疫情期間，專家都建議我們居家隔離，不要外出。網上就出現了一個比較流行的用于判斷一個人是否外出溜達的方法，那就是看他手機上今天運動的步數。如果手機上顯示這個人今天的運動步數很多，就說明他今天很可能外出溜達了，應該應當予以批評。

手機步數

那麼問題來了，我們的手機是如何判斷出我們是否正在走路？如何進行計步？這其中的原理是什麼，帶着這幾個疑問，下面就來深入探讨它的原理。

介紹之前要先來了解一下陀螺儀的曆史，為什麼要說它？因為它在手機計步中地位至關重要。這裡不要把陀螺儀理解為我們小時候玩的那種陀螺，它們兩個并不是那麼一回事，隻不過是人們利用了陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)

陀螺儀

1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）在研究地球自轉過程中，發現轉子高速轉動過程，由于慣性的作用，轉軸總是指向某一個固定的方向。于是萊昂·傅科用希臘字 gyro（旋轉）和skopein（看）兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀器，也就是陀螺儀的意思。雖然他不是陀螺儀的發明者，但是他是陀螺儀的命名者。

現代對于陀螺儀的定義：

陀螺儀（角速度傳感器）是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置，利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

手機步數檢測原理

談完了陀螺儀的曆史，就要系統分析計步原理了。在2016年前後，手機計步普遍利用的是重力感應器。我們每走一步都會有振動産生，這個振動可以傳到手機上。而這個手機已經内置了重力感應器，它内部已經事先設定好了一系列的算法，手機每有振動一次，重力感應器隻要感應到，就會認為人向前或者向後走了一步，顯示人體運動了一步。

網上熱賣搖步

但是呢，這個方案沒用多久就被開發者舍棄了。因為很多人利用這個BUG，不斷的搖動自己的手機，進行步數作弊。為了解決這一問題，便出現了一個比較精确的計步方案，也是目前手機上普遍使用的方案。利用陀螺儀、加速度傳感器、重力感應器三個配合工作，再加之軟件精确算法的加持，它的計步還是非常的精準。

重力感應器

人體走路過程中，都會發生振動，這些振動可以傳到手機表面。如果人是處于走路狀态，這個振動是有一定的規律性，重力感應器可以識别到這個規律性的變化，進而向控制電路發出可能處于運動狀态的信号。就像前文所述，單靠重力感應器是不靠譜的，因此系統并不會做出計步決定。

加速度傳感器

如果單單看它的名字，會覺得它的工作應該非常複雜。其實并非如此，它的工作原理一樣很簡單。當我們正在走路時，無論你把手機是放在包包裡、口袋裡、還是拿在手上，手機都會有一個加速度變化，而且這個變化是有一定規律的。這一點就好比我們走路時，我們肯定走不成理想的勻加速，人體的加速度都是處于一定規律的變化之中。

而我們在日常騎車或者坐車過程中，手機的加速度差不多可以說處于一個穩定的狀态，因此加速度傳感器可以通過加速度的變化檢測出人體處于走路還是騎車狀态。如果處于騎車狀态話，即使運動達到了下面兩個感應器要求，也不會被計入步數。

如果加速度傳感器識别到手機的加速度在處于持續而有規律的變化時，它會判定為人體可能正在處于走路狀态。之所以要說可能一詞，是因為僅僅靠加速度傳感器還是不夠的，還需要有陀螺儀的協助判定。

陀螺儀（角速度傳感器）

當我們把手機放在口袋裡或者拿在手上走路時，口袋裡或者手上的手機的角度會随着人體的運動，或多或少的發生角度變化，一般來說這些角度的變化是有一定的規律。陀螺儀檢測到這些有規律的角度變化，也會給控制電路一個信号，認為人體處于走路狀态。

同時陀螺儀可以分辨出人體處于走路還是劇烈運動狀态，因為人體處于不同運動狀态時，它的角度變化大小是不同的。例如人在進行跑步時，它的角度變化幅度很大，而在走路時，它的幅度變化比較小。

