CoreMotion框架-iOS设备的核心运动

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作者：贞娃儿来自于：博客园发布于 2016-7-20

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我们知道iOS的应用真的太多了，很多应用让我们惊叹不已！！！很多意想不到的应用！

比如：

1.电子罗盘指南针之类的应用-让我们知道方向。

2.运动类型软件-让我们知道我们跑步多少公里。

3.社交软件中的摇一摇功能。

4.游戏中扮演角色类中根据设备的晃动等进行操作。

等等。。而且还有很多应用正在层出不穷的展现再我们面前。

其实，他们多半是使用了iOS中的一个框架-核心运动框架-CoreMotion.framework

CoreMotion.framework框架是做什么的

我们可以使用iOS提供给我们的CoreMotion 框架来访问加速度器和陀螺仪的相关数据！

它不仅仅提供给你获得实时的加速度值和旋转速度值，更重要的是，苹果在其中集成了很多算法，可以直接给你输出把重力加速度分量剥离的加速度，省去你的高通滤波操作，以及提供给你一个专门的设备的三维attitude信息！

我刚接触的时候，也是一头雾水啊。那就普及一下相关的知识。

我们知道，智能手机已经普及到我们日常生活中了，尤其iPhone等iOS设备，也已经相当的普遍（俗称：街机）。在它的硬件设备中，其实安装了很多的传感器。其中的加速度器和陀螺仪就是其中的两种传感器！

智能机中常见的传感器

1. 接近传感器

接近传感器，顾名思义，就是用来检测非常接近的目标物体的。这类传感器通常利用电磁场或者静电场的改变，或者测量发射的电磁波的反射波的改变，来进行判断。因为手段不一样，所以接近传感器的目标物体种类也不一样，有的针对金属物体，有的针对塑料物体。具体到手机上来说，现在的手机都是使用了新一代的反射光学接近传感器，可以针对较多种表面类型来检测。过程很简单，它们会发出人眼看不到的红外光，一旦手机来电话了，你肯定会接听，接听会导致脸部皮肤离传感器很近，这样只需要用光学探测器检测从皮肤反射回来的光的总量的变化，接近传感器就检测到了这个接近。这个传感结果有什么用呢？一个明显的例子，就是可以改进手机的节电功能，比如判断什么时候自动打开或关闭显示屏，键盘背光或者触摸功能，甚至于什么时候自动关机/待机，取决于设备的主人是正在通话，正在打字，还是就直接把设备扔到口袋中了。这些任务，就由接近传感器一肩挑了。

2. 加速度传感器

我个人估计，大家最熟悉的，就是加速度传感器。由于其带来了更多的直觉游戏体验，基本姿态识别和环境感知功能，这类传感器从08年开始井喷，因iPhone、iPod的带动而红火，因Wii的集成而大规模部署，并由此带动了价格的下降。现在如果还有哪款手机或者音乐播放器不配备这个传感器阿，出厂去商店都不好意思和摆在一起的别的设备打招呼。加速度计的原理很简单，现在手机里面基本配备的都是3维线传感器，也就是说，用来测量x，y，z三个轴上的加速力。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。

我为什么说大家应该都熟悉加速度传感器呢，如果用IBM笔记本的朋友就知道，前IBM，现联想，的Thinkpad系列笔记本，一直都有硬盘保护功能，这个功能利用的就是通过加速度传感器动态监测出笔记本的震动，并根据这个震动选择关闭硬盘还是继续运行。这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。类似的一个非常普及的用处就是目前用的数码相机和摄像机里，用加速度传感器，来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。现在，我们手头都有iPhone，Android军团，Nokia N900等手机，我们至少都知道，加速度传感器可以帮助你打游戏。典型的例子比如Labyrinth2，中文名叫做迷宫滚球。但更广义地说，加速度传感器在检测人的即时背景环境信息上更有用处。比如说，通过三个轴上加速度的变化值的分析处理，手机可以知道你现在是在走路还是骑车还是坐车，是上坡还是下坡，等等。

从理论上讲，有了三个轴的加速度立体信息，我们可以推断出加速方向的信息，比如，你加速骑车的方向，或者你乘坐的电梯正在朝上还是朝下。根据初中数学的知识，这些方向和角度都是可以通过矢量的加减运算算出来的。可惜的是，我们没法仅仅依靠加速度传感器来检测加速方向的角度，也无法得知手机本身的朝向。这是为什么呢？要解释这个，就牵涉到一个困扰加速度仪的大问题，就是重力加速度分量的干扰。

当你的移动设备处于静止状态时，加速度计能告诉你它相对于地平面的朝向，这是没有问题的;

