為什麼手機能計算出我們行走的步數？
【瘋狂機械控第467期】隨著科技的高速發展，智能手機的功能也越來越強大，很多手機中都有計算步數的功能，為什麼手機能計算出我們行走的步數呢？
手機計算行走步數
計步器最早是由義大利的倫納德·達芬奇想出來的，由於當時技術水平有限，直到150年後的1667年，計步器才真正的做出來，早期計步機比較簡陋，還是機械式的。
早期機械式計步器
機械式計步器的原理很簡單，就跟擺錘一樣。人在走路的時候，計步器里的擺錘會隨著擺動，人走一步擺錘就動一下，金屬擺錘擺動一下會和金屬電極接觸通電，這樣就記錄了一個步數。
現在主流的計步軟體（以微信運動為例），是通過手機內置的陀螺儀、重力感應器和加速器度感測器等組合完成的，根據這些設備的震動頻率來儲存數據，從而計算出每天走路的步數。
其中陀螺儀可以測量出手機的角度，從而檢測到人體的重心偏移。當人在行走時，手機會隨著運動出現角度偏移。陀螺儀檢測到持續且有規律的角度偏移時，手機就會開始判斷用戶正在走路。
手機內置的陀螺儀
陀螺儀還可以判斷用戶是在走路還是在騎自行車。由於騎車過程相對走路時，人體姿態更加平穩，重心偏移量很小，陀螺儀收集到的角度變化也很小。
手機內置的陀螺儀結構
當我們攜帶手機走路時，每一步都經歷了過山車般的加速度變化。抬腿邁出第一步的時候，加速度是最大的。我們把它放到一個坐標軸上，加速度的變化看起來就像一個cos波形。兩個波峰之間，可以被認為是走了一步。
如果連續出現幾個波峰，就可以基本確定用戶是在走路的狀態。感測器設備就把這些前面的波動以及後面的波動算成步數，記錄到手機里。
在實際場景中，演算法還要去掉一些「干擾項」。比如我們走路時，手機放兜里會上下抖動，產生不同方向的加速度。這時演算法就要判斷並過濾掉無用的干擾項，只留下最主要的運動特徵。
手機里的壓電陶瓷也會根據力的大小產生不同的形變，從而產生不同的電壓變化，通過作用在上面的力測量出加速度，計算用戶在走路時的頻率大小。
其實就是手機硬體的重力感應，比如我們看電影轉動手機時，屏幕會自動跟著轉，就是它感應到向下重力作出的反應。
更加精確的計步軟體還會輔助利用GPS來定位用戶的運動路線，然後計算出平均時速。
上述的這些工作是由採集器（加速度感測器等）和處理器（Sensor Hub，協處理器）共同完成的。
其實計步功能只是加速度感測器的一部分應用。在車輛安全、橋樑健康等方面，加速度感測器也有著非常重要的作用。
當汽車在高速行駛時速度突然降下來，安全氣囊就會彈出來。這裡有一個加速度感測器測量車輛在前進方向的負加速度，從而判斷是否應該將安全氣囊彈出。
如今，越來越多的互聯網公司希望用戶使用這個功能，因為通過我們的步行數據，可以分析用戶的出門時間，活動地點和區域，從而得知用戶的社交圈子和消費習慣，這成為互聯網公司制定營銷方案的輔助資料。
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