第12卷第5期 智能系统学报 Vol.12 No.5 2017年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2017 D0I:10.11992/is.201706045 网络出版地址：htp:/kns.cmki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20171021.1350.006.html 基于智能手机的健身跑数据采集及演化建模 池小文'，倪友聪，杜欣，叶鹏2，吴燕丹3 (1.福建师范大学软件学院，福建福州350117：2.武汉纺织大学数学与计算机学院，湖北武汉430200：3.福建师 范大学体育科学学院，福建福州350117) 摘要：针对Brzostowski方法因采集的速度数据精度不高、采用的建模算法搜索能力受限，而导致难以获取高精度 健身跑模型的问题，本文提出一种基于智能手机的健身跑速度数据获取及演化建模方法。首先，提出基于智能手机 多传感器和中值滤波的健身跑速度采集方法，以滤除由于手机间歇性的姿态变化而产生的三轴加速度信号脉冲噪 声，并结合方向传感器对手机三轴加速度中包含的重力分量进行过滤：然后，设计一种健身跑演化建模算法，以增大 搜索空间为获取更优的健身跑模型提供支持。实验结果表明，本文提出的方法可以比Brzostowski方法获取更为精 确的速度和健身跑运动模型。 关键词：健身跑；智能手机；中值滤波；三轴加速度；方向传感器：速度采集；演化建模 中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1673-4785(2017)05-0702-08 中文引用格式：池小文，倪友聪，杜欣，等.基于智能手机的健身跑数据采集及演化建模[J].智能系统学报，2017,12(5)：702-709. 英文引用格式：CHI Xiaowen,NI Youcong,DU Xin,etal.Smartphone-based speed acquisition and evolutionary modeling for fitness running[J].CAAI transactions on intelligent systems,2017,12(5):702-709. Smartphone-based speed acquisition and evolutionary modeling for fitness running CHI Xiaowen',NI Youcong',DU Xin',YE Peng?,WU Yandan3 (1.Faculty of Software,Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China;2.School of Mathematics and Computer,Wuhan Textile University,Wuhan 430200,China;3.Physical Science School,Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China) Abstract:Due to the low precision of speed acquisition and the limited search ability of modeling algorithms,it is difficult to obtain a highly precise fitness running model by applying the Brzostowski method.In this paper,we propose a speed acquisition and evolutionarymodeling method for fitness running that is based on the smart phone. First,we introduce a fitness running speed acquisition method based on multiple smartphone sensors and a median filter that can remove the impulse noise of three-axis acceleration signals.This noiseisgenerated by the intermittent gesture changes associated with the use of smartphones.In addition,this method can filter out the gravitational component in three-axis acceleration.Next,we designed an evolutionary modeling algorithm to enlarge the search space to obtain a better fitness running model.The experimental results show that the proposed approach can obtain more accurate speed and fitness running models than the Brzostowski's approach. Keywords:fitness running;smart phone;median filter;three-axis acceleration;orientation sensor;speed acquisition;evolutionary modeling 由于健身跑不受时间、场地和季节的影响，方 面上已涌现出一批基于智能手机的健身跑系统]。 法简便、费时少、见效快，已成为全民健身的主要锻 这些系统使用智能手机内置的GPS、加速度、方向、 炼项目口。为了提高健身跑的趣味性和娱乐性，市 磁力、陀螺仪和旋转矢量等传感器输出与运动状态 相关的信号，经处理后可获取健身跑的步长步 收稿日期：2017-06-12.网络出版日期：2017-10-21. 频〔3-)、加速度[6-9)和速度012等运动数据，在此基 基金项目：国家自然科学基金项目(61305079,61370078)：福建省自然 科学基金项目(2015J01235,2017J01498):福建省教育厅JK 础上提供运动数据的保存、统计、显示和分享等 类项目(JK2015006):武汉大学软件工程国家重点实验室开 功能。 放基金项目(SKLSE2014-10-02). 通信作者：倪友聪.E-mail:youcongni(@foxmail.com. 为了能在提高锻炼效益的同时，避免过度运动第 １２ 卷第 ５ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１２ №．５ ２０１７ 年 １０ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｃｔ． ２０１７ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１７０６０４５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１７１０２１．１３５０．００６．ｈｔｍｌ 基于智能手机的健身跑数据采集及演化建模 池小文１ ，倪友聪１ ，杜欣１ ，叶鹏２ ，吴燕丹３ （１．