加速度計姿態與運動檢測

 

加速度傳感器keyiyonglaijiancewutidejiasudu，zhegejiasudubaokuolewutibenshenyundongdejiasuduyijiyouyuzhonglichanshengdejiasudu，qianzhezhuyaoyongyujiancewutideyundong，erhouzhezhuyaoyongyujiancewutidezitai。

 

womenzaishangyipianlimianxiangxijieshaolejiasudujideguanjianxingnengzhibiaoyijiyingyongxuanxing，benpianzhongwomenhuijieshaoruhetongguojiasudujineibujichengdegongnengshixiangenglixiangdechaodigonghaodianchigongdianshebeidezitaiyuyundongjiance，yibiannenggenghaodepinghengxingnengyuhaodianzhegedianchigongdianshebeidezhongyaoxuqiu。

 

軟的還是硬的，電池供電物聯網設備設計初始的抉擇

 

典型的電池供電的物聯網設備一般包含了感知單元（各種傳感器），邊緣計算單元（微控製器），無線連接單元（藍牙BLE
，NBIOT，LPWLAN等）以yi及ji相xiang應ying的de人ren機ji界jie麵mian和he電dian源yuan管guan理li部bu分fen，電dian池chi視shi使shi用yong場chang景jing需xu要yao工gong作zuo十shi年nian或huo者zhe數shu天tian
，傳chuan感gan器qi本ben身shen的de超chao低di功gong耗hao以yi及ji數shu據ju處chu理li的de超chao低di功gong耗hao有you助zhu於yu延yan長chang電dian池chi壽shou命ming，減jian少shao帶dai寬kuan用yong量liang並bing因yin此ci降jiang低di成cheng本ben
，是shi智zhi能neng物wu聯lian網wang設she備bei方fang案an設she計ji中zhong的de重zhong要yao考kao量liang。

  

圖1. 典型物聯網係統框圖

 

電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)產(chan)品(pin)

，部(bu)分(fen)采(cai)用(yong)不(bu)可(ke)充(chong)電(dian)的(de)紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)，而(er)部(bu)分(fen)需(xu)要(yao)更(geng)強(qiang)運(yun)算(suan)功(gong)能(neng)的(de)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)可(ke)充(chong)電(dian)鋰(li)電(dian)池(chi)，在(zai)有(you)限(xian)的(de)電(dian)池(chi)資(zi)源(yuan)下(xia)如(ru)何(he)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)，對(dui)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)部(bu)分(fen)，常(chang)用(yong)的(de)方(fang)式(shi)通(tong)常(chang)有(you)兩(liang)種(zhong)：

 

● 采用超低功耗的微處理器
，通過利用傳感器本身自帶的FIFO功能，減少微處理器周期喚醒的次數和喚醒時間。

● 利用傳感器本身的搭載的低功耗邊緣計算功能，最大限度的降低微處理器的功耗。

 

圖2. 常用電池電壓和容量

 

  以上兩種方式取決於係統的需求

，得益於微處理器能耗比的提高特別是近年來亞閾值電壓（低於0.5V）微處理器的推廣以及傳感器Always on需求下的大容量FIFO的(de)普(pu)及(ji)，純(chun)軟(ruan)件(jian)的(de)方(fang)式(shi)

，可(ke)以(yi)在(zai)保(bao)證(zheng)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)靈(ling)活(huo)處(chu)理(li)數(shu)據(ju)應(ying)對(dui)需(xu)求(qiu)的(de)變(bian)化(hua)和(he)算(suan)法(fa)的(de)改(gai)進(jin)。而(er)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)需(xu)求(qiu)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)內(nei)部(bu)采(cai)用(yong)硬(ying)件(jian)實(shi)現(xian)的(de)功(gong)能(neng)，比(bi)如(ru)靜(jing)止(zhi)檢(jian)測(ce)、運動檢測、屏幕翻轉、失重、位置識別、單dan雙shuang擊ji，計ji步bu，抬tai手shou亮liang屏ping，睡shui眠mian監jian測ce等deng等deng，用yong戶hu隻zhi需xu簡jian單dan配pei置zhi算suan法fa對dui應ying的de寄ji存cun器qi即ji可ke開kai始shi檢jian測ce，一yi旦dan檢jian測ce到dao目mu標biao事shi件jian，傳chuan感gan器qi通tong過guo中zhong斷duan管guan腳jiao喚huan醒xing微wei處chu理li器qi進jin行xing相xiang應ying的de處chu理li，這zhe種zhong方fang式shi可ke以yi用yong戶hu無wu需xu自zi行xing開kai發fa驗yan證zheng算suan法fa，可ke以yi更geng簡jian便bian的de使shi用yong傳chuan感gan器qi實shi現xian相xiang應ying的de功gong能neng
，並bing能neng獲huo得de更geng低di的de功gong耗hao。

