关于Android 传感器坐标与读数的进一步讨论

关于Android 传感器坐标与读数的进一步讨论

 

　　之前一些相关的讨论见：

 　　Android Sensors (3) 传感器坐标系统

 　　Android Sensors (5) 运动传感器 Motion Sensors 

 　　Android Sensors (6) 位置传感器 Position Sensors 

 

传感器分类

　　总体来说，传感器分为运动传感器和位置传感器两种。（此处忽略了一些温度、光照等环境传感器）。

　　运动传感器用来监测设备的运动，比如倾斜、震动和摇摆。运动传感器包括：加速度计、陀螺仪、重力感应器、线性加速度计、旋转向量传感器。

　　位置传感器用来监测设备的位置，即相对于世界坐标系的位置。包括地磁场传感器、接近传感器和方向传感器。

　　（方向传感器是基于软件的，根据加速度计和地磁场传感器导出）。

　　可以看出，手机的上述传感器读数，需要涉及到两个坐标系，一个是相对于手机自身，一个是相对于世界位置。

　　上面很多传感器是测量手机自身姿态的，那么它们读出的数是相对于手机坐标系的；

　　另一些传感器和方法，目的是测量手机在世界坐标系中的位置，那么它们的读数就是相对于世界坐标系的。

 

手机的自然坐标系

　　当一个设备被放在其默认的方向上时，X轴是水平指向右的，Y轴是垂直向上的，Z轴是指向屏幕正面之外的，即屏幕背面是Z的负值。

　　

 

　　当设备运动或者旋转的时候，这些坐标轴是不会改变的，即它们是跟随手机的。

　　即是说，手机坐标系是跟随设备的自然方向的（但是请记住自然方向不一定是竖直，比如平板它的自然方向就很有可能是横向）。

　　使用这个坐标系的传感器：

•  Acceleration sensor
• Gravity sensor
• Gyroscope
• Linear acceleration sensor
• Geomagnetic field sensor

　　即是说它们的度数显示了在手机的这三个轴上的数字大小。　

 

屏幕旋转

　　常常要考虑屏幕的旋转，即屏幕画面相对于自然方向的旋转。

　　于是就需要使用 getRotation()方法来获取屏幕的旋转值。

　　这个方法是Display类中的，跟传感器不相关。

　　这个方法的返回值只对应0，90,180,270四种旋转情况，它说明屏幕显示区域的旋转情况。

 

世界坐标系

　　有一些传感器和方法使用相对于世界的坐标系，因为它们返回的数据反映设备相对于地球及真实环境的位置信息。

　　请见getOrientation() 方法，getRotationMatrix() 方法，Orientation Sensor, 和 Rotation Vector Sensor。下面各自介绍。

 

getRotationMatrix()

　　getRotationMatrix()方法说明中，定义的世界坐标系如下：

    

　　X轴平行于地面，指向东方。

　　Y轴平行于地面，指向北极方向。

　　Z轴垂直于地面，指向天空。

 

getOrientation()

　　getOrientation() 方法中所用的坐标系与上面的不同：

    

　　X轴平行于地面，指向西方；

　　Y轴平行于地面，指向地磁场北极。

　　Z轴垂直于地面，指向地心。

　　getOrientation方法的返回值表示：

　　values[0]: azimuth, rotation around the Z axis.

　　values[1]: pitch, rotation around the X axis.

　　values[2]: roll, rotation around the Y axis.

　　并且这三个角度值都是以弧度做单位，逆时针方向为正。

 

方向传感器的返回值说明

 

　　方向传感器是利用加速度计和地磁场传感器得到自己的数据。

　　方向传感器比较特殊，因为它的数值是相对于绝对方向的。它得到的是手机设备的绝对姿态值。

　　一个方向传感器得到的三维数据如下：

　　（参见http://developer.android.com/guide/topics/sensors/sensors_position.html#sensors-pos-orient）

 

　　方向传感器返回的都是角度值，以度数为单位。

　　注意下面说的x、y、z轴均是手机自身的坐标轴。

　　第一个角度：Azimuth (degrees of rotation around the z axis).

　　表示手机自身的y轴与地磁场北极方向的角度，即手机顶部朝向与正北方向的角度。

　　（This is the angle between magnetic north and the device's y axis. ）

　　当手机绕着自身的z轴旋转时，该角度值将发生改变。

　　例如该角度值为0时，表示手机顶部指向正北；该角度为90度时，代表手机顶部指向正东；该角度为180度时，代表手机顶部指向正南；该角度为270度时，代表手机顶部指向正西。

 

　　第二个角度：Pitch (degrees of rotation around the x axis).

　　表示手机顶部或尾部翘起的角度。

　　当手机绕着自身的x轴旋转，该角度会发生变化，值的范围是-180到180度。

　　当z轴正向朝着y轴正向旋转时，该角度是正值；当z轴正向朝着y轴负向旋转时，该角度是负值。

 

　　假设将手机屏幕朝上水平放在桌子上，如果桌子是完全水平的，该角度应该是0。

　　假如从手机顶部抬起，直到将手机沿x轴旋转180度（屏幕向下水平放在桌面上），这个过程中，该角度值会从0变化到-180。

　　如果从手机底部开始抬起，直到将手机沿x轴旋转180度（屏幕向下水平放在桌面上），该角度的值会从0变化到180。

 

　　第三个角度：Roll (degrees of rotation around the y axis).

　　表示手机左侧或右侧翘起的角度。

　　当手机绕着自身x轴旋转时，该角度值将会发生变化，取值范围是-90到90度。

　　当z轴正向朝着x轴正向旋转时，该角度是负值；

　　当z轴正向朝着x轴负向旋转时，该角度是正值。

 

　　（这里跟官方文档的说法有点不太一致，即第三个角度的正负号正好相反，我不知道是文档写错了，还是它用了别的什么坐标系）。

　　因为通过真机测试，结果如下：

　　将手机屏幕朝上水平放在桌子上，如果桌子是完全水平的，该角度应该是0。

　　假如将手机左侧逐渐抬起，直到将手机沿Y轴旋转90度（手机与桌面垂直），在这个旋转过程中，该角度会从0变化到-90。

　　如果从手机的右侧开始抬起，直到将手机沿Y轴旋转90度（手机与桌面垂直），该角度的值会从0变化到90度。

 

 

 

其他说明：

　　由于需要计算，所以方向传感器的准确度和精度都会受到影响。

　　官方文档上说，只有当第三个roll的角度值为0的时候得到的值比较可靠。

　　specifically, this sensor is only reliable when the roll component is 0。

　　所以从Android 2.2 (API level 8)开始，不建议使用方向传感器。

　　建议使用 getRotationMatrix()和getOrientation() 结合来计算方向值。

　　也可以利用 remapCoordinateSystem()方法来进行一些方向值向其他坐标系的转换。