一种利用加速度传感器计算位移的方法和移动终端

摘要

本发明公开一种利用加速度传感器计算位移的方法，其包括：采集物体运动过程中的加速度值；对采集的物体运动过程中的加速度值进行低通滤波；根据加速度值对运动形式进行分类，再对分类后的运动形式分别进行平均加速度值与加速度值的对应匹配；根据经过滤波器低通滤波的加速度值，判断当前运动所属的分类，以及根据所属的分类中平均加速度值与加速度值的对应匹配，得到当前运动的平均加速度值，从而利用该平均加速度值得到位移值。本发明利用现有的低成本加速度传感器实现了物体位移的测试。

说明书

技术领域

本发明涉物体位移传感器及物体位移测量系统领域，尤其涉及一种利用加速度传感器计算位移的方法和移动终端。 

背景技术

随着智能手机的普及，加速度传感器的得到了广泛使用，围绕加速度传感器的应用也越来越多。但是目前加速度传感器只能够测试物体所受的外力大小和方向，极大的限制了应用的进一步开发，很多时候我们不但需要知道物体受到受外力的大小，还想知道物体在外力的作用下运动的轨迹和位移，这样应用范围将更广阔，目前手机使用的加速度传感器不能够用来测试物体移动位移，因为加速度传感器测试加速度过程中存在非线性和迟滞现象，如下图1所示，同一物体加速到某一速度后又减速到原来速度，物体加速度曲线和减速度曲线并不重合。 

物理学对物体运动分类，例如匀速直线运动，匀加速直线运动，匀减速直线运动等运动形式，在日常人体操作物体运动中根本不存。且在常见运动中，都存在摩擦噪音和撞击噪音，这些噪音具有很大的加速度分量，远大于物体位移加速度量。既是不考虑这些噪音影响和加速度传感器的非线性和迟滞对测试位移影响，也无法使用 得到物体位移。 

发明内容

本发明提供了一种利用加速度传感器计算位移的方法和移动终端，利用现有的低成本加速度传感器实现了物体位移的测试。 

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种利用加速度传感器计算位移的方法，该方法包括如下步骤： 

步骤1：根据不同加速度传感器对常见的物体运动形式的感应反馈特点，对加速度传感器采集物体运动过程中，各种不产生位移的加 速度噪音进行滤除； 

步骤2：把常见的物体运动形式进行分类，再对分类后的物体运动形式进行“平均加速度—加速度”曲线进行校准，绘制出物体不同类型运动的“平均加速度—加速度”曲线图； 

步骤3：被测位移的物体运动时，记录加速度传感器在物体运动过程中数值得到物体运动的加速度曲线，根据物体运动加速度曲线判断物体做何种类型运动，再在所述“平均加速度—加速度”曲线中查出物体对应何种类型运动的平均加速度，计算出物体运动位移。 

优选的，步骤2中，所述常见的物体运动形式进行分类是指根据加速度传感器对物体运动加速度感应类型分类；同类运动形式物体运动加速度曲线差异主要表现为加速度幅度和时间。 

优选的，物体运动形式包括挪动运动，撞击运动，摆动运动中的任一种。 

优选的，所述物体运动种类的开始和结束加速度变化率均为零，即物体处于静止或匀速直线运动状态。 

本发明还提供了一种利用加速度传感器计算位移的方法，该方法包括如下步骤： 

步骤1：根据不同加速度传感器对常见的运动形式的感应反馈特点，对加速度传感器采集物体运动过程中，各种不产生位移的加速度噪音进行滤除； 

步骤2：把常见的运动形式进行分类，再对分类后的运动形式采用近视算法进行校准，绘制出不同类型运动“平均加速度—加速度”曲线图； 

步骤3：被测位移的物体运动时，记录加速度传感器在物体运动过程中数值得到物体运动的加速度曲线，根据物体运动“加速度”曲线判断物体做何种类型运动，再在对应运动种类的“平均加速度—加速度”曲线类型图中查出物体对应此类运动的平均加速度，计算出物体运动位移，完成加速度传感器对物体的位移测试。 

