【可穿戴算法开发】--智能穿戴设备中常用传感器有哪些？知其然知其所以然

首先介绍第一篇文章加速度计、陀螺仪、磁力计介绍传感器前，先了解惯性导航中常用的坐标系。

指固联在地球上的坐标系，起源于地球的质地，与惯性坐标系相比，地球自转角速度为15.041088°/h旋转。OZe轴平行于地球自转周，指向北极，OXe格林尼治子午线轴指向赤道平面，OYe指向赤道平面东经90°方向, OZe轴与OYe和OXe构成右手系。

指位于载体所在的原点地球表面，其中一个轴与地理垂直线重叠的右手直角坐标系。地理坐标系的点O选择在载体重心，地理坐标系的坐标轴有不同的方法，如东北天、北西天、北东地等。

对于东北天坐标系定义为选择在载体重心处，ox指东，oy指北，oz天空指向垂线。

载体质地的原点，OXb轴和OYb轴在当地水平面内，OXb轴向载体右侧，OYb轴沿载体纵轴方向并向前，OZb垂直于载体垂直向上。OXbYbZb坐标系构成右手直角坐标系

与地理坐标系相比，载体坐标系确定的状态可以用姿态角来表示。
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基准坐标系也是惯导系统在求解参数中使用的坐标系。

将传感器直接捆绑在载体上，通过计算机实时计算载体的姿态矩阵，通过载体矩阵载体坐标系轴向的三轴加速度值转换成导航坐标系轴向三轴加速度值，再计算。
若要获取载体的姿态和航向数据(根据陀螺仪和地磁计)，则根据姿态矩阵中的元素找出。
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右手坐标系：
右手背对着屏幕，拇指指向X轴的正方向。伸出食指和中指，如右图所示，食指指向Y轴的正方向，中指指向Z轴的正方向。
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右手法则：
用右手握住Z轴，让右手的四个手指从X轴的正向转向Y轴的正向，直角为90度。此时，拇指的方向是Z轴的正向.由三个坐标轴组成的坐标系称为右手空间直角坐标系.

接下来，首先介绍加速度计、陀螺仪和磁力计的相关原理和应用

加速度计由三个轴组成，X轴沿载体横轴向左，Y轴是载体纵轴，向前，Z垂直于水平面，向上方向。

加速度计分为数字加速度计和模拟加速度计

可通过数字加速度计I2C，SPI或USART模拟加速度计的输出是在预定范围内的电压值，您需要使用它ADC模块将其转换为数字值。

测量加速度计的单位：m/s^2
轴向加速度的大小和方向

利用惯性力，F=ma

• 如MMA、LSM、MPU、BMA如：MMA7460、MMA8452、MPU6050（A G）、MPU6800(A G)、LSM6DSL(A G)、IMC20603(A G)、MPU9150（A G M）
• 使用场景
• 通过一定的算法，加速度计可以做成我们常用的功能，比如计步器，拍照防抖GPS补偿、跌落保护、图像旋转、游戏控制器等。

陀螺仪主要用于测量载体轴向的旋转角速度。通过测量自身的旋转状态，判断设备的当前运动状态，是向前、向后、左、右、上、下、加速（角速度）还是减速。

陀螺仪由三个轴组成，X轴沿载体横轴向左，Y轴是载体纵轴，向前，Z垂直于水平面，向上方向，与加速度计一致。

单位：rad/s

原理图如下：
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先假设在t0时，我们测量了绕Y轴旋转的角度(即Axz），定义为Axz0，之后在t1.我们再次测量这个角度，得到它Axz1.角度变化率按以下方法计算：

在陀螺仪的输出值中ADC读出AdcGyroXZ和AdcGyroYZ计算角速度（deg/s）。

RateAxz = (Axz1 – Axz0) / (t1 – t0).

RateAxz = (AdcGyroXZ * Vref / 1023 – VzeroRate) / Sensitivity

RateAyz = (AdcGyroYZ * Vref / 1023 – VzeroRate) / Sensitivity

如果结果为负，则表示设备向相反方向旋转。陀螺仪手册会告诉你哪个方向是正的

• 目前市场上二合一模块较多(加速度) 陀螺仪)，如:MPU6050（A G）、PU6800(A+G)、LSM6DSL(A+G)、IMC20603(A+G)、MPU9150（A+G+M）。
• 使用场景
• 航海、航空、游戏、拍照防抖、控制等。

方向：从磁南极指向磁北极
磁北极和地理北极不是同一位置，相差11度的夹角。
航向角：当前方向与磁北的夹角
由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴（通常为X轴和Y轴）的检测数据就可以计算出航向角。

磁强计由三个轴构成，X轴为载体横轴，方向向右，Y轴为载体纵轴，方向向前，Z垂直于水平面，方向向上。（注：开发板中磁强计坐标系为载体坐标系）

测量磁场强度和方向，定位设备的方位。
单位：高斯Gauss

使用各向异性磁致电阻材料检测空间中磁感应强度的大小，这种合金材料对外界的磁场很敏感，会导致自身电阻值的变换。

融合算法是通过这9轴的数据来计算出物体正确的姿态。目前9轴融合算法包括卡尔曼滤波、粒子滤波、互补滤波算法，对于开发者而言，所有的融合算法本基本都是丢入9轴传感器的数据和时间戳，然后获取到融合算法输出的四元素，应用所需的就是这组四元素