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加速度傳感器計(jì)步：利用三軸加速度傳感器的計(jì)步測算法
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)用在移動終端的應(yīng)用中。
目前，大部分的計(jì)步都是通過GPS信號來測算運(yùn)動距離，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)或沒有GPS信號的設(shè)備上無法工作。同時(shí)，GPS精度對結(jié)果的干擾也比較大。
為避免上述問題的出現(xiàn)，我們可以考慮一種新的測步方法，即：通過設(shè)備上的加速度傳感器來計(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互相配合測步，這樣可令使用場景變得多樣。
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）的特性來分析。分別用以檢測人步行中三個(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
用戶在水平步行運(yùn)動中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動作中，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，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，通過對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。
2.計(jì)步的合理算法
因?yàn)橛脩粼谶\(yùn)動中可能用手平持設(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，通過計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長度，我們可以獲得一條步行運(yùn)動的正弦曲線軌跡。
第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運(yùn)動方向，通過矢量長度的變化，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。通過對峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行的步伐。
最后，就是去干擾。手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，或是我們俗稱的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會影響記步的準(zhǔn)確值，對于這種干擾，我們可以通過給檢測加上閥值和步頻判斷來過濾。
人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們設(shè)置了timespan在記步過程中我們過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時(shí)我們通過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來判斷運(yùn)動是否屬于有效，有效運(yùn)動才可進(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)測距測速計(jì)。
通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運(yùn)動狀態(tài)。除了計(jì)步，還可以通過加速器的變化曲線判斷用戶摔倒?fàn)顟B(tài)，做成一個(gè)老人和兒童摔倒檢測自動報(bào)警器。
來源：維庫電子市場網(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
隨著人們越來越注重日常鍛煉，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：機(jī)械式計(jì)步器和電子計(jì)步器。其中，機(jī)械式計(jì)步器主要通過感應(yīng)手臂或腰部的抖動來計(jì)步。
機(jī)械式計(jì)步器通常設(shè)有一個(gè)運(yùn)動門限，當(dāng)運(yùn)動的加速度大于這個(gè)門限則能夠被內(nèi)部的機(jī)械裝置感應(yīng)到，進(jìn)而開始計(jì)步。
由于運(yùn)動門限不可調(diào)，機(jī)械式計(jì)步器在某些情況下無法計(jì)步，如走路較慢時(shí)手臂甩動幅度較小，不會產(chǎn)生計(jì)步。
另外，非走路狀態(tài)下運(yùn)動幅度大也會產(chǎn)生計(jì)步，如抬手撓頭等動作會產(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），通過加速度傳感器感應(yīng)用戶的加速度變化，然后通過MCU來估算行走的步數(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)用戶在三維方向上的運(yùn)動，且內(nèi)置較為復(fù)雜的計(jì)步算法。相對于機(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，無需增加硬件成本。
智能手表，智能手環(huán)類產(chǎn)品也都內(nèi)置加速度傳感器和計(jì)步算法，方便用戶監(jiān)控自己的運(yùn)動量。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。用戶在水平步行運(yùn)動中，手腕處的加速度會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。
在步行過程中，重力加速度始終垂直與大地，甩手動作帶來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。
通過對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。
二．計(jì)步算法
計(jì)步算法可以分為四大類，一是峰值檢測算法，二是變換域算法，如FFT，三是濾波算法，四是模式識別算法。
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。
峰值檢測類算法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較為廣泛。這里簡單介紹峰值檢測類算法。
用戶在運(yùn)動中，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，我們通過計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長度，可以獲得一條步行運(yùn)動的正弦曲線軌跡。
第二步就是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運(yùn)動方向，通過矢量長度的變化，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。通過對峰值次數(shù)的累加，那我們就可得計(jì)算得到用戶步行的步數(shù)。
最后，就是去噪音(干擾)。手機(jī)或智能手表等手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，即我們俗稱的手抖，或者某個(gè)用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會影響記步的準(zhǔn)確值，對于這種干擾，我們可以通過給檢測加上閥值和步頻判斷來過濾。
目前人類最快的跑步頻率為5HZ（當(dāng)然不排除人類借助其它設(shè)備跑步頻率超過這個(gè)頻率），也就是說相鄰兩步的時(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。