本发明的有益效果在于：利用现有的低成本加速度传感器实现了 物体位移的测试。 

附图说明

图1为加速度传感器的迟滞特性曲线。 

图2a为第一人挪动不同物体的加速度曲线。 

图2b为第二人挪动不同物体的加速度曲线。 

图2c为第三人挪动不同物体的加速度曲线。 

图3a为正向位移方向的加速度曲线。 

图3b为反向位移方向加速度曲线。 

图4为平均加速度—加速度校准曲线。 

图5为物体沿X方向挪动位移过程图。 

图6为三轴加速度传感器采集物体沿X轴运动加速度曲线。 

图7为经过低通滤波器后的加速度曲线； 

图8为本发明提供的用加速度传感器计算位移的方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。 

本发明提供了一种利用加速度传感器计算物体位移的方法。该发明发现了：1、常见运动过程中存在摩擦噪音和撞击噪音等，这些噪音具有很大加速度分量，频率较高，不产生位移，常见人体运动产生位移的加速度分量频率集中在低频段；2、常见人体运动产生位移同类运动运动过程的加速度曲线具有极高的相似度；3、利用加速度—平均加速度校准方法减小计算位移的计算量，消除加速度传感器测试误差。利用这些发现实现加速度传感器计算物体的位移。 

本发明提供一种利用加速度传感器计算位移的移动终端，其包括：加速度传感器、滤波器、 

加速度传感器，用于采集物体运动过程中的加速度值； 

滤波器，用于对加速度传感器采集的物体运动过程中的加速度值进行低通滤波； 

处理器，用于对运动形式进行分类，再对分类后的运动形式分别进行平均加速度值与加速度值的对应匹配。具体地，对于某一类运动 形式的运动，只要知道运动时间和某一点的加速度值，就能够得到该类运动形式物体在这段时间的位移。为了消除加速度传感器线性误差和迟滞对测试精度影响，对不同类型运动形式的物体运动过程，先等效为匀加速直线运动，预先对该类运动不同大小加速度对应的匀加速度值，进行平均加速度—加速度校准，保存得到的校准曲线数据。 

判断模块，用于根据经过滤波器低通滤波的加速度值，判断当前运动所属的分类，以及根据所属的分类中平均加速度值与加速度值的对应匹配，得到当前运动的平均加速度值，从而利用该平均加速度值得到位移值。 

根据数据判断物体的运动为哪种类型运动，再根据运动过程加速度值大小，在对应运动类型校准数据中查出对应的等效平均运动加速度，计算出物体位移。 

本发明提供的一种利用加速度传感器计算物体位移的方法。该方法是根据不同加速度传感器对常见的运动形式的感应反馈特点，对加速度传感器采集物体运动过程中，各种不产生位移的加速度噪音进行滤除；把常见的运动形式进行分类，再对分类后的运动形式进行“平均加速度—加速度”曲线进行校准，绘制出不同类型运动“平均加速度—加速度”曲线图。被测位移的物体运动时，记录加速度传感器在物体运动过程中数值，根据物体运动“加速度”曲线判断物体做何种类型运动，再在对应运动种类的“平均加速度—加速度”曲线类型图中查出物体对应此类运动的平均加速度，计算出物体运动位移，完成加速度传感器对物体的位移测试。 

本发明发现了常见人体操作物体运动的运动规律，按照这一规律把人体操作物体运动进行分类，同一类运动形式运动过程中的加速度曲线具有极高的相似度，它们之间区别仅限于加速度幅度和运动时间，如图2所示，是人体挪动物体的一组加速度曲线，该类曲线是三个不同人挪动不同物体的加速度曲线，尽管三个人挪动不同物体所用的时间和移动的各距离不同，但加速度曲线形状极为相似，区别仅在加速度的幅度和运动过程所用时间。对常见人体运动形式研究发现如下规律。 