手機主闆上陀螺儀、加速度傳感器

通過重力感應器、加速度傳感器、陀螺儀以及一系列信号處理電路之間的配合工作，再加上事先制定好的算法程序，系統就會給出人體是否處于運動狀态的結果。也就是說檢測到了振動、并且加速度處于有規律的變化、陀螺儀檢測到了角度的有規律變化之後，才會給予計上一定的步數。

這三個物件還能做什麼

如果僅僅認為陀螺儀、加速度傳感器、重力感應器僅僅是為了手機的計步使用，那就大錯特錯了，這僅僅是它們應用的一個方面。它們被廣泛用于多種産品中，例如以下幾個。

拍攝雲台穩定器

平常我們在拍視頻的過程中，會發現拍出來的畫面會有比較大的抖動，嚴重影響後期的觀看體驗。而如果使用雲台來拍攝視頻話，就會發現拍出來的視頻抖動幾乎沒了。

雲台穩定器

雲台穩定器内部就是由三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器濾掉絕大部分振動，這樣可以維持攝像頭相對于地的位置保持不變，即可以保障視頻畫面的穩定性，目前來說，三軸已經成了手持雲台穩定器的标配。

汽車競賽遊戲

在我們打過的一些遊戲中，像飛車之類的遊戲，都是需要用到重力感應、陀螺儀和加速度傳感器。也就是我們在遊戲中，想要達到上下左右擺動手機，就可以控制車輛的轉彎，就必須要用到它們。而它們要想實現這個功能，同樣也需要陀螺儀、重力感應器、加速度傳感器三者的配合，以及已經内置的算法加持。

重力感應

開門報警器

一些陀螺儀它已經集成了加速度傳感器的功能，在門上安裝陀螺儀。當啟動這個報警裝置後，當有人打開這個門時，會有一個角度的變化，同時也會帶來加速度變化。通過内置的報警器或者GPRS模塊發送短信，提示門已經被打開，過于存在危險。

陀螺儀的未來發展方向

光纖陀螺儀

光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件，它由激光二極管發射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了敏感元件的角位移。與普通的機械陀螺儀相比較，它的壽命更加的長。

MEMS陀螺儀

這種陀螺儀會比光纖陀螺儀便宜很多，精度也會低一點，但它應用非常的廣泛。例如航空、航天、航海、兵器、生物醫學、環境監控等領域，MEMS陀螺相比傳統的陀螺有明顯的優勢所在。

陀螺經緯儀

在未來隧道挖掘中，陀螺經緯儀是一個必備的物品，也是未來發展一個大方向。隧道坑内的中心線測量一般采用難以保證精度的長距離導線，并且立坑的短基準中心線出發必須有很高的測角精度和移站精度。而陀螺經緯儀就可以得到高精度的方位，效率非常的高。

筆者結語

重力感應器檢測到振動、加速度傳感器檢測到有規律變化的加速度、陀螺儀檢測到有規律角度變化，三者數據在各種信号處理電路結合下，就可以精确得出人體是否處于走路狀态。并且現在一種更加精确防作弊的，也用到了GPS，利用手機是否發生距離移動來判定是否真的動了。

而在現實生活中，陀螺儀處處都在。手機上、雲台穩定器上、一些報警器上都有它的身影。它的出現對人類影響重大，例如我們的飛機上。它能夠為飛機的飛行提供準确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，這不僅可以方便飛行員操縱飛機，也給飛行帶來了更大的安全性。

它也能夠讓列車在單軌道上行駛而不發生脫軌，這就與日常簡單的平衡車差不多，都是利用了陀螺儀以及各種加速度傳感器。平衡車以及各種飛行駕駛遊戲操作體驗讓我們生活更加惬意，它對我們的生活至關重要，産生了深刻的影響。筆者還是建議大家少在步數上作弊，好日子多出去運動，才是身體革命的本錢所在。

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