【導讀】很多現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控鍛煉的監控手段，三軸加速度傳感器，可以知道用戶(hù)的運動(dòng)狀態(tài)。本文將為大家講解依靠加速度測算的計步器實(shí)現原理，及計步測算法。
現如今，很多現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控鍛煉的監控手段，被廣泛應用在移動(dòng)終端的應用中。
目前，大部分的計步都是通過(guò)GPS信號來(lái)測算運動(dòng)距離，再反推行走步數實(shí)現的。這種方法很是有效，但在室內或沒(méi)有GPS信號的設備上無(wú)法工作。同時(shí)，GPS精度對結果的干擾也比較大。
為避免上述問(wèn)題的出現，我們可以考慮一種新的測步方法，即：通過(guò)設備上的加速度傳感器來(lái)計算步數，在不支持GPS的設備上也可正常工作。還可以與GPS互相配合測步，這樣可令使用場(chǎng)景變得多樣。
1.先要摸清模型的特征
目前，大部分設備都提供了可以檢測各個(gè)方向的加速度傳感器。以iOS設備為例，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(lái)分析。分別用以檢測人步行中三個(gè)方向的加速度變化。
iOS設備的三軸加速度傳感器示意圖
用戶(hù)在水平步行運動(dòng)中，垂直和前進(jìn)兩個(gè)加速度會(huì )呈現周期性變化，如圖所示。在步行收腳的動(dòng)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，之后繼續向前，重心下移兩腳觸底，加速度相反。水平加速度在收腳時(shí)減小，在邁步時(shí)增加。
反映到圖表中，可以看到，在步行運動(dòng)中，垂直和前進(jìn)產(chǎn)生的加速度與時(shí)間大致為一個(gè)正弦曲線(xiàn)，而且在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。其中，垂直方向的加速度變化最大，通過(guò)對軌跡的峰值進(jìn)行檢測計算和加速度閥值決策，即可實(shí)時(shí)計算用戶(hù)運動(dòng)的步數，還可依此進(jìn)一步估算用戶(hù)步行距離。
2.計步的合理算法
因為用戶(hù)在運動(dòng)中可能用手平持設備，或者將設備置于口袋中。所以，設備的放置方向不定。為此，通過(guò)計算三個(gè)加速度的矢量長(cháng)度，我們可以獲得一條步行運動(dòng)的正弦曲線(xiàn)軌跡。
第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長(cháng)度和運動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(cháng)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(jìn)行比較。如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計步邏輯進(jìn)行計步，否則舍棄。通過(guò)對峰值的次數累加，可得到用戶(hù)步行的步伐。
最后，就是去干擾。手持設備會(huì )有一些低幅度和快速的抽動(dòng)狀態(tài)，或是我們俗稱(chēng)的手抖，或者某個(gè)惡作劇用戶(hù)想通過(guò)短時(shí)快速反復搖動(dòng)設備來(lái)模擬人走路，這些干擾數據如果不剔除，會(huì )影響記步的準確值，對于這種干擾，我們可以通過(guò)給檢測加上閥值和步頻判斷來(lái)過(guò)濾。
人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說(shuō)相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，如圖所示，我們設置了timespan在記步過(guò)程中我們過(guò)濾了高頻噪聲，即步頻過(guò)快的情況。同時(shí)我們通過(guò)和上次加速度大小進(jìn)行比較，設置設立一定的閥值Threshold來(lái)判斷運動(dòng)是否屬于有效，有效運動(dòng)才可進(jìn)行記步。
3.關(guān)于計步器的擴展
以上是一個(gè)依靠加速度測算的計步器實(shí)現原理，已知步行和跑步的步伐經(jīng)驗值，那么稍微改進(jìn)下即可變成一個(gè)測距測速計。
通過(guò)三軸加速度傳感器，我們可以知道用戶(hù)的運動(dòng)狀態(tài)。除了計步，還可以通過(guò)加速器的變化曲線(xiàn)判斷用戶(hù)摔倒狀態(tài)，做成一個(gè)老人和兒童摔倒檢測自動(dòng)報警器。
