如何在 iOS 5 中使用 CMDeviceMotion 获取设备的标题

Posted 2023-04-14

【中文标题】如何在 iOS 5 中使用 CMDeviceMotion 获取设备的标题

【英文标题】：how can i get the heading of the device with CMDeviceMotion in iOS 5

【发布时间】：2012-03-09 14:50:45

【问题描述】：

我正在使用陀螺仪开发 AR 应用。我使用了一个苹果代码示例公园。它使用旋转矩阵来计算坐标的位置，它做得很好，但现在我正在尝试实现一个“雷达”，我需要根据设备航向来旋转它。我正在使用 CLLocationManager 标题，但它不正确。

问题是，如何使用 CMAttitude 获取设备的航向以准确反映我在屏幕上看到的内容？？

我是旋转矩阵之类的新手。

这是用于计算 AR 坐标的代码的一部分。用姿态更新 cameraTransform：

CMDeviceMotion *d = motionManager.deviceMotion;
if (d != nil) 
    CMRotationMatrix r = d.attitude.rotationMatrix;
    transformFromCMRotationMatrix(cameraTransform, &r);
[self setNeedsDisplay];

然后在drawRect代码中：

mat4f_t projectionCameraTransform;
multiplyMatrixAndMatrix(projectionCameraTransform, projectionTransform, cameraTransform);

int i = 0;
for (PlaceOfInterest *poi in [placesOfInterest objectEnumerator]) 
    vec4f_t v;
    multiplyMatrixAndVector(v, projectionCameraTransform, placesOfInterestCoordinates[i]);

    float x = (v[0] / v[3] + 1.0f) * 0.5f;
    float y = (v[1] / v[3] + 1.0f) * 0.5f;

我还使用俯仰角旋转视图。 运动更新使用北开始：

[motionManager startDeviceMotionUpdatesUsingReferenceFrame:CMAttitudeReferenceFrameXTrueNorthZVertical];

所以我认为必须有可能在任何位置（任何俯仰和偏航......）获得设备的“滚动”/航向，但我不知道如何。

【问题讨论】：

我似乎找不到方法 multiplyMatrixAndVector。你能告诉我是这里吗？

该代码在苹果的公园代码中。您可以在许多其他库中找到它很常见。

【参考方案1】：

有几种方法可以根据 CMDeviceMotion 返回的旋转矩阵计算航向。这假设您使用 Apple 指南针的相同定义，其中指向正北的 +y 方向（iPhone 顶部）返回航向 0，向右旋转 iPhone 会增加航向，因此东为 90，南为 180 ，等等。

首先，当您开始更新时，请务必检查以确保标题可用：

if (([CMMotionManager availableAttitudeReferenceFrames] & CMAttitudeReferenceFrameXTrueNorthZVertical) != 0) 
   ...

接下来，当您启动运动管理器时，询问姿态作为从 X 指向真北（或磁北，如果出于某种原因需要）的旋转：

[motionManager startDeviceMotionUpdatesUsingReferenceFrame: CMAttitudeReferenceFrameXTrueNorthZVertical
                                                   toQueue: self.motionQueue
                                               withHandler: dmHandler];

当运动管理器报告运动更新时，您想了解设备在 X-Y 平面中旋转了多少。由于我们对 iPhone 的顶部感兴趣，因此我们将在该方向上选择一个点并使用返回的旋转矩阵对其进行旋转以获得旋转后的点：

   [m11 m12 m13] [0]   [m12]
   [m21 m22 m23] [1] = [m22]
   [m31 m32 m33] [0]   [m32]

时髦的括号是矩阵；这是我能用 ASCII 做的最好的事情。 :)

航向是旋转点与真北之间的角度。我们可以使用旋转点的 X 和 Y 坐标来提取反正切，它给出了该点与 X 轴之间的角度。这实际上与我们想要的相差 180 度，因此我们必须进行相应的调整。生成的代码如下所示：

CMDeviceMotionHandler dmHandler = ^(CMDeviceMotion *aMotion, NSError *error) 
    // Check for an error.
    if (error) 
        // Add error handling here.
     else 
        // Get the rotation matrix.
        CMAttitude *attitude = self.motionManager.deviceMotion.attitude;
        CMRotationMatrix rm = attitude.rotationMatrix;

        // Get the heading.
        double heading = PI + atan2(rm.m22, rm.m12);
        heading = heading*180/PI;
        printf("Heading: %5.0f\n", heading);
    
;

有一个问题：如果 iPhone 的顶部是笔直向上或笔直向下，则方向是不确定的。结果是 m21 和 m22 为零，或非常接近。您需要确定这对您的应用程序意味着什么并相应地处理条件。例如，当 m12*m12 + m22*m22 接近于零时，您可能会切换到基于 -Z 轴（在 iPhone 后面）的航向。

---

这一切都假设您想要绕 X-Y 平面旋转，就像 Apple 通常为他们的指南针所做的那样。它之所以有效，是因为您正在使用运动管理器返回的旋转矩阵来旋转指向 Y 轴的向量，即这个矩阵：

[0]
[1]
[0]

要旋转一个不同的向量——比如说，一个指向 -Z 的向量——使用不同的矩阵，比如

[0]
[0]
[-1]

当然，你还必须在不同平面上取反正切，所以不是

double heading = PI + atan2(rm.m22, rm.m12);

你会使用

double heading = PI + atan2(-rm.m33, -rm.m13);

获得在 X-Z 平面上的旋转。

【讨论】：

能否请您更清楚地说明如何使用矩阵（您所说的带有时髦括号的矩阵）以及如何根据 Z 轴切换到航向？我希望该应用程序适用于所有 iPhone 位置。提前致谢。

旋转管理器正在返回一个旋转矩阵。代码使用该旋转矩阵来旋转指向 Y 轴的向量，然后查看所得向量在 X-Y 平面中的方向。

uhm...为什么要使用 atan2(rm.m32, rm.m12) 来获得 X-Z 平面的旋转？不应该是 atan2(-rm.m33, -rm.m13) 吗？

@roberto.buratti：是的，你是对的。感谢您指出了这一点;我进行了编辑。

@roberto：你能找出当设备“面朝下”时使用哪个正确的公式吗？我真的很感激。