动态数据的阈值
final float initialValue = (float) 1.3;
//初始阈值
float ThreadValue = (float) 2.0;
private StepListener mStepListeners;
  1. 代码,结合注释看
    检测步子就是检测波峰,但是要滤除无效的波峰,主要采用了如下三种措施

a、规定曲线连续上升的次数

b、波峰波谷的差值需要大于阈值

c、阈值是动态改变的

另一个是一些参数的初始值,比如initialValue 以及ThreadValue 的初始值,以及averageValue函数的梯度化范围值

需要结合各种场景的波形图来统计,还有几十实际的测试来调试参数,这些参数大概前后调了两个星期,其实总体思路不复杂。

下面贴出核心代码以及一些注释:

/*
     * 注册了G-Sensor后一只会调用这个函数
     * 对三轴数据进行平方和开根号的处理
     * 调用DetectorNewStep检测步子
     * */
    @Override
    public void onSensorChanged(SensorEvent event) {
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            oriValues[i] = event.values[i];
        }
        gravityNew = (float) Math.sqrt(oriValues[0] * oriValues[0]
                + oriValues[1] * oriValues[1] + oriValues[2] * oriValues[2]);
        DetectorNewStep(gravityNew);
    }

    /*
     * 检测步子,并开始计步
     * 1.传入sersor中的数据
     * 2.如果检测到了波峰,并且符合时间差以及阈值的条件,则判定为1步
     * 3.符合时间差条件,波峰波谷差值大于initialValue,则将该差值纳入阈值的计算中
     * */
    public void DetectorNewStep(float values) {
        if (gravityOld == 0) {
            gravityOld = values;
        } else {
            if (DetectorPeak(values, gravityOld)) {
                timeOfLastPeak = timeOfThisPeak;
                timeOfNow = System.currentTimeMillis();
                if (timeOfNow - timeOfLastPeak >= 250
                        && (peakOfWave - valleyOfWave >= ThreadValue)) {
                    timeOfThisPeak = timeOfNow;
                    /*
                     * 更新界面的处理,不涉及到算法
                     * 一般在通知更新界面之前,增加下面处理,为了处理无效运动:
                     * 1.连续记录10才开始计步
                     * 2.例如记录的9步用户停住超过3秒,则前面的记录失效,下次从头开始
                     * 3.连续记录了9步用户还在运动,之前的数据才有效
                     * */
                    mStepListeners.onStep();
                }
                if (timeOfNow - timeOfLastPeak >= 250
                        && (peakOfWave - valleyOfWave >= initialValue)) {
                    timeOfThisPeak = timeOfNow;
                    ThreadValue = Peak_Valley_Thread(peakOfWave - valleyOfWave);
                }
            }
        }
        gravityOld = values;
    }

    /*
     * 检测波峰
     * 以下四个条件判断为波峰:
     * 1.目前点为下降的趋势:isDirectionUp为false
     * 2.之前的点为上升的趋势:lastStatus为true
     * 3.到波峰为止,持续上升大于等于2次
     * 4.波峰值大于20
     * 记录波谷值
     * 1.观察波形图,可以发现在出现步子的地方,波谷的下一个就是波峰,有比较明显的特征以及差值
     * 2.所以要记录每次的波谷值,为了和下次的波峰做对比
     * */
    public boolean DetectorPeak(float newValue, float oldValue) {
        lastStatus = isDirectionUp;
        if (newValue >= oldValue) {
            isDirectionUp = true;
            continueUpCount++;
        } else {
            continueUpFormerCount = continueUpCount;
            continueUpCount = 0;
            isDirectionUp = false;
        }

        if (!isDirectionUp && lastStatus
                && (continueUpFormerCount >= 2 || oldValue >= 20)) {
            peakOfWave = oldValue;
            return true;
        } else if (!lastStatus && isDirectionUp) {
            valleyOfWave = oldValue;
            return false;
        } else {
            return false;
        }
    }

    /*
     * 阈值的计算
     * 1.通过波峰波谷的差值计算阈值
     * 2.记录4个值,存入tempValue[]数组中
     * 3.在将数组传入函数averageValue中计算阈值
     * */
    public float Peak_Valley_Thread(float value) {
        float tempThread = ThreadValue;
        if (tempCount < valueNum) {
            tempValue[tempCount] = value;
            tempCount++;
        } else {
            tempThread = averageValue(tempValue, valueNum);
            for (int i = 1; i < valueNum; i++) {
                tempValue[i - 1] = tempValue[i];
            }
            tempValue[valueNum - 1] = value;
        }
        return tempThread;

    }

    /*
     * 梯度化阈值
     * 1.计算数组的均值
     * 2.通过均值将阈值梯度化在一个范围里
     * */
    public float averageValue(float value[], int n) {
        float ave = 0;
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            ave += value[i];
        }
        ave = ave / valueNum;
        if (ave >= 8)
            ave = (float) 4.3;
        else if (ave >= 7 && ave < 8)
            ave = (float) 3.3;
        else if (ave >= 4 && ave < 7)
            ave = (float) 2.3;
        else if (ave >= 3 && ave < 4)
            ave = (float) 2.0;
        else {
            ave = (float) 1.3;
        }
        return ave;
    }

最后,附上我的项目地址:项目源码

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