三轴加速度传感器

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简介

 

在加速度传感器中有一种是三轴加速度传感器，同样的它是基于加速度的基本原理去实现工作的，加速度是个空间矢量，一方面，要准确了解物体的运动状态，必须测得其三个坐标轴上的分量；另一方面，在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的，因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0-360度的倾角，通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。 ^[1]

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特点

 

三轴加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。

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原理

 

目前的三轴加速度传感器大多采用压阻式、压电式和电容式工作原理，产生的加速度正比于电阻、电压和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集。这个和普通的加速度传感器是基于同样的一个原理，所以在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。对于多数的传感器应用来看，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用。但是有些方面的应用还是集中在三轴加速度传感器中例如在数采设备，贵重资产监测，碰撞监测，测量建筑物振动,风机,风力涡轮机和其他敏感的大型结构振动。

 

 

4优点

三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。

 

 

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利用三轴加速器的计步测算方法

　随着现代生活质量提高，越来越多人开始注重自己的日常健康锻炼，计步作为一种有效记录监控锻炼的监控手段，已经广泛应用在移动终端的应用中。但目前大部分实现都是通过GPS信号来测算运动距离反推行走步数，有效但是在室内或者无GPS信号的设备上无法工作，同时GPS精度对结果的干扰也比较大，本文提出一个新的测步方法，即通过设备上的加速器来计算步数，在不支持GPS的设备上也可正常工作，可用以与GPS互相配合测步，让应用的使用场景更加多样。

 

• 1. 了解模型特征

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　　目前大部分设备都提供了可以检测各个方向的加速检测器，以iOS设备为例，我们利用了其三轴加速计（x,y,z轴代表方向如图）的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变化。  

　　用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，如图所示，在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。

　　反映到图表中，我们可以看到在步行运动中，垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值，其中垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阈值决策，即可实时计算用户运动的步数，还可依此进一步估算用户步行距离。

• 2.  计步算法

　　因为用户在运动中可能手平持设备或者将设备置于口袋中，所以设备的放置方向不定，为此我们通过计算三个加速度的矢量长度，获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

　　第二步是峰值检测，我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度的变化，可以判断目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向进行比较，如果是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加可得到用户步行步伐。

　　最后是去干扰，手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，或是我们俗称的手抖，或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据如果不剔除，会影响记步的准确值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上阈值和步频判断来过滤。

　　人体最快的跑步频率为5HZ，也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒，如图所示，我们设置了timespan在记步过程中我们过滤了高频噪声，即步频过快的情况。同时我们通过和上次加速度大小进行比较，设置设立一定的阈值Threshold来判断运动是否属于有效，有效运动才可进行记步。

 

• 3. 关于计步器的扩展

　　以上是一个依靠加速度测算的计步器实现原理，已知步行和跑步的步伐经验值，那么稍微改进下即可变成一个测距测速计。

　　通过三轴加速度我们可以知道用户的运动状态，除了计步，我们还可以通过加速器的变化曲线判断用户摔倒状态，做成一个老人和儿童摔倒检测自动报警器。