 

下圖解釋了微處理器配合加速度計的32級FIFO進jin行xing雙shuang擊ji檢jian測ce和he微wei處chu理li器qi配pei合he硬ying件jian雙shuang擊ji檢jian測ce的de加jia速su度du計ji的de工gong作zuo時shi序xu

，由you於yu加jia速su度du計ji硬ying件jian實shi現xian雙shuang擊ji檢jian測ce
，微wei處chu理li器qi隻zhi需xu要yao在zai獲huo得de加jia速su度du計ji中zhong斷duan後hou很hen短duan的de時shi間jian確que認ren，而er無wu需xu周zhou期qi喚huan醒xing去qu讀du取quFIFO數據並進行雙擊的計算判別。

 

圖3. 雙擊FIFO模式和中斷模式處理器工作時序

 

上海矽睿科技的加速度傳感器可以提供靜止檢測
、運動檢測、屏幕翻轉、位置識別、danshuangji，jibu，taishouliangpingdengdenggongneng，womenjiangzhenduizitaiheyundongjiancexuyaodeyundongjiance，jingzhijianceyijiyongyuwuanjianrenjiejiemianxiangyingdeshuangjijinxingjieshao，bingbuchongruheliyongzhexieyingjiantexingpeiheweichuliqiruanjianzaidigonghaoxiagenghaodejiancezitaidegaibianyijiweiyidegaibian。

 

圖4. 雙擊/計步器/抬手亮屏功耗對比

 

運動和靜止檢測

 

加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)運(yun)動(dong)和(he)靜(jing)止(zhi)檢(jian)測(ce)可(ke)以(yi)判(pan)定(ding)搭(da)載(zai)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)物(wu)件(jian)是(shi)靜(jing)止(zhi)的(de)
，還(hai)是(shi)從(cong)靜(jing)止(zhi)轉(zhuan)換(huan)到(dao)移(yi)動(dong)狀(zhuang)態(tai)，以(yi)及(ji)是(shi)如(ru)何(he)移(yi)動(dong)的(de)，物(wu)體(ti)感(gan)受(shou)到(dao)的(de)震(zhen)動(dong)的(de)方(fang)式(shi)
，物(wu)體(ti)的(de)姿(zi)態(tai)是(shi)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)
，以(yi)及(ji)物(wu)體(ti)被(bei)旋(xuan)轉(zhuan)了(le)多(duo)少(shao)角(jiao)度(du)或(huo)者(zhe)被(bei)移(yi)動(dong)了(le)多(duo)遠(yuan)的(de)距(ju)離(li)。所(suo)有(you)的(de)方(fang)向(xiang)、搖晃、單擊、雙擊、下落、傾斜
、運動、定位、衝擊的識別都可以依據加速度計的相關數據來判定。

 

加速度計的運動狀態檢測常見的用途有：

 

● 檢測由靜到動，比如車輛防盜係統中可以用加速度計判定異常的震動；電表水表汽表檢測非法打開測量設備
；手機裏麵依據震動加上角度判斷識別手機是否被用戶拿起了；車載視頻監控檢測到車輛啟動自動錄像操作

，遙控器被拿起後進入快速連接狀態等等
；

 

● 檢測由動到靜
，主要是用於依靠這個狀態信息進行相應的控製，比如玩具如果在設定時間內是靜止的，自動關機節省電源等等；

 

