智能穿戴设备中的三六九轴传感器解析
一、智能手表功能一览
1. 1 功能概览表
下表收集了目前较为热门的市场在售智能手表产品功能，包含运动监测、心率监测、睡眠监测等。生理监测功能的逐渐丰富，是目前智能手表市场的一个大趋势。各家纷纷在健康方面布局。
1. 2 部分功能介绍
运动模式
1. 对于苹果和三星来说，他们可以自动识别几种运动，其余的手表需要先选择进行什么运动后才能继续分析。运动模式基本会牵扯到所有的传感器，例如华为可以通过运动传感器可以测出游泳的姿势，跑步的步频率，运动中用生物传感器监测心跳，血氧变化来分析运动的身体状况，可以用GPS和磁力计画出跑步的路线。不同品牌在这里细分下的功能不一样，下面列一些华为关于运动后与身体有关的一些功能：预计恢复时间：指运动完成后，体能完全恢复的时间，反映了身体的疲劳程度最大摄氧量：单位时间每千克体重所能摄取和利用的氧气水平，反映有氧运动能力有氧/无氧训练效果：综合前两点来考量身体机能（氧气利用效率，疲劳恢复）有无提升
睡眠模式
大部分都能检测出真正睡着的时间，有些品牌能根据睡眠深度再将睡眠分为几个阶段
华为可以监控睡眠中的呼吸情况
而在上述功能中，以及表中红框功能（占到了所有功能近一半）都离不开智能手表中的一枚小小传感器！那就是运动传感器 —— 三轴/六轴运动传感器，甚至是九轴运动传感器！！
二、三种类型的运动传感器简介
2.1 加速传感器
加速传感器是测量空间中各方向加速度的。它利用一个“重力块”的惯性，传感器在运动的时候，“重力块”会对X、Y、Z方向（前后左右上下）产生压力。
再利用一种压电晶体，把这种压力转换成电信号，随着运动的变化，各方向压力不同，电信号也在变化，从而判断智能穿戴设备的加速方向和速度大小。比如你突然把手表往前推，传感器就知道你是在向前加速了。
图1 加速度传感器
2.2 陀螺仪
陀螺仪是一种用于测量角度以及维持方向的设备，在飞行游戏，体育类游戏和第一视角类射击等游戏中，可以完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果。下图是一个最基础的机械陀螺仪模型，中间金色的转子在整个仪器的运动中，它因为惯性作用不受影响，而周边三个“钢圈”则会因为设备改变姿态而改变，通过这样来检测设备当前的旋转状态。
图2 陀螺仪工作原理
其实，在我们的手机等电子产品中的陀螺仪并不长这个样子。它和加速传感器一样也是一个微电子元件，利用科里奥利力，通过连续震动的振子在旋转系统中的运动偏移，改变电路状态，引起相关电参数的变化，从而可以反映出左右倾斜、前后倾斜和左右摇摆等运动情况。
什么是科里奥利力？
假设在一个逆时针转动的圆盘中央O点有个运动员（O点不动），要把篮球传给站在边缘A点的另一个运动员，当他沿OA直线方向投球后，A点的运动员会发现篮球向右偏转，最终落在A'点。以转动的圆盘为参照系，篮球仿佛受到一股向右的力，从而发生偏移，这个力就称为科里奥利力。
图 3 科里奥利力解析图
2.3. 电子罗盘（地磁传感器、地磁计）
利用加速传感器和陀螺仪，基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动，也会产生累计偏差，不能准确描述运动姿态，比如操控画面发生倾斜。电子罗盘（地磁传感器）利用测量地球磁场，通过绝对指向功能进行修正补偿，可以有效解决累计偏差，
从而修正人体的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。
三、三轴传感器
3.1 三轴陀螺仪
三轴陀螺仪:同时测定 6 个方向的位置，移动轨迹，加速。单轴的只能测量两个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而 3 轴的一个就能替代三个单轴的。
优点：三轴陀螺仪体积小、重量轻、结构简单、可靠性好、更灵敏、更准确。
3.2 三轴加速度计
三轴加速度计是基于加速度的基本原理去实现工作的，加速度是个空间矢量，一方面，要准确了解物体的运动状态，必须测得其三个坐标轴上的分量;另一方面，在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。
由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的，因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负 90 度或双轴 0 - 360 度的倾角，通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为 60 度的情况。
优点：三轴加速度传感器的好处就是在预先不知道物体运动方向的场合下，只有应用三维加速度传感器来检测加速度信号。三维加速度传感器具有体积小和重量轻特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。
3.3 三轴地磁计
三轴地磁计，又称电子罗盘，在无人机、智能手表、导航设备中广泛普及和应用。针对需要侦测物体运动变化情况，三轴磁传感器承载着至关重要的绝对指向作用，为稳定飞行、辅助导航等多样化功能保驾护航。
也正如此，三轴磁传感器的可靠性是这些装置稳定运作的基石。
四、六轴传感器
4.1 六轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计；六轴传感器将陀螺仪以及加速度计同时包含在内，同时兼具两者的功能，有效减少布板空间
在这就不得不提到 TDK Invensense 的六轴运动传感器啦！在智能穿戴类应用中，其以高集成度、高性能的特点，能极大简化硬件设计中难题！
TDK InvenSense ICM-40608
TDK 推出的 ICM-40608 加速度传感器是 6 轴 MEMS MotionTracking™ 器件，具有增强的 EIS 支持和传感器融合处理能力，结合了 3 轴陀螺仪、3 轴加速度计和 Digital Motion Processor™ (DMP)。该器件支持 Android Lollipop，设有 512 字节的FIFO、运行时校准以及增强 FSYNC 功能，可改善 EIS 等应用的时序。该 IC 还具备了高速 I2C 和高达 7MHz 的 SPI 接口，可与器件的所有寄存器进行通信。ICM-40608 器件不需要昂贵而复杂的分立器件选择、鉴定和系统级集成，就保证用户的最佳运动性能，非常适用于智能穿戴、智能手机、平板电脑、动态游戏控制、三位遥控器、柱子电视和机顶盒、3D 鼠标和一般物联网应用。
主要特性：
如下图所示是 ICM-40608 与同 TDK 其他产品、还有其它品牌产品之间的比较，包括 Bosch 和 ST。无论是从灵敏度、噪音还是尺寸等各方面，ICM-40608 在智能手表的应用上都有很大的优势。
五、九轴传感器
九轴传感器通常指的是三轴陀螺仪+三轴加速度计+三轴地磁计，也有六轴加速度传感器+三轴陀螺仪的，也有六轴陀螺仪+三轴加速度计的。
所谓九轴传感器，其实三种传感器的组合：3 轴加速传感器、3 轴陀螺仪和3 轴电子罗盘（地磁传感器）。三个部分作用不同，相互配合，是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件，应用于各类软件、游戏中的交互控制。
九轴传感器作为集成化传感器模块，减少了电路板和整体空间，更适合用在轻巧便携的电子设备和可穿戴产品中。集成化传感器的数据准确度除了器件本身的精度外，还涉及到焊接装配后的矫正，以及针对不同应用的配套算法。
合适的算法可以将来自多种传感器的数据融合，弥补了单个传感器在计算准确的位置和方向时的不足，从而实现高精度的运动检测。
六、参考资料
- 《 传感技术专栏 - 传感器介绍 》 —— 电子发烧友
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