加速度傳感器計(jì)步器設(shè)計(jì)及其性能提高外文翻譯

1、基于加速度傳感器的計(jì)步器及性能提高摘要：計(jì)步器可以幫助人們實(shí)時(shí)掌握鍛煉情況，它通過(guò)檢測(cè)人體行走步數(shù)和步幅可計(jì)算出行走的路程。為了提高計(jì)步器的準(zhǔn)確性，借助MATLAB仿真工具，充分利用加速度傳感器輸出的三軸加速度信號(hào)，經(jīng)分別處理后利用基于信號(hào)能量自適應(yīng)門(mén)限來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)的峰值個(gè)數(shù)，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出人體行走的步數(shù)。最后。對(duì)年輕人與老年人行走數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)文中方法與傳統(tǒng)方法處理后進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，基于信號(hào)能量自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)方法具有更好的性能能有效地提高計(jì)步器的準(zhǔn)確度。關(guān)鍵詞：加速度傳感器，單片機(jī)，微機(jī)電系統(tǒng)，低功耗。1、 介紹 計(jì)步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可

2、以激勵(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。晃動(dòng)這些裝置時(shí)，可以聽(tīng)到有一個(gè)金屬球來(lái)回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。如今，先進(jìn)的計(jì)步器利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來(lái)精確檢測(cè)真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點(diǎn)，因此越來(lái)越多的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備開(kāi)始集成計(jì)步器功能，如音樂(lè)播放器和手機(jī)等。ADI公司的3軸加速度計(jì)ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應(yīng)用。文章介紹了加速度傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)及功能，

3、設(shè)計(jì)出了一種基于加速度傳感器的電子計(jì)步器。實(shí)驗(yàn)中由加速度傳感器獲取步態(tài)的加速度信號(hào)，單片機(jī)的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行采樣和A/D 轉(zhuǎn)換后，就得到了步態(tài)的特征數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)通過(guò)并口被送入單片機(jī)中經(jīng)過(guò)一定的算法，輸出在LCD 液晶顯示屏上顯示。 人體行走時(shí)的行為可以通過(guò)很多參數(shù)來(lái)描述，但不同的參數(shù)反映著不同的方面，本文主要是測(cè)量人行走步數(shù)，以達(dá)到及時(shí)了解自己每日行走的步數(shù)及運(yùn)動(dòng)量并進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)和鍛煉的目的，人行走的行為可以通過(guò)距離、速度、加速度等參數(shù)來(lái)描述，不同的參數(shù)有著不同的精確度，通過(guò)檢測(cè)人行走時(shí)的加速度信號(hào)可以有效的獲得步數(shù)信息。而人行走時(shí)在水平前向、側(cè)向和垂直方向上都有加速度，如下圖所示： A

4、DXL335是三軸(X 軸，Y 軸，Z 軸)加速度傳感器，正好可以對(duì)人行走時(shí)的三個(gè)方向的加速度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而更精確的獲取人行走時(shí)的信息。圖2.ADXL335功能框圖圖3.從一名跑步者測(cè)得的x、y和z軸加速度的典型圖樣2、 加速度傳感器的原理加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值（V/t），是描述物體速度改變快慢的物理量，通常用a表示，a=F/m,加速度只和施加在物體上合力F，和物體的質(zhì)量有關(guān)，與速度和時(shí)間無(wú)關(guān)。重力加速度：地球表面附近的物體因受重力產(chǎn)生的加速度叫做重力加速度，也叫自由落體加速度，用g表示。重力加速度g的方向總是豎直向下的。在同一地區(qū)的同一高度，任何物體的重力加速度都

5、是相同的。慣性傳感器：應(yīng)用慣性原理和測(cè)量技術(shù)，感受載體運(yùn)動(dòng)的加速度、位置和姿態(tài)的各種敏感裝置。如加速度傳感器，MEMS是指可批量制作的，集微型機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)?，F(xiàn)在的加速度傳感器，陀螺儀都是基于MEMS的。加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。 線加速度計(jì)的原理是慣性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(慣性力)/M(質(zhì)量)我們只需要測(cè)量F就可以了。怎么測(cè)量F？用電磁力去平衡這個(gè)力就可以

6、了。就可以得到F對(duì)應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號(hào)傳輸、放大、濾波就是電路的事了。多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來(lái)工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是"對(duì)于不存在對(duì)稱(chēng)中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場(chǎng)，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)"。一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來(lái)制作加速度傳感器，比如壓阻技術(shù)，電容

