关于加速度计

http://developer.android.com/guide/topics/sensors/sensors_motion.html

http://wikidroid.sinaapp.com/%E8%BF%90%E5%8A%A8%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8

Android 平台支持很多监测设备运动的传感器。其中有两个传感器一定是基于硬件的（加速度计和陀螺仪），有三个可能基于硬件或软件（重力计、线性加速计和旋转向量传感器）。 比如，某些设备的软传感器利用加速度计和磁力计来报送数据，而其它一些设备可能用陀螺仪来报送数据。 大部分 Android 平台的设备都带有加速计，有很多现在还带有陀螺仪。软传感器的可用性变数更大一些，因为它们常常依靠一个以上硬件传感器来报送数据。

运动传感器对于监测设备的移动非常有用，诸如倾斜、震动、旋转、摇摆等。 这些动作通常是直观反映了用户的输入（比如用户在游戏中操纵汽车或者运球），但也可能反映了设备所处的物理环境变化（比如你在开车，设备也随着移动）。 在第一种场合中，你监测的运动是以设备或应用为参照系；而在第二种场合，运动是以地球为参照系的。 一般情况下，运动传感器不是用来监测设备的方位的，但它们可以与其他传感器合作使用，比如地磁传感器，用于检测设备的在地球参照系中的方位（详见方位传感器）。

所有的运动传感器都会在SensorEvent中 返回用多维数组表示的传感数据。例如，在一个传感器事件中，加速计会返回三维坐标轴上的加速度数据，陀螺仪会返回三维坐标轴上的旋转速率数据。 这些数据以 float 数组的方式在参数中返回。表 1 列出了 Android 平台支持的所有运动传感器：

表 1. Android 平台支持的运动传感器。

传感器	传感器事件数据	说明	测量单位
TYPE_ACCELEROMETER	SensorEvent.values[0]	沿 x 轴的加速度（包括重力）。	m/s2
	SensorEvent.values[1]	沿 y 轴的加速度（包括重力）。
	SensorEvent.values[2]	沿 z 轴的加速度（包括重力）。
TYPE_GRAVITY	SensorEvent.values[0]	沿 x 轴的重力加速度。	m/s2
	SensorEvent.values[1]	沿 y 轴的重力加速度。
	SensorEvent.values[2]	沿 z 轴的重力加速度。
TYPE_GYROSCOPE	SensorEvent.values[0]	围绕 x 轴的旋转角速度。	rad/s
	SensorEvent.values[1]	围绕 y 轴的旋转角速度。
	SensorEvent.values[2]	围绕 z 轴的旋转角速度。
TYPE_LINEAR_ACCELERATION	SensorEvent.values[0]]	沿 x 轴的加速度（不包括重力）。	m/s2
	SensorEvent.values[1]	沿 y 轴的加速度（不包括重力）。
	SensorEvent.values[2]	沿 z 轴的加速度（不包括重力）。
TYPE_ROTATION_VECTOR	SensorEvent.values[0]]	旋转向量沿 x 轴的部分（x * sin(θ/2)）。	无
	SensorEvent.values[1]	旋转向量沿 y 轴的部分（y * sin(θ/2)）。
	SensorEvent.values[2]]	旋转向量沿 z 轴的部分（z * sin(θ/2)）。
	SensorEvent.values[3]]	旋转向量的数值部分（(cos(θ/2)）1。

¹ 数值部分是可选的。

检测和监视运动最常用的就是旋转向量传感器和重力传感器。 旋转向量传感器尤为强大，在有关运动的任务中用途十分广泛，诸如检测手势、监测角度变化、监测相对方位的变化。 比如，如果你正在开发游戏、增强现实（Augmented Reality）应用、二维或三维罗盘、相机防抖应用，那么旋转向量传感器将十分有用。 在大多数场合，使用这两个传感器要比加速度计、磁力传感器和方向传感器更加合适。

Android 开源项目传感器

Android 开源项目（AOSP）提供了三种基于软件的运动传感器：重力传感器、线性加速度传感器和旋转向量传感器。 Android 4.0 中对这三种传感器进行了升级，目前利用陀螺仪（除了其它传感器）来增加稳定性和提高性能。 如果你想试试这些传感器，你可以用getVendor() 和getVersion() 方法来识别它们（制造商 vendor 为 Google 公司）；版本号为3）。 因为 Android 系统把这三种传感器视为备选传感器，所以必须用 vendor 和版本号来识别它们。 比如，如果设备制造商已经提供了重力传感器，则 AOSP 重力传感器会显示为备选传感器。 这三个传感器都依赖于陀螺仪：如果设备未提供陀螺仪，则它们都不会显示出来，也无法使用。

使用加速度计

加速度传感器测量设备的加速度，包括重力加速度。以下代码展示了如何获取缺省的加速度传感器的一个实例：

private  SensorManager mSensorManager ;
private  Sensor mSensor ;
   ...
mSensorManager  =  ( SensorManager ) getSystemService ( Context .SENSOR_SERVICE );
mSensor  = mSensorManager .getDefaultSensor ( Sensor .TYPE_ACCELEROMETER );

