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)算用戶運(yùn)動(dòng)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(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)，或是我們俗稱的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶想通過(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。