利用三軸加速度傳感器的計步測算法

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)用在移動終端的應(yīng)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(shù)實現(xiàn)的。這種方法很是有效，但在室內(nèi)或沒有GPS信號的設(shè)備上無法工作。同時，GPS精度對結(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步方法，即：通過設(shè)備上的加速度傳感器來計算步數(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(shè)備都提供了可以檢測各個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）的特性來分析。分別用以檢測人步行中三個方向的加速度變化。

iOS設(shè)備的三軸加速度傳感器示意圖

用戶在水平步行運動中，垂直和前進兩個加速度會呈現(xiàn)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(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(chǎn)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(shù)，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(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(tài)，則進入計步邏輯進行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數(shù)累加，可得到用戶步行的步伐。

最后，就是去干擾。手持設(shè)備會有一些低幅度和快速的抽動狀態(tài)，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(fù)搖動設(shè)備來模擬人走路，這些干擾數(shù)據(jù)如果不剔除，會影響記步的準(zhǔn)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(shè)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(shè)置設(shè)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(guān)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(xiàn)原理，已知步行和跑步的步伐經(jīng)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(tài)。除了計步，還可以通過加速器的變化曲線判斷用戶摔倒?fàn)顟B(tài)，做成一個老人和兒童摔倒檢測自動報警器。