从概念上说，加速度传感器通过测量施于传感器上的作用力，并按以下关系来检测设备的加速度(A_d)。

A _d = - ∑F _s / mass

然而，重力总是会按以下关系影响测量的精度。

A _d = -g - ∑F / mass

因此，如果设备是平放在桌子上的（没有加速度），加速度计会读到g = 9.81 m/s²。 同理，设备在自由落体或以 9.81 m/s² 的加速度坠向地面时，加速度计会读到 g = 0 m/s²。 因此，要测出设备真实的加速度，必须排除加速计数据中的重力干扰。这可以通过高通滤波器来实现。 反之，低通滤波器则可以用于分离出重力加速度值。以下例程展示了它们的用法：

public  void onSensorChanged ( SensorEvent  event ){
   // 在本例中，alpha 由 t / (t + dT)计算得来，
   // 其中 t 是低通滤波器的时间常数，dT 是事件报送频率

   final  float alpha  =  0.8 ;

   // 用低通滤波器分离出重力加速度
  gravity [ 0 ]  = alpha  * gravity [ 0 ]  +  ( 1  - alpha )  *  event .values [ 0 ];
  gravity [ 1 ]  = alpha  * gravity [ 1 ]  +  ( 1  - alpha )  *  event .values [ 1 ];
  gravity [ 2 ]  = alpha  * gravity [ 2 ]  +  ( 1  - alpha )  *  event .values [ 2 ];

   // 用高通滤波器剔除重力干扰
  linear_acceleration [ 0 ]  =  event .values [ 0 ]  - gravity [ 0 ];
  linear_acceleration [ 1 ]  =  event .values [ 1 ]  - gravity [ 1 ];
  linear_acceleration [ 2 ]  =  event .values [ 2 ]  - gravity [ 2 ];
}

注意： 你可以使用很多技术来过滤传感器数据。 以上例程只是使用了过滤器常量（alpha）来创建一个低通滤波器。 这个过滤器常量是由时间常量（t）和传感器事件报送频率（dt）推导出来的，t 大致等于过滤器触发传感器事件的间隔时间。 为了演示，此例程使用 0.8 作为 alpha 的值。如果你要用这个过滤方法，你可能需选用其它的 alpha 值。

加速计使用了标准的传感器坐标系。 这意味着，设备以原始方位平放在桌子上时，会发生以下状况：

• 如果你从左侧平推设备（它向右移），则 x 方向加速度为正值。
• 如果你从下侧平推设备（它向前移），则 y 方向加速度为正值。
• 如果以 A m/s²的加速度向空中移动设备，则 z 方向加速度等于 A + 9.81，即设备加速度（+A m/s²）减去重力加速度（-9.81 m/s²）。
• 静止设备的加速度值为 +9.81，即设备加速度（0 m/s²）减去重力加速度（-9.81 m/s²）。

一般情况下，加速度计已足够应付对设备移动情况的监测。几乎所有 Android 平台的手持和桌面终端都带有加速度计，它的能耗比其它运动传感器要少10倍。 不过它有一个缺点，就是你不得不实现低通和高通滤波器，以消除重力影响并减少噪声数据。

Android SDK 给出了一个应用示例，展示了加速度传感器的使用方法（Accelerometer Play）。

使用重力传感器

重力传感器能以三维向量的方式提供重力方向和数量值。以下代码展示了如何获取缺省的重力传感器的一个实例：

private  SensorManager mSensorManager ;
private  Sensor mSensor ;
...
mSensorManager  =  ( SensorManager ) getSystemService ( Context .SENSOR_SERVICE );
mSensor  = mSensorManager .getDefaultSensor ( Sensor .TYPE_GRAVITY );

单位与加速度传感器的一样（m/s ²），坐标系也相同。

注意： 当设备静止时，重力传感器的输出应该与加速度计相同。

使用陀螺仪

陀螺仪测量设备围绕 x、y、z 轴旋转的速率，单位是 rad/s。以下代码展示了如何获取缺省的陀螺仪的一个实例：

private  SensorManager mSensorManager ;
private  Sensor mSensor ;
...
mSensorManager  =  ( SensorManager ) getSystemService ( Context .SENSOR_SERVICE );
mSensor  = mSensorManager .getDefaultSensor ( Sensor .TYPE_GYROSCOPE );

陀螺仪的坐标系与加速度传感器的相同。逆时针方向旋转用正值表示，也就是说，从 x、y、z 轴的正向位置观看处于原始方位的设备，如果设备逆时针旋转，将会收到正值。 这是标准的数学意义上的正向旋转定义，而与方向传感器定义的转动不同。

通常，陀螺仪的输出反映了转动时的角度变化速率。例如：

// 创建常量，把纳秒转换为秒。
private  static  final  float NS2S  =  1.0f  /  1000000000.0f ;
private  final  float [] deltaRotationVector  =  new  float [ 4 ]();
private  float timestamp ;

public  void onSensorChanged ( SensorEvent  event )  {
   // 根据陀螺仪采样数据计算出此次时间间隔的偏移量后，它将与当前旋转向量相乘。
   if  (timestamp  !=  0 )  {
     final  float dT  =  ( event .timestamp  - timestamp )  * NS2S ;
     // 未规格化的旋转向量坐标值，。
     float axisX  =  event .values [ 0 ];
     float axisY  =  event .values [ 1 ];
     float axisZ  =  event .values [ 2 ];

