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探索iOS设备的陀螺仪与加速度计
1. 加速度计与陀螺仪简介
iPhone、iPad和iPod touch内置的加速度计是一项非常酷的功能，它能让iOS系统感知设备的握持方式和移动状态。iOS系统利用加速度计实现自动旋转功能，许多游戏也将其作为控制机制。此外，加速度计还能检测晃动和其他突然的移动。
iPhone 4引入了内置陀螺仪，进一步扩展了设备的功能。陀螺仪可以让你确定设备绕各个轴的旋转角度。如今，陀螺仪和加速度计已成为新iPad和iPod touch的标配。
加速度计通过感应特定方向的惯性力来测量加速度和重力。iOS设备中的加速度计是三轴加速度计，能够在三维空间中检测运动或重力的拉力。这意味着你不仅可以通过加速度计了解设备当前的握持方式（就像自动旋转功能那样），还能知道设备是否平放在桌子上，甚至能判断设备是正面朝上还是朝下。
加速度计以重力加速度（g）为单位进行测量。例如：
- 当设备静止不动时，地球引力会对其施加约1g的力。
- 当设备垂直握持（竖屏方向）时，加速度计会检测并报告其y轴上约1g的力。
- 当设备倾斜握持时，这1g的力会根据握持角度分布在不同的轴上。例如，当设备以45度角握持时，1g的力会大致平均地分配到两个轴上。
突然的移动可以通过检测加速度计值是否明显大于1g来判断。在正常使用情况下，加速度计在任何轴上检测到的力都不会显著超过1g。如果你晃动、掉落或抛掷设备，加速度计会在一个或多个轴上检测到更大的力（请不要为了测试而掉落或抛掷自己的iOS设备）。
加速度计使用的y坐标约定与Quartz 2D的坐标系相反，y值的增加表示向上的力。当你将加速度计作为Quartz 2D的控制机制时，需要对y坐标进行转换。而在使用OpenGL ES时（通常在使用加速度计控制动画时会用到），则不需要进行转换。
陀螺仪与加速度计的区别在于，当设备平放在桌子上并旋转时，加速度计的值不会改变，因为移动设备的力（在这种情况下，只有沿z轴向下的重力）没有变化。但陀螺仪的值会改变，特别是z轴的旋转值。顺时针旋转设备会产生负值，逆时针旋转会产生正值。停止旋转后，z轴的旋转值会回到零。陀螺仪报告的是设备旋转的变化，而不是绝对的旋转值。
2. Core Motion框架与运动管理器
在iOS 4及更高版本中，可以使用Core Motion框架来访问加速度计和陀螺仪的值。该框架提供了CMMotionManager类，它是获取设备运动状态值的门户。你的应用程序可以创建一个CMMotionManager实例，并以两种模式使用它：
- 每当发生运动时执行一些代码。
- 维护一个持续更新的结构，让你随时可以访问最新的值。
后一种方法非常适合游戏和其他高度交互式应用程序，这些应用程序需要在游戏循环的每次迭代中轮询设备的当前状态。
需要注意的是，CMMotionManager类实际上不是单例，但你的应用程序应该将其视为单例。每个应用程序应该只创建一个CMMotionManager实例，使用正常的alloc和init方法。因此，如果你需要从应用程序的多个地方访问运动管理器，建议在应用程序委托中创建它，并从那里提供访问。
除了CMMotionManager类，Core Motion框架还提供了一些其他类，如CMAccelerometerData和CMGyroData，它们是简单的容器，你的应用程序可以通过它们访问运动数据。
3. 基于事件的运动处理
运动管理器可以在运动数据每次变化时执行一些代码。大多数其他Cocoa Touch类通过让你连接到一个委托来提供这种功能，当时间到来时委托会收到消息，但Core Motion的实现方式略有不同。
由于Core Motion是一个新框架，仅在iOS 4及更高版本中可用，苹果决定让CMMotionManager使用iOS 4 SDK的另一个新特性：块（blocks）。
下面是使用基于事件的运动处理的具体步骤：
1.
创建项目
：使用Xcode创建一个名为MotionMonitor的新单视图应用程序项目，并关闭“Use Storyboard”选项。这将是一个简单的应用程序，用于读取加速度计数据和陀螺仪数据（如果可用），并将信息显示在屏幕上。
2.
链接Core Motion框架
：这是一个可选的系统框架，需要将其添加到应用程序中。具体操作如下：
- 在项目导航器中选择项目。
- 选择目标和“Build Phases”选项卡。
- 展开“Link Binary with Libraries”视图，然后点击加号按钮。
- 选择CoreMotion.framework。
3.