● 檢測動的方式，比如TWS耳er機ji或huo者zhe電dian子zi煙yan上shang使shi用yong敲qiao擊ji的de方fang式shi來lai實shi現xian無wu按an鍵jian控kong製zhi，比bi如ru計ji步bu檢jian測ce，撞zhuang擊ji檢jian測ce，雙shuang擊ji實shi現xian類lei似si電dian源yuan開kai關guan或huo者zhe打da開kai費fei電dian的de射she頻pin單dan元yuan等deng等deng。

 

運動檢測（motion detection）主要包含了Anymotion detection（有效運動檢測）
，Signification Motion Detection（大幅度有效運動檢測），no motion（靜止檢測）以及Tap（單擊/雙擊/三擊），Pedometer（計步器） 。

 

除了Pedometer（計步器）之zhi外wai，其qi他ta的de幾ji種zhong運yun動dong檢jian測ce都dou依yi賴lai於yu加jia速su度du計ji在zai相xiang鄰lin兩liang個ge時shi間jian點dian的de變bian化hua值zhi，實shi現xian的de計ji算suan量liang很hen小xiao
，功gong耗hao很hen低di，另ling外wai由you於yu加jia速su度du計ji在zai相xiang鄰lin兩liang個ge時shi間jian點dian的de間jian隔ge時shi間jian很hen短duan（4ms~100ms），由you於yu重zhong力li產chan生sheng的de加jia速su度du不bu會hui快kuai速su變bian化hua，因yin此ci信xin號hao斜xie率lv檢jian測ce的de方fang式shi對dui於yu設she備bei的de初chu始shi姿zi態tai不bu敏min感gan，而er且qie對dui於yu芯xin片pian本ben身shen的de零ling偏pian不bu敏min感gan，而er且qie可ke以yi指zhi定ding任ren意yi的deXYZ軸作為檢測軸，是一種很方便高效的檢測方式。

 

下圖為Anymotion detection（有效運動檢測），no motion（靜止檢測）的示意圖。

 

圖5. Anymotion detection 時序圖

 

斜率定義為兩個相鄰時間點的加速度計值：Slope(t2)=(acc(t2)−acc(t1))，輸入允許是XYZ的任意一軸或者多軸的組合，需要設置斜率的閾值（Threshold）以及超過該閾值需要持續的時間（Duration），如果芯片檢測到符合這個設置的波形
，將會提供一個中斷給微處理器，微處理器可以通過讀取相關的中斷寄存器確認是Anymotion detection中斷
，並可以讀取狀態寄存器獲取下麵信息：

 

1） 最先滿足觸發條件的是哪個軸
；

 

2） 觸發的信號是正方向的還是負方向的。

 

閾值（Threshold）與持續時間（Duration）的設置依賴於芯片的ODR
，對於Anymotion detection的檢測
，可以以較低的ODR實現，而較低的ODR可以獲得良好的功率控製。Duration可以選擇的點數目最多4個點
，閾值最小為16LSB（3.9mg@FS+/-2G）
，閾值最大為4G@FS=+/-8G
，因此該檢測器可以檢測很小的運動，也可以設置為檢測很強烈的撞擊，可以根據應用的需求進行相應的設置。

 

no motion detection（靜止檢測）的設置與Anymotion detection的設置類似，需要使能檢測軸
，設置閾值以及檢測時間
，任何一個軸滿足條件後
，都會有no motion的中斷。

 

圖6. QMA7981在不同模式下和ODR下的功耗

 

Signification Motion Detection（大幅度有效運動檢測）是Anymotion detectiondejiaqiangban
，zhuyaoyingyongyuchixudezhendongjiancechangjing，yipaichuouerdezhendongdaozhidexitonghuanxing。qujueyuyingyongleixing，zhegedafuduyouxiaoyundongjiancekeyizhijieshiyongjiasudujineizhideSignification Motion Detection亦或計步器數據。

 

圖7. Signification Motion Detection時序圖

 

