速度傳感器計(jì)步：利用三軸加速度傳感器的計(jì)步測(cè)算法 第1張" title="加速度傳感器計(jì)步：利用三軸加速度傳感器的計(jì)步測(cè)算法 第1張-傳感器知識(shí)網(wǎng)"/>
加速度傳感器計(jì)步：利用三軸加速度傳感器的計(jì)步測(cè)算法
現(xiàn)如今，很多現(xiàn)代人都非常注重自己的日常鍛煉，計(jì)步作為一種有效記錄監(jiān)控鍛煉的監(jiān)控手段，被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)終端的應(yīng)用中。
目前，大部分的計(jì)步都是通過(guò)GPS信號(hào)來(lái)測(cè)算運(yùn)動(dòng)距離，再反推行走步數(shù)實(shí)現(xiàn)的。這種方法很是有效，但在室內(nèi)或沒(méi)有GPS信號(hào)的設(shè)備上無(wú)法工作。同時(shí)，GPS精度對(duì)結(jié)果的干擾也比較大。
為避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)，我們可以考慮一種新的測(cè)步方法，即：通過(guò)設(shè)備上的加速度傳感器來(lái)計(jì)算步數(shù)，在不支持GPS的設(shè)備上也可正常工作。還可以與GPS互相配合測(cè)步，這樣可令使用場(chǎng)景變得多樣。
1.先要摸清模型的特征
目前，大部分設(shè)備都提供了可以檢測(cè)各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設(shè)備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x，y，z軸代表方向如圖）的特性來(lái)分析。分別用以檢測(cè)人步行中三個(gè)方向的加速度變化。
iOS設(shè)備的三軸加速度傳感器示意圖
用戶(hù)在水平步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動(dòng)作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢(shì)，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增加。
反映到圖表中，可以看到，在步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)正弦曲線，而且在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過(guò)對(duì)軌跡的峰值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶(hù)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶(hù)步行距離。
2.計(jì)步的合理算法
因?yàn)橛脩?hù)在運(yùn)動(dòng)中可能用手平持設(shè)備，或者將設(shè)備置于口袋中。所以，設(shè)備的放置方向不定。為此，通過(guò)計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度，我們可以獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。
第二步是峰值檢測(cè)，我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則舍棄。通過(guò)對(duì)峰值的次數(shù)累加，可得到用戶(hù)步行的步伐。
最后，就是去干擾。手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，或是我們俗稱(chēng)的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶(hù)想通過(guò)短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來(lái)模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值，對(duì)于這種干擾，我們可以通過(guò)給檢測(cè)加上閥值和步頻判斷來(lái)過(guò)濾。
人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說(shuō)相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們?cè)O(shè)置了timespan在記步過(guò)程中我們過(guò)濾了高頻噪聲，即步頻過(guò)快的情況。同時(shí)我們通過(guò)和上次加速度大小進(jìn)行比較，設(shè)置設(shè)立一定的閥值Threshold來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)是否屬于有效，有效運(yùn)動(dòng)才可進(jìn)行記步。
3.關(guān)于計(jì)步器的擴(kuò)展
以上是一個(gè)依靠加速度測(cè)算的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)原理，已知步行和跑步的步伐經(jīng)驗(yàn)值，那么稍微改進(jìn)下即可變成一個(gè)測(cè)距測(cè)速計(jì)。
通過(guò)三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。除了計(jì)步，還可以通過(guò)加速器的變化曲線判斷用戶(hù)摔倒?fàn)顟B(tài)，做成一個(gè)老人和兒童摔倒檢測(cè)自動(dòng)報(bào)警器。
來(lái)源：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng)
加速度傳感器計(jì)步：加速度傳感器計(jì)步原理
原標(biāo)題：加速度傳感器計(jì)步原理