修改BIDViewController.h文件
：添加以下代码：
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <CoreMotion/CoreMotion.h>
@interface BIDViewController : UIViewController
@property (strong, nonatomic) CMMotionManager *motionManager;
@property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *accelerometerLabel;
@property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *gyroscopeLabel;
@end
-
设计界面
：打开BIDViewController.xib文件，在Interface Builder中进行以下操作：
- 选择视图图标打开视图，然后从库中拖出一个标签到视图中。
- 调整标签大小，使其从左蓝色引导线延伸到右蓝色引导线，并将其高度调整为整个视图的一半左右，然后将标签的顶部与顶部蓝色引导线对齐。
- 打开属性检查器，将“Lines”字段从1改为0，这样标签可以显示任意数量的文本行。
- 按住Option键拖动标签创建一个副本，并将副本与视图下半部分的蓝色引导线对齐。
- 从“File’s Owner”图标控制拖动到每个标签，将“accelerometerLabel”连接到上面的标签，将“gyroscopeLabel”连接到下面的标签。
- 双击每个标签并删除现有文本。
-
修改BIDViewController.m文件
：
- 在实现块的顶部添加属性合成器，并在viewDidUnload方法中添加内存管理调用：
#import "BIDViewController.h"
@implementation BIDViewController
@synthesize motionManager;
@synthesize accelerometerLabel;
@synthesize gyroscopeLabel;
- (void)viewDidUnload
{
[super viewDidUnload];
// Release any retained subviews of the main view.
// e.g. self.myOutlet = nil;
self.motionManager = nil;
self.accelerometerLabel = nil;
self.gyroscopeLabel = nil;
}
- 在viewDidLoad方法中添加以下代码：
- (void)viewDidLoad
{
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
NSOperationQueue *queue = [[NSOperationQueue alloc] init];
if (motionManager.accelerometerAvailable) {
motionManager.accelerometerUpdateInterval = 1.0 / 10.0;
[motionManager startAccelerometerUpdatesToQueue:queue withHandler:
^(CMAccelerometerData *accelerometerData, NSError *error){
NSString *labelText;
if (error) {
[motionManager stopAccelerometerUpdates];
labelText = [NSString stringWithFormat:
@"Accelerometer encountered error: %@", error];
} else {
labelText = [NSString stringWithFormat:
@"Accelerometer\n-----------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",
accelerometerData.acceleration.x,
accelerometerData.acceleration.y,
accelerometerData.acceleration.z];
}
[accelerometerLabel performSelectorOnMainThread:@selector(setText:)
withObject:labelText
waitUntilDone:NO];
}];
} else {
accelerometerLabel.text = @"This device has no accelerometer.";
}
if (motionManager.gyroAvailable) {
motionManager.gyroUpdateInterval = 1.0 / 10.0;
[motionManager startGyroUpdatesToQueue:queue withHandler:
^(CMGyroData *gyroData, NSError *error) {
NSString *labelText;
if (error) {
[motionManager stopGyroUpdates];
labelText = [NSString stringWithFormat:
@"Gyroscope encountered error: %@", error];
} else {
labelText = [NSString stringWithFormat:
@"Gyroscope\n--------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",
gyroData.rotationRate.x,
gyroData.rotationRate.y,
gyroData.rotationRate.z];
}
[gyroscopeLabel performSelectorOnMainThread:@selector(setText:)
withObject:labelText
waitUntilDone:NO];
}];
} else {
gyroscopeLabel.text = @"This device has no gyroscope";
}
}
这段代码的工作流程如下：
1. 创建一个CMMotionManager实例和一个操作队列。
2. 检查设备是否有加速度计，如果有，则设置更新间隔为1/10秒，并开始报告加速度计更新。每次更新时，执行一个块代码，根据加速度计数据生成一个字符串，并将其显示在加速度计标签上。如果发生错误，则停止更新并显示错误消息。
3. 检查设备是否有陀螺仪，如果有，则设置更新间隔为1/10秒，并开始报告陀螺仪更新。每次更新时，执行一个块代码，根据陀螺仪数据生成一个字符串，并将其显示在陀螺仪标签上。如果发生错误，则停止更新并显示错误消息。
需要注意的是，不能直接在块代码中更新标签文本，因为UIKit类（如UILabel）通常只能在主线程中访问。因此，使用
performSelectorOnMainThread:withObject:waitUntilDone:
方法让主线程处理这个操作。
当你在iOS设备上运行这个应用程序时，倾斜设备，你会看到加速度计的值会根据设备的位置进行调整。如果设备带有陀螺仪，旋转设备时，你会看到陀螺仪的值也会相应变化。当设备静止时，无论处于何种方向，陀螺仪的值都会接近零。停止移动设备后，陀螺仪的值会回到零。
4. 主动式运动访问
前面介绍了通过向CMMotionManager传递块来在运动发生时获取运动数据的方法。这种基于事件的运动处理方式对于普通的Cocoa应用程序来说可能已经足够，但有时它并不完全适合某些应用程序的特定需求。例如，交互式游戏通常有一个持续运行的循环，用于处理用户输入、更新游戏状态和重绘屏幕。在这种情况下，基于事件的方法可能不太合适，因为你需要实现一个对象来等待运动事件，记住每个传感器报告的最新位置，并在需要时将数据报告回主游戏循环。
幸运的是，CMMotionManager提供了一种内置的解决方案。你可以不传递块，而是使用
startAccelerometerUpdates
和
startGyroUpdates
方法激活传感器，然后随时直接从运动管理器读取值。
以下是将MotionMonitor应用程序修改为使用主动式运动访问的步骤：
1.
