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

设备中的三自由度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

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。