不知道大家還記不記得

上個(gè)月小編因?yàn)樘鞖廪D(zhuǎn)暖而進(jìn)行的

“全身脂肪覆蓋層無痛消除術(shù)”

除了狂吃寶塔菜（學(xué)習(xí)分形）之外

小編還在堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)

然而日常整活的小編

怎么可能只是老老實(shí)實(shí)的在跑步呢？

繼續(xù)秉持著之前“努力思考同樣可以消耗熱量”的思路

小編又找到了新的“熱量缺口”

為了“全身脂肪覆蓋層無痛消除術(shù)”的成功進(jìn)行

小編每天堅(jiān)持跑步5 km

跑步機(jī)的設(shè)置速度也逐漸從9 km/h慢慢提升

然而跑到10.5 km/h這個(gè)速度時(shí)

小編忽然好奇

使用手機(jī)進(jìn)行記錄和跑步機(jī)的記錄差異會(huì)有多大？

結(jié)果是不試不知道

一試嚇一跳

跑步機(jī)速度10.5 km/h累計(jì)跑步5 km

共計(jì)用時(shí)28'34''

換算為每公里配速的話就是…

從km/h到min/km

真·小學(xué)數(shù)學(xué)

怎么樣，算出來了沒有？

跑步機(jī)的數(shù)據(jù)是每公里配速5.71428…min

約為每公里用時(shí)5'43''

而手機(jī)記錄的結(jié)果是…

共計(jì)用時(shí)28'47'' 跑步距離6.55 km

（結(jié)束記錄時(shí)間稍有延遲）

這配速，這距離

小編看了都吃鯨

那么問題來了——

我到底跑了多少？？？

這樣的記錄差異是從何而來呢？

跑步機(jī)作為常見室內(nèi)健身器材，我們都會(huì)自然而然的認(rèn)為它的作用是幫助大家強(qiáng)身健體，為室內(nèi)運(yùn)動(dòng)提供便利。

圖片來源 | pixabay

然而萬萬沒想到，跑步機(jī)竟然還有一段從刑具逆襲成為健身器材的勵(lì)志故事…

跑步機(jī)對應(yīng)的英文單詞是Treadmill，最早的用途更接近于“踏車”，即人力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械。

在19世紀(jì)，“踏車”被改造成為了“跑步機(jī)”，成為了懲罰犯人的刑具。犯人們需要用力踩動(dòng)輻條以帶動(dòng)巨大的槳輪，用于抽水、粉碎谷物或者驅(qū)動(dòng)磨坊。

圖片來源 [1]

囚犯們經(jīng)常每天被迫踩磨坊6個(gè)小時(shí)以上，這相當(dāng)于每天攀登1500米到4300米的高山。

經(jīng)過了一系列的發(fā)展，跑步機(jī)也由人力驅(qū)動(dòng)演變成為了電力驅(qū)動(dòng)，逐漸成為了受到大家歡迎的室內(nèi)健身器械。

從上面這段故事中，我們可以得知——從機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分類，跑步機(jī)主要分為機(jī)械式跑步機(jī)和電動(dòng)跑步機(jī)。

機(jī)械式跑步機(jī)主要通過運(yùn)動(dòng)者與跑帶的摩擦，帶動(dòng)跑帶跟隨著運(yùn)動(dòng)者的腳步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，也就是“人力驅(qū)動(dòng)”。

想體驗(yàn)機(jī)械式跑步機(jī)也很簡單，當(dāng)跑步機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，我們在跑步機(jī)上用力帶動(dòng)跑帶的過程，就類似于機(jī)械式跑步機(jī)的工作原理。（但誰又會(huì)想這樣做呢？）

而現(xiàn)在，電動(dòng)跑步機(jī)成為主流，其運(yùn)作方式是通過電機(jī)帶動(dòng)跑帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)者跟隨其轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。跑步機(jī)上的運(yùn)動(dòng)者也從“主動(dòng)”變?yōu)榱恕氨粍?dòng)”。

