發布日期：2022-10-09 點擊率：102
速度傳感器計步：利用三軸加速度傳感器的計步測算法 第1張" title="加速度傳感器計步：利用三軸加速度傳感器的計步測算法 第1張-傳感器知識網"/>
現如今，很多現代人都非常注重自己的日常鍛煉，計步作為一種有效記錄監控鍛煉的監控手段，被廣泛應用在移動終端的應用中。
目前，大部分的計步都是通過GPS信號來測算運動距離，再反推行走步數實現的。這種方法很是有效，但在室內或沒有GPS信號的設備上無法工作。同時，GPS精度對結果的干擾也比較大。
為避免上述問題的出現，我們可以考慮一種新的測步方法，即：通過設備上的加速度傳感器來計算步數，在不支持GPS的設備上也可正常工作。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，大部分設備都提供了可以檢測各個方向的加速度傳感器。以iOS設備為例，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方向的加速度變化。
iOS設備的三軸加速度傳感器示意圖
用戶在水平步行運動中，垂直和前進兩個加速度會呈現周期性變化，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，之后繼續向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時減小，在邁步時增加。
反映到圖表中，可以看到，在步行運動中，垂直和前進產生的加速度與時間大致為一個正弦曲線，而且在某點有一個峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過對軌跡的峰值進行檢測計算和加速度閥值決策，即可實時計算用戶運動的步數，還可依此進一步估算用戶步行距離。
2.計步的合理算法
因為用戶在運動中可能用手平持設備，或者將設備置于口袋中。所以，設備的放置方向不定。為此，通過計算三個加速度的矢量長度，我們可以獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。
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行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態，則進入計步邏輯進行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數累加，可得到用戶步行的步伐。
最后，就是去干擾。手持設備會有一些低幅度和快速的抽動狀態，或是我們俗稱的手抖，或者某個惡作劇用戶想通過短時快速反復搖動設備來模擬人走路，這些干擾數據如果不剔除，會影響記步的準確值，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間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們設置了timespan在記步過程中我們過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時我們通過和上次加速度大小進行比較，設置設立一定的閥值Threshold來判斷運動是否屬于有效，有效運動才可進行記步。
3.關于計步器的擴展
以上是一個依靠加速度測算的計步器實現原理，已知步行和跑步的步伐經驗值，那么稍微改進下即可變成一個測距測速計。
通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運動狀態。除了計步，還可以通過加速器的變化曲線判斷用戶摔倒狀態，做成一個老人和兒童摔倒檢測自動報警器。
來源：維庫電子市場網
原標題：加速度傳感器計步原理
隨著人們越來越注重日常鍛煉，計步作為一種有效記錄鍛煉的監控手段，被廣泛應用于移動終端及智能穿戴設備中。
目前，市面上的計步器主要分為兩大類：機械式計步器和電子計步器。其中，機械式計步器主要通過感應手臂或腰部的抖動來計步。
機械式計步器通常設有一個運動門限，當運動的加速度大于這個門限則能夠被內部的機械裝置感應到，進而開始計步。
由于運動門限不可調，機械式計步器在某些情況下無法計步，如走路較慢時手臂甩動幅度較小，不會產生計步。
另外，非走路狀態下運動幅度大也會產生計步，如抬手撓頭等動作會產生誤計。
電子計步器通常內置一個加速度傳感器(Accelerometer)和一個運算單元（MCU），通過加速度傳感器感應用戶的加速度變化，然后通過MCU來估算行走的步數。
電子式計步器通常采用三軸加速度傳感器，可以感應用戶在三維方向上的運動，且內置較為復雜的計步算法。相對于機械式計步器，電子計步器計步精度更高，抗干擾能力更強。
目前智能手機和某些非智能手機都內置了加速度傳感器，只需要增加相應的軟件即可實現計步，無需增加硬件成本。
智能手表，智能手環類產品也都內置加速度傳感器和計步算法，方便用戶監控自己的運動量。以iOS設備為例，其三軸加速度傳感器的正方向如下圖所示。
iOS設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，在步行運動中，垂直和前進產生的加速度與時間大致為一個周期性信號。
通過對軌跡的峰值進行檢測計算和加速度閥值決策，即可實時計算用戶運動的步數，還可依此進一步估算用戶步行距離。
二．計步算法
計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。
根據所設計的計步器在人體上布放的位置不同，如腕部、腰部、鞋底等，可以選擇不同的計步算法。
峰值檢測類算法原理簡單，易于實現，應用較為廣泛。這里簡單介紹峰值檢測類算法。
用戶在運動中，可能把設備放置于口袋或者包中，亦或拿在手中。所以設備的放置方向不確定。
那么首先，我們通過計算三個加速度的矢量長度，可以獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。
第二步就是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運動方向，通過矢量長度的變化，可以判斷當前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進行比較。
如果是相反的，即是剛過峰值狀態，則進入計步邏輯進行計步，否則就舍棄這段。通過對峰值次數的累加，那我們就可得計算得到用戶步行的步數。
最后，就是去噪音(干擾)。手機或智能手表等手持設備會有一些低幅度和快速的抽動狀態，即我們俗稱的手抖，或者某個用戶想通過短時快速反復搖動設備來模擬人走路，這些干擾數據如果不剔除，會影響記步的準確值，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（當然不排除人類借助其它設備跑步頻率超過這個頻率），也就是說相鄰兩步的時間間隔的至少大于0.2秒，如圖中的計步時間，若兩次計步之間的時間間隔小于0.2秒，則不計步。