隨著人們?cè)絹?lái)越注重日常鍛煉，計(jì)步作為一種有效記錄鍛煉的監(jiān)控手段，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)終端及智能穿戴設(shè)備中。
目前，市面上的計(jì)步器主要分為兩大類(lèi)：機(jī)械式計(jì)步器和電子計(jì)步器。其中，機(jī)械式計(jì)步器主要通過(guò)感應(yīng)手臂或腰部的抖動(dòng)來(lái)計(jì)步。
機(jī)械式計(jì)步器通常設(shè)有一個(gè)運(yùn)動(dòng)門(mén)限，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的加速度大于這個(gè)門(mén)限則能夠被內(nèi)部的機(jī)械裝置感應(yīng)到，進(jìn)而開(kāi)始計(jì)步。
由于運(yùn)動(dòng)門(mén)限不可調(diào)，機(jī)械式計(jì)步器在某些情況下無(wú)法計(jì)步，如走路較慢時(shí)手臂甩動(dòng)幅度較小，不會(huì)產(chǎn)生計(jì)步。
另外，非走路狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)幅度大也會(huì)產(chǎn)生計(jì)步，如抬手撓頭等動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生誤計(jì)。
電子計(jì)步器通常內(nèi)置一個(gè)加速度傳感器(Accelerometer)和一個(gè)運(yùn)算單元（MCU），通過(guò)加速度傳感器感應(yīng)用戶(hù)的加速度變化，然后通過(guò)MCU來(lái)估算行走的步數(shù)。
電子式計(jì)步器通常采用三軸加速度傳感器，可以感應(yīng)用戶(hù)在三維方向上的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)置較為復(fù)雜的計(jì)步算法。相對(duì)于機(jī)械式計(jì)步器，電子計(jì)步器計(jì)步精度更高，抗干擾能力更強(qiáng)。
目前智能手機(jī)和某些非智能手機(jī)都內(nèi)置了加速度傳感器，只需要增加相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn)計(jì)步，無(wú)需增加硬件成本。
智能手表，智能手環(huán)類(lèi)產(chǎn)品也都內(nèi)置加速度傳感器和計(jì)步算法，方便用戶(hù)監(jiān)控自己的運(yùn)動(dòng)量。以iOS設(shè)備為例，其三軸加速度傳感器的正方向如下圖所示。
iOS設(shè)備的三軸加速度傳感器
一． 模型特征
以放置在手腕處的加速度傳感器為例。用戶(hù)在水平步行運(yùn)動(dòng)中，手腕處的加速度會(huì)收到重力加速度和甩手加速度的雙重影響。
如下圖所示，紅色箭頭表示重力加速度，綠色箭頭表示甩手加速度。
在步行過(guò)程中，重力加速度始終垂直與大地，甩手動(dòng)作帶來(lái)的加速度呈周期性變化。
反映到圖表中，可以看到，在步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)周期性信號(hào)。
通過(guò)對(duì)軌跡的峰值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶(hù)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶(hù)步行距離。
二．計(jì)步算法
計(jì)步算法可以分為四大類(lèi)，一是峰值檢測(cè)算法，二是變換域算法，如FFT，三是濾波算法，四是模式識(shí)別算法。
根據(jù)所設(shè)計(jì)的計(jì)步器在人體上布放的位置不同，如腕部、腰部、鞋底等，可以選擇不同的計(jì)步算法。
峰值檢測(cè)類(lèi)算法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較為廣泛。這里簡(jiǎn)單介紹峰值檢測(cè)類(lèi)算法。
用戶(hù)在運(yùn)動(dòng)中，可能把設(shè)備放置于口袋或者包中，亦或拿在手中。所以設(shè)備的放置方向不確定。
那么首先，我們通過(guò)計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度，可以獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。
第二步就是峰值檢測(cè)，我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷當(dāng)前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。
如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則就舍棄這段。通過(guò)對(duì)峰值次數(shù)的累加，那我們就可得計(jì)算得到用戶(hù)步行的步數(shù)。
最后，就是去噪音(干擾)。手機(jī)或智能手表等手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，即我們俗稱(chēng)的手抖，或者某個(gè)用戶(hù)想通過(guò)短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來(lái)模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值，對(duì)于這種干擾，我們可以通過(guò)給檢測(cè)加上閥值和步頻判斷來(lái)過(guò)濾。
目前人類(lèi)最快的跑步頻率為5HZ（當(dāng)然不排除人類(lèi)借助其它設(shè)備跑步頻率超過(guò)這個(gè)頻率），也就是說(shuō)相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖中的計(jì)步時(shí)間，若兩次計(jì)步之間的時(shí)間間隔小于0.2秒，則不計(jì)步。
這樣我們就過(guò)濾了高頻噪聲，即步頻過(guò)快的情況。同時(shí)我們通過(guò)和上次加速度大小進(jìn)行比較，設(shè)置一定的閥值Threshold來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)是否屬于有效（如圖中的綠線），有效運(yùn)動(dòng)才可進(jìn)行記步。
三．計(jì)步器的擴(kuò)展
上面的例子是一個(gè)依靠加速度測(cè)算的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)原理，已知步行和跑步的步數(shù)，那么再通過(guò)人體身高，體重及性別就可以大致知道此人的步長(zhǎng)，改進(jìn)后即可變成一個(gè)測(cè)距離及測(cè)速計(jì)。
通過(guò)三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。除了計(jì)步，還可以利用加速度傳感器與陀螺儀及磁傳感器融合進(jìn)行步行航跡推算（PDR）。返回搜狐，查看更多
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加速度傳感器計(jì)步：加速度傳感器計(jì)步的原理及加速計(jì)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用
如今，每個(gè)人都非常關(guān)注健康。而運(yùn)動(dòng)正是健康最重要的手段。不管是出門(mén)佩戴手環(huán)、計(jì)步器，還是拿手機(jī)，記錄自己行走的步數(shù)，已經(jīng)是很多人的生活習(xí)慣了。可是，計(jì)步器到底是怎么工作的呢？是怎么知道我們每天走了多少步的呢？
三軸加速度傳感器能測(cè)量手機(jī)或手環(huán)在三個(gè)不同的方向上的加速度。資料圖
中國(guó)電子科學(xué)研究院工程師廖勇介紹說(shuō)，最開(kāi)始的計(jì)步器是機(jī)械式的，原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，就跟擺錘一樣的。因?yàn)槿嗽谧呗返臅r(shí)候是會(huì)把那個(gè)擺錘帶著在動(dòng)，它動(dòng)一下基本上就是人在走一步，然后擺錘動(dòng)一下，和金屬接觸通電，就記了一步。現(xiàn)在流行的智能手環(huán)和手機(jī)里，則一般采用的是三軸加速度傳感器，通過(guò)加速度傳感器，能夠測(cè)量手機(jī)或手環(huán)在三個(gè)不同的方向上的加速度，然后通過(guò)這個(gè)加速度的值進(jìn)行一些算法運(yùn)算，隨后經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，便可知曉大概的走路步數(shù)。
那么，加速度傳感器是如何具體知道我們走路的步數(shù)的呢？
廖勇說(shuō)，有一種特殊的材料，叫壓電陶瓷材料，根據(jù)作用在上面的力的大小產(chǎn)生不同的形變，就可以產(chǎn)生不同的電壓的變化，就可以通過(guò)作用在上面的力來(lái)測(cè)量出加速度，然后通過(guò)加速度判斷出這個(gè)人是走路的時(shí)候，他在哪個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，或頻率大概是多少。
村田VTI加速度傳感器產(chǎn)品
可是，我們知道，如果用手搖晃手機(jī)，也會(huì)產(chǎn)生加速度。對(duì)此，傳感器是如何分辨手晃和走路的區(qū)別的呢？
廖勇說(shuō)，人在走路時(shí)，頻率一定是在某一個(gè)范圍之內(nèi)，比如一秒鐘跨出多少步，或一分鐘只能走出多遠(yuǎn)。如果人的手拿著手機(jī)在晃的話(huà)，首先晃的頻率會(huì)非常快，其次人在拿手機(jī)晃的時(shí)候，加速度變化比人在走路時(shí)的加速度變化要大的多。通過(guò)這兩個(gè)方面，基本上就能夠判斷出來(lái)到底是人拿著手機(jī)在晃，還是真正的一個(gè)人在走。
專(zhuān)家還表示，其實(shí)計(jì)步功能只是加速度傳感器的一部分應(yīng)用。在車(chē)輛安全、橋梁健康等方面，加速度傳感器都有著非常重要的作用。
汽車(chē)安全氣囊測(cè)試，資料圖
比如，車(chē)上的安全氣囊為什么會(huì)彈起來(lái)呢？車(chē)開(kāi)到一定的速度之上然后突然停下來(lái)，安全氣囊就會(huì)彈出來(lái)，這實(shí)際上是有一個(gè)加速度傳感器在測(cè)量車(chē)在前進(jìn)的方向負(fù)加速度，或者說(shuō)，從很快的速度突然變得停下來(lái)，一個(gè)量的變化，來(lái)判斷說(shuō)現(xiàn)在應(yīng)不應(yīng)該把安全氣囊彈出來(lái)。
再比如，加速度傳感器在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。雖然橋梁看起來(lái)是硬的，但實(shí)際上橋梁還是會(huì)有一些形變的，但是每個(gè)橋梁的變化無(wú)法以某一個(gè)頻率來(lái)發(fā)生振動(dòng)，因?yàn)樗绻钱a(chǎn)生跟這個(gè)橋梁的固有頻率產(chǎn)生共振，會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)健康產(chǎn)生影響。所以就可以在橋梁地面上，設(shè)置一些加速度傳感器來(lái)測(cè)量橋梁的振動(dòng)，然后能夠判斷出振動(dòng)是不是在可允許的范圍內(nèi)。
傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)并稱(chēng)為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。航天運(yùn)載火箭上，采用的傳感器達(dá)2000多個(gè)；一架民航客機(jī)所用的傳感器也有上千個(gè)。可以說(shuō)，任何自動(dòng)控制裝置和系統(tǒng)都離不開(kāi)傳感器技術(shù)。
文章來(lái)源：傳感器專(zhuān)家網(wǎng)
加速度傳感器計(jì)步：計(jì)步新算法 利用三軸加速度傳感器的計(jì)步測(cè)算法原理
現(xiàn)如今，很多現(xiàn)代人都非常注重自己的日常鍛煉，計(jì)步作為一種有效記錄監(jiān)控鍛煉的監(jiān)控手段，被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)終端的應(yīng)用中。 目前，大部分的計(jì)步都是通過(guò)GPS信號(hào)來(lái)測(cè)算運(yùn)動(dòng)距離，再反推行走步數(shù)實(shí)現(xiàn)的。這種方法很是有效，但在室內(nèi)或沒(méi)有GPS信號(hào)的設(shè)備上無(wú)法工作。同時(shí)，GPS精度對(duì)結(jié)果的干擾也比較大。
為避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)，我們可以考慮一種新的測(cè)步方法，即：通過(guò)設(shè)備上的加速度傳感器來(lái)計(jì)算步數(shù)，在不支持GPS的設(shè)備上也可正常工作。還可以與GPS互相配合測(cè)步，這樣可令使用場(chǎng)景變得多樣。
1.先要摸清模型的特征
目前，大部分設(shè)備都提供了可以檢測(cè)各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設(shè)備為例，我們利用了其三軸加速度傳感器（x，y，z軸代表方向如圖）的特性來(lái)分析。分別用以檢測(cè)人步行中三個(gè)方向的加速度變化。
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iOS設(shè)備的三軸加速度傳感器示意圖
用戶(hù)在水平步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動(dòng)作中，由于重心向上單只腳觸地，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢(shì)，之后繼續(xù)向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增加。
反映到圖表中，可以看到，在步行運(yùn)動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)正弦曲線，而且在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過(guò)對(duì)軌跡的峰值進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶(hù)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶(hù)步行距離。
2.計(jì)步的合理算法
因?yàn)橛脩?hù)在運(yùn)動(dòng)中可能用手平持設(shè)備，或者將設(shè)備置于口袋中。所以，設(shè)備的放置方向不定。為此，通過(guò)計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度，我們可以獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線軌跡。 第二步是峰值檢測(cè)，我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則舍棄。通過(guò)對(duì)峰值的次數(shù)累加，可得到用戶(hù)步行的步伐。 最后，就是去干擾。手持設(shè)備會(huì)有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，或是我們俗稱(chēng)的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶(hù)想通過(guò)短時(shí)快速反復(fù)搖動(dòng)設(shè)備來(lái)模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會(huì)影響記步的準(zhǔn)確值，對(duì)于這種干擾，我們可以通過(guò)給檢測(cè)加上閥值和步頻判斷來(lái)過(guò)濾。
人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說(shuō)相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們?cè)O(shè)置了TImespan在記步過(guò)程中我們過(guò)濾了高頻噪聲，即步頻過(guò)快的情況。同時(shí)我們通過(guò)和上次加速度大小進(jìn)行比較，設(shè)置設(shè)立一定的閥值Threshold來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)是否屬于有效，有效運(yùn)動(dòng)才可進(jìn)行記步。
3.關(guān)于計(jì)步器的擴(kuò)展
以上是一個(gè)依靠加速度測(cè)算的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)原理，已知步行和跑步的步伐經(jīng)驗(yàn)值，那么稍微改進(jìn)下即可變成一個(gè)測(cè)距測(cè)速計(jì)。 通過(guò)三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。除了計(jì)步，還可以通過(guò)加速器的變化曲線判斷用戶(hù)摔倒?fàn)顟B(tài)，做成一個(gè)老人和兒童摔倒檢測(cè)自動(dòng)報(bào)警器。
