手机怎么知道你是在遛弯儿还是在狂奔
快速阅读: 手机健康App通过内置的加速度计和陀螺仪，精准区分用户的步行和跑步状态，记录步数、计算行走距离及消耗卡路里，实现全天候健康管理。
原文标题:《别骗我!手机怎么知道你是在遛弯儿还是在狂奔?》 你有没有这样的经历? 刚下班慢悠悠踩着夕阳回家,手机健康 App 给你发勋章:“今日步行 6000 步”。
第二天你追公交狂奔 200 m,App 又跳出来:“检测到跑步 0.2 km,消耗 20 kcal”。
你心里犯嘀咕:我也没告诉它啥时候换档啊,它怎么分得这么清? 其实答案就藏在手机里的一对“小间谍”—— 加速度计 和 陀螺仪 ,它们每天 24h 不眠不休地采样、算数、打小报告,无比敬业! 今天咱们把这两个小间谍拎出来,审审它们到底怎么“出卖”你。
1、间谍 1(加速度计)档案 主攻方向 :测“推背感”的高手 实现原理 : 想象一个密封的小盒子,里面用弹簧吊着一颗微型铅锤。
只要你一晃盒子,铅锤就偏离原位。
手机里面的加速度计就是这样一个盒子,只是它被缩小到了 1 mm3 大小,用一小块硅做“铅锤”(质量块 m),用几根比头发还细的硅梁做“弹簧”(弹簧系数 k)。
当手机往右加速,“铅锤”因为惯性想“赖在原地”,就会相对外壳往左偏移。
偏得越多,硅梁弯得越狠。
因为在硅上镀了金属,使得“铅锤”形成了一个可移动的电极,它与加速度计 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)底座上固定着的两对静止电极(一个在上、一个在下)形成两个背靠背的电容: 静止电极 1 ─── “铅锤” ─── 静止电极 2 (固定)(可动)(固定) 当手机加速时,“铅锤”微微位移,离某一静止电极更近、离另一静止电极更远,两个电容的电容值一个增大、一个减小。
MEMS 里的电路测的正是这一对电容的差值 ΔC,从而算出位移 Δx,通过胡克定律( F = k・Δx)和牛顿第二定律(F = m・a),算出加速度 a = (k / m)・Δx。
因此,不管你是在走路时,手机在口袋里轻微晃,还是跑步时手机在口袋里猛烈的颠,加速度计都会全部忠实记录手机感受到的“推背感”的情况。
2、间谍 2(陀螺仪)档案 主攻方向 :测“转体”的专家 实现原理 : 想象你用手指轻轻拨动一只高速旋转陀螺,无论怎么扭手腕,陀螺的转轴都倔强地指向原来的方向。
手机里的陀螺仪就类似于把这只陀螺缩成一粒沙大小,并用电流“拨”它永远旋转。
在陀螺仪 MEMS 的中央悬浮着一个硅环,四条细若发丝的硅梁把它悬空固定。
此硅环被静电力驱赶着在平面内高速振动,振动方向设为 X 轴。
就像是那只高速旋转的陀螺。
当你突然旋转手机(跑步摆臂、甩腕拍照),硅环因为惯性想保持原振动方向,而手机外壳却被你带走。
两者之间产生一股“科里奥利力”,像一双隐形的手,把硅环的振动“掰”到 Y 轴上一点点 —— 掰得越远,说明转得越快。
MEMS 在硅环两侧各放一排固定电极,形成差分电容。
硅环被掰到 Y 轴后,一边电容变大,一边变小,测出电容差值 ΔC,就能换算成角速度 θ(单位 rad / s,弧度每秒)。
因为走路时,手机几乎不旋转,而跑步时,手臂大幅摆动,手机随之来回翻转,角速度信号陡增。
所以手机通过这个角速度,就已经知道你在“原地转身”还是“冲刺摆臂”啦。
3、两个间谍是如何打配合算出步数的? 一句话招供 :手机用加速度计把每一步上下颠簸形成的“波峰”数出来,再用陀螺仪剔除假抖动,而两个波峰=一步,累计就是总步数。
展开说: 1. 采样:加速度计输出加速度后,通过高通滤波器去掉重力,留下人体运动的信号数据。
2. 找峰值:在步行频率(1 Hz~2 Hz)、跑步(2 Hz~3.5 Hz)的范围内,用阈值检测每个上下峰值。两个有效峰值之间的时间差≈一步周期。
3. 验证 & 累加:若陀螺仪角速度同步出现周期性摆动,则确认为真实步伐;若仅有加速度峰值而无陀螺仪对应摆动(如手抖),视为假步并剔除。
4. 通过计数后的有效峰值周期数即为总步数,实时累加并上报给健康 App。
4、走了多远距离,又是怎么算出来的呢? 一句话招供 :先算“一步多长”,再乘“多少步”。
展开说 : 1. 算步长:用加速度峰值和步频实时估算 —— 步频 ↑、峰值 ↑ 时,步长 ↑;通过机器学习模型把加速度峰值和步频映射成动态步长。
2. 算距离:距离 = Σ(每一步的步长)。
5、卡路里,又是怎么算出来的? 一句话招供 :卡路里 = 消耗功率 × 时间,而消耗功率 = 体重 × 移动距离 × 经验系数。
展开说 : 1. 拿体重:你填过健康资料就用你的;没填就按性别 + 年龄 + 地区平均估算。
2. 拿距离:步数 × 动态步长(前面已算)。
3. 拿经验系数:走路 ≈ 0.57 kcal / kg / km;跑步 ≈ 1.03 kcal / kg / km。(不同算法略有差异,但数量级一致) 4. 套公式:消耗卡路里 = 体重 × 距离 × 经验系数 × 时间 互动 审完手机间谍,我们一起来挑战一个小实验:请你把手机锁屏放入口袋,完成下面两步: 1. 原地匀速高抬腿 10 秒(假装跑步)。
2. 正常走路 10 秒。
完成后解锁手机,看看健康 App 是否准确识别了两种状态? 本文来自微信公众号: 中兴文档(ID:ztedoc) 广告声明:文内含有的对外跳转链接(包括不限于超链接、二维码、口令等形式),用于传递更多信息,节省甄选时间,结果仅供参考,IT之家所有文章均包含本声明。
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