关于智能感应计步器的原理概念

　    如今，每个人都非常关注健康。而运动正是健康最重要的手段。不管是出门佩戴手环、计步器，还是拿手机，记录自己行走的步数，已经是很多人的生活习惯了。可是，计步器到底是怎么工作的呢?是怎么知道我们每天走了多少步的呢?
 

 

　　1、计步器的原理是什么

　　它里面有一个机械的震子，运动时会产生上下震动，机器通过收集震子运动的频率来计算数值，计算消耗卡路里。计步器和距离计量器的工作原理也是相同的。

　　2、计步器的原理

　　电子记步器主要由振动传感器和电子计数器组成。人在步行时重心都要有一点上下移动。以腰部的上下位移最为明显，所以记步器挂在腰带上最为适宜。所谓的振动传感器其实就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点能出现通/断动作，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，路程换算均由电路完成在现今科技已是小儿科。但是由于每个人走路的姿态、步幅不一样所以除了步数较为准确以外其他的数据并不准确(一般可能是按体重65公斤每步0.7米这个标准换算的)。对于步态呈病状(比如脑萎缩、半身不遂)来讲可能连步数也不准确(振幅不够大、一步两颠等)。总之对健康人只能做参考，对病人很可能无用。

　　3、关于计步器

　　计步器中一般采用一种加速度计来感受外界的震动。

　　常用的加速度计原理如下：在一段塑料管中密封着一小块磁铁，管外缠绕着线圈，当塑料管运动时，磁铁由于惯性在管中反向运动，切割线圈，由于电磁感应，线圈中产生电流，人体运动时，上下起伏的加速度近似为正弦过程，线圈的输出电流也是正弦波，测量正弦波的频率就可以得出运动的步数，再计算的出速度，距离，和消耗卡路里。

　　计步器种类

　　目前，市面上的计步器主要分为两大类：机械式计步器和电子计步器。

　　机械式计步器主要通过感应手臂或腰部的抖动来计步。机械式计步器通常设有一个运动门限，当运动的加速度大于这个门限则能够被内部的机械装置感应到，进而开始计步。由于运动门限不可调，机械式计步器在某些情况下无法计步，如走路较慢时手臂甩动幅度较小，不会产生计步。另外，非走路状态下运动幅度大也会产生计步，如抬手挠头等动作会产生误计。

　　电子计步器通常内置一个加速度传感器(Accelerometer)和一个运算单元(MCU)，通过加速度传感器感应用户的加速度变化，然后通过MCU来估算行走的步数。电子式计步器通常采用三轴加速度传感器，可以感应用户在三维方向上的运动，且内置较为复杂的计步算法。

　　相对于机械式计步器，电子计步器计步精度更高，抗干扰能力更强。目前智能手机和某些非智能手机都内置了加速度传感器，只需要增加相应的软件即可实现计步，无需增加硬件成本。智能手表，智能手环类产品也都内置加速度传感器和计步算法，方便用户监控自己的运动量。

　　

 

　　以放置在手腕处的加速度传感器为例。用户在水平步行运动中，手腕处的加速度会收到重力加速度和甩手加速度的双重影响。如下图所示，红色箭头表示重力加速度，绿色箭头表示甩手加速度。

　　

 

　　在步行过程中，重力加速度始终垂直与大地，甩手动作带来的加速度呈周期性变化。 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周期性信号。

　　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。

　　计步器的计步算法

　　计步算法可以分为四大类，一是峰值检测算法，二是变换域算法，三是滤波算法，四是模式识别算法。根据所设计的计步器在人体上布放的位置不同，如腕部、腰部、鞋底等，可以选择不同的计步算法。

　　峰值检测类算法原理简单，易于实现，应用较为广泛。这里简单介绍峰值检测类算法。用户在运动中，可能把设备放置于口袋或者包中，亦或拿在手中。所以设备的放置方向不确定。那么首先，我们通过计算三个加速度的矢量长度，可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

　　第二步就是峰值检测，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，可以判断当前加速度的方向，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，否则就舍弃这段。通过对峰值次数的累加，那我们就可得计算得到用户步行的步数。

　　最后，就是去噪音(干扰)。手机或智能手表等手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，即我们俗称的手抖，或者某个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。目前人类最快的跑步频率为5HZ(当然不排除人类借助其它设备跑步频率超过这个频率)，也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒，如图中的计步时间，若两次计步之间的时间间隔小于0.2秒，则不计步。这样我们就过滤了高频噪声，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，设置一定的阀值Threshold来判断运动是否属于有效(如图中的绿线)，有效运动才可进行记步。

　　如果已知步行和跑步的步数，那么再通过人体身高，体重及性别就可以大致知道此人的步长，改进后即可变成一个测距离及测速计。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，还可以利用加速度传感器与陀螺仪及磁传感器融合进行步行航迹推算。

　　小结分享

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