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

时间:2023-12-14 16:43:26

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。

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

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)

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

90度=正东,

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

180度=正南,

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

270度=正西。

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

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:

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

前方向上仰就是负值;

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

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

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

向右翻滚是负值;

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

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

  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. for(int i=0 ;i<SENSORS_NUM; i++)
  77. {
  78. if (dev->fd[i] >= 0)
  79. {
  80. close(dev->fd[i]);
  81. }
  82. dev->fd[i] = -1;
  83. }
  84. return 0;
  85. }
  86. //最关键的poll函数
  87. static int
  88. data__poll(struct sensors_data_device_t *dev, sensors_data_t* values)
  89. {
  90. SensorData*  data = (void*)dev;
  91. int fd = data->events_fd;
  92. //判断设备是否打开
  93. if(dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD] < 0)
  94. {
  95. LOGD("In %s dev[%d] is not open!/n",__FUNCTION__ ,ID_MAGNETIC_FIELD);
  96. return -1;
  97. }
  98. pollfd pfd[SENSORS_NUM] =
  99. {
  100. //省略其他sensor代码
  101. {
  102. fd: dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD],
  103. events: POLLIN,
  104. revents: 0
  105. },
  106. //省略其他sensor代码
  107. };
  108. int err = poll (pfd, SENSORS_NUM, s_timeout);
  109. unsigned int  mask = SUPPORTED_SENSORS;
  110. static unsigned int poll_flag=0;
  111. if(poll_flag==0)
  112. {
  113. poll_flag = mask;
  114. }
  115. //省略其他sensor
  116. if(poll_flag&(1<<ID_MAGNETIC_FIELD))
  117. {
  118. if((pfd[ID_MAGNETIC_FIELD].revents&POLLIN) == POLLIN)
  119. {
  120. char rawData[6];
  121. err = read (dev->fd[ID_MAGNETIC_FIELD], &rawData, sizeof(rawData));
  122. if(err<0)
  123. {
  124. LOGE("read magnetic field ret:%d errno:%d/n", err, errno);
  125. return err;
  126. }
  127. struct timespec t;
  128. clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &t);
  129. data->time = timespec_to_ns(&t);
  130. data->sensor = SENSOR_TYPE_MAGNETIC_FIELD;
  131. data->magnetic.status = SENSOR_STATUS_ACCURACY_HIGH;
  132. //上报的数据单位要转换成 uTesla
  133. data->magnetic.x = ( (rawData[1] << 8 ) | rawData[0])/ MAGNETIC_CONVERT;
  134. data->magnetic.y = ( (rawData[3] << 8 ) | rawData[2])/ MAGNETIC_CONVERT;
  135. data->magnetic.z = ( (rawData[5] << 8 ) | rawData[4])/ MAGNETIC_CONVERT;
  136. //把陀螺仪需要的数据计算出来,用atan2(),头文件要加上#include <math.h>
  137. float azimuth = atan2(  (float)(data->magnetic.x ),(float)(data->magnetic.y) );
  138. if(azimuth<0)
  139. {
  140. azimuth = 360 - fabs(azimuth*180/PI);
  141. }
  142. else
  143. {
  144. azimuth = azimuth*180/PI;
  145. }
  146. orientation.azimuth = 360-azimuth;
  147. //rotation around the X axis.+180~-180 degree
  148. orientation.pitch = atan2( (float)(data->magnetic.y ),(float)(data->magnetic.z)
  149. )*180/PI;
  150. //rotation around the Y axis +90~-90 degree
  151. float roll = atan2( (float)(data->magnetic.x ),(float)(data->magnetic.z) )
  152. *180/PI;
  153. if (roll > 90)
  154. {
  155. roll = -(180.0-roll);
  156. }
  157. else if (roll < -90)
  158. {
  159. roll = 180 + roll;
  160. }
  161. orientation.roll =  roll;
  162. }
  163. return S_HANDLE_MAGNETIC_FIELD;
  164. }
  165. if(poll_flag&(1<<ID_MAGNETIC_FIELD))
  166. {
  167. //数据已经计算好了直接上报就行
  168. struct timespec t;
  169. clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &t);
  170. data->time = timespec_to_ns(&t);
  171. data->sensor = SENSOR_TYPE_ORIENTATION;
  172. data->orientation.azimuth = orientation.azimuth;
  173. data->orientation.pitch = orientation.pitch;
  174. data->orientation.roll = orientation.roll;
  175. poll_flag &= ~(1<<ID_ORIENTATION);
  176. return S_HANDLE_ORIENTATION;
  177. }
  178. }

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。