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(wú)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(wú)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(lái)了沒(méi)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(wèn)題來(lái)了——
我到底跑了多少？？？
這樣的記錄差異是從何而來(lái)呢？
華麗逆襲的跑步機(jī)
跑步機(jī)作為常見(jiàn)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(lái)源 | pixabay
然而萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)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(duì)應(yīng)的英文單詞是Treadmill，最早的用途更接近于“踏車(chē)”，即人力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械。
在19世紀(jì)，“踏車(chē)”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(lái)源 [1]
囚犯?jìng)兘?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(guò)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(lèi)，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(guò)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(jiǎn)單，當(dāng)跑步機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，我們?cè)谂懿綑C(jī)上用力帶動(dòng)跑帶的過(guò)程，就類(lèi)似于機(jī)械式跑步機(jī)的工作原理。（但誰(shuí)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(guò)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?ldquo;被動(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(duì)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(guò)手動(dòng)按鈕控制，我們可以自主地設(shè)定心儀的速度來(lái)進(jìn)行跑步鍛煉。
也就是說(shuō)，通過(guò)使用者設(shè)定速度，跑步機(jī)的控制系統(tǒng)和電機(jī)通過(guò)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。
跑步機(jī)：逆襲不夠，我還能更好
但這樣的控制方式，制約了健身者改變速度的自由性，對(duì)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(lái)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(jiǎn)單的思路就是建立一套速度自動(dòng)跟蹤控制的方法。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
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(lái)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?chē)h(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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
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?qū)崟r(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(guò)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。
若運(yùn)動(dòng)者的心率沒(méi)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(guò)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(guò)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(lái)不良體驗(yàn)。
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(hào)，可以通過(guò)在電動(dòng)跑步機(jī)跑帶下方安裝壓力傳感器獲得。
通過(guò)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(shì)。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(guò)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。
一步兩步三步四步...怎么數(shù)？
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?cè)俳又私馐謾C(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(jiǎn)單的計(jì)步器開(kāi)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(cè)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(lái)源
目前，常見(jiàn)的計(jì)步器分為機(jī)械式計(jì)步器、基于專(zhuān)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(kāi)發(fā)的計(jì)步器軟件等。
圖片來(lái)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(duì)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(guò)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(shì)；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(shì)；而水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增大。
圖片來(lái)源 | pixabay
因此，無(wú)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。
智能手機(jī)：n種方法算算算
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(lèi)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(hào)，從下圖中可以看到行走過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(hào)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(cè)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(duì)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(lái)了更大的能耗。
如下表格對(duì)目前各種計(jì)步算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)：
各種計(jì)步算法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 [7]
通過(guò)對(duì)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(guò)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(duì)更為多樣，但其共性是通過(guò)對(duì)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(lái)，我們?cè)谂懿綑C(jī)上的跑步姿勢(shì)、步長(zhǎng)和步頻都會(huì)導(dǎo)致智能手機(jī)測(cè)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(lái)看看不同記錄方式的差異有多大吧！
參考文獻(xiàn)
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