陀螺儀在人體活動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用

人體活動(dòng)識(shí)別（HAR）系統(tǒng)已被廣泛用于評(píng)估身體健康表現(xiàn)。在這類系統(tǒng)中，慣性傳感器憑借低成本和低干擾性而脫穎而出。通過將它們佩戴在人體的不同部位，可以監(jiān)測(cè)日常生活中的人體活動(dòng)。慣性傳感器有助于在許多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)較高的HAR識(shí)別性能，如康復(fù)訓(xùn)練和智能家居等。

目前主要有兩種類型的慣性傳感器應(yīng)用于HAR系統(tǒng)：用于捕捉加速運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)和用于捕捉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的陀螺儀。單獨(dú)使用陀螺儀識(shí)別性能較差。不過，事實(shí)證明，將陀螺儀與加速度計(jì)一起使用對(duì)某些HAR系統(tǒng)是有效的。

陀螺儀是需要耗能的。對(duì)于智能手機(jī)和嵌入式傳感平臺(tái)，開啟陀螺儀需要更高的能耗，導(dǎo)致更短的續(xù)航時(shí)間。此外，它還需要占用額外的處理資源。因此，已有一些研究探討了在HAR系統(tǒng)中開啟陀螺儀的必要性。結(jié)果表明，加速度計(jì)結(jié)合陀螺儀可以提高識(shí)別精度。不過，這些研究使用來自相同主題的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估。因此，這些模型無法泛化未經(jīng)模型訓(xùn)練的主題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）電子工程系的Meng Shang等在一項(xiàng)研究中評(píng)估了陀螺儀在人體活動(dòng)識(shí)別中的附加價(jià)值，研究了加速度計(jì)和陀螺儀記錄的兩個(gè)公共可用數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集聚焦了多種類型的人體活動(dòng)：UCI HAR數(shù)據(jù)集包括步行、上樓、下樓、坐著、站著、躺著；WISDM數(shù)據(jù)集包括18種手導(dǎo)向和非手導(dǎo)向的人體活動(dòng)。應(yīng)用多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行活動(dòng)識(shí)別。留一法交叉驗(yàn)證（LOSO）被應(yīng)用于評(píng)估其模型，其中訓(xùn)練集和測(cè)試集來自不同的主題。

總結(jié)來說，利用陀螺儀可以改進(jìn)的人體活動(dòng)識(shí)別包括：
UCI HAR數(shù)據(jù)集（陀螺儀佩戴在腰部）：坐著、躺著；
WISDM數(shù)據(jù)集（陀螺儀佩戴在手腕上）：所有手導(dǎo)向（例如吃東西、打字）的活動(dòng)；
WISDM數(shù)據(jù)集（陀螺儀在口袋里）：坐著、站著、踢足球。

可以改進(jìn)的人體活動(dòng)識(shí)別類型與陀螺儀的佩戴位置高度相關(guān)。具體來說，陀螺儀佩戴在手腕上，改善了手導(dǎo)向的活動(dòng)識(shí)別；而陀螺儀在口袋或腰部，改善了非手導(dǎo)向的活動(dòng)識(shí)別。盡管智能手表上的陀螺儀為非手導(dǎo)向的活動(dòng)帶來了差異，但p值還不足以證明其意義。

不過，除了識(shí)別性能改進(jìn)，通過添加陀螺儀，部分活動(dòng)的識(shí)別F1分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了降低。在之前的研究中，陀螺儀也會(huì)導(dǎo)致某些活動(dòng)的識(shí)別性能下降。這可能是由于來自陀螺儀的不相關(guān)信息。另一個(gè)原因可能是加速度計(jì)和陀螺儀的冗余特性。因此，在研究相關(guān)活動(dòng)時(shí)最好結(jié)合陀螺儀。

盡管添加陀螺儀可以提高識(shí)別性能，但也會(huì)帶來額外的功耗和資源占用。如下圖所示，兩種情況下F1分?jǐn)?shù)的差異均在0.1以內(nèi)。因此，在一些需要低功耗的應(yīng)用中（例如，使用智能手機(jī)進(jìn)行活動(dòng)識(shí)別），可能就不需要添加陀螺儀。

WISDM數(shù)據(jù)集：支持向量機(jī)（SVM）模型對(duì)每種活動(dòng)的F1分?jǐn)?shù)（上圖智能手表，下圖智能手機(jī)），星號(hào)表示差異顯著。

慣性傳感器在人體活動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中很受歡迎。然而，添加陀螺儀會(huì)消耗更多的能量和處理資源。這項(xiàng)研究旨在探索添加陀螺儀對(duì)識(shí)別性能的附加價(jià)值。LOSO被用于評(píng)估識(shí)別性能，以便模型能夠泛化未經(jīng)模型訓(xùn)練的主題。結(jié)果證明了手導(dǎo)向活動(dòng)（陀螺儀在手腕上）和非手導(dǎo)向活動(dòng)（陀螺儀在腰部或口袋中）的識(shí)別改善。陀螺儀可以根據(jù)人體活動(dòng)類型和傳感器所處位置進(jìn)行組合使用。