Android设备中实现Orientation Sensor(图)兼谈陀螺仪

设备中的三*度Orientation Sensor就是一个可以识别设备相对于地面，绕x、y、z轴转动角度的感应器(自己的理解，不够严谨)。智能手机，平板电脑有了它，可以实现很多好玩的应用，比如说指南针等。

 

我们可以用一个磁场感应器(magnetic sensor)来实现。

 

磁场感应器是用来测量磁场感应强度的。一个3轴的磁sensor IC可以得到当前环境下X、Y和Z方向上的磁场感应强度，对于Android中间层来说就是读取该感应器测量到的这3个值。当需要时，上报给上层应用程序。磁感应强度的单位是T（特斯拉）或者是Gs（高斯），1T等于10000Gs。

 

先来看看android定义的坐标系，在/hardware/libhardware/include/hardware/sensors.h中有个图。

图中表示设备的正上方是y轴方向，右边是x轴方向，垂直设备屏幕平面向上的是Z轴方向，这个很重要。因为应用程序就是根据这样的定义来写的，所以我们报给应用的数据要跟这个定义符合。还需要清楚磁sensor芯片贴在板上的坐标系。我们从芯片读出数据后要把芯片的坐标系转换为设备的实际坐标系。除非芯片贴在板上刚好跟设备的x、y、z轴方向刚好一致（去感谢你的硬件工程师吧）。

 

Orientation Sensor的实现是根据磁场感应强度的3个值计算出另外3个值。当需要时，我们计算出这3个值上报给应用程序，Orientation Sensor的功能就实现了。

这3个值具体含义和计算方法是：

 

1. azimuth 方位角：就是绕z轴转动的角度，0度=正北,（假设Y轴指向地磁正北方，直升机正前方的方向如下图）

 

90度=正东,

 

180度=正南,

 

270度=正西。

 

求x和y方向的磁感应强度的反正切，就可以得到方位角（算法看后面poll函数中的代码）。要实现指南针，只需要这个就可以了（不考虑设备非水平的情况）；

 

2. pitch 仰俯：绕X轴转动的角度 (-180<=pitch<=180), 如果设备水平放置，前方向下俯就是正，如图：

 

前方向上仰就是负值；

求磁sensor的y和z反正切可得到此角度值。

 

3. roll 滚转：绕Y轴转动(-90<=roll<=90)，向左翻滚是正值

 

向右翻滚是负值；

 

求z和x的反正切可得到此值。

 

 

sensors.h中还定义了其他各种sensor。要实现的就是这两个：

#define SENSOR_TYPE_MAGNETIC_FIELD      2

#define SENSOR_TYPE_ORIENTATION         3

 

在/hardware/sensors/sensors.cpp 中添加对MAGNETIC_FIELD和ORIENTATION 的支持

 

简单的说一下怎样添加,下面的代码不完整，请参考/sdk/emulator/sensors/sensors_qemu.c

 

 

[cpp] view plaincopy

 

