為什么手機(jī)能計(jì)算出我們行走的步數(shù)加速度傳感器起到了什么樣的作用

隨著科技的高速發(fā)展，智能手機(jī)的功能也越來越強(qiáng)大，很多手機(jī)中都有計(jì)算步數(shù)的功能，為什么手機(jī)能計(jì)算出我們行走的步數(shù)呢？

▲手機(jī)計(jì)算行走步數(shù)

計(jì)步器最早是由意大利的倫納德·達(dá)芬奇想出來的，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平有限，直到150年后的1667年，計(jì)步器才真正的做出來，早期計(jì)步機(jī)比較簡(jiǎn)陋，還是機(jī)械式的。

▲早期機(jī)械式計(jì)步器

機(jī)械式計(jì)步器的原理很簡(jiǎn)單，就跟擺錘一樣。人在走路的時(shí)候，計(jì)步器里的擺錘會(huì)隨著擺動(dòng)，人走一步擺錘就動(dòng)一下，金屬擺錘擺動(dòng)一下會(huì)和金屬電極接觸通電，這樣就記錄了一個(gè)步數(shù)。

現(xiàn)在主流的計(jì)步軟件（以微信運(yùn)動(dòng)為例），是通過手機(jī)內(nèi)置的陀螺儀、重力感應(yīng)器和加速器度傳感器等組合完成的，根據(jù)這些設(shè)備的震動(dòng)頻率來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出每天走路的步數(shù)。

其中陀螺儀可以測(cè)量出手機(jī)的角度，從而檢測(cè)到人體的重心偏移。當(dāng)人在行走時(shí)，手機(jī)會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)角度偏移。陀螺儀檢測(cè)到持續(xù)且有規(guī)律的角度偏移時(shí)，手機(jī)就會(huì)開始判斷用戶正在走路。

▲手機(jī)內(nèi)置的陀螺儀

陀螺儀還可以判斷用戶是在走路還是在騎自行車。由于騎車過程相對(duì)走路時(shí)，人體姿態(tài)更加平穩(wěn)，重心偏移量很小，陀螺儀收集到的角度變化也很小。

▲手機(jī)內(nèi)置的陀螺儀結(jié)構(gòu)

當(dāng)我們攜帶手機(jī)走路時(shí)，每一步都經(jīng)歷了過山車般的加速度變化。抬腿邁出第一步的時(shí)候，加速度是最大的。我們把它放到一個(gè)坐標(biāo)軸上，加速度的變化看起來就像一個(gè)cos波形。兩個(gè)波峰之間，可以被認(rèn)為是走了一步。

如果連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)波峰，就可以基本確定用戶是在走路的狀態(tài)。傳感器設(shè)備就把這些前面的波動(dòng)以及后面的波動(dòng)算成步數(shù)，記錄到手機(jī)里。

在實(shí)際場(chǎng)景中，算法還要去掉一些“干擾項(xiàng)”。比如我們走路時(shí)，手機(jī)放兜里會(huì)上下抖動(dòng)，產(chǎn)生不同方向的加速度。這時(shí)算法就要判斷并過濾掉無用的干擾項(xiàng)，只留下最主要的運(yùn)動(dòng)特征。

手機(jī)里的壓電陶瓷也會(huì)根據(jù)力的大小產(chǎn)生不同的形變，從而產(chǎn)生不同的電壓變化，通過作用在上面的力測(cè)量出加速度，計(jì)算用戶在走路時(shí)的頻率大小。

其實(shí)就是手機(jī)硬件的重力感應(yīng)，比如我們看電影轉(zhuǎn)動(dòng)手機(jī)時(shí)，屏幕會(huì)自動(dòng)跟著轉(zhuǎn)，就是它感應(yīng)到向下重力作出的反應(yīng)。

更加精確的計(jì)步軟件還會(huì)輔助利用GPS來定位用戶的運(yùn)動(dòng)路線，然后計(jì)算出平均時(shí)速。

上述的這些工作是由采集器（加速度傳感器等）和處理器（Sensor Hub，協(xié)處理器）共同完成的。

其實(shí)計(jì)步功能只是加速度傳感器的一部分應(yīng)用。在車輛安全、橋梁健康等方面，加速度傳感器也有著非常重要的作用。

當(dāng)汽車在高速行駛時(shí)速度突然降下來，安全氣囊就會(huì)彈出來。這里有一個(gè)加速度傳感器測(cè)量車輛在前進(jìn)方向的負(fù)加速度，從而判斷是否應(yīng)該將安全氣囊彈出。