加速计和陀螺仪

柔情只为你懂 2024-04-17 22:23 72阅读 0赞

### 前言 ###

最近因为工作需要对加速计和陀螺仪进行学习和了解，过程中有所收获。

### 正文 ###

一、加速计

iPhone在静止时会受到地球引力，以屏幕中心为坐标原点，建立一个三维坐标系（如右图），此时iPhone收到的地球引力会分布到三个轴上。  
iOS开发者可以通过CoreMotion框架获取分布到三个轴的值。如果iPhone是如图放置，则分布情况为`x=0,y=-1.0,z=0`。  
在CoreMotion中地球引力（重力）的表示为1.0。

> 手机如果屏幕朝上的放在水平桌面上，此时的(x，y，z）分布是什么？

![format_png][]

上面答案是(0，0， -1.0）；

**如何检测手机的运动？**  
CoreMotion框架中有CMDeviceMotion类，其中的gravity属性用来描述前面介绍的重力；另外的userAcceleration是用来描述手机的运动。  
当手机不动时，userAcceleration的(x, y, z)为(0, 0, 0)；  
当手机运动，比如在屏幕水平朝上的自由落体时，检测到的(x, y, z)将为(0, 0, 1);  
当手机屏幕水平朝上，往屏幕左边以9.8m/s2的加速度运动时，检测到的(x, y, z)将为(1, 0, 0)；

> 1、gravity是固定不变，因为地球引力的不变；但是xyz的分布会变化，收到手机朝向的影响；  
> 2、userAcceleration是手机的运动相关属性，但是检测到的值为运动加速度相反的方向；  
> 3、一种理解加速计的方式：在水平的路上有一辆车，车上有一个人；当车加速向右运动时，人会向左倾斜；此时可以人不需要知道外面的环境如何，根据事先在车里建立好的方向坐标系，可以知道车在向右加速运动。

二、加速计的简单应用

**图片悬浮**  
手机旋转，但是图片始终保持水平。

**实现流程**  
1、加载图片，创建CMMotionManager；  
2、监听地球重力的变化，根据x和y轴的重力变化计算出来手机与水平面的夹角；  
3、将图片逆着旋转相同的角度；

> x、y轴和UIKit坐标系相反，原点在屏幕中心，向上为y轴正方向，向右为x轴正方向，屏幕朝外是z轴正方向；  
> 在处理图片旋转角度时需要注意。

三、陀螺仪

如图，建立三维坐标系；  
陀螺仪描述的是iPhone关于x、y、z轴的旋转速率；  
静止时(x, y, z)为(0, 0, 0)；  
当右图手机绕Y轴正方向旋转，速率为每秒180°，则(x, y, z)为(0, 0, 3.14)；

![format_png 1][]

> 陀螺仪和加速计是同样的坐标系，但是新增了旋转的概念，可以用右手法则来辅助记忆；  
> 陀螺仪回调结构体的单位是以弧度为单位，这个**不是加速度而是速率**；

四、CoreMotion的使用

CoreMotion的使用有两种方式 ：

*  1、Push方式：设置间隔，由manager不断回调；

self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
    self.motionManager.deviceMotionUpdateInterval = 0.2;
    [self.motionManager startDeviceMotionUpdatesToQueue:[NSOperationQueue mainQueue]
                                                    withHandler:^(CMDeviceMotion * _Nullable motion, NSError * _Nullable error) {
    
    }];

*  2、Pull方式：启动监听，自定义定时器，不断读取manager的值；

self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
    self.motionManager.deviceMotionUpdateInterval = 0.2;
    [self.motionManager startDeviceMotionUpdates];
    // self.motionManager.deviceMotion 后续通过这个属性可以直接读取结果

iOS系统在监听到运动信息的时候，需要把信息回调给开发者，方式就有push和pull两种；  
push 是系统在规定的时间间隔，不断的回调；  
pull 是由开发则自己去读取结果值，但同样需要设定一个更新频率；  
两种方式的本质并无太大区别，都需要设置回调间隔，只是读取方式的不同；  
在不使用之后（比如说切后台）要关闭更新，这是非常耗电量的操作。

五、demo实践

基于加速计，做了一个小游戏，逻辑不复杂详见[具体代码][Link 1]，分享几个处理逻辑：

*  1、圆球的边界处理；（以球和右边界的碰撞为例）

if (self.ballView.right > self.gameContainerView.width) {
            self.ballView.right = self.gameContainerView.width;
            self.ballSpeedX /= -1;
        }

*  2、圆球是否触碰目标的检测；

- (BOOL)checkTarget {
        CGFloat disX = (self.ballView.centerX - self.targetView.centerX);
        CGFloat disY = (self.ballView.centerY - self.targetView.centerY);
        return sqrt(disX * disX + disY * disY) <= (kConstBallLength / 2 + kConstTargetLength / 2);
    }

*  3、速度的平滑处理；

static CGFloat lySlowLowPassFilter(NSTimeInterval elapsed,
                                GLfloat target,
                                GLfloat current) {
        return current + (4.0 * elapsed * (target - current));
    }

### 总结 ###

加速计和陀螺仪的原理复杂但使用简单，实际应用也比较广。  
之前就用过加速计和陀螺仪，但是没有系统的学习过。在完整的学习一遍之后，我才知道原来加速计的单位是以重力加速度(9.8 m/s2)为标准单位，陀螺仪的数据仅仅是速率，单位是弧度每秒。  
上面的小游戏代码地址在[Github][Link 1]。

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDQ5NzY5LTE0NDgwOGI0YmViMmZkMGEucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXB8aW1hZ2VWaWV3Mi8yL3cvMzQ1L2Zvcm1hdC93ZWJw?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDQ5NzY5LTNjMmZkY2M5ODMxMjM0NTEucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXB8aW1hZ2VWaWV3Mi8yL3cvNDUyL2Zvcm1hdC93ZWJw?x-oss-process=image/format,png
[Link 1]: https://github.com/loyinglin/LearnCoreMotion/tree/master/Demo02_%E5%B0%8F%E6%B8%B8%E6%88%8F