這樣我們就過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時我們通過和上次加速度大小進行比較，設置一定的閥值Threshold來判斷運動是否屬于有效（如圖中的綠線），有效運動才可進行記步。
三．計步器的擴展
上面的例子是一個依靠加速度測算的計步器實現原理，已知步行和跑步的步數，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，改進后即可變成一個測距離及測速計。
通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運動狀態。除了計步，還可以利用加速度傳感器與陀螺儀及磁傳感器融合進行步行航跡推算（PDR）。返回搜狐，查看更多
責任編輯：
如今，每個人都非常關注健康。而運動正是健康最重要的手段。不管是出門佩戴手環、計步器，還是拿手機，記錄自己行走的步數，已經是很多人的生活習慣了。可是，計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或手環在三個不同的方向上的加速度。資料圖
中國電子科學研究院工程師廖勇介紹說，最開始的計步器是機械式的，原理其實很簡單，就跟擺錘一樣的。因為人在走路的時候是會把那個擺錘帶著在動，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。現在流行的智能手環和手機里，則一般采用的是三軸加速度傳感器，通過加速度傳感器，能夠測量手機或手環在三個不同的方向上的加速度，然后通過這個加速度的值進行一些算法運算，隨后經過統計，便可知曉大概的走路步數。
那么，加速度傳感器是如何具體知道我們走路的步數的呢？
廖勇說，有一種特殊的材料，叫壓電陶瓷材料，根據作用在上面的力的大小產生不同的形變，就可以產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人是走路的時候，他在哪個方向進行運動，或頻率大概是多少。
村田VTI加速度傳感器產品
可是，我們知道，如果用手搖晃手機，也會產生加速度。對此，傳感器是如何分辨手晃和走路的區別的呢？
廖勇說，人在走路時，頻率一定是在某一個范圍之內，比如一秒鐘跨出多少步，或一分鐘只能走出多遠。如果人的手拿著手機在晃的話，首先晃的頻率會非常快，其次人在拿手機晃的時候，加速度變化比人在走路時的加速度變化要大的多。通過這兩個方面，基本上就能夠判斷出來到底是人拿著手機在晃，還是真正的一個人在走。
專家還表示，其實計步功能只是加速度傳感器的一部分應用。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，這實際上是有一個加速度傳感器在測量車在前進的方向負加速度，或者說，從很快的速度突然變得停下來，一個量的變化，來判斷說現在應不應該把安全氣囊彈出來。
再比如，加速度傳感器在橋梁健康監測中的應用。雖然橋梁看起來是硬的，但實際上橋梁還是會有一些形變的，但是每個橋梁的變化無法以某一個頻率來發生振動，因為它如果是產生跟這個橋梁的固有頻率產生共振，會對橋梁的結構健康產生影響。所以就可以在橋梁地面上，設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。
傳感器技術與計算機技術，通信技術并稱為現代信息技術的三大支柱。航天運載火箭上，采用的傳感器達2000多個；一架民航客機所用的傳感器也有上千個。可以說，任何自動控制裝置和系統都離不開傳感器技術。
文章來源：傳感器專家網
現如今，很多現代人都非常注重自己的日常鍛煉，計步作為一種有效記錄監控鍛煉的監控手段，被廣泛應用在移動終端的應用中。 目前，大部分的計步都是通過GPS信號來測算運動距離，再反推行走步數實現的。這種方法很是有效，但在室內或沒有GPS信號的設備上無法工作。同時，GPS精度對結果的干擾也比較大。
為避免上述問題的出現，我們可以考慮一種新的測步方法，即：通過設備上的加速度傳感器來計算步數，在不支持GPS的設備上也可正常工作。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，大部分設備都提供了可以檢測各個方向的加速度傳感器。以iOS設備為例，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方向的加速度變化。
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iOS設備的三軸加速度傳感器示意圖
用戶在水平步行運動中，垂直和前進兩個加速度會呈現周期性變化，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，之后繼續向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時減小，在邁步時增加。
反映到圖表中，可以看到，在步行運動中，垂直和前進產生的加速度與時間大致為一個正弦曲線，而且在某點有一個峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過對軌跡的峰值進行檢測計算和加速度閥值決策，即可實時計算用戶運動的步數，還可依此進一步估算用戶步行距離。
2.計步的合理算法
因為用戶在運動中可能用手平持設備，或者將設備置于口袋中。所以，設備的放置方向不定。為此，通過計算三個加速度的矢量長度，我們可以獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。 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行比較。如果是相反的，即是剛過峰值狀態，則進入計步邏輯進行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數累加，可得到用戶步行的步伐。 最后，就是去干擾。手持設備會有一些低幅度和快速的抽動狀態，或是我們俗稱的手抖，或者某個惡作劇用戶想通過短時快速反復搖動設備來模擬人走路，這些干擾數據如果不剔除，會影響記步的準確值，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間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們設置了TImespan在記步過程中我們過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時我們通過和上次加速度大小進行比較，設置設立一定的閥值Threshold來判斷運動是否屬于有效，有效運動才可進行記步。
3.關于計步器的擴展
以上是一個依靠加速度測算的計步器實現原理，已知步行和跑步的步伐經驗值，那么稍微改進下即可變成一個測距測速計。 通過三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶的運動狀態。除了計步，還可以通過加速器的變化曲線判斷用戶摔倒狀態，做成一個老人和兒童摔倒檢測自動報警器。
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