加速计与陀螺仪

Posted 2020-09-25 拙园

 

设备静止时受到的地球引力为1g，1g是物体在地球的海平面上受到的下拉力(9.8米/秒²)。假如设备从高处掉落，其加速计测量到的加速度将为0g。假如设备水平放在桌面上，则加速计测量出的加速度为1g，且方向朝上。

加速计测量3个轴(x、y和z)上的值，如图所示：

这个轴在方向上有些不同于传统坐标轴，考虑以下实际情况：

1g重力的分布情况是：y=-1.0

 

1g重力的分布情况是：x=1.0

 

1g重力的分布情况是：z=-1.0

 

1g重力的分布情况是：x=0.5，y=-0.5

 

1g重力的分布情况是：y=-0.5，z=0.5

 

仅当设备的朝向相对于重力的方向发生变化时，加速计才能检测到；要同时检测设备的朝向和运动数据，就需要用到陀螺仪了。当查询设备的陀螺仪时，它将报告设备绕x, y, z轴的旋转速度，单位为弧度/秒；2弧度相当于一整圈，因此陀螺仪返回读数2表示设备绕相应的轴每秒转一圈。

有两种方式访问设备的朝向和运动数据，一种是通过UIDevice请求朝向通知，另一种是利用框架Core Motion定期地直接访问加速计和陀螺仪数据。

通过UIDevice请求朝向通知

虽然可直接查询加速计并使用它返回的值判断设备的朝向，但Apple为开发人员简化了这项工作。单例UIDevice表示当前设备，它包含方法beginGeneratingDeviceOrientationNotifications，该方法命令ios将朝向通知发送到通知中心(NSNotificationCenter)。启动通知后，就可以注册一个NSNotificationCenter实例，以便设备的朝向发生变化时自动调用指定的方法。

通过访问UIDevice的属性orientation来获得设备当前朝向，该属性的类型为枚举值UIDeviceOrientation，有6个预定义值：

UIDeviceOrientationFaceUp — 设备正面朝上

UIDeviceOrientationFaceDown — 设备正面朝下

UIDeviceOrientationPortrait — 纵向(Home键在下)

UIDeviceOrientationPortraitUpsideDown — 纵向倒转(Home键在上)

UIDeviceOrientationLandscapeLeft — Home键在左边的横向

UIDeviceOrientationLandscapeRight — Home键在右边的横向

- (void)viewDidLoad
{
    [[UIDevice currentDevice] beginGeneratingDeviceOrientationNotifications];

    [[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:selfselector:@selector(orientationChanged:) name:@"UIDeviceOrientationDidChangeNotification"object:nil];

    [super viewDidLoad];
}

- (void)orientationChanged:(NSNotification *)notification
{
　　UIDeviceOrientation orientation = [[UIDevice currentDevice] orientation];
　　NSLog(@"当前朝向枚举数字值：%d",orientation);

　　switch (orientation) {
　　　　case UIDeviceOrientationPortrait:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Portrait";
　　　　　　break;
　　　　case UIDeviceOrientationPortraitUpsideDown:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Portrait Upside Down";
　　　　　　break;
　　　　case UIDeviceOrientationLandscapeLeft:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Landscape Left";
　　　　　　break;
　　　　case UIDeviceOrientationLandscapeRight:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Landscape Right";
　　　　　　break;
　　　　case UIDeviceOrientationFaceUp:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Face Up";
　　　　　　break;
　　　　case UIDeviceOrientationFaceDown:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Face Down";
　　　　　　break;
　　　　default:
　　　　　　self.lblOriention.text = @"Unknown";
　　　　　　break;
    }
}

代码解释：

[[UIDevice currentDevice] beginGeneratingDeviceOrientationNotifications];

beginGeneratingDeviceOrientationNotifications从字面来理解是：开始产生设备朝向通知。实际作用是，通过调用该方法通知设备：如果用户改变了iPhone或iPad的朝向，我们想获悉这一点。

[[NSNotificationCenter defaultCenter] addObserver:selfselector:@selector(orientationChanged:) name:@"UIDeviceOrientationDidChangeNotification"object:nil];

[NSNotificationCenter defaultCenter]调用默认的消息中心，然后向默认的消息中心添加

addObserver — 观察者，即处理通知的类，如果是当前类，则设置为self。

selector — 收到通知后调用何种方法。

name — 通知的名字，上面的"UIDeviceOrientationDidChangeNotification"来自于UIDevice.h：

UIKIT_EXTERNNSString *constUIDeviceOrientationDidChangeNotification;