1、物理学中对物体运动分类的运动形式，在人体运动中几乎不出现。 

2、人体常见运动形式（例如：走动，挪动，摆动、抛出等运动形式），同类运动形式的加速度曲线极为相似，区别仅在加速度的幅度和运动过程所用时间。 

3、人体常见运动过程中存在摩擦噪音和撞击噪音，这些噪音具有很大加速度，频率较高，不产生位移，人体运动加速度频率集中在0.5—10Hz之间。 

针对以上特点，用安装在物体上的加速度传感器测试物体位移，需要首先对加速度传感器采集的数据进行低通滤波，消除摩擦噪音和撞击噪音。对于某一类运动形式的运动，只要知道运动时间和某一点的加速度值，就能够得到该类运动形式物体在这段时间的位移。为了消除加速度传感器线性误差和迟滞对测试精度影响，对不同类型运动形式的物体运动过程，先等效为匀加速直线运动，预先对该类运动不同大小加速度对应的匀加速度值，进行平均加速度—加速度校准，保存得到的校准曲线数据。测试物体位移时，加速度传感器采集物体运动过程中的数据，根据数据判断物体的运动为哪种类型运动，再根据运动过程加速度值大小，在对应运动类型校准数据中查出对应的等效平均运动加速度，计算出物体位移。 

对加速度传感器进行“平均加速度—加速度”校准的主要作用是： 

1、不同运动类型加速度传感器的线性度和迟滞大小有所差异，校准可以消除加速度传感器线性误差和迟滞对位移计算的影响，提高测试精度 

2、简化计算，节省系统资源。对于已知的运动类型（例如固定场景的游戏动作）只要采集固定点加速度和运动时间就可以得到物体的移动位移。 

该发明的核心是把人体复杂的运动进行分类，对于同一类运动通过查表方法或等效算法得到平均加速度，在利用平均加速度计算出物体位移。这样就把复杂的运动过程，简单化的求得位移。 

结合附图5,用一款三轴加速度传感器测试一物体由A位置移动-d位移到B位置，再由B位置移动到A位置的物体位移测试的具体实施方法。 

人体运动频率集中在10HZ以内，自然界各种噪音和人体移动物体运动中摩擦产生噪音常用加速度传感器都会感应的，特别是移动物体过程中摩擦产生的噪音和撞击噪音，具有很大的加速度量而不会使加速度传感器产生位移。加速度传感器感应特别敏感，这些噪音产生的加速度能量大于移动物体加速度量，但这些噪音能量集中在较高频段。采集的加速度值首先经过截止频率在10HZ以下的低通滤波器，滤除噪音。 

经过低通滤波器平滑后物体沿X轴移动后的加速度曲线加速度曲线图3a和图3b所示。正向运动和负方向运动的加速度曲线刚好反向，用于区分物体位移方向。物体这类移动过程中，在X轴正方向运动的峰峰值（或有效值）与平均加速度校准曲线如图4所示，图中纵轴a是等效的平均加速度，横轴A是峰峰值（或有效值）。在实际用于中三轴加速度传感器的正负方向需要分别校准，在一个运动过程中平均加速度图中的纵坐标，在不同类型运动状态中加速度传感器采集加速度值经过低通滤波器峰峰值（或有效值）位于横坐标， 

图6是图5中是挪动物体加速度随时间曲线，物体运动过程加速度传感器在x\y\z三个方向采集的加速度值。曲线中有大量噪音。图7是图6曲线中X轴加速度数值经过10HZ低通滤波器平滑后的曲线。 

运动过程的起始点和结束点物体处于静止状态，加速度的变化率为0,应用此定律在图5物体由A点移动到B点时间为t1，有B点移动到A点时间为t2，如图7所示。图7物体由A点移动到B点过程中加速度峰峰值为A1，对应图4，查得的平均加速度为a1，应用公式 

得出图5中物体在X轴向由A点移动到B点位移 

如图8所示，本发明一种利用加速度传感器计算位移的方法，包括以下步骤： 

步骤S1、采集物体运动过程中的加速度值； 

步骤S2、对采集的物体运动过程中的加速度值进行低通滤波； 

步骤S3、根据加速度值对运动形式进行分类，再对分类后的运动形式分别进行平均加速度值与加速度值的对应匹配； 

步骤S4、根据经过滤波器低通滤波的加速度值，判断当前运动所属的分类，以及根据所属的分类中平均加速度值与加速度值的对应匹配，得到当前运动的平均加速度值，从而利用该平均加速度值得到位移值。 

本发明的有益效果在于：利用现有的低成本加速度传感器实现了物体位移的测试。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。