为什么手机能计算出我们行走的步数？

【疯狂机械控第467期】随着科技的高速发展，智能手机的功能也越来越强大，很多手机中都有计算步数的功能，为什么手机能计算出我们行走的步数呢？

▲手机计算行走步数

计步器最早是由意大利的伦纳德·达芬奇想出来的，由于当时技术水平有限，直到150年后的1667年，计步器才真正的做出来，早期计步机比较简陋，还是机械式的。

▲早期机械式计步器

机械式计步器的原理很简单，就跟摆锤一样。人在走路的时候，计步器里的摆锤会随着摆动，人走一步摆锤就动一下，金属摆锤摆动一下会和金属电极接触通电，这样就记录了一个步数。

现在主流的计步软件（以微信运动为例），是通过手机内置的陀螺仪、重力感应器和加速器度传感器等组合完成的，根据这些设备的震动频率来储存数据，从而计算出每天走路的步数。

其中陀螺仪可以测量出手机的角度，从而检测到人体的重心偏移。当人在行走时，手机会随着运动出现角度偏移。陀螺仪检测到持续且有规律的角度偏移时，手机就会开始判断用户正在走路。

▲手机内置的陀螺仪

陀螺仪还可以判断用户是在走路还是在骑自行车。由于骑车过程相对走路时，人体姿态更加平稳，重心偏移量很小，陀螺仪收集到的角度变化也很小。

▲手机内置的陀螺仪结构

当我们携带手机走路时，每一步都经历了过山车般的加速度变化。抬腿迈出第一步的时候，加速度是最大的。我们把它放到一个坐标轴上，加速度的变化看起来就像一个cos波形。两个波峰之间，可以被认为是走了一步。

如果连续出现几个波峰，就可以基本确定用户是在走路的状态。传感器设备就把这些前面的波动以及后面的波动算成步数，记录到手机里。

在实际场景中，算法还要去掉一些“干扰项”。比如我们走路时，手机放兜里会上下抖动，产生不同方向的加速度。这时算法就要判断并过滤掉无用的干扰项，只留下最主要的运动特征。

手机里的压电陶瓷也会根据力的大小产生不同的形变，从而产生不同的电压变化，通过作用在上面的力测量出加速度，计算用户在走路时的频率大小。

其实就是手机硬件的重力感应，比如我们看电影转动手机时，屏幕会自动跟着转，就是它感应到向下重力作出的反应。

更加精确的计步软件还会辅助利用GPS来定位用户的运动路线，然后计算出平均时速。

上述的这些工作是由采集器（加速度传感器等）和处理器（Sensor Hub，协处理器）共同完成的。

其实计步功能只是加速度传感器的一部分应用。在车辆安全、桥梁健康等方面，加速度传感器也有着非常重要的作用。

当汽车在高速行驶时速度突然降下来，安全气囊就会弹出来。这里有一个加速度传感器测量车辆在前进方向的负加速度，从而判断是否应该将安全气囊弹出。

如今，越来越多的互联网公司希望用户使用这个功能，因为通过我们的步行数据，可以分析用户的出门时间，活动地点和区域，从而得知用户的社交圈子和消费习惯，这成为互联网公司制定营销方案的辅助资料。