福建师范大学 软件学院， 福建 福州 ３５０１１７； ２．武汉纺织大学 数学与计算机学院， 湖北 武汉 ４３０２００； ３．福建师 范大学 体育科学学院， 福建 福州 ３５０１１７） 摘 要：针对 Ｂｒｚｏｓｔｏｗｓｋｉ 方法因采集的速度数据精度不高、采用的建模算法搜索能力受限，而导致难以获取高精度 健身跑模型的问题，本文提出一种基于智能手机的健身跑速度数据获取及演化建模方法。 首先，提出基于智能手机 多传感器和中值滤波的健身跑速度采集方法，以滤除由于手机间歇性的姿态变化而产生的三轴加速度信号脉冲噪 声，并结合方向传感器对手机三轴加速度中包含的重力分量进行过滤；然后，设计一种健身跑演化建模算法，以增大 搜索空间为获取更优的健身跑模型提供支持。 实验结果表明，本文提出的方法可以比 Ｂｒｚｏｓｔｏｗｓｋｉ 方法获取更为精 确的速度和健身跑运动模型。 关键词：健身跑；智能手机；中值滤波；三轴加速度；方向传感器；速度采集；演化建模 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１７）０５－０７０２－０８ 中文引用格式：池小文，倪友聪，杜欣，等． 基于智能手机的健身跑数据采集及演化建模［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１７， １２（５）： ７０２－７０９． 英文引用格式：ＣＨＩ Ｘｉａｏｗｅｎ， ＮＩ Ｙｏｕｃｏｎｇ， ＤＵ Ｘｉｎ， ｅｔ ａｌ． Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ⁃ｂａｓｅｄ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１７， １２（５）： ７０２－７０９． Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ⁃ｂａｓｅｄ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ＣＨＩ Ｘｉａｏｗｅｎ １ ， ＮＩ Ｙｏｕｃｏｎｇ １ ， ＤＵ Ｘｉｎ １ ， ＹＥ Ｐｅｎｇ ２ ， ＷＵ Ｙａｎｄａｎ ３ （１．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ， Ｆｕｊｉａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１７，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ， Ｗｕｈａｎ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３０２００， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｆｕｊｉａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１７， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ｓｅａｒｃｈ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ， ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｐｒｅｃｉｓｅ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ Ｂｒｚｏｓｔｏｗｓｋｉ ｍｅｔｈｏｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｈａｔ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ． Ｆｉｒｓｔ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａ ｍｅｄｉａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｔｈａｔ ｃａｎ ｒｅｍｏｖｅ ｔｈｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ⁃ａｘｉｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｉｓ ｎｏｉｓｅｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｇｅｓｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｏｕｔ ｔｈｅ ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎ ｔｈｒｅｅ⁃ａｘｉｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ．Ｎｅｘｔ， ｗｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｅｎｌａｒｇｅ ｔｈｅ ｓｅａｒｃｈ ｓｐａｃｅ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ Ｂｒｚｏｓｔｏｗｓｋｉ􀆳ｓ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｆｉｔｎｅｓｓ ｒｕｎｎｉｎｇ； ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ； ｍｅｄｉａｎ ｆｉｌｔｅｒ； ｔｈｒｅｅ⁃ａｘｉｓ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ； ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ； ｓｐｅｅｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ； ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ 收稿日期：２０１７－０６－１２． 网络出版日期：２０１７－１０－２１． 基金项目：国家自然科学基金项目（ ６１３０５０７９， ６１３７００７８）；福建省自然 科学基金项目（ ２０１５Ｊ０１２３５，２０１７Ｊ０１４９８）；福建省教育厅 ＪＫ 类项目（ＪＫ２０１５００６）；武汉大学软件工程国家重点实验室开 放基金项目（ＳＫＬＳＥ ２０１４－１０－０２）． 通信作者：倪友聪．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙｏｕｃｏｎｇｎｉ＠ ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ． 由于健身跑不受时间、场地和季节的影响，方 法简便、费时少、见效快，已成为全民健身的主要锻 炼项目［１］ 。 为了提高健身跑的趣味性和娱乐性，市 面上已涌现出一批基于智能手机的健身跑系统［２］ 。 这些系统使用智能手机内置的 ＧＰＳ、加速度、方向、 磁力、陀螺仪和旋转矢量等传感器输出与运动状态 相关的 信 号， 经 处 理 后 可 获 取 健 身 跑 的 步 长 步 频［３－５］ 、加速度［６－９］和速度［１０－１２］ 等运动数据，在此基 础上提供运动数据的保存、 统计、 显示和分享等 功能。 为了能在提高锻炼效益的同时，避免过度运动