加速度計姿態與運動檢測

 

加速度傳感器可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)的(de)加(jia)速(su)度(du)，這(zhe)個(ge)加(jia)速(su)度(du)包(bao)括(kuo)了(le)物(wu)體(ti)本(ben)身(shen)運(yun)動(dong)的(de)加(jia)速(su)度(du)以(yi)及(ji)由(you)於(yu)重(zhong)力(li)產(chan)生(sheng)的(de)加(jia)速(su)度(du)，前(qian)者(zhe)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)的(de)運(yun)動(dong)，而(er)後(hou)者(zhe)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)物(wu)體(ti)的(de)姿(zi)態(tai)。

 

我wo們men在zai上shang一yi篇pian裏li麵mian詳xiang細xi介jie紹shao了le加jia速su度du計ji的de關guan鍵jian性xing能neng指zhi標biao以yi及ji應ying用yong選xuan型xing，本ben篇pian中zhong我wo們men會hui介jie紹shao如ru何he通tong過guo加jia速su度du計ji內nei部bu集ji成cheng的de功gong能neng實shi現xian更geng理li想xiang的de超chao低di功gong耗hao電dian池chi供gong電dian設she備bei的de姿zi態tai與yu運yun動dong檢jian測ce

，以yi便bian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。

 

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

 

dianchigongdiandewulianwangchanpin，bufencaiyongbukechongdiandeniukoudianchi，erbufenxuyaogengqiangyunsuangongnengdexuyaocaiyongkechongdianlidianchi
，zaiyouxiandedianchiziyuanxiaruheyanchangdianchishouming，duiyuchuanganqibufen，changyongdefangshitongchangyouliangzhong：

 

● 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、danshuangji，jibu
，taishouliangping，shuimianjiancedengdeng
，yonghuzhixujiandanpeizhisuanfaduiyingdejicunqijikekaishijiance，yidanjiancedaomubiaoshijian，chuanganqitongguozhongduanguanjiaohuanxingweichuliqijinxingxiangyingdechuli

，zhezhongfangshikeyiyonghuwuxuzixingkaifayanzhengsuanfa，keyigengjianbiandeshiyongchuanganqishixianxiangyingdegongneng
，bingnenghuodegengdidegonghao。

 

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、單dan雙shuang擊ji，計ji步bu，抬tai手shou亮liang屏ping等deng等deng功gong能neng
，我wo們men將jiang針zhen對dui姿zi態tai和he運yun動dong檢jian測ce需xu要yao的de運yun動dong檢jian測ce，靜jing止zhi檢jian測ce以yi及ji用yong於yu無wu按an鍵jian人ren界jie界jie麵mian響xiang應ying的de雙shuang擊ji進jin行xing介jie紹shao
，並bing補bu充chong如ru何he利li用yong這zhe些xie硬ying件jian特te性xing配pei合he微wei處chu理li器qi軟ruan件jian在zai低di功gong耗hao下xia更geng好hao的de檢jian測ce姿zi態tai的de改gai變bian以yi及ji位wei移yi的de改gai變bian。

 

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）zhiwai，qitadejizhongyundongjiancedouyilaiyujiasudujizaixianglinlianggeshijiandiandebianhuazhi，shixiandejisuanlianghenxiao
，gonghaohendi
，lingwaiyouyujiasudujizaixianglinlianggeshijiandiandejiangeshijianhenduan（4ms~100ms），youyuzhonglichanshengdejiasudubuhuikuaisubianhua，yincixinhaoxielvjiancedefangshiduiyushebeidechushizitaibumingan，erqieduiyuxinpianbenshendelingpianbumingan
，erqiekeyizhidingrenyideXYZ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 detection的(de)加(jia)強(qiang)版(ban)
，主(zhu)要(yao)應(ying)用(yong)於(yu)持(chi)續(xu)的(de)震(zhen)動(dong)檢(jian)測(ce)場(chang)景(jing)，以(yi)排(pai)除(chu)偶(ou)爾(er)的(de)震(zhen)動(dong)導(dao)致(zhi)的(de)係(xi)統(tong)喚(huan)醒(xing)。取(qu)決(jue)於(yu)應(ying)用(yong)類(lei)型(xing)，這(zhe)個(ge)大(da)幅(fu)度(du)有(you)效(xiao)運(yun)動(dong)檢(jian)測(ce)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)加(jia)速(su)度(du)計(ji)內(nei)置(zhi)的(de)Signification 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yuanIMU 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

 

dianchigongdianshebeitongguojiasudujijinxingzitaiyuyundongjiance，chongfenliyongjiasuduchuanganqineibujichengdeyingjiansuanfa，nenggenghaodepinghengxingnengyuhaodianzhegedianchigongdianshebeidezhongyaoxuqiu，zaizhijieshiyongneibudeyingjianjichengdesuanfawufashixiandexuqiu，keyitongguocaiyongyingjianchufajiancepeiheruanjianhuoqujiasuduchuanganqideyuanshishujujinxingfujiajisuan
，tongguojianshaoweikongzhiqihuanxingdeshijianhepinlvdefangshi
，keyijiangdigonghao，yanchangdianchishiyongshouming。

 

 

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