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Multi-level information fusion with motion constraints: Key to achieve high-precision gait analysis using low-cost inertial sensors

计算机科学 步态 惯性测量装置 可穿戴计算机 传感器融合 步态分析 跨步 卡尔曼滤波器 人工智能 模拟 计算机视觉 物理医学与康复 嵌入式系统 医学 计算机安全
作者
Peng Zhang,You Li,Yuan Zhuang,Jian Kuang,Xiaoji Niu,Ruizhi Chen
出处
期刊:Information Fusion [Elsevier BV]
卷期号:89: 603-618 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.inffus.2022.09.009
摘要

Gait can reflect locomotion and physical condition and thus is used to assess people's health. Traditional high-precision gait analysis devices are expensive and are limited to laboratory conditions, so the trend is to use wearable devices to analyze gait. The existing wearable inertial-based gait-analysis methods have stride-length and foot-clearance estimation accuracy of 2.0 cm to 5.0 cm (in root mean square) and have limitations. They have not considered the regularity of the movement between the toe and the heel, the varying dual-feet distance due to foot dynamics, and the diversity of sensors used. Involving these factors, this paper achieves an improved gait-analysis system that provides stride-length and foot-clearance accuracy of 1.5 cm and 1.0 cm, respectively. Such accuracy is state-of-the-art for low-cost inertial systems and is even competitive with those from visual-sensor-based gait-analysis systems. A key to the proposed method is a new multi-level information fusion architecture and the extraction of human-walking constraints. The information-fusion architecture involves data fusion from the sensor, single-foot, and dual-foot levels. Two gait-characteristic-based motion constraints are presented to achieve such fusion, including the toe-heel constant distance constraint and the dual-foot flexible distance constraint. To implement these constraints, a constrained Kalman filter is constructed. The corresponding hardware system has been designed using multiple dollar-level inertial measurement units.
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