Android Sensor概述

Sensor就是傳感器，提供高精度的原始數據，比如操作系統，手勢，傾斜等動作就是利用重力傳感器的數據來判斷；磁力傳感器和加速度傳感器可以計算出方位。
本篇文章側重於學習基本的知識，包括sensor的功能，使用場景，工作原理，輸出數據含義。

Sensor分類

• Motion Sensors：測量三軸的加速度和旋轉
  • accelerometers
  • gravity(g-sensor)
  • gyroscopes（陀螺儀）
  • ratational vector
• Environment Sensors：測量環境參數
  • temperature
  • pressure
  • light
  • humidity（溼度）
• Position Sensors：測量物理位置
  • proximity（距離）
  • orientation（方向）
  • magnetometers（磁力）

Sensor axes

Mobile device axes

Automative axes

Motion Sensor

Motion Sensor是判斷物體姿態和物體移動的傳感器，其應用也很廣泛：

• 車輛姿態
• 無人機
• 穿戴設備
• 手機重力感應

accelerometers/gravity

如下圖是Android對傳感器數值的定義，其單位是m/s²。這裏要注意accelerometer的值是包含了gravity的值，比如手機水平向上放置，其z軸的數值就是gravity的值（約等於9.81m/s²）


線性加速度可以表示除掉gravity影響的accelerometer。

For example：

public void onSensorChanged(SensorEvent event){
    // In this example, alpha is calculated as t / (t + dT),
    // where t is the low-pass filter's time-constant and
    // dT is the event delivery rate.

    final float alpha = 0.8;

    // Isolate the force of gravity with the low-pass filter.
    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];

    // Remove the gravity contribution with the high-pass filter.
    linear_acceleration[0] = event.values[0] - gravity[0];
    linear_acceleration[1] = event.values[1] - gravity[1];
    linear_acceleration[2] = event.values[2] - gravity[2];
}

accelerometer和gravity芯片內部的工作原理可以看：MEMS加速度計陀螺儀磁力計的工作原理

如下圖所示：

• 紅色的部分是可移動的。

• 有加速度的時候的，放大如圖2，C1和C2兩側的電壓會產生微小的變化，電壓值可以反應加速度。
  
  
  加速度計會輸出三個軸的加速度，測量的加速度包括物理加速度（速度變化）和重力加速度。所有值均採用國際單位制單位 (m/s^2)，測量結果爲設備加速度減去沿 3 個傳感器座標軸的重力加速度。

• 自由落體時，(x, y, z) 的範數應接近於 0。

• 當設備平放在桌子上並從其左側向右推動時，x 軸加速度值爲正。

• 當設備平放在桌子上時，z 軸上的加速度值爲 +9.81，相當於設備的加速度 (0 m/s^2) 減去重力加速度 (-9.81 m/s^2)。

• 當設備平放在桌子上並向上擡起時，加速度值大於 +9.81，相當於設備的加速度 (+A m/s^2) 減去重力加速度 (-9.81 m/s^2)。

重力加速度和加速度計的聯繫與區別：

• 座標系相同
• 設備水平靜止的時候，數值相同
• 加速度主要測試運動方向上速度的變化，重力傳感器主要測試設備和地球水平面的差異

gyroscope

gyroscope的單位是rad/s，繞軸順時針旋轉的方向是正值，逆時針旋轉的方向是負值。

For example：下面的代碼表示通過陀螺儀的值，計算物體旋轉角度。

private static final float NS2S = 1.0f / 1000000000.0f;
private float timestamp;

public void onSensorChanged(SensorEvent event)
{
    if (timestamp != 0)
    {
        // event.timesamp表示當前的時間，單位是納秒（1百萬分之一毫秒）
        final float dT = (event.timestamp - timestamp) * NS2S;
        angle[0] += event.values[0] * dT;
        angle[1] += event.values[1] * dT;
        angle[2] += event.values[2] * dT;
    }
    timestamp = event.timestamp;
}

工作原理是利用了科里奧利力：

• 假設圓盤不動，從A往B點方向扔一個小球，會落在B點，其軌跡也是一條直線
• 假設圓盤逆時針旋轉，角速度爲w，從A往B方向扔一個小球，從A的角度來看，還是落在B（實際是B’），但實際的B點已經偏移，而且A的運動軌跡是一條曲線AB’
  從B的角度來看，A是受到了側向的力，這個力就是科里奧利力。
  根據這個力，我們可以得到角速度。rad/s。
  
  芯片內部工作原理：
• 如左圖，沒有旋轉的時候，諧振器是水平方向高速振動。
• 如右圖，有旋轉的時候，垂直方向會檢測到科里奧利力加速度。
  

Position Sensor

magnetometers

磁力傳感器應用也很廣泛：

• 汽車ABS
• 里程錶
• 指南針
• 金屬探測

磁力傳感器是利用霍爾效應去測試磁場強度的。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直於電子運動方向上的作用力（洛倫茲力），從而在垂直於導體和磁感線的方向上產生電勢差。

磁場也是輸出3個方向的數值，單位是微特斯拉(uT)

proximity

距離傳感器，透過紅外線LED燈發射紅外線，被物體反射後由紅外線探測器接受，藉此判斷接收到紅外線的強度來判斷距離，有效距離大約在10米左右。它可感知手機是否被貼在耳朵上講電話，若是則會關閉屏幕來省電;距離傳感器也可以運用在部分手機支持的手套模式中，用來解鎖或鎖定手機。

Environment Sensor

環境傳感器主要是檢測環境的傳感器，Android支持包括溫度（環境溫度，設備溫度）光，壓力，溼度等傳感器。

light

• 功能：控制屏幕亮度
• 原理：光敏三極管，接收外界光線時，會產生強弱不等的電流，從而感知環境光亮度。
• 單位：環境光的單位是lx

barometer/pressure

• 功能：測量壓力
• 原理：薄膜與變阻器或電容連接起來，氣壓變化導致電阻或電容的數值發生變化，從而獲得氣壓值。
• 單位：hPa

temperature

• 功能：測量溫度
• 原理：熱敏電阻
• 單位：攝氏度
  • TYPE_AMBIENT_TEMPERATURE：表示環境溫度
  • TYPE_TEMPERATURE：表示設備溼度