android Motion Sensors 传感器 陀螺仪_android 显示设备姿态demo

Android 平台支持很多监测设备运动的传感器。其中有两个传感器一定是基于硬件的（加速度计和陀螺仪），有三个可能基于硬件或软件（重力计、线性加速计和旋转向量传感器）。 比如，某些设备的软传感器利用加速度计和磁力计来报送数据，而其它一些设备可能用陀螺仪来报送数据。 大部分 Android 平台的设备都带有加速计，有很多现在还带有陀螺仪。软传感器的可用性变数更大一些，因为它们常常依靠一个以上硬件传感器来报送数据。

运动传感器对于监测设备的移动非常有用，诸如倾斜、震动、旋转、摇摆等。 这些动作通常是直观反映了用户的输入（比如用户在游戏中操纵汽车或者运球），但也可能反映了设备所处的物理环境变化（比如你在开车，设备也随着移动）。 在第一种场合中，你监测的运动是以设备或应用为参照系；而在第二种场合，运动是以地球为参照系的。 一般情况下，运动传感器不是用来监测设备的方位的，但它们可以与其他传感器合作使用，比如地磁传感器，用于检测设备的在地球参照系中的方位（详见 方位传感器）

所有的运动传感器都会在 SensorEvent 中 返回用多维数组表示的传感数据。例如，在一个传感器事件中，加速计会返回三维坐标轴上的加速度数据，陀螺仪会返回三维坐标轴上的旋转速率数据。 这些数据以 float 数组的方式在参数中返回。表 1 列出了 Android 平台支持的所有运动传感器：

表 1.. Android 平台支持的运动传感器。

检测和监视运动最常用的就是旋转向量传感器和重力传感器。 旋转向量传感器尤为强大，在有关运动的任务中用途十分广泛，诸如检测手势、监测角度变化、监测相对方位的变化。 比如，如果你正在开发游戏、增强现实（Augmented Reality）应用、二维或三维罗盘、相机防抖应用，那么旋转向量传感器将十分有用。 在大多数场合，使用这两个传感器要比加速度计、磁力传感器和方向传感器更加合适。

Android 开源项目传感器

Android 开源项目（AOSP）提供了三种基于软件的运动传感器：重力传感器、线性加速度传感器和旋转向量传感器。 Android 4.0 中对这三种传感器进行了升级，目前利用陀螺仪（除了其它传感器）来增加稳定性和提高性能。 如果你想试试这些传感器，你可以用 getVendor() 和 getVersion() 方法来识别它们（制造商 vendor 为 Google 公司）；版本号为3）。 因为 Android 系统把这三种传感器视为备选传感器，所以必须用 vendor 和版本号来识别它们。 比如，如果设备制造商已经提供了重力传感器，则 AOSP 重力传感器会显示为备选传感器。 这三个传感器都依赖于陀螺仪：如果设备未提供陀螺仪，则它们都不会显示出来，也无法使用。

使用加速度计

加速度传感器测量设备的加速度，包括重力加速度。以下代码展示了如何获取缺省的加速度传感器的一个实例：

private SensorManager mSensorManager;
private Sensor mSensor;
  ...
mSensorManager = (SensorManager) getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);

从概念上说，加速度传感器通过测量施于传感器上的作用力，并按以下关系来检测设备的加速度(A_d)。

Ad = - ∑Fs / mass

然而，重力总是会按以下关系影响测量的精度。

Ad = -g - ∑F / mass

因此，如果设备是平放在桌子上的（没有加速度），加速度计会读到g = 9.81 m/s²。 同理，设备在自由落体或以 9.81 m/s² 的加速度坠向地面时，加速度计会读到 g = 0 m/s²。 因此，要测出设备真实的加速度，必须排除加速计数据中的重力干扰。这可以通过高通滤波器来实现。 反之，低通滤波器则可以用于分离出重力加速度值。以下例程展示了它们的用法：

public void onSensorChanged(SensorEvent event){
  // 在本例中，alpha 由 t / (t + dT)计算得来，
  // 其中 t 是低通滤波器的时间常数，dT 是事件报送频率

  final float alpha = 0.8;

  // 用低通滤波器分离出重力加速度
  gravity[0] = alpha * gravity[0] + (1 - alpha) * event.values[0];
  gravity[1] = alpha * gravity[1] + (1 - alpha) * event.values[1];
  gravity[2] = alpha * gravity[2] + (1 - alpha) * event.values[2];

  // 用高通滤波器剔除重力干扰
  linear_acceleration[0] = event.values[0] - gravity[0];
  linear_acceleration[1] = event.values[1] - gravity[1];
  linear_acceleration[2] = event.values[2] - gravity[2];
}

加速计使用了标准的传感器 坐标系 。这意味着，设备以原始方位平放在桌子上时，会发生以下状况：

• 如果你从左侧平推设备（它向右移），则 x 方向加速度为正值。
• 如果你从下侧平推设备（它向前移），则 y 方向加速度为正值。
• 如果以 A m/s²的加速度向空中移动设备，则 z 方向加速度等于 A + 9.81，即设备加速度（+A m/s²）减去重力加速度（-9.81 m/s²）。
• 静止设备的加速度值为 +9.81，即设备加速度（0 m/s²）减去重力加速度（-9.81 m/s²）。

一般情况下，加速度计已足够应付对设备移动情况的监测。几乎所有 Android 平台的手持和桌面终端都带有加速度计，它的能耗比其它运动传感器要少10倍。 不过它有一个缺点，就是你不得不实现低通和高通滤波器，以消除重力影响并减少噪声数据。

Android SDK 给出了一个应用示例，展示了加速度传感器的使用方法（ Accelerometer Play ）。

使用重力传感器

重力传感器能以三维向量的方式提供重力方向和数量值。以下代码展示了如何获取缺省的重力传感器的一个实例：

private SensorManager mSensorManager;
private Sensor mSensor;
...
mSensorManager = (SensorManager) getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_GRAVITY);

单位与加速度传感器的一样（m/s²），坐标系也相同。

使用陀螺仪

陀螺仪测量设备围绕 x、y、z 轴旋转的速率，单位是 rad/s。以下代码展示了如何获取缺省的陀螺仪的一个实例：

private SensorManager mSensorManager;
private Sensor mSensor;
...
mSensorManager = (SensorManager) getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_GYROSCOPE);

陀螺仪的 坐标系 与加速度传感器的相同。逆时针方向旋转用正值表示，也就是说，从 x、y、z 轴的正向位置观看处于原始方位的设备，如果设备逆时针旋转，将会收到正值。 这是标准的数学意义上的正向旋转定义，而与方向传感器定义的转动不同。

通常，陀螺仪的输出反映了转动时的角度变化速率。例如：

// 创建常量，把纳秒转换为秒。
private static final float NS2S = 1.0f / 1000000000.0f;
private final float[] deltaRotationVector = new float[4]();
private float timestamp;

public void onSensorChanged(SensorEvent event) {
  // 根据陀螺仪采样数据计算出此次时间间隔的偏移量后，它将与当前旋转向量相乘。
  if (timestamp != 0) {
    final float dT = (event.timestamp - timestamp) * NS2S;
    // 未规格化的旋转向量坐标值，。
    float axisX = event.values[0];
    float axisY = event.values[1];
    float axisZ = event.values[2];

    // 计算角速度
    float omegaMagnitude = sqrt(axisX*axisX + axisY*axisY + axisZ*axisZ);

    // 如果旋转向量偏移值足够大，可以获得坐标值，则规格化旋转向量
    // (也就是说，EPSILON 为计算偏移量的起步值。小于该值的偏移视为误差，不予计算。)
    if (omegaMagnitude > EPSILON) {
      axisX /= omegaMagnitude;
      axisY /= omegaMagnitude;
      axisZ /= omegaMagnitude;
    }

