Android开发者指南-运动传感器Motion Sensor

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,加速计会返回三维座标轴上的加速度数据,陀螺仪会返回三维座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。
感器 传感器事件数据 说明 测量单位
SensorEvent.values[0]
沿 x 轴的加速度(包括重力)。
m/s2
SensorEvent.values[1]
沿 y 轴的加速度(包括重力)。
SensorEvent.values[2]
沿 z 轴的加速度(包括重力)。
SensorEvent.values[0]
沿 x 轴的重力加速度。
m/s2
SensorEvent.values[1]
沿 y 轴的重力加速度。
SensorEvent.values[2]
沿 z 轴的重力加速度。
SensorEvent.values[0]
围绕 x 轴的旋转角速度。
rad/s
SensorEvent.values[1]
围绕 y 轴的旋转角速度。
SensorEvent.values[2]
围绕 z 轴的旋转角速度。
SensorEvent.values[0]]
沿 x 轴的加速度(不包括重力)。
m/s2
SensorEvent.values[1]
沿 y 轴的加速度(不包括重力)。
SensorEvent.values[2]
沿 z 轴的加速度(不包括重力)。
SensorEvent.values[0]]
旋转向量沿 x 轴的部分(x * sin(θ/2))。
无无
SensorEvent.values[1]
旋转向量沿 y 轴的部分(y * sin(θ/2))。
SensorEvent.values[2]]
旋转向量沿 z 轴的部分(z * sin(θ/2))。
SensorEvent.values[3]]
旋转向量的数值部分((cos(θ/2))1。
1 数值部分是可选的。
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(Ad)。
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];
}

注意: 你可以使用很多技术来过滤传感器数据。 以上例程只是使用了过滤器常量(alpha)来创建一个低通滤波器。 这个过滤器常量是由时间常量(t)和传感器事件报送频率(dt)推导出来的,t 大致等于过滤器触发传感器事件的间隔时间。 为了演示,此例程使用 0.8 作为 alpha 的值。如果你要用这个过滤方法,你可能需选用其它的 alpha 值。 
加速计使用了标准的传感器 座标系 。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),座标系也相同。
注意: 当设备静止时,重力传感器的输出应该与加速度计相同。
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 座标系 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座标值,。
    
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,可以获得座标值,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,需要把围绕座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,我们要把围绕座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,表示延着三个座标轴方向的加速度,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,再来读取三个座标轴的偏差值。 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 座标系 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,由角度和座标轴信息组成,包含了设备围绕座标轴(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。座标参照系定义为直接正交基(参见图 1)。 这个座标系具有以下特点:
  • 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 )。
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