除了不受天氣影響之外，跑步機(jī)的輸送帶具有避震功能，可以一定程度上降低跑步對膝蓋和背部的傷害。

那么跑步機(jī)是如何記錄跑步距離和速度的呢？

目前，電動(dòng)跑步機(jī)的加減速都是通過手動(dòng)按鈕控制，我們可以自主地設(shè)定心儀的速度來進(jìn)行跑步鍛煉。

也就是說，通過使用者設(shè)定速度，跑步機(jī)的控制系統(tǒng)和電機(jī)通過協(xié)同工作保證了跑帶以固定的速度（即設(shè)定速度）轉(zhuǎn)動(dòng)。

在這種工作模式之下，只需要將跑步者的跑步速度與時(shí)間進(jìn)行記錄，求和即可得到跑步距離：

以小編的跑步情況為例，跑步速度為10.5 km/h，跑步時(shí)間為28:34，就可以得出跑步距離為5 km。

但這樣的控制方式，制約了健身者改變速度的自由性，對于電動(dòng)跑步機(jī)應(yīng)用拓展也產(chǎn)生了諸多不利影響。

因此，有越來越多新的跑步機(jī)速度跟蹤控制方法被提出，希望可以讓大家運(yùn)動(dòng)的更加科學(xué)和舒適。

為了讓跑步機(jī)速度控制更加便捷，最簡單的思路就是建立一套速度自動(dòng)跟蹤控制的方法。

簡單來說，就是在跑步機(jī)控制系統(tǒng)中引入反饋回路，這樣控制系統(tǒng)就可以根據(jù)跑步者實(shí)際的跑步情況來自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖片來源 | pixabay

那么，哪一個(gè)信息適合被加入反饋回路呢？心率和跑步者的位置似乎是不錯(cuò)的選擇。

讓我們先來了解一些傳感器相關(guān)的知識(shí)。

傳感器技術(shù)是指可以感知周圍環(huán)境以及特殊物質(zhì)，將采集的環(huán)境或物質(zhì)信息進(jìn)行分析，并且將識(shí)別物質(zhì)的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

因此，傳感器可以決定所獲取的數(shù)據(jù)信息的數(shù)量與品質(zhì)。

上面提到的跑步機(jī)速度自動(dòng)跟蹤方法，是指將心率傳感技術(shù)和位置傳感技術(shù)進(jìn)行集成，能夠實(shí)時(shí)追蹤到運(yùn)動(dòng)者的心率狀態(tài)和位置狀態(tài)。

其自動(dòng)控制流程原理如下圖所示：

基于傳感技術(shù)的跑步機(jī)速度自動(dòng)跟蹤控制方法流程圖 [3]

為了保證運(yùn)動(dòng)者的安全，光學(xué)心率傳感器會(huì)時(shí)刻提供運(yùn)動(dòng)者的心率信息。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)者的心率超過設(shè)定閾值時(shí)，跑步機(jī)會(huì)自動(dòng)降低速度，使運(yùn)動(dòng)者的心率逐漸恢復(fù)到正常數(shù)值。

圖片來源 | pixabay

若運(yùn)動(dòng)者的心率沒有得到緩解，跑步機(jī)則會(huì)自動(dòng)急停，最大限度地保護(hù)運(yùn)動(dòng)者的生命安全。

另一方面，當(dāng)運(yùn)動(dòng)者處于跑步帶的中央時(shí)，從平衡感的角度考慮，是處于最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。

因此，位置傳感器可以時(shí)刻確定運(yùn)動(dòng)者在跑步帶上的位置，如果運(yùn)動(dòng)者偏離跑步機(jī)的中心位置，反饋回路同樣會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過微調(diào)跑帶速度使運(yùn)動(dòng)者回到中心位置。

但這樣的調(diào)節(jié)方式也存在一些不足之處，例如：相同的位置偏差可能是由遠(yuǎn)及近引起，也可能是由近及遠(yuǎn)引起，在進(jìn)行速度補(bǔ)償時(shí)容易發(fā)生誤判，反而使運(yùn)動(dòng)者更偏離中心位置。

除此之外，在跑步機(jī)正常運(yùn)行過程中，人在跑帶上跑步，可以近似被看做脈沖型負(fù)載。

脈沖型負(fù)載具有明顯的周期性，加載與卸載的作用時(shí)間較短，馬達(dá)可能會(huì)在腳觸板的任意時(shí)刻變速，會(huì)造成加減速震蕩，帶來不良體驗(yàn)。

圖片來源 | pixabay

除了考慮心率和跑步者的位置，步法也可以作為反饋回路的重要信息。

步法信息是指運(yùn)動(dòng)時(shí)腳底與跑步機(jī)之間的作用力信號，可以通過在電動(dòng)跑步機(jī)跑帶下方安裝壓力傳感器獲得。

通過分析運(yùn)動(dòng)時(shí)的步法信息，可以判別運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)趨勢。將壓力傳感器采集到的人在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的Z方向垂直力求和：

運(yùn)動(dòng)者在任意時(shí)間t的位置信息可以由力矩平衡方程得到：

由此可以獲得F(t) 、X(t) 、Y(t) 的實(shí)時(shí)曲線，經(jīng)過分析可以劃分出跑步者步態(tài)周期中的各個(gè)階段。

將步法信息（F(t) 、X(t) 、Y(t)等）作為反饋回路的重要判別因素，進(jìn)而控制電機(jī)加速或減速，使得跑步機(jī)速度隨著人體運(yùn)動(dòng)速度的變化而改變，可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)速度的跟隨控制，提升跑步機(jī)的性能。

前面為大家詳細(xì)的介紹了跑步機(jī)計(jì)步和性能優(yōu)化的相關(guān)知識(shí)，讓我們再接著了解手機(jī)記錄跑步距離和速度的原理，看看為什么兩種記錄方式的差異會(huì)如此之大呢？

首先，我們先從簡單的計(jì)步器開始，計(jì)步器可以記錄運(yùn)動(dòng)者的行走步數(shù)、行走距離、行走速度和行走時(shí)間等數(shù)據(jù)，并且在此基礎(chǔ)上測算運(yùn)動(dòng)者某一時(shí)段的卡路里或熱能消耗，主要用于統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)量。

電子計(jì)步器 | 圖片來源

目前，常見的計(jì)步器分為機(jī)械式計(jì)步器、基于專用計(jì)步芯片的電子計(jì)步器、智能手環(huán)和基于智能手機(jī)內(nèi)置傳感器開發(fā)的計(jì)步器軟件等。

圖片來源 | pixabay

以電子計(jì)步器為例，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能，需要對行走和跑步時(shí)具有周期性的物理量進(jìn)行精確的記錄。

而人在行走或跑步時(shí)，加速度的變化最為明顯，可以將其分解為前向、縱向、側(cè)向三個(gè)方向的變量。

行走和跑步的過程中，加速度隨著我們的步伐呈現(xiàn)周期性變化。

將我們行走的動(dòng)作進(jìn)行分割，其中，在收腳的動(dòng)作中，由于重心向上，單只腳觸地，垂直方向加速度是呈現(xiàn)正向增加的趨勢；向前邁步時(shí)，重心下移兩腳觸地，加速度呈現(xiàn)反向減小的趨勢；而水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增大。

圖片來源 | pixabay

因此，無論將計(jì)步器放在哪個(gè)部位，至少會(huì)有一個(gè)方向的加速度幅度會(huì)具有明顯的周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)步的目的。

在智能手機(jī)中，各種各樣的傳感器協(xié)同工作支持著我們的各種需求——光線傳感器、距離傳感器、重力加速度傳感器、磁力傳感器、心率傳感器、振動(dòng)傳感器…

