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）yijixiangyingderenjijiemianhedianyuanguanlibufen
，dianchishishiyongchangjingxuyaogongzuoshinianhuozheshutian，chuanganqibenshendechaodigonghaoyijishujuchulidechaodigonghaoyouzhuyuyanchangdianchishouming
，jianshaodaikuanyongliangbingyincijiangdichengben
，shizhinengwulianwangshebeifanganshejizhongdezhongyaokaoliang。

  

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

、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(qu)FIFO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）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 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

 

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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