复制项目
：复制MotionMonitor项目文件夹。
2.
添加新属性
：在BIDViewController.h文件中添加一个指向NSTimer的指针，用于触发所有的显示更新：
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <CoreMotion/CoreMotion.h>
@interface BIDViewController : UIViewController
@property (retain) CMMotionManager *motionManager;
@property (retain) IBOutlet UILabel *accelerometerLabel;
@property (retain) IBOutlet UILabel *gyroscopeLabel;
@property (retain) NSTimer *updateTimer;
@end
- 合成新属性 ：在BIDViewController.m文件中合成新属性：
@implementation BIDViewController
@synthesize motionManager;
@synthesize accelerometerLabel;
@synthesize gyroscopeLabel;
@synthesize updateTimer;
- 修改viewDidLoad方法 ：删除原来的viewDidLoad方法，并用以下代码替换：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
self.motionManager = [[CMMotionManager alloc] init];
if (motionManager.accelerometerAvailable) {
motionManager.accelerometerUpdateInterval = 1.0/10.0;
[motionManager startAccelerometerUpdates];
} else {
accelerometerLabel.text = @"This device has no accelerometer.";
}
if (motionManager.gyroAvailable) {
motionManager.gyroUpdateInterval = 1.0/10.0;
[motionManager startGyroUpdates];
} else {
gyroscopeLabel.text = @"This device has no gyroscope.";
}
}
这个新的viewDidLoad方法只是设置了运动管理器，并为没有传感器的设备提供了信息标签。通过调用
startAccelerometerUpdates
和
startGyroUpdates
方法，激活了加速度计和陀螺仪的更新。之后，你可以随时从运动管理器中读取最新的值。
综上所述，通过Core Motion框架和CMMotionManager类，你可以方便地在iOS应用程序中访问加速度计和陀螺仪的数据。根据应用程序的需求，你可以选择基于事件的运动处理方式或主动式运动访问方式。这为开发各种有趣的应用程序（如游戏、健身应用等）提供了强大的支持。
探索iOS设备的陀螺仪与加速度计
5. 主动式运动访问的进一步优化
在前面我们已经将MotionMonitor应用程序修改为使用主动式运动访问。不过，为了更好地适应游戏等交互式应用的需求，还需要进一步优化。
在交互式游戏中，通常希望在视图实际显示时才激活相关功能，以减少不必要的资源消耗。对于我们添加的
NSTimer
，我们希望它仅在视图显示时才处于活动状态。
以下是进一步优化的步骤：
-
添加
viewWillAppear:
和
viewWillDisappear:
方法
：在
BIDViewController.m
文件中添加这两个方法，用来控制
NSTimer
的启动和停止。
- (void)viewWillAppear:(BOOL)animated {
[super viewWillAppear:animated];
self.updateTimer = [NSTimer scheduledTimerWithTimeInterval:1.0 / 10.0
target:self
selector:@selector(updateMotionLabels)
userInfo:nil
repeats:YES];
}
- (void)viewWillDisappear:(BOOL)animated {
[super viewWillDisappear:animated];
[self.updateTimer invalidate];
self.updateTimer = nil;
}
- (void)updateMotionLabels {
if (self.motionManager.accelerometerAvailable) {
CMAccelerometerData *accelerometerData = self.motionManager.accelerometerData;
NSString *accelerometerText = [NSString stringWithFormat:
@"Accelerometer\n-----------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",
accelerometerData.acceleration.x,
accelerometerData.acceleration.y,
accelerometerData.acceleration.z];
self.accelerometerLabel.text = accelerometerText;
}
if (self.motionManager.gyroAvailable) {
CMGyroData *gyroData = self.motionManager.gyroData;
NSString *gyroscopeText = [NSString stringWithFormat:
@"Gyroscope\n--------\nx: %+.2f\ny: %+.2f\nz: %+.2f",
gyroData.rotationRate.x,
gyroData.rotationRate.y,
gyroData.rotationRate.z];
self.gyroscopeLabel.text = gyroscopeText;
}
}
上述代码的工作流程如下：
1. 在
viewWillAppear:
方法中，创建一个
NSTimer
，每隔1/10秒调用一次
updateMotionLabels
方法。
2. 在
viewWillDