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  • 三轴加速度计原理和方法

    万次阅读 2014-12-07 06:25:05
    现如今,很多现代人都非常注重自己的日常锻炼,计步作为一种有效记录监控锻炼的监控手段,被广泛应用在移动终端的... 为避免上述问题的出现,我们可以考虑一种新的测步方法,即:通过设备上的加速度传感器来计算步数

    现如今,很多现代人都非常注重自己的日常锻炼,计步作为一种有效记录监控锻炼的监控手段,被广泛应用在移动终端的应用中。

      目前,大部分的计步都是通过GPS信号来测算运动距离,再反推行走步数实现的。这种方法很是有效,但在室内或没有GPS信号的设备上无法工作。同时,GPS精度对结果的干扰也比较大。

      为避免上述问题的出现,我们可以考虑一种新的测步方法,即:通过设备上的加速度传感器来计算步数,在不支持GPS的设备上也可正常工作。还可以与GPS互相配合测步,这样可令使用场景变得多样。

      1.先要摸清模型的特征

      目前,大部分设备都提供了可以检测各个方向的加速度传感器。以iOS设备为例,我们利用了其三轴加速度传感器(x,y,z轴代表方向如图)的特性来分析。分别用以检测人步行中三个方向的加速度变化。

      


     

      iOS设备的三轴加速度传感器示意图

      用户在水平步行运动中,垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化,如图所示。在步行收脚的动作中,由于重心向上单只脚触地,垂直方向加速度是呈正向增加的趋势,之后继续向前,重心下移两脚触底,加速度相反。水平加速度在收脚时减小,在迈步时增加。

      


     

      反映到图表中,可以看到,在步行运动中,垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线,而且在某点有一个峰值。其中,垂直方向的加速度变化最大,通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阀值决策,即可实时计算用户运动的步数,还可依此进一步估算用户步行距离。  



     

      2.计步的合理算法

      因为用户在运动中可能用手平持设备,或者将设备置于口袋中。所以,设备的放置方向不定。为此,通过计算三个加速度的矢量长度,我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

      第二步是峰值检测,我们记录了上次矢量长度和运动方向,通过矢量长度的变化,可以判断目前加速度的方向,并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的,即是刚过峰值状态,则进入计步逻辑进行计步,否则舍弃。通过对峰值的次数累加,可得到用户步行的步伐。

      最后,就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态,或是我们俗称的手抖,或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路,这些干扰数据如果不剔除,会影响记步的准确值,对于这种干扰,我们可以通过给检测加上阀值和步频判断来过滤。

      


     

      人体最快的跑步频率为5HZ,也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒,如图所示,我们设置了timespan在记步过程中我们过滤了高频噪声,即步频过快的情况。同时我们通过和上次加速度大小进行比较,设置设立一定的阀值Threshold来判断运动是否属于有效,有效运动才可进行记步。

      3.关于计步器的扩展

      以上是一个依靠加速度测算的计步器实现原理,已知步行和跑步的步伐经验值,那么稍微改进下即可变成一个测距测速计。

      通过三轴加速度传感器,我们可以知道用户的运动状态。除了计步,还可以通过加速器的变化曲线判断用户摔倒状态,做成一个老人和儿童摔倒检测自动报警器。

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  • 大话三轴加速度计

    千次阅读 2016-09-10 22:34:41
    1:为什么需要三轴加速度计 2:是否存在替代方案 3:三轴加速度计大白话原理 4:三轴加速度计在飞控中是如何工作

    1:为什么需要三轴加速度计

    2:是否存在替代方案

    3:三轴加速度计大白话原理

    4:三轴加速度计在飞控中是如何工作
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  • 三轴加速度:输出的速度是去掉重力后的整体加速度,因此,三轴加速度计可以测量物体的比力。即,去掉重力后的整体加速度, 应用:测量角度 比力:通过弹簧压缩长度来测量 在没有外力的作用下,加速度能够精准地测量...

    1.今天要做的事情

    • 列出:可能影响因素,对影响因素做实验。如何设置对比实验?
    • 如何设置对比实验?

    三轴加速度计

    1.加速度计的原理

    三轴加速度:输出的速度是去掉重力后的整体加速度,因此,三轴加速度计可以测量物体的比力。即,去掉重力后的整体加速度,
    应用:测量角度
    比力:通过弹簧压缩长度来测量
    在没有外力的作用下,加速度能够精准地测量俯仰角和滚转角并且没有累计误差
    MEMS:主要是采用压阻式、压电式、电容式工作原理,产生的比力。(压力或者位移)分别正比于电阻、电压和电容的变化。
    缺点受振动的影响大

    2.校正原理
    在转动传感器的时候,可以通过误差模型得到测量结;通过标准获得更高精度的结果,通过标准(即校正的原理)来得到标准,反过来修正未知参数。
    反过来修正位置参数
    (1)校正方法
    通过外部设备
    自动校正

    3.误差模型
    为了校正加速度计的测量模型,我们需要估计下列位置参数。9个未知参数

    标准(原理)
    无论加速度计防止的角度如何变化,其比例的模厂始终是常值,即当地的重力加速度。
    再通过优化函数得到

    4.测量模型
    飘逸的原因:大多数MEMS是由半导体材料构成的,零点漂移和温度漂移是不可避免的。

    三轴陀螺仪

    用来测量角速度

    基本原理

    科里奥利力
    由于一个物体在运动的时候,

    • 误差模型

    T:描述安装时的微小旋转,K是尺度因子,b是偏移

    校正的原理:角速度积分得到的角度与 标定过的加速度计估计得到的角度进行比较,来标定未知参数。

    通过龙哥库塔法积分实现,得到递推后的加速度

    三轴磁力计

    • 基本原理
    1. 合金材料
      采用一种有晶体结构的合金材料
      对磁场的强弱变化会导致磁阻传感器的电阻值发生变化
    2. 洛伦兹力
      电流通过磁场产生力,从而驱动电容变化。

