【传感器篇】--智能穿戴设备中常用传感器有哪些？知其然知其所以然

第一篇文章先来介绍加速度计、陀螺仪、磁力计的相关原理和应用，在介绍传感器之前，我们先来了解在惯性导航中常用的坐标系。

1.常用的坐标系

地球坐标系 （e系）-OXeYeZe

指固联在地球上的坐标系，原点在地球的质心，它相对于惯性坐标系以地球自转角速度15.041088°/h旋转。OZe轴平行于地球自转周并指向北极，OXe轴在赤道平面内指向格林尼治子午线，OYe在赤道平面内指向东经90°方向, OZe轴与OYe和OXe构成右手系。

地理坐标系（g系）-OXgYgZg

指原点位于载体所在的地球表面，其中一轴与地理垂线重合的右手直角坐标系。地理坐标系的原点O选取在载体重心处，对于地理坐标系的坐标轴有不同的取法，如东北天、北西天、北东地等。

对于东北天坐标系的定义为:原点O选取在载体重心处，ox指东，oy指北，oz沿垂线方向指天。

载体坐标系（b系）-OXbYbZb

原点在载体的质心，OXb轴和OYb轴在当地水平面内，OXb轴指向载体的右侧，OYb轴沿载体纵轴方向并指向前，OZb垂直于载体竖直向上。OXbYbZb坐标系构成右手直角坐标系

载体坐标系相对于地理坐标系所确定的状态可以用姿态角来表示。
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导航坐标系

根据需要选取的基准坐标系，也是惯导系统在求解参数中所用的坐标系。

捷联式惯性导航的基本原理：

将传感器直接捆绑在载体上，通过计算机实时计算载体的姿态矩阵，通过载体矩阵将载体坐标系轴向的三轴加速度值转换成导航坐标系轴向的三轴加速度值，再进行计算。
如果想要获取载体的姿态和航向数据（根据陀螺仪和地磁计），根据姿态矩阵中的元素求出。
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右手坐标系

右手坐标系：
右手背对着屏幕放置，拇指即指向X轴的正方向。伸出食指和中指，如右图所示，食指指向Y轴的正方向，中指所指示的方向即是Z轴的正方向。
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右手法则：
以右手握住Z轴,让右手的四指从X轴的正向以90度的直角转向Y轴的正向,这时大拇指所指的方向就是Z轴的正向.这样的三个坐标轴构成的坐标系称为右手空间直角坐标系.

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接下来，第一篇文章先来介绍加速度计、陀螺仪、磁力计的相关原理和应用

2.加速计

组成

加速度计由三个轴构成，X轴沿载体横轴方向向左，Y轴为载体纵轴，方向向前，Z垂直于水平面，方向向上。

加速度计分为数字加速度计和模拟加速度计

数字加速度计可通过I2C，SPI或USART方式获取信息，而模拟加速度计的输出是一个在预定范围内的电压值，你需要用ADC（模拟量转数字量）模块将其转换为数字值。

加速度计测量的单位：m/s^2
表现形式为：轴向加速度的大小和方向

加速度计原理：

利用惯性力，F=ma

（注：开发板中加速度计坐标系，不满足右手直角坐标系，不是载体坐标系）

加速度计原理图如下：矢量R是加速度计所检测的矢量
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其中使用模拟加速度计通过ADC读出三个轴的分量值，计算得到Rx、Ry、Rz

Rx = (AdcRx * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity

Ry = (AdcRy * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity

Rz = (AdcRz * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity

常用加速度传感器

• 如MMA、LSM、MPU、BMA等系列，如：MMA7460、MMA8452、MPU6050（A+G）、MPU6800(A+G)、LSM6DSL(A+G)、IMC20603(A+G)、MPU9150（A+G+M）
• 使用场景
• 加速度计通过一定的算法，就可以做成我们常用的功能，如：计步器、拍照防抖、GPS补偿、跌落保护、图像旋转、游戏控制器等。

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3.陀螺仪

组成

陀螺仪主要用来测量载体各轴向的转动角速度，通过测量自身的旋转状态，判断设备当前运动状态，是向前、后、左、右、上、下，是加速（角速度）还是减速。

陀螺仪由三个轴构成，X轴沿载体横轴方向向左，Y轴为载体纵轴，方向向前，Z垂直于水平面，方向向上，和加速度计一致。

单位：rad/s

原理

原理图如下：
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我们先假设在t0时刻，我们已测得绕Y轴旋转的角度（也就是Axz），定义为Axz0，之后在t1时刻我们再次测量这个角度，得到Axz1。角度变化率按下面方法计算：

通过陀螺仪的输出值中ADC读出AdcGyroXZ和AdcGyroYZ计算得到角速度（deg/s）。

RateAxz = (Axz1 – Axz0) / (t1 – t0).

RateAxz = (AdcGyroXZ * Vref / 1023 – VzeroRate) / Sensitivity

RateAyz = (AdcGyroYZ * Vref / 1023 – VzeroRate) / Sensitivity

如果结果为负号表示该设备朝着反方向旋转。陀螺仪说明书会告诉你哪个方向是正的

常用陀螺仪传感器

• 目前市面上较多的都是二合一模块（加速度+陀螺仪），如：MPU6050（A+G）、MPU6800(A+G)、LSM6DSL(A+G)、IMC20603(A+G)、MPU9150（A+G+M）。
• 使用场景
• 航海、航空、游戏、拍照防抖、控制等。

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4.磁强计

地磁场和航向角

方向：从磁南极指向磁北极
磁北极和地理北极不是同一位置，相差11度的夹角。
航向角：当前方向与磁北的夹角
由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以计算出航向角。

组成

磁强计由三个轴构成，X轴为载体横轴，方向向右，Y轴为载体纵轴，方向向前，Z垂直于水平面，方向向上。（注：开发板中磁强计坐标系为载体坐标系）

用途：

测量磁场强度和方向，定位设备的方位。
单位：高斯Gauss

原理：

使用各向异性磁致电阻材料检测空间中磁感应强度的大小，这种合金材料对外界的磁场很敏感，会导致自身电阻值的变换。

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融合算法是通过这9轴的数据来计算出物体正确的姿态。目前9轴融合算法包括卡尔曼滤波、粒子滤波、互补滤波算法，对于开发者而言，所有的融合算法本基本都是丢入9轴传感器的数据和时间戳，然后获取到融合算法输出的四元素，应用所需的就是这组四元素