類似于電子計(jì)步器，智能手機(jī)也可以采集人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度信號，從下圖中可以看到行走過程中加速度的循環(huán)特性。

連續(xù)行走時(shí)產(chǎn)生的加速度的大小 | 圖片來源 [6]

自相關(guān)系數(shù)計(jì)步算法基于加速度的循環(huán)特征，通過計(jì)算兩個(gè)相鄰步行周期上整體加速度的相關(guān)性強(qiáng)弱判斷行人是否行走，相關(guān)性越高，則準(zhǔn)確計(jì)步的概率越大。

另外一種智能手機(jī)計(jì)步方法是頻域計(jì)步算法，即通過收集離散時(shí)間序列上的傳感器數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換（Short Term Fourier Transform，STFT）或者快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）。

傳感器收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域后，可以放大一些在時(shí)域上不夠明顯的信號特征。

我們非常熟悉的陀螺儀在智能手機(jī)的計(jì)步功能中也發(fā)揮了重要的作用。陀螺儀的主要功能是檢測角動(dòng)量。

以FFT計(jì)步算法為例，將陀螺儀采集到角速度最大的坐標(biāo)軸作為敏感軸，接著對角速度數(shù)據(jù)作FFT處理，將時(shí)域角速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。

最后，判斷數(shù)據(jù)是否在典型步行頻率范圍內(nèi)且超出預(yù)設(shè)的振幅閾值，若符合上述條件，則計(jì)一步。

相較于時(shí)域的計(jì)步方式，頻域計(jì)步方式會(huì)更加準(zhǔn)確，但同時(shí)也帶來了更大的能耗。

如下表格對目前各種計(jì)步算法進(jìn)行了簡單的總結(jié)：

各種計(jì)步算法的優(yōu)缺點(diǎn)對比 [7]

通過對跑步機(jī)和智能手機(jī)計(jì)步方式的了解，我們可以知道跑步機(jī)是通過運(yùn)動(dòng)者設(shè)定的速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行距離記錄。

而智能手機(jī)的計(jì)步方式相對更為多樣，但其共性是通過對傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的算法分析從而進(jìn)行計(jì)步。

這樣看來，我們在跑步機(jī)上的跑步姿勢、步長和步頻都會(huì)導(dǎo)致智能手機(jī)測量結(jié)果的精準(zhǔn)程度不同，也就造成了小編在跑步機(jī)記錄跑步距離5 km，而智能手機(jī)記錄結(jié)果卻是6.55 km的巨大差異。

所以仔細(xì)想想…難道是小編短腿導(dǎo)致了步頻偏高，所以手機(jī)記錄結(jié)果虛高？？？

 大家也一起來看看不同記錄方式的差異有多大吧！

[1] 知乎 | 跑步機(jī)是如何從刑具翻身成為大眾健身器械的？

[2] 褚俊英,郭彬,孫彤.基于傳感技術(shù)的跑步機(jī)速度自動(dòng)跟蹤控制方法[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2020(07):38-41.DOI:10.14016/j.cnki.1001-9227.2020.07.038.

[3] 程龍樂，許金林，等．基于圖像處理的跑步機(jī)速度自適應(yīng)技術(shù)研究［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展， 2016，( 10) : 92－94．

[4] 劉洋,周旭,孫怡寧,劉遙,馬書芳.基于步法的跑步機(jī)速度跟蹤控制方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(02):217-220.

[5] 王盼.基于單片機(jī)的智能計(jì)步器設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù),2021(06):23-25 45.DOI:10.19432/j.cnki.issn1006-2394.2021.06.006.

[6] 楊潤澤. 一種節(jié)能的智能手機(jī)計(jì)步算法的研究與應(yīng)用[D].內(nèi)蒙古大學(xué),2019.

[7]王繼. 基于行人航跡推算的室內(nèi)智能手機(jī)定位方法研究[D].山東科技大學(xué),2020.