     // 计算角速度
     float omegaMagnitude  = sqrt (axisX *axisX  + axisY *axisY  + axisZ *axisZ );

     // 如果旋转向量偏移值足够大，可以获得坐标值，则规格化旋转向量
     // (也就是说，EPSILON 为计算偏移量的起步值。小于该值的偏移视为误差，不予计算。)
     if  (omegaMagnitude  > EPSILON )  {
      axisX  /= omegaMagnitude ;
      axisY  /= omegaMagnitude ;
      axisZ  /= omegaMagnitude ;
     }

     // 为了得到此次取样间隔的旋转偏移量，需要把围绕坐标轴旋转的角速度与时间间隔合并表示。
     // 在转换为旋转矩阵之前，我们要把围绕坐标轴旋转的角度表示为四元组。
   float thetaOverTwo  = omegaMagnitude  * dT  /  2.0f ;
     float sinThetaOverTwo  = sin (thetaOverTwo );
     float cosThetaOverTwo  = cos (thetaOverTwo );
    deltaRotationVector [ 0 ]  = sinThetaOverTwo  * axisX ;
    deltaRotationVector [ 1 ]  = sinThetaOverTwo  * axisY ;
    deltaRotationVector [ 2 ]  = sinThetaOverTwo  * axisZ ;
    deltaRotationVector [ 3 ]  = cosThetaOverTwo ;
   }
  timestamp  =  event .timestamp ;
   float [] deltaRotationMatrix  =  new  float [ 9 ];
   SensorManager .getRotationMatrixFromVector (deltaRotationMatrix , deltaRotationVector );
     // 为了得到旋转后的向量，用户代码应该把我们计算出来的偏移量与当前向量叠加。
     // rotationCurrent = rotationCurrent * deltaRotationMatrix;
    }
}
　

标准的陀螺仪能够提供未经过滤的原始旋转数据，或是经过噪声及漂移修正的数据。 实际生活中，陀螺仪的噪声和漂移都会引入误差，这是需要补偿的。 通常你要利用其它传感器来确定漂移和噪声值，比如重力传感器或加速计。

使用线性加速计

线性加速度传感器能向你提供一个三维向量，表示延着三个坐标轴方向的加速度，但不包括重力加速度。 以下代码展示了如何获取缺省的线性加速度传感器的一个实例：

private  SensorManager mSensorManager ;
private  Sensor mSensor ;
...
mSensorManager  =  ( SensorManager ) getSystemService ( Context .SENSOR_SERVICE );
mSensor  = mSensorManager .getDefaultSensor ( Sensor .TYPE_LINEAR_ACCELERATION );

理论上说，这个传感器基于以下公式给出加速度数据：

线性加速度 = 加速度 - 重力加速度

这个传感器的典型应用是获取去除了重力干扰的加速度数据。比如，你可以用这个传感器来获取汽车加速度。 线性加速度传感器总是会有些偏差，你需要把这个偏差值抵消掉。最简单的消除方式就是在你的应用中增加一个校准的环节。 在校准过程中，你可以要求用户先把设备放在桌子上，再来读取三个坐标轴的偏差值。 然后你就可以从传感器的读数中减去这个偏差值，以获取真实的线性加速度。

传感器坐标系与加速度传感器使用的相同，单位也一样(m/s²)。

使用旋转向量传感器

旋转向量代表了设备的方位，由角度和坐标轴信息组成，包含了设备围绕坐标轴（x、y、z）旋转的角度θ。 以下代码展示了如何获取缺省的旋转向量传感器的一个实例：

private  SensorManager mSensorManager ;
private  Sensor mSensor ;
...
mSensorManager  =  ( SensorManager ) getSystemService ( Context .SENSOR_SERVICE );
mSensor  = mSensorManager .getDefaultSensor ( Sensor .TYPE_ROTATION_VECTOR );

旋转向量的三个元素用以下方式表示：

x*sin(θ/2) y*sin(θ/2) z*sin(θ/2)

旋转向量的大小等于 sin(θ/2)，方向等于旋转轴的方向。

旋转向量传感器的坐标系

图 1. 旋转向量传感器的坐标系。

旋转向量的三个元素等于四元组的后三个部分（cos(θ/2)、x*sin(θ/2)、y*sin(θ/2)、z*sin(θ/2)），没有单位。 x、y、z 轴的定义与加速度传感器的相同。坐标参照系定义为直接正交基（参见图 1）。 这个坐标系具有以下特点：

• X 定义为向量积 Y x Z。它是以设备当前位置为切点的地球切线，方向朝东。
• Y 是以设备当前位置为切点的地球切线，指向地磁北极。
• Z 与地平面垂直，指向天空。

Android SDK 提供了一个示例应用，展示了旋转向量传感器的使用方法。 示例应用在 API Demos 中（OS - RotationVectorDemo）。