然而，当设备动起来的时候，分析朝向就相当复杂了。这种情况下，要分四种类型讨论

设备处于水平完全静止或者匀速运动，这时的它会在垂直方向的轴上输出一个值，那就是重力加速度，接近9.8 。

设备自由落体的时候，会三个轴都输出0呢。

设备静止或者匀速运动状态时，但没有处于绝对水平。此时任何轴都可能有输出值，但都是重力加速度的分量。一旦处于这种状态，我们可以通过求分量于三个轴的角度来得知手机旋转的角度。

设备沿着任意方向加速。这时，问题就变复杂了，因为你没办法知道设备目前的方向角度信息，所以你根本就不知道重力加速度的分量到底是怎么分解的，于是……你也就不清楚某个轴所报告的数值，哪些是重力加速度部分，哪些是真正的线性加速度部分

除此之外，另一个加速度传感器无能为力的地方，就是纯水平旋转，或者匀速水平变向。

这类运动，加速度传感器也只会输出一个值：g。因为无论是x，y，还是z轴，都没有真正意义上的加速运动。这会带来什么问题呢？好比你带着一个手机在街上走，沿着一条大街走了一段路，这段路的加速度自然是能被采到的。然后你转弯，在另一条路上走一段，这一段的加速度也是能被采到的。你回到家，拿出手机看数据，没错阿，两端加速度都有，手机知道我走了两段路，很智能阿，缺少了什么东西？你转弯的动作和角度！这个加速度计是采不到的，而这个信息，在很多增强现实的智能应用中，却是非常有用的。为了解决这个问题，人们开始引入其他种类的传感器，比如接下来要介绍的这个陀螺仪。

关于加速度器的坐标：

3. 陀螺仪

陀螺仪代表着另一个重要的，但可能还需要等待一两年才能腾飞的传感器领域，主要是因为导航级MEMS陀螺仪目前对于手机来说仍然过于昂贵，普通陀螺仪一般厂商都很少看上眼。当然，在iPhone4的带动下，可以预见的手机军备竞赛，迟早会让陀螺仪逐渐普及开来。陀螺仪的主要作用，是基于角动量守恒的理论，沿着某个特定的坐标轴测量旋转速率。在使用中，陀螺仪的转子在高速旋转时，始终指向一个固定的方向，当运动物体的运动方向偏离预定方向时，陀螺仪就可以感受出来。在现代航空装备中，飞机驾驶的时候，就是通过多达十多个的陀螺仪来测量机体是否翻滚，以及如何翻滚的。

先来看看iPhone中，陀螺仪硬件吧：

再看看，陀螺仪的样子：

关于陀螺仪的坐标：

了解一下，关于陀螺仪的坐标轴：

Roll轴的信息：

Pitch轴的信息：

Yaw轴信息：

需要注意的是，这里的三个角度，和加速度计的x，y，z三维意义完全不同，不要混淆了。

陀螺仪的测量是随时间累计的，要知道当前的角度，只需要将之前所有的输出数值积分即可。当然，陀螺仪只会输出当前旋转的变化值，比如说，如果一架飞机是以60度的倾斜角度径直飞行，此时陀螺仪的输出为0，因为当前就没有机体旋转。但是，你可以通过之前的输出累计计算出当前机体倾斜角度是多少。陀螺仪有两个好处：

可测频率比较大，低可以低到直流信号，就是0Hz，高可以高到60-70Hz。这个范围，基本是根据人类的普遍动作频率所决定的，而且也考虑了很大的余量。一般的陀螺仪会对采集到的信号滤波，最终显示的数据基本是在0-20Hz范围的。当然，并不是所有陀螺仪都能测量到这个频率范围，这个取决于具体的档次了。

在设备中的位置并不重要。陀螺仪测量的角速度本质上是惯性角速度，所以你把它放在设备的前端或者后端，输出的值都会是一样的，没有什么区别。

说完了陀螺仪的优点，说说缺点吧。聪明的读者在看到陀螺仪计算角度的原理是，肯定能一下就发现陀螺仪的缺陷：这玩意的误差是累计的！也就是说，某一个时刻你因为不管什么样的原因引进了角度的误差，可能是静态漂移误差，可能是读数误差，whatever，这个误差就会一直跟着你，一直在后面的读数和计算中延续！更有趣的是，陀螺仪有一个臭名昭著的特性：它会随着时间而漂移！换句话说，每分每秒，它都会自动引入附加的误差！！时间一长，完了，你关于旋转度的测量值就变成了中国有关部门：可信度为0 。当然，科技是在发展的，现在很多高端的陀螺仪的随机误差很小，普通应用有时候都可以不用管这个误差。当然，一分钱一分货，这种高端陀螺仪通常都很贵，很少会采用到手机系统中。