這樣我們就過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時(shí)我們通過和上次加速度大小進(jìn)行比較，設(shè)置一定的閥值Threshold來判斷運(yùn)動是否屬于有效（如圖中的綠線），有效運(yùn)動才可進(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)，那么再通過人體身高，體重及性別就可以大致知道此人的步長，改進(jìn)后即可變成一個(gè)測距離及測速計(jì)。
通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運(yùn)動狀態(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)動正是健康最重要的手段。不管是出門佩戴手環(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
中國電子科學(xué)研究院工程師廖勇介紹說，最開始的計(jì)步器是機(jī)械式的，原理其實(shí)很簡單，就跟擺錘一樣的。因?yàn)槿嗽谧呗返臅r(shí)候是會把那個(gè)擺錘帶著在動，它動一下基本上就是人在走一步，然后擺錘動一下，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，通過加速度傳感器，能夠測量手機(jī)或手環(huán)在三個(gè)不同的方向上的加速度，然后通過這個(gè)加速度的值進(jìn)行一些算法運(yùn)算，隨后經(jīng)過統(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，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，就可以通過作用在上面的力來測量出加速度，然后通過加速度判斷出這個(gè)人是走路的時(shí)候，他在哪個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動，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)，也會產(chǎn)生加速度。對此，傳感器是如何分辨手晃和走路的區(qū)別的呢？
廖勇說，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，首先晃的頻率會非常快，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。通過這兩個(gè)方面，基本上就能夠判斷出來到底是人拿著手機(jī)在晃，還是真正的一個(gè)人在走。
專家還表示，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。
汽車安全氣囊測試，資料圖
比如，車上的安全氣囊為什么會彈起來呢？車開到一定的速度之上然后突然停下來，安全氣囊就會彈出來，這實(shí)際上是有一個(gè)加速度傳感器在測量車在前進(jìn)的方向負(fù)加速度，或者說，從很快的速度突然變得停下來，一個(gè)量的變化，來判斷說現(xiàn)在應(yīng)不應(yīng)該把安全氣囊彈出來。
再比如，加速度傳感器在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用。雖然橋梁看起來是硬的，但實(shí)際上橋梁還是會有一些形變的，但是每個(gè)橋梁的變化無法以某一個(gè)頻率來發(fā)生振動，因?yàn)樗绻钱a(chǎn)生跟這個(gè)橋梁的固有頻率產(chǎn)生共振，會對橋梁的結(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測量橋梁的振動，然后能夠判斷出振動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，任何自動控制裝置和系統(tǒng)都離不開傳感器技術(shù)。
文章來源：傳感器專家網(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)用在移動終端的應(yīng)用中。 目前，大部分的計(jì)步都是通過GPS信號來測算運(yùn)動距離，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)或沒有GPS信號的設(shè)備上無法工作。同時(shí)，GPS精度對結(jié)果的干擾也比較大。
為避免上述問題的出現(xiàn)，我們可以考慮一種新的測步方法，即：通過設(shè)備上的加速度傳感器來計(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互相配合測步，這樣可令使用場景變得多樣。
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）的特性來分析。分別用以檢測人步行中三個(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
用戶在水平步行運(yùn)動中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會呈現(xiàn)周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動作中，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，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，通過對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計(jì)算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計(jì)算用戶運(yùn)動的步數(shù)，還可依此進(jìn)一步估算用戶步行距離。
2.計(jì)步的合理算法
因?yàn)橛脩粼谶\(yùn)動中可能用手平持設(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，通過計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長度，我們可以獲得一條步行運(yùn)動的正弦曲線軌跡。 第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運(yùn)動方向，通過矢量長度的變化，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。通過對峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行的步伐。 最后，就是去干擾。手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，或是我們俗稱的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶想通過短時(shí)快速反復(fù)搖動設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會影響記步的準(zhǔn)確值，對于這種干擾，我們可以通過給檢測加上閥值和步頻判斷來過濾。
人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們設(shè)置了TImespan在記步過程中我們過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時(shí)我們通過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來判斷運(yùn)動是否屬于有效，有效運(yùn)動才可進(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)測距測速計(jì)。 通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運(yùn)動狀態(tài)。除了計(jì)步，還可以通過加速器的變化曲線判斷用戶摔倒?fàn)顟B(tài)，做成一個(gè)老人和兒童摔倒檢測自動報(bào)警器。