圖7為Signification Motion Detection（大幅度有效運動檢測）的時序圖，檢測到Anymotion 後
，間隔T-skip時間後，如果在一個設定的檢測時間內又有Anymotion信號，則認為是Significant Motion。

       

liyongjiasudujixiangyingqiaojidongzuolaizuorenjijiemiankongzhihuozhexitonggonghaoguanliyeshiyizhongchangyongdefangshi，kaolvdaoxitongderongcuoxingheyishiyongxing

，shuangjihesanjishijiaochangyongdecaozuo。

 

圖8. TAP時序圖

 

TAP有幾個重要的參數：

 

● ShockTime：在該時間內，加速度計的斜率必須超過閾值Shock Threshold。

● QuietTime：在該時間內，加速度計的斜率必須小於閾值Quiet Threshold。

 

對於雙擊，還需要保證後麵的一擊出現的時間必須在Duration time之內。由於加速度計對於敲擊的響應，與設備的外型和敲擊動作有關，因此不同的設備，有些參數需要做細微的調整（比如TWS耳機的敲擊的加速計輸出值要遠大於手機敲擊時加速度計的輸出值）。常用的設置如下：

 

 

姿態與位移檢測

 

利(li)用(yong)加(jia)速(su)度(du)計(ji)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)準(zhun)確(que)的(de)靜(jing)態(tai)姿(zi)態(tai)信(xin)息(xi)，利(li)用(yong)去(qu)除(chu)重(zhong)力(li)加(jia)速(su)度(du)後(hou)的(de)線(xian)性(xing)加(jia)速(su)度(du)分(fen)量(liang)，可(ke)以(yi)粗(cu)略(lve)的(de)計(ji)算(suan)位(wei)移(yi)信(xin)息(xi)。在(zai)僅(jin)依(yi)靠(kao)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，動(dong)態(tai)的(de)姿(zi)態(tai)和(he)位(wei)移(yi)的(de)檢(jian)測(ce)的(de)精(jing)度(du)都(dou)是(shi)比(bi)較(jiao)有(you)限(xian)的(de)，難(nan)點(dian)在(zai)於(yu)動(dong)態(tai)特(te)別(bie)是(shi)快(kuai)速(su)情(qing)況(kuang)下(xia)如(ru)何(he)有(you)效(xiao)的(de)獲(huo)取(qu)準(zhun)確(que)的(de)重(zhong)力(li)加(jia)速(su)度(du)，利(li)用(yong)多(duo)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)融(rong)合(he)可(ke)以(yi)較(jiao)好(hao)的(de)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)
，要(yao)求(qiu)高(gao)的(de)應(ying)用(yong)，可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)上(shang)海(hai)矽(xi)睿(rui)科(ke)技(ji)的(de)慣(guan)性(xing)單(dan)元(yuan)IMU QMI8610。

       

加速度計用於測量物體的姿態，主要是包括俯仰角（Pitch ,按照安卓的定義是繞X軸旋轉的角度）和橫滾角（Roll，按照安卓的定義是繞Y軸旋轉的角度），用(yong)於(yu)水(shui)平(ping)檢(jian)測(ce)或(huo)者(zhe)傾(qing)斜(xie)檢(jian)測(ce)，有(you)要(yao)求(qiu)精(jing)度(du)很(hen)高(gao)的(de)應(ying)用(yong)如(ru)傾(qing)角(jiao)儀(yi)，設(she)備(bei)的(de)水(shui)平(ping)檢(jian)測(ce)等(deng)，也(ye)有(you)簡(jian)單(dan)的(de)應(ying)用(yong)比(bi)如(ru)電(dian)子(zi)價(jia)簽(qian)需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)擺(bai)放(fang)的(de)方(fang)向(xiang)自(zi)動(dong)旋(xuan)轉(zhuan)屏(ping)幕(mu)，攝(she)像(xiang)頭(tou)的(de)圖(tu)像(xiang)圓(yuan)轉(zhuan)
，比(bi)如(ru)車(che)輛(liang)的(de)傾(qing)倒(dao)檢(jian)測(ce)，上(shang)坡(po)檢(jian)測(ce)，設(she)備(bei)的(de)姿(zi)態(tai)變(bian)化(hua)的(de)識(shi)別(bie)也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)無(wu)按(an)鍵(jian)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)輸(shu)入(ru)
，用(yong)於(yu)取(qu)代(dai)低(di)功(gong)耗(hao)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)開(kai)關(guan)作(zuo)用(yong)。

