九轴传感器的原理及应用解析

九轴传感器、九轴体感追踪、感测芯片。越来越多的VR在都在宣传“九轴传感器”的概念，这似乎成了VR硬件的新标准。到底什么是九轴传感器？如何发挥作用呢？

什么是九轴传感器

传感器（sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将信息按一定规律转换成电信号，进行传输、处理、存储、显示、记录等。传感器的类型有很多，如声音传感器（常见的声控灯）、温度传感器（电水壶）等等，被广泛应用在各类电子产品中。

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。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，从而判断手机的加速方向和速度大小。比如你突然把手机往前推，传感器就知道你是在向前加速了。

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。

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。

电子罗盘（地磁传感器）

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。

传感器需配合算法程序

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。

九轴传感器在VR中的应用

九轴传感器已经被应用于多哚H1等高端手机VR产品中，区别于市面上几十元的Carboard类玩具版VR，拥有自带传感器并实时采样，并利用复杂的融合运算提高精度减小误差，极大提高了VR的体验效果，尤其在体感交互、游戏等方面优势更加突出。如今，传感器作为手机VR的门槛，已经成为消费者购买VR产品的重要选择标准。

浅析：智能设备 3轴、6轴、9轴等多轴传感器的区别

一、前言

关注智能穿戴产品的朋友们，有时候可能会遇到这样的产品介绍：

厂家：“我们的产品升级了，新款从以前的3轴传感器升级到6轴传感器，监测精度提升。”这里面提到的“传感器”究竟是什么东西呢？所谓的几轴又是怎么回事呢？

本文接下来，以3轴传感器作为基础，轴数大于3轴的传感器统称为多轴传感器，展开讲解。

二、传感器

传感器（SENSOR）是一种状态监测的装置，它能感受到被测量的信息，并能将信息按一定规律转换成电信号，进行传输、处理，进而在设备中存储、显示、记录等。常见的传感器类型有很多，比如：小区楼道里使用的声控灯（声音传感器）、电水壶烧开后自动断电（温度传感器）等等，被广泛应用在日常生活的各类产品中。

加速计传感器 示意图

三、三轴传感器

通常来讲，所谓的几轴传感器，一般是泛指：加速度计（ACCELEROMETER）、陀螺仪（GYROSCOPE）、电子罗盘（COMPASS），这三类传感器。

上面提到的三类传感器测量数据方式，类似于中学物理里曾学过的空间中力分解，它们都可以在空间坐标系中分解成为：X、Y、Z三个轴向的数据（区别在于方向不同，有些是沿轴径向，有些是沿轴旋转）。故而，这3类传感器，也可被称为：3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴电子罗盘。这也就是所谓的3轴传感器。

空间单力分解 示意图

三轴传感器 示意图

三个传感器可以测量的数据有所不同，简单来说：

1、加速计

加速计：可以感知任意方向上的加速度，通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（X、Y、Z）。通常在运动表中可用作为计步器功能的传感器使用；同时，对于GPS运动表来说，当进入GPS信号盲区时，加速度传感器可以利用类似于惯性导航的原理，保证提供相对精准的运动配速、并推算距离提升GPS运动表的使用体验。

2、陀螺仪

陀螺仪：通过测量自身的旋转运动状态（角速度），判断出设备当前运动状态（向前、向后、向左、向右、向上、向下），不能判断出设备的方位（东、西、南、北）。 陀螺仪在平板电脑或者手机中可以帮助识别手势动作。

3、电子罗盘

电子罗盘：可以测量出当前设备与东、南、西、北四个方向上的夹角。有时候还会见到，一些设备标注装备了：磁力计（Magnetic、M-Sensor），磁力计作用和电子罗盘差不多，都是利用并测量地球磁场的传感器，磁力计测量数据之后需要自己读数，电子罗盘则进一步把测量后的结果显示出来。

电子罗盘是一种重要的导航工具，它可以对GPS信号进行有效补偿，保证导航的定向信息有效，装载电子罗盘的运动表，即使是在GPS信号丢失时，也能做到

四、多轴传感器

3轴传感器，是多轴传感器的基础。

所谓的多轴传感器：即通过将上面3类传感器两两结合或者是全部整合，可以满足不同使用环境下对监测精度的要求，进而衍生出更多的用途。在命名方法上一般采用“轴数相加”法，即：3轴传感器+3轴传感器=6轴传感器。

1、六轴传感器

6轴传感器 示意图

​6轴传感器：通常由多种3轴传感器组合而成，有2种组合方式，3轴加速度计+3轴陀螺仪；3轴加速度计+3电子罗盘，可以用于体感游戏、智能手机、飞行游戏、赛车游戏、或者监测运动的跑步豆等。

micoach speed cell

​micoach speed cell 就是典型的6轴传感器设备，可以脱离GPS，为运动表提供精准的跑步中配速、距离信息，有ANT+版本和BLE版本，ANT+版本兼容GARMIN腕表，BLE版本兼容POLAR腕表。

micoach speed cell属于库存产品，一般购买只能通过某黄鱼中古交易渠道。因为是库存产品，所以价位非常超值，之前有一波19元库存在售。坦白讲，在如今：高驰POD2售价599元、佳明配速心率带HRM-PRO售价700元、STRYD售价接近2000元的背景下，micoach小几十元的价格，几乎等于白送。这种方法基本上可以算是：佳明表在无GPS模式下，获得精准配速的极限性价比方案。

某鱼 micoach speed cell 甩卖价

​这里要注意： 高驰Pace2虽然具备ANT+传输协议，但是不支持micoach speed cell传输数据，只能购买自家的POD2（价格599元）。

高驰 POD2

​

2、九轴传感器

9轴传感器示意图

​9轴传感器：就是3轴加速度计+3轴陀螺仪+3轴电子罗盘，通过欧拉角加四元数数据融合后的组合，在飞行器上是广泛应用的。

举个例子来说：当日常佩戴装备加速度计、陀螺仪、电子罗盘的智能穿戴设备时，相当于：加速计知道“我们开始运动了（监测运动中加速度）”，陀螺仪知道“我们在何时转了个身（监测运动中角速度）”、磁力计则知道“我们是运动的具体方向（监测运动方位：东南西北）”。

3、十轴传感器

10轴传感器：就是3轴加速度计+3轴陀螺仪+3轴电子罗盘+气压式高度计 （BAROMETRIC ALTIMETER），通过欧拉角加四元数数据融合后的组合。在旗舰级别的运动腕表，或者旗舰级别的智能穿戴设备上很常见。

VIA. 某运动表厂商产品 硬件说明

​日常如果我们佩戴装配10轴传感器的设备，设备则有能力知道“我们身处在多少海拔的位置时”发生了“朝着什么方向、是否开始运动、转身、等一连串的活动”，可以获得更精确的运动记录能力。

五、最后

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