1. //加入需要的宏定义  
2. #define  ID_BASE           SENSORS_HANDLE_BASE  
3. #define  ID_ACCELERATION   (ID_BASE+0)  
4. #define  ID_MAGNETIC_FIELD (ID_BASE+1)  
5. #define  ID_ORIENTATION (ID_BASE+2)  
6. #define S_HANDLE_ACCELEROMETER      (1<<ID_ACCELERATION)  
7. #define S_HANDLE_MAGNETIC_FIELD           (1<<ID_MAGNETIC_FIELD)  
8. #define S_HANDLE_ORIENTATION                 (1<<ID_ORIENTATION)  
9. #define SENSORS_NUM 4  
10. #define SUPPORTED_SENSORS  ((1<<NUM_SENSORS)-1)  
11. //在 sensor_t sensors_list[] 中添加两个sensor的信息,  
12. //这些只是一些Sensor的信息，应用程序可以获取到。  
13. #ifdef MAGNETIC_FIELD  
14.     {  
15.         name       : "XXX 3-axis Magnetic field sensor",  
16.         vendor    : "XXX company",  
17.         version    : 1,  
18.         handle     : S_HANDLE_MAGNETIC_FIELD,  
19.         type       : SENSOR_TYPE_MAGNETIC_FIELD,  
20.         maxRange   : 600.0f,//最大范围  
21.         resolution : 30.0f,//最小分辨率  
22.         power      : 6.7f,//这个不太懂  
23.     },  
24. #endif  
25. #ifdef ORIENTATION  
26.     {  
27.         name: "XXX Orientation sensor",  
28.         vendor: "XXX company",  
29.         version: 1,  
30.         handle: S_HANDLE_ORIENTATION,  
31.         type: SENSOR_TYPE_ORIENTATION,  
32.         maxRange: 360,    
33.         resolution: 0.1,   
34.         power: 20,   
35.     },  
36. #endif  
37. //定义一个结构来保存orientation的信息  
38. static struct orientation{  
39.     float azimuth;  
40.     float pitch;  
41.     float roll;  
42. }orientation;  
43. //在 control__open_data_source()函数中打开设备  
44. static native_handle_t*  
45. control__open_data_source(struct sensors_control_device_t *dev)  
46. {  
47.     SensorControl*  ctl = (void*)dev;  
48.     native_handle_t* handle;  
49.     int fd_m = open (MAGNETIC_DATA_DEVICE, O_RDONLY);  
50.     LOGD ("Open Magnetic Data source: %d, %d/n", fd_m, errno);  
51.     if (fd_m>= 0)   
52.     {  
53.         dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD] = dup(fd_m);  
54.     }  
55.     return handle;  
56. }  
57. //实现数据的打开和关闭函数  
58. static int  
59. data__data_open(struct sensors_data_device_t *dev, native_handle_t* handle)  
60. {  
61.     struct sensors_data_context_t *dev;  
62.     dev = (struct sensors_data_context_t *)device;  
63.     for(int i=0 ;i<SENSORS_NUM; i++)  
64.     {  
65.         dev->fd[i] = dup(handle->data[i]);  
66.     }  
67.     native_handle_close(handle);  
68.     native_handle_delete(handle);  
69.     return 0;  
70. }  
71. static int  
72. data__data_close(struct sensors_data_device_t *dev)  
73. {  
74.     struct sensors_data_context_t *dev;  
75.     dev = (struct sensors_data_context_t *)device;  
76.       
77.     for(int i=0 ;i<SENSORS_NUM; i++)  
78.     {  
79.         if (dev->fd[i] >= 0)  
80.         {  
81.             close(dev->fd[i]);  
82.         }  
83.         dev->fd[i] = -1;  
84.     }  
85.     return 0;  
86. }  
87. //最关键的poll函数  
88. static int  
89. data__poll(struct sensors_data_device_t *dev, sensors_data_t* values)  
90. {  
91.     SensorData*  data = (void*)dev;  
92.     int fd = data->events_fd;  
93.     //判断设备是否打开  
94.     if(dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD] < 0)  
95.     {  
96.         LOGD("In %s dev[%d] is not open!/n",__FUNCTION__ ,ID_MAGNETIC_FIELD);  
97.         return -1;  
98.     }  
99.     pollfd pfd[SENSORS_NUM] =   
100.     {  
101.         //省略其他sensor代码  
102.         {  
103.             fd: dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD],   
104.             events: POLLIN,   
105.             revents: 0  
106.         },  
107.         //省略其他sensor代码  
108.     };  