7、效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，諧振式，隧穿式，等，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過(guò)測(cè)量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。二軸加速度傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)方向（x軸，y軸）上的加速度。三軸加速度傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)三個(gè)方向上的加速度，x，y，z。      圖4.傳感器檢測(cè)原理垂直剖面圖3、 加速度傳感器算法首先，為使加速度圖樣所示的信號(hào)波形變得平滑，需要一個(gè)數(shù)字濾波器。可以使用四個(gè)寄存器和一個(gè)求和單元，如圖5所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)變慢。 圖5.數(shù)字濾波器 圖6顯示了來(lái)自一名步行者所戴計(jì)步器的最活躍

8、軸的濾波數(shù)據(jù)。對(duì)于跑步者，峰峰值會(huì)更高。 圖6.最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值(Max + Min)/2稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)閾值”。接下來(lái)的50次采樣利用此閾值判斷個(gè)體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動(dòng)態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。除動(dòng)態(tài)閾值外，還利用動(dòng)態(tài)精度來(lái)執(zhí)行進(jìn)一步濾波，如圖7所示。圖7. 動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度利用一個(gè)線性移位寄存器和動(dòng)態(tài)閾值判斷個(gè)體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個(gè)寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱(chēng)為sample

9、_new和sample_old。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，sample_new無(wú)條件移sample_old入寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預(yù)定義精度，則最新的采樣結(jié)果sample_result移入sample_new寄存器，否則sample_new寄存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結(jié)果更加精確。步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過(guò)動(dòng)態(tài)閾值下方時(shí)，加速度曲線的斜率為負(fù)值(sample_new < sample_old)。 .峰值檢測(cè)：步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì)算步

10、數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計(jì)數(shù)器將忽略。步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時(shí)顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蚍浅＞徛卣駝?dòng)時(shí)，步伐計(jì)數(shù)器也會(huì)認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無(wú)效振動(dòng)。利用“時(shí)間窗口”和“計(jì)數(shù)規(guī)則”可以解決這個(gè)問(wèn)題?！皶r(shí)間窗口”用于排除無(wú)效振動(dòng)。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個(gè)有效步伐的時(shí)間間隔在時(shí)間窗口0.2 s - 2.0 s之內(nèi)，時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。此算法使用50 Hz數(shù)據(jù)速率(20 ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值

11、在10與100之間，則說(shuō)明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內(nèi)；否則，時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外，步伐無(wú)效?！坝?jì)數(shù)規(guī)則” 用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)則模式開(kāi)始工作。假設(shè)經(jīng)過(guò)四個(gè)連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則(in regulation)，那么步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)刷新和顯示結(jié)果，并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)有效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)無(wú)效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個(gè)連續(xù)有效步伐。4、 傳感器性能的提高研究使用，Analog Devices公司的加速度傳感

12、器，是一個(gè)簡(jiǎn)單但相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)步器。然而，已經(jīng)引入新的設(shè)備，允許更多敏感的應(yīng)用中使用的加速度傳感器。因此，應(yīng)用程序，如計(jì)步器，發(fā)現(xiàn)自己在許多消費(fèi)電子設(shè)備有更為廣大的提升空間，如手機(jī)。鑒于這一趨勢(shì)，更進(jìn)一步的研究使用單一的加速度。 AN-602的技術(shù)的實(shí)現(xiàn)試圖在重復(fù)其結(jié)果。雖然執(zhí)行相同的算法，但同樣的精度不重復(fù)。特別是，相對(duì)預(yù)期的精度有更大的變化比，比如當(dāng)一個(gè)人用不同的節(jié)奏和步長(zhǎng)。這導(dǎo)致在AN-602所使用的算法存在潛在的改進(jìn)而進(jìn)行的調(diào)查。使用兩種不同的計(jì)步器測(cè)試板，既利用的ADuC7020 ARM7®控制器進(jìn)行測(cè)試。一個(gè)安裝程序由ADuC7020微控制器和ADXL322加速度評(píng)估板的組