    自动校正
    3. 误差模型

    误差原因:飞控芯片,供电电路,电机,也会对其产生影响

    1. 校正方法
      原理:在一个地方,无论磁力计位置如何防止,它的真实的磁场的感应场的大小是常量。
      公式
      $ $
      范数是1的原因:不考虑它的大小,只考虑它的方向,因此总是把它估计为1
    2. 实验
    3. 测量模型

    第八讲
    0.前言

    多旋翼的状态不一定都能用传感器测量:
    皮托管、
    加速度计、GPS接收机、单目摄像机,哪一个传感器可以稳定地测得系统的

    可观性是用来度量的一个内部状态是否可以观测:==即通过系统的输出能否反应系统的初始状态。
    如果通过一系列的输出以及控制输入,可以在有限时间内唯一地确定系统状态,则该系统可观。
    什么是客观性?如何设计卡尔曼滤波器?
    连续时间线性系统和离散时间等动态系统地客观性概念及其概念。

    1.客观性
    定义:状态变化能不能由输出反应出来

    第九讲
    0.前沿状态估计

    • 有些信息无法直接测量得到

    加速度计没有速度、姿态角、障碍物、位置。

    • 传感器信息存在荣誉

    GPS接收和加速计都能提供加和位置相关的一些信息。

    因此融合多传感器的融合信息,提高精确性和鲁棒性。

    1.姿态估计

    • 测量模型
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  • 三轴加速度计得到角度值原理

    千次阅读 2020-03-15 11:53:37
    最后得出加速度传感器值与角速度值(弧度)的关系: Tanα1=Ax/squr(AyAy+AzAz), Tanβ1=Ay/squr(AxAx+AzAz), Tangγ1=Az/squr(AxAx+AyAy)。 其中α1、β1、γ1分别是X、Y、Z轴和水平线弧度值,Ax、Ay、Az是三个轴...

    1、如果芯片水平静置,X、Y方向的重力分量为0g,而Z轴方向的重力分量为g。如下图所示,X=0;Y=0;Z=g。
    图1:芯片水平静置
    2、如果两边各有一些夹角则如图二所示
    图2:
    基于图2中的夹角概念,他们的关系为α=90°-ɑ1,β=90°-β1,γ=90°-γ1。
    g在各轴上的分量为:Ax=gcosα,Ay=gcosβ,Az=gcosγ。
    所以:Ax=gcosα=gcos(90°-ɑ1)=gsinɑ1
    Ay=gsinβ1
    Az=gsinγ1
    2、如图3所示:(其中各垂直虚线的大小为:gg=AxAx+gcosα1gcosα1)
    gcosβ1=squr(g
    g-AyAy),
    gcosγ1=squr(g
    g-AzAz)。
    图3:重力加速度g在各轴上的分量
    根据立体几何中,g相当于立方体的对角线,Ax、Ay、Az相当于三条边,如下图4所示,虚线大小等于Ay
    Ay+AzAz,所以根据勾股定理AxAx+AyAy+AzAz=g*g

    由图4和5可以知道,(以X轴为例)sinα1=Ax/g,cosα1=squr(gg-AxAx)/g,
    Tanα1=(Ax/g)/【squr(gg-AxAx)/g】=Ax/squr(gg-AxAx)=Ax/squr(AyAy+AzAz)。
    Tanβ1=Ay/squr(AxAx+AzAz),
    Tanγ1=Az/squr(AxAx+AyAy)。
    图4:重力加速度g在作为立方体的对角线
    最后得出加速度传感器值与角速度值(弧度)的关系:
    Tanα1=Ax/squr(AyAy+AzAz),
    Tanβ1=Ay/squr(AxAx+AzAz),
    Tangγ1=Az/squr(AxAx+AyAy)。
    其中α1、β1、γ1分别是X、Y、Z轴和水平线弧度值,Ax、Ay、Az是三个轴上的加速度值。那么弧度值分别为:
    α1=arctan(Ax/squr(AyAy+AzAz))
    β1=arctan(Ay/squr(AxAx+AzAz))
    γ1=arctan(Az/squr(AyAy+AxAx))
    接下来就得使用数据格式:弧度=θπR/180。这样算得θ=弧度180/πR,其中R取1。最后得到的各轴的角度值分别为:
    θx=α1
    180/π=[arctan(Ax/squr(AyAy+AzAz))]180/π
    θy=β1
    180/π=[arctan(Ay/squr(AxAx+AzAz))]180/π
    θz=γ1
    180/π=[arctan(Az/squr(AxAx+AyAy))]*180/π

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  • MMA7260三轴加速度计

    千次阅读 2014-04-16 17:28:17
     应好朋友们的要求,这两天研究了一下传说中神奇的三轴加速度计,下面写一篇关于三轴加速度计的使用例程,说到三轴加速度计还真是个好东西,可以检测运动中的物体的加速度,可以对物体的运动姿态和运动方向进行检测...
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    万次阅读 2017-06-25 22:10:44
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三轴加速度计工作原理