 

圖9. 安卓Pitch/Roll定義

 

需要準確的Pitch/Roll的角度可以按照下麵的方法計算av=sqrtf(acc_data[x]*acc_data[x]+acc_data[y]*acc_data[y]+acc_data[z]*acc_data[z]);

 

計算 pitch 俯仰角度、roll 翻滾角度：

 

#define R2D        57.2957795131f

pitch = asinf(-acc_data[1]/av)*R2D;

roll = asinf(acc_data[0]/av)*R2D;

 

運動狀態下的姿態角的計算，需要將線性加速度去除後再進行計算，常用的方法是對加速度計數據進行低通濾波（例如gravity[x] = alpha * gravity[x] + (1 - alpha) * acc_data[x];），從而獲取與重力加速度相關的Gravity的值，然後再計算Pitch/Roll角度。在複雜運動狀態下，僅僅依靠加速度計估算線性加速度從而獲得真實的重力值
，目前尚無性能特別好的辦法，要求高的可以采用IMU慣性單元做數據融合，依靠陀螺儀數據確認夾角。（詳細軟件算法包：請找QST FAE申請）

        

利li用yong加jia速su度du計ji傳chuan感gan器qi，測ce量liang物wu體ti沿yan著zhe某mou個ge平ping麵mian的de移yi動dong距ju離li，可ke以yi采cai用yong低di通tong濾lv波bo器qi去qu除chu重zhong力li加jia速su度du後hou獲huo得de線xian性xing加jia速su度du
，然ran後hou通tong過guo對dui線xian性xing加jia速su度du進jin行xing二er次ci積ji分fen獲huo取qu設she備bei的de移yi動dong位wei置zhi，從cong而er判pan斷duan設she備bei是shi否fou被bei移yi動dong，在zai車che輛liang的de防fang盜dao應ying用yong中zhong有you應ying用yong需xu求qiu，在zai該gai種zhong應ying用yong中zhong，考kao慮lv到dao加jia速su度du計ji的de采cai樣yang速su率lv，震zhen動dong噪zao聲sheng以yi及ji加jia速su度du計ji二er次ci積ji分fen的de誤wu差cha
，需xu要yao增zeng加jia一yi個ge啟qi動dong閾yu值zhi判pan斷duan和he終zhong值zhi零ling速su判pan斷duan，從cong而er提ti高gao精jing度du減jian小xiao誤wu差cha。

 

結束語

 

電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)通(tong)過(guo)加(jia)速(su)度(du)計(ji)進(jin)行(xing)姿(zi)態(tai)與(yu)運(yun)動(dong)檢(jian)測(ce)，充(chong)分(fen)利(li)用(yong)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)內(nei)部(bu)集(ji)成(cheng)的(de)硬(ying)件(jian)算(suan)法(fa)
，能(neng)更(geng)好(hao)的(de)平(ping)衡(heng)性(xing)能(neng)與(yu)耗(hao)電(dian)這(zhe)個(ge)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)的(de)重(zhong)要(yao)需(xu)求(qiu)，在(zai)直(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)內(nei)部(bu)的(de)硬(ying)件(jian)集(ji)成(cheng)的(de)算(suan)法(fa)無(wu)法(fa)實(shi)現(xian)的(de)需(xu)求(qiu)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)硬(ying)件(jian)觸(chu)發(fa)檢(jian)測(ce)配(pei)合(he)軟(ruan)件(jian)獲(huo)取(qu)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)附(fu)加(jia)計(ji)算(suan)
，通(tong)過(guo)減(jian)少(shao)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)喚(huan)醒(xing)的(de)時(shi)間(jian)和(he)頻(pin)率(lv)的(de)方(fang)式(shi)，可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)，延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。

 

 

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