13、合，增值16×2字符液晶顯示屏。另一個(gè)是定制電路板使用的ADuC7020和3軸加速度計(jì)ADXL330，16×2字符液晶顯示屏。定制電路板原理圖見(jiàn)圖8。AN-602方法的基本原理是基于一個(gè)原則，在一個(gè)與單獨(dú)步驟直接相關(guān)的垂直彈跳的那個(gè)步幅（見(jiàn)圖9）。由于角度和是相等的，步幅可以顯示的最大垂直位移的倍數(shù)。在一個(gè)人的腿的長(zhǎng)度的差異進(jìn)行修正處理，給定為相同的角度的垂直位移更高或更矮的人將是更大或更小。 圖8電路板原理圖圖9垂直運(yùn)動(dòng)然而，使用一個(gè)加速度傳感器，是加速度的變化，不是位移。才可以使加速度測(cè)量值轉(zhuǎn)換成距離。在AN-602設(shè)置在有限的計(jì)算能力時(shí)，使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的近似雙積分公式

14、來(lái)轉(zhuǎn)換所需。嘗試做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的直接離散積分。選擇一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)計(jì)算積分，每個(gè)步驟確定后，在該步驟中的所有加速度樣品中加入的速度樣本獲取一組。從而每個(gè)步驟的速度樣品進(jìn)行歸一，使得最后的樣品為零。然后，他們被加在在一起以獲得一個(gè)值位移。這種技術(shù)最初看起來(lái)前途無(wú)量，因?yàn)闇y(cè)量的距離是相對(duì)一致的。然而，從不同的人的誤差問(wèn)題有加劇的跡象。這種模式有兩個(gè)主要條件。首先，它假設(shè)實(shí)際的腳與地面在一個(gè)單點(diǎn)接觸。其次，它假設(shè)每只腳在地面上的影響是完全彈性。當(dāng)然，這些都不是這樣的。問(wèn)題出現(xiàn)了，這是否可以解釋當(dāng)遇到大的變化時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)中是安全的，它的解釋存在許多變化。要理解這一點(diǎn)，它有助于測(cè)量的加速度值，如圖10所示。不

15、同來(lái)源的實(shí)驗(yàn)在一個(gè)人的步驟所示的數(shù)據(jù)。 圖11展示了所遇到的問(wèn)題，可以理解成精確的距離計(jì)算出加速度測(cè)量值。考慮到峰值到峰值的變化（甚至是那些集成數(shù)據(jù)的方法）運(yùn)行陷入困境，這種類(lèi)型數(shù)據(jù)的困難原因是在彈簧中的步驟，不同的人，或在一個(gè)人使用不同的速度從一個(gè)測(cè)量到另一個(gè)步驟的變化。圖11顯示了同一主題的帶長(zhǎng)，快的步幅。峰 - 峰值加速度差較大，各種彈簧點(diǎn)看起來(lái)不同。因此，代表彈簧的量的數(shù)據(jù)，而不是代表真實(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是不同的，與圖10相比。該算法只看到加速度測(cè)量值的一組，不會(huì)注意這些測(cè)量值的上下文中的問(wèn)題，因此，無(wú)需拆卸有用的數(shù)據(jù)。 圖10 圖11 這兩個(gè)圖之間也有一些重要的區(qū)別。底部的一部分，每一個(gè)

16、步驟的曲線在圖11中略窄的曲線的頂部是更一致（更少的鮮明的峰）。這些差異導(dǎo)致更高的平均樣本值和最小和最大的采樣值。為了便于比較，檢查數(shù)據(jù)圖，在圖12中不同的個(gè)體的步幅非常相似，在圖10中的主體1。然而，數(shù)據(jù)本身看起來(lái)很大的不同。圖12主題2比主題1在步幅有很大的變化（如圖10所示）。然而，這兩組數(shù)據(jù)代表大致相同的行走距離。僅僅計(jì)算距離的峰值提供了廣泛的不同的結(jié)果。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的雙積分有同樣的問(wèn)題。 所有努力拿出一個(gè)全面的方法解決這個(gè)問(wèn)題，使用簡(jiǎn)單的計(jì)算存在同樣的問(wèn)題。這導(dǎo)致了一系列的正?；械臄?shù)據(jù)方式，消除了彈簧的嘗試，但這些嘗試證明未成功。主要的原因似乎是它們要求的數(shù)據(jù)的上下文中的一些出入。