109.     int err = poll (pfd, SENSORS_NUM, s_timeout);  
110.       
111.     unsigned int  mask = SUPPORTED_SENSORS;  
112.     static unsigned int poll_flag=0;  
113.     if(poll_flag==0)  
114.     {  
115.         poll_flag = mask;  
116.     }  
117.     //省略其他sensor  
118.     if(poll_flag&(1<<ID_MAGNETIC_FIELD))  
119.     {  
120.         if((pfd[ID_MAGNETIC_FIELD].revents&POLLIN) == POLLIN)  
121.         {  
122.             char rawData[6];  
123.             err = read (dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD], &rawData, sizeof(rawData));  
124.             if(err<0)  
125.             {  
126.                 LOGE("read magnetic field ret:%d errno:%d/n", err, errno);  
127.                 return err;  
128.             }  
129.             struct timespec t;  
130.             clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &t);  
131.             data->time = timespec_to_ns(&t);  
132.             data->sensor = SENSOR_TYPE_MAGNETIC_FIELD;  
133.             data->magnetic.status = SENSOR_STATUS_ACCURACY_HIGH;  
134.             //上报的数据单位要转换成 uTesla  
135.             data->magnetic.x = ( (rawData[1] << 8 ) | rawData[0])/ MAGNETIC_CONVERT;  
136.             data->magnetic.y = ( (rawData[3] << 8 ) | rawData[2])/ MAGNETIC_CONVERT;  
137.             data->magnetic.z = ( (rawData[5] << 8 ) | rawData[4])/ MAGNETIC_CONVERT;  
138.               
139.             //把陀螺仪需要的数据计算出来，用atan2()，头文件要加上#include <math.h>  
140.             float azimuth = atan2(  (float)(data->magnetic.x ),(float)(data->magnetic.y) );  
141.             if(azimuth<0)  
142.             {  
143.                 azimuth = 360 - fabs(azimuth*180/PI);  
144.             }  
145.             else  
146.             {  
147.                 azimuth = azimuth*180/PI;  
148.             }  
149.             orientation.azimuth = 360-azimuth;   
150.               
151.             //rotation around the X axis.+180~-180 degree  
152.             orientation.pitch = atan2( (float)(data->magnetic.y ),(float)(data->magnetic.z)    
153. )*180/PI;  
154.             //rotation around the Y axis +90~-90 degree  
155.             float roll = atan2( (float)(data->magnetic.x ),(float)(data->magnetic.z) )  
156. *180/PI;  
157.             if (roll > 90)  
158.             {  
159.                 roll = -(180.0-roll);  
160.             }  
161.             else if (roll < -90)  
162.             {  
163.                 roll = 180 + roll;  
164.             }  
165.             orientation.roll =  roll;  
166.         }  
167.         return S_HANDLE_MAGNETIC_FIELD;  
168.     }  
169.     if(poll_flag&(1<<ID_MAGNETIC_FIELD))  
170.     {  
171.         //数据已经计算好了直接上报就行  
172.         struct timespec t;  
173.         clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &t);  
174.         data->time = timespec_to_ns(&t);  
175.         data->sensor = SENSOR_TYPE_ORIENTATION;  
176.         data->orientation.azimuth = orientation.azimuth;  
177.         data->orientation.pitch = orientation.pitch;  
178.         data->orientation.roll = orientation.roll;  
179.         poll_flag &= ~(1<<ID_ORIENTATION);  
180.         return S_HANDLE_ORIENTATION;  
181.     }  
182. }  

 

写好后可以用一个叫做sensorlist的程序先测试一下，看报上去的数据是否正常。然后可以试试一个叫做Pacific Navy Fighter 的游戏来爽一爽了。

 

由于涉及到很多方面的内容，错误难免，敬请指正。

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补充：我之前搞错了，我以为Orientation Sensor就叫做陀螺仪。谢谢syz85。

之后我又看了一下Android中对陀螺仪（gyroscope Sersor）的定义，是指在上述定义的x y x三个方向的转速，单位是radians/second，正负遵循右手规则。

想一想实现应该也不难，把从Orientation Sensor两次得到的 x y z角度变化除以时间就可以得到转速。

（其实真正的陀螺仪包括Orientation Sensor和gyroscope Sersor这两个功能）

但转速对于手机或其他消费类电子有意义是什么呢？谁指点我一下，gyroscope 会带来什么好玩的应用。