这下好玩了，在一个短的时间刻度里，加速度值噪声特别大，而且还有重力的影响。在长的时间刻度里呢，加速度值总体是靠谱的，没有误差累计。而在短的时间刻度里，陀螺仪很准，因为误差累计的速度还是很慢的。但在长的时间刻度里，陀螺仪就不准得离谱。在某些情况下，加速度传感器可以用来校准陀螺仪，比如设备完全静止的时候，和重力相关的方向上，就可以这样做。那么，什么时候不行呢？回头看我们刚才放的那三个图，其中yaw的示意图 yaw角度的变化方向是垂直于重力方向的！所以，通过刚才关于加速度的介绍我们知道，在这个垂直于重力的平面上，加速度传感器就没办法帮陀螺仪了。

本质上，通过三维加速度传感器+三维陀螺仪的合作，我们等同于拥有了一个六维的传感器，但无处不在的误差会让这个六维传感器偶尔感到无助。这时候，我们就需要另外的设备来帮忙做进一步的校正，这就是下面要介绍的电子罗盘。

4. 电子罗盘

电子罗盘，也称磁力计，或者电子指南针，是继加速度计之后，从09年开始井喷的一种传感器。如果我没记错的话，最早集成这个传感器的主流智能手机就是Google的G1，从这个意义上讲，G1对于磁性传感器市场的带动作用，可能堪比iPhone对于加速度传感器的意义。这玩意啥用处？顾名思义，就是告诉你南北极方向的。以前古老的那种指南针，或者叫平面罗盘，可以在你放平罗盘后告诉你南极北极在哪，这样，你就知道了目前你的正前方在地球这个大平面坐标轴上的角度了。当然，出于技术的限制，平面罗盘要求你保持水平，如果有倾斜就不准确了。后来出现的电子罗盘，很多是两轴的，也就是说，等同于电子平面罗盘。在我记忆中，几年前的openmoko手机就是集成的这种，所以有同样的限制。现在高端智能手机里面集成的都是三维电子罗盘，由于加入了倾角传感器，可以对罗盘进行倾斜补偿，这样就克服了这个缺陷，可以输出三维方向上的角度信息。

电子罗盘的原理也很简单，就是我们物理都学过的霍尔效应。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的洛伦兹力，电荷因此产生偏转，偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向，而且正电荷和负电荷偏转的方向相反，从而在导体的两端产生电压差。这个电压差也叫霍尔电压，和两个因素成比例：电流大小和磁场强度。当然这里有一个要注意的问题，如果磁场的方向是和导体非垂直的话，实际作用的磁场实际上是原来磁场的一个矢量分量。如何知道这个磁场分量的角度呢？我们可以用两个或者多个霍尔效应传感器，相互垂直，这样的话，磁场的方向就可以通过不同传感器上霍尔电压的比例值来求出，这个计算过程只需要知道基本的线性代数运算即可。当然，具体的计算中肯定有一些tricky的地方，不过不是关键点，所以这里就暂时不介绍了。所以和陀螺仪不一样的是，电子罗盘输出的是角方向值，而陀螺仪输出的是角方向的加速度。

所以大家应该都明白了，在电子罗盘的应用中，上述的磁场就是地球磁场，电子罗盘测量地球磁场的矢量值，然后再转换并表示在系统坐标中。在理想情况下，这样测出来的方向值也是比较准确的，一旦我知道移动设备刚开始的方向值，就能通过之后电子罗盘的输出，求出该设备接下来的一系列方向改变信息。

不幸的是，这个世界上的理想情况不存在。在我们经常使用移动设备的环境中，有时候会存在除了地球以外的别的，未被有效屏蔽的磁场，这个外加磁场会有很大可能干扰电子罗盘的读书，而让结果不可信。而且，如果移动设备周围有金属，一旦金属被磁化，电子罗盘也会受很大的影响。

注：以上文章摘自：移动设备智能化的基石–从iPhone4的传感器谈起理论很长。总结一下：目的在于告诉我们，iPhone设备中，集成了很多的传感器。以及对每一种传感器进行了分析说明。

看了上面的介绍，相信大家心里面也都有了数。这些传感器，各有神通，也各有缺陷，很多时候还真得相互配合来使用，才能达到预期的效果，真正准确检测出设备主人的行动信息。这个协作的过程比较复杂。但是，我们很多情况下，不需要去了解太多细节，要不，就不用写代码了，直接去中科院搞飞机，卫星，导弹去了！为什么说，我们不需要明白关于加速度器和陀螺仪的太多的原理性的东西？因为，底层的实现全部由CorMotion框架给你准备好了！我们只需要来使用框架提供的属性方法，就可以得到我们想要的信息！

使用CorMotion框架

切回正题，来进行CorMotion框架的使用！

先贴：