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

 

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FIFOjinxingshuangjijianceheweichuliqipeiheyingjianshuangjijiancedejiasudujidegongzuoshixu，youyujiasudujiyingjianshixianshuangjijiance，weichuliqizhixuyaozaihuodejiasudujizhongduanhouhenduandeshijianqueren，erwuxuzhouqihuanxingquduquFIFO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

 

jiasudujideyundonghejingzhijiancekeyipandingdazaijiasudujidewujianshijingzhide，haishicongjingzhizhuanhuandaoyidongzhuangtai，yijishiruheyidongde，wutiganshoudaodezhendongdefangshi
，wutidezitaishishenmeyangde
，yijiwutibeixuanzhuanleduoshaojiaoduhuozhebeiyidongleduoyuandejuli。suoyoudefangxiang
、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 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deSignification 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。

       

利li用yong加jia速su度du計ji響xiang應ying敲qiao擊ji動dong作zuo來lai做zuo人ren機ji界jie麵mian控kong製zhi或huo者zhe係xi統tong功gong耗hao管guan理li也ye是shi一yi種zhong常chang用yong的de方fang式shi，考kao慮lv到dao係xi統tong的de容rong錯cuo性xing和he易yi使shi用yong性xing
，雙shuang擊ji和he三san擊ji是shi較jiao常chang用yong的de操cao作zuo。

 

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），yongyushuipingjiancehuozheqingxiejiance，youyaoqiujingduhengaodeyingyongruqingjiaoyi，shebeideshuipingjiancedeng，yeyoujiandandeyingyongbirudianzijiaqianxuyaogenjubaifangdefangxiangzidongxuanzhuanpingmu，shexiangtoudetuxiangyuanzhuan，birucheliangdeqingdaojiance，shangpojiance
，shebeidezitaibianhuadeshibieyekeyiyongyuwuanjianmoshixiadeshuru，yongyuqudaidigonghaocichuanganqidekaiguanzuoyong。

 

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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