    // 为了得到此次取样间隔的旋转偏移量，需要把围绕坐标轴旋转的角速度与时间间隔合并表示。
    // 在转换为旋转矩阵之前，我们要把围绕坐标轴旋转的角度表示为四元组。
  float thetaOverTwo = omegaMagnitude * dT / 2.0f;
    float sinThetaOverTwo = sin(thetaOverTwo);
    float cosThetaOverTwo = cos(thetaOverTwo);
    deltaRotationVector[0] = sinThetaOverTwo * axisX;
    deltaRotationVector[1] = sinThetaOverTwo * axisY;
    deltaRotationVector[2] = sinThetaOverTwo * axisZ;
    deltaRotationVector[3] = cosThetaOverTwo;
  }
  timestamp = event.timestamp;
  float[] deltaRotationMatrix = new float[9];
  SensorManager.getRotationMatrixFromVector(deltaRotationMatrix, deltaRotationVector);
    // 为了得到旋转后的向量，用户代码应该把我们计算出来的偏移量与当前向量叠加。
    // rotationCurrent = rotationCurrent * deltaRotationMatrix;
   }
}
 

标准的陀螺仪能够提供未经过滤的原始旋转数据，或是经过噪声及漂移修正的数据。 实际生活中，陀螺仪的噪声和漂移都会引入误差，这是需要补偿的。 通常你要利用其它传感器来确定漂移和噪声值，比如重力传感器或加速计。

使用线性加速计

线性加速度传感器能向你提供一个三维向量，表示延着三个坐标轴方向的加速度，但不包括重力加速度。 以下代码展示了如何获取缺省的线性加速度传感器的一个实例：

private SensorManager mSensorManager;
private Sensor mSensor;
...
mSensorManager = (SensorManager) getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_LINEAR_ACCELERATION);

理论上说，这个传感器基于以下公式给出加速度数据：

线性加速度 = 加速度 - 重力加速度

这个传感器的典型应用是获取去除了重力干扰的加速度数据。比如，你可以用这个传感器来获取汽车加速度。 线性加速度传感器总是会有些偏差，你需要把这个偏差值抵消掉。最简单的消除方式就是在你的应用中增加一个校准的环节。 在校准过程中，你可以要求用户先把设备放在桌子上，再来读取三个坐标轴的偏差值。 然后你就可以从传感器的读数中减去这个偏差值，以获取真实的线性加速度。

传感器 坐标系 与加速度传感器使用的相同，单位也一样(m/s²)。

使用旋转向量传感器

旋转向量代表了设备的方位，由角度和坐标轴信息组成，包含了设备围绕坐标轴（x、y、z）旋转的角度θ。 以下代码展示了如何获取缺省的旋转向量传感器的一个实例：

private SensorManager mSensorManager;
private Sensor mSensor;
...
mSensorManager = (SensorManager) getSystemService(Context.SENSOR_SERVICE);
mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ROTATION_VECTOR);

旋转向量的三个元素用以下方式表示：

x*sin(θ/2) y*sin(θ/2) z*sin(θ/2)

旋转向量的大小等于 sin(θ/2)，方向等于旋转轴的方向。

旋转向量的三个元素等于四元组的后三个部分（cos(θ/2)、x*sin(θ/2)、y*sin(θ/2)、z*sin(θ/2)），没有单位。 x、y、z 轴的定义与加速度传感器的相同。坐标参照系定义为直接正交基（参见图 1）。 这个坐标系具有以下特点：

• X 定义为向量积 Y x Z。它是以设备当前位置为切点的地球切线，方向朝东。
• Y 是以设备当前位置为切点的地球切线，指向地磁北极。
• Z 与地平面垂直，指向天空。

Android SDK 提供了一个示例应用，展示了旋转向量传感器的使用方法。 示例应用在 API Demos 中（ OS - RotationVectorDemo ）。