17、然而，該解決方案需要能夠上下文中的數(shù)據(jù)，而無(wú)需操作。一種可能的解決這個(gè)問(wèn)題的方法開(kāi)始浮出水面。前面提到過(guò)的數(shù)據(jù)如何去改變時(shí)，從慢到快的步伐，有不太明顯的變化，由于彈性用更長(zhǎng)的時(shí)間，更快的步幅。得到的結(jié)果是更高的采樣點(diǎn)的平均值，相對(duì)于數(shù)據(jù)的最小值和最大值。視覺(jué)上，它有點(diǎn)難以保證，在圖12中所示的步驟中給定量的反彈。但是，計(jì)算表明，平均與峰值在圖10中是非常相似。因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的算法是來(lái)確定行走距離。這個(gè)算法便是： d是所計(jì)算的距離。k是一個(gè)常數(shù)。max在這個(gè)步驟測(cè)量中的最大的加速度值，min是最小加速度值。avg為平均加速度值。這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，保持良好的各種步幅長(zhǎng)度。但有些科目變化多達(dá)10的

18、距離，從測(cè)得的平均距離為組。這是不是在±7.5的誤差范圍是針對(duì)未校準(zhǔn)的測(cè)量。另一種解決方案是需要的。在最后的測(cè)試中使用的比例似乎反映了不同科目的步驟在彈性中差異。兩種方法相結(jié)合是有意義的嘗試。讓我們?cè)倩氐皆瓉?lái)的想法，使用雙積分，這個(gè)比例被用作一個(gè)修正系數(shù)，從計(jì)算特征運(yùn)算下彈簧數(shù)據(jù)。因此，得出的公式是： 該算法保持了良好誤差消除性，所有的變化在約6之內(nèi)。該算法本身容易校準(zhǔn)與調(diào)整的乘數(shù)k的步伐。結(jié)果指出，這里沒(méi)有包括這個(gè)平均值使用。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，只有X-和Y-軸被使用。靈活選擇的3軸加速度傳感器，兩個(gè)軸被認(rèn)為是足夠完成任務(wù)。ADXL323可用于代替ADXL330。因?yàn)橐_配置為Z軸的輸出

19、是相同的，而且可以同時(shí)用于相同的布局。這些實(shí)驗(yàn)在計(jì)步器的距離測(cè)量上取得好成績(jī)。步計(jì)數(shù)算法確保它運(yùn)作良好，一邊走一邊運(yùn)行，然而，它可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的算法可以被愚弄為nonwalking運(yùn)動(dòng)。預(yù)計(jì)在AN-602中描述的時(shí)間窗函數(shù)能夠得到改善。5、 總結(jié)ADXL345是一款出色的加速度計(jì)，非常適合計(jì)步器應(yīng)用。它具有小巧纖薄的特點(diǎn)，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開(kāi)發(fā)的計(jì)步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費(fèi)電子設(shè)備中。它在測(cè)量模式下的功耗僅40 µA，待機(jī)模式下為0.1 µA，堪稱(chēng)電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減輕了主處理器

20、的負(fù)荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數(shù)據(jù)速率進(jìn)行定時(shí)，從而取代處理器中的定時(shí)器。13位分辨率可以檢測(cè)非常小的峰峰值變化，為開(kāi)發(fā)高精度計(jì)步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結(jié)合上述算法，用戶(hù)可以將計(jì)步器戴在身上幾乎任何部位。幾點(diǎn)建議：如果應(yīng)用對(duì)成本極其敏感，或者模擬輸出加速度計(jì)更適合，建議使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出。如果PCB尺寸至關(guān)重要，建議使用ADXL346，這款低功耗器件的內(nèi)置功能甚至比ADXL345還多，采用小巧纖薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封裝，電源電壓范圍

21、為1.7 V至2.75 V。參考文獻(xiàn)1Choi KwonhueCheun Kyungwhoon，JunE TaejinAdaptive PN code acquisition using instantaneous powerscaled detection threshold under rayleigh fading andpulsed gaussian noise jammingJ2005.2CAI B GPosition estimation via fusion and integration of GPS andinertial 8ensolR8I：Report of CITRth

22、e Ohio State University，2008.3 Toward free-living walking speed estimation using Gaussian Process-based Regression with on-body accelerometers and gyroscopes - 20104 Functional electrical stimulation for walking: rule based controller using accelerometers - 20085 Randomised controlled trial of a complex intervention by primary care nurses to increase walking in patients aged 6074 years: protocol of the PACE-Lift (Pedometer Accelerometer Consultation Evaluation - Lift) trial - 20136 Development and Testing of a Device for Human Kinematics Measurement - 20097 Est