 

使用Core Motion读取加速计和陀螺仪数据

利用UIDevice只能判断极端朝向，应用程序经常要获悉这些朝向之间的过渡状态，如设备处于某个倾斜位置。Core Motion运动管理器让您能够指定从加速计和陀螺仪那里接收更新的频率(单位为秒)，还让您能够直接指定一个处理程序块(handle block)，每当更新就绪时都将执行该处理程序块。

实际加速度在Core Motion里被分解成了两部分：Gravity和UserAcceleration。Gravity代表重力1g在设备的分布情况，UserAcceleration代表设备运动中的加速度分布情况。将这两者相加就等于实际加速度。Gravity的三个轴所受的重力加起来始终等于1g，而UserAcceleration取决于单位时间内动作的幅度大小。

CMRotationRate的X，Y,Z分别代表三个轴上的旋转速率，单位为弧度/秒。旋转速度为1弧度/秒，意味着设备每秒旋转半圈。这里复习一下弧度与角度的转换：

1角度 = π/180 弧度

1弧度 = 180/π角度

360角度 = 360 * π/180 = 2π弧度 = 一整圈

CMAttitude的三个属性Yaw,Pitch和Roll分别代表左右摆动、俯仰以及滚动。可以将设备想象成一架飞机，下面的gif图演示了各种运动状态：

Yaw的运动状态：

Pitch的运动状态：

Roll的运动状态：

让应用程序使用CMMotionManager需要3个步骤：分配并初始化运动管理器→设置更新频率→使用startDeviceMotionUpdatesToQueue:withHandler请求开始更新并将更新发送给一个处理程序块。

首先需要将框架Core Motion添加到项目中：

下面的代码实现了这样一个界面，通过CMMotionManager返回了设备的各个状态值：

#import "ViewController.h"


@interface ViewController ()

@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblYaw;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblPitch;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblRoll;

@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblAccelerometerX;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblAccelerometerY;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblAccelerometerZ;

@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblGravityX;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblGravityY;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblGravityZ;

@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblRotationRateX;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblRotationRateY;
@property (strong, nonatomic) IBOutlet UILabel *lblRotationRateZ;

@property (strong, nonatomic) CMMotionManager *motionManager;

- (IBAction)motionSwitchHandler:(id)sender;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];

    self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
    self.motionManager.deviceMotionUpdateInterval = 1.0f/10.0f; //1秒10次
}

- (void)controlHardware
{
    [self.motionManager startDeviceMotionUpdatesToQueue:[NSOperationQueue currentQueue] withHandler:^(CMDeviceMotion *motion, NSError *error) {
        //Acceleration
        if(fabs(motion.userAcceleration.x)>1.3f)
            self.lblAccelerometerX.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.userAcceleration.x];
        if(fabs(motion.userAcceleration.y)>1.3f)
            self.lblAccelerometerY.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.userAcceleration.y];
        if(fabs(motion.userAcceleration.z)>1.3f)
            self.lblAccelerometerZ.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.userAcceleration.z];
        //Gravity
        self.lblGravityX.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.gravity.x];
        self.lblGravityY.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.gravity.y];
        self.lblGravityZ.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.gravity.z];
        //yaw,pitch,roll
        self.lblYaw.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.attitude.yaw];
        self.lblPitch.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.attitude.pitch];
        self.lblRoll.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.attitude.roll];
        //Gyroscope\'s rotationRate(CMRotationRate)
        self.lblRotationRateX.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.rotationRate.x];
        self.lblRotationRateY.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.rotationRate.y];
        self.lblRotationRateZ.text = [NSString stringWithFormat:@"%.2f",motion.rotationRate.z];
    }];
}

- (IBAction)motionSwitchHandler:(id)sender
{
    UISwitch *motionSwitch = (UISwitch *)sender;
    if(motionSwitch.on)
    {
        [self controlHardware];
    }
    else
    {
        [self.motionManager stopDeviceMotionUpdates];
    }
}

- (void)didReceiveMemoryWarning
{
    [super didReceiveMemoryWarning];
    // Dispose of any resources that can be recreated.
}
@end

P.s. 只有2010年后的设备支持陀螺仪。要检查设备是否提供了这种支持，可使用CMMotionManager的布尔属性gyroAvailable，如果其值为YES，则表明当前设备支持陀螺仪。