基于加速度计的倾角检测算法-C语言程序

一、前言

在物联网时代，传感器是数据收集的最底端，如何运用传感器数据是一门技术活。

加速度计是一种常见的传感器，在某些场合下，我们可以利用加速度计求出物体实时姿态与参考姿态的夹角，例如做老人宝项目倾倒检测、数字倾角计等。

本文将会分析加速度计来做倾角检测的原理，以及给出原代码。

二、倾角检测原理

加速度计能够采集物体的加速度数据，市面上有很多加速度传感器，例如LIS3DH等，其输出的加速度数据与我们理解的加速度不太一样，例如：当正立放置时(+Z轴指向重力的反方向)，此时，加速度计输出的加速度值（理想情况下，不考虑噪声）为:X:0mg,Y:0mg,Z:1000mg,将加速度计倒立，加速度为:X:0mg,Y:0mg,Z:-1000mg,将+Y轴正立放置，加速度为X:0mg,Y:1000mg,Z:0mg，-Y轴正立：X:0mg,Y:-1000mg,Z:0mg，以此类推。

我们可以看出，加速度计内部模型可以理解为:加速度计是一个立方体，中间有一个小球，立方体的六个内表面有压力传感器，六个内表面记为±X，±Y，±Z，当+Z朝上时，小球受到重力，压在+Z面上，+Z面上受到1000mg重力，其他表面不受力，因此加速度输出为:X:0mg,Y:0mg,z1000mg。以此类推。
根据以上分析，X，Y，Z轴三个轴的加速度合值，必然指向重力的反方向，即使是加速度计向任意方向倾斜的情况下，亦是如此。

那么如果我们想得出一个物体与参考方向的倾角，我们可以将参考方向的三轴加速度值作为参考向量a(x1,y1,z1)，物体实时加速度作为实时向量b(x2,y2,z2),只需要计算向量a与向量b的夹角即可得出物体与参考方向的夹角。

三、算法简介

根据以上分析，算法本质是求参考向量与实时向量的夹角a(x1,y1,z1),b(x2,y2,z2)，根据向量内积公式可得出:
cos(∠aob) = (a · b)/(norm(a)norm(b));//向量内积
第一步：先归一化X,Y,Z轴加速度值
为什么要归一化呢？
因为每次加速度数据并不都是稳定的，加速度的矢量和大小会改变，因此需要做归一化处理。
第二步：根据内积公式求参考向量与实时向量夹角

四、原代码

/本例给出了倾角超过40°报警的示例，可以修改/

typedef struct {
rt_int32_t AcceX;				/*acceleration x*/
rt_int32_t AcceY;				/*acceleration y*/
rt_int32_t AcceZ;				/*acceleration z*/
} MENS_XYZ_STATUS_T;
 bool lean_check(MENS_XYZ_STATUS_T *acc_xyz)
{
bool Ret = FALSE;
float norm,ax,ay,az,dot,dot_norm; 
MENS_XYZ_STATUS_T tmp;
float angle;
/*去除加速度计抖动,30mg变化视为抖动*/	
if(abs(acc_xyz->AcceX-acc.AcceX)>=30){
	tmp.AcceX = acc_xyz->AcceX;
	acc.AcceX = acc_xyz->AcceX;
}else{
	tmp.AcceX = acc.AcceX;
}
if(abs(acc_xyz->AcceY-acc.AcceY)>=30){
	tmp.AcceY = acc_xyz->AcceY;
	acc.AcceY = acc_xyz->AcceY;
}else{
	tmp.AcceY = acc.AcceY;
}

if(abs(acc_xyz->AcceZ-acc.AcceZ)>=30){
	tmp.AcceZ = acc_xyz->AcceZ;
	acc.AcceZ = acc_xyz->AcceZ;
}else{
	tmp.AcceZ = acc.AcceZ;
}

/*归一化处理*/
norm = (float)sqrt((double)(tmp.AcceX*tmp.AcceX) + (double)(tmp.AcceY*tmp.AcceY) + (double)(tmp.AcceZ*tmp.AcceZ));
if (norm == 0.0) norm = 0.000001;  //avoid Nan happen
ax = tmp.AcceX / norm;
ay = tmp.AcceY / norm;
az = tmp.AcceZ / norm;

/*检测倾角是否超限40°*/

/*ax_ref,ay_ref,az_ref
为归一化后的参考向量的分量，可以自己设置，如定义为ax_ref=0,ay_ref=0,az_ref=1，表示加速度计正立放置
也可以让终端程序稳定运行一段时间后，取一个加速度值作为参考向量，这样就可以不论物体怎么摆放，当他稳定后就可以确定初始向量*/
	dot = ax*ax_ref+ay*ay_ref+az*az_ref;
	dot_norm = (float)sqrt((double)(ax*ax) + (double)(ay*ay) + (double)(az*az));
	if (dot_norm == 0.0) dot_norm = 0.000001;
	**//针对不少人的疑问:norm_ref和dot_norm 一样是归一化后的向量的模，norm_ref是参考的向量而已,可以在开机时记录，或者在某个特定时刻指定,计算公式参考dot_norm ,需要注意的是参考向量也需要归一化**
	angle = acos(dot/(dot_norm*norm_ref))*180/PI;//弧度转化为角度，
	
	if(angle>=40){
		return TRUE;
	}else{
		return FALSE;
	}
return Ret;

}

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Gamma公式展示 $\Gamma (n)=(n-1)!\forall n\in \mathbb{N}$ 是通过欧拉积分

$$\Gamma (z)={\int }_0^{\infty }{t}^{z-1}{e}^{-t}dt.$$

你可以找到更多关于的信息 LaTeX 数学表达式here.

新的甘特图功能，丰富你的文章

Mon 06 Mon 13 Mon 20 已完成 进行中 计划一 计划二 现有任务 Adding GANTT diagram functionality to mermaid

• 关于 甘特图 语法，参考 这儿,

UML 图表

可以使用UML图表进行渲染。 Mermaid. 例如下面产生的一个序列图：:

张三 李四 王五 你好！李四, 最近怎么样? 你最近怎么样，王五？ 我很好，谢谢! 我很好，谢谢! 李四想了很长时间, 文字太长了 不适合放在一行. 打量着王五... 很好... 王五, 你怎么样? 张三 李四 王五

这将产生一个流程图。:

链接

长方形

圆

圆角长方形

菱形

• 关于 Mermaid 语法，参考 这儿,

FLowchart流程图

我们依旧会支持flowchart的流程图：

Created with Raphaël 2.2.0 开始 我的操作 确认？ 结束 yes no

• 关于 Flowchart流程图 语法，参考 这儿.

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1. mermaid语法说明 ↩︎

2. 注脚的解释 ↩︎