九轴传感器之加速度计

上海润欣科技股份有限公司创研社

随着人工智能技术的多元化快速发展，各种智能场景应用不断涌出，“motion detect”作为最有效而直接的空间信息感知单元，在人工智能应用场景中也被赋予了非常重要的角色。九轴姿态传感器，包括了加速度计、陀螺仪和磁力计，为“motion detect”提供了必需的传感数据。本篇主要讲述九轴姿态传感器中的加速度计部分。

受地心引力的影响，物体都有一个重力加速度，大家应该都知道它的值是1g=9.8米/秒^2。关于这个单位，简单的用公式介绍一下，如果一个物体在t秒时间内速度从V1米/秒加速到V2米/秒，则这个物体的加速度a是多少，计算为a=(V2-V1)/t，所以a的单位是（米/秒）/秒，为米/秒^2。对于一个数学概念上的点的重力加速度，只有空间位置，而没有方向，不过对于一个具有立体形状的物体的重力加速度，会有X/Y/Z三轴方向性，九轴传感器里面的加速度计就是指对X/Y/Z的三轴加速度感知。

如图1所示，加速度传感器的输出包括Xout表示X轴的传感数据分量，Yout表示Y轴的传感数据分量，Zout表示Z轴的传感数据分量，如果Xout/Yout/Zout分别是加速度矢量V在X/Y/Z三轴的投影，则根据图示里面的三维空间的勾股定理，我们可以得出

“V^2 = Xout^2 + Yout^2 + Zout^2”（长方体：对角线^2 = 长^2 + 宽^2 + 高^2）

如果物体此时只受重力影响，我们就可以根据以上数据得出物体在X/Y/Z轴上面的倾斜角度了，假设三轴对应的倾斜角分别是Ax/Ay/Az，则根据直角三角形的斜边公式“cos(A)=（∠A的）邻边/斜边”可以得出

cos(Ax) = Xout / V 对应的 Ax = arcos(Xout / V)

cos(Ay) = Yout / V 对应的 Ay = arcos(Yout / V)

cos(Az) = Zout / V 对应的 Az = arcos(Zout / V)

                                          

图1

以上内容是基于数字传感器的数据处理，而有时候我们会选择模拟传感器，如图2所示，对于模拟传感器我们需要对ADC数据进行前期处理才能得到对应的Xout/Yout/Zout。图2中所示为12位ADC模块，所以其输出值最大为2^12-1=4095，我们可以根据以下公式得出Xout/Yout/Zout的值

Xout = （(ADCx/4095) * Vref – V0g) / Sens

Yout = （(ADCy/4095) * Vref – V0g) / Sens

Zout = （(ADCz/4095) * Vref – V0g) / Sens

其中等式中的ADCx/ADCy/ADCz为ADC输出值，Vref为参考电压，V0g为零加速度电压值，Sens为加速度计的灵敏度（即单位重力发生变化后引起的电压变化值）。如此，得到Xout/Yout/Zout的值后即可参考前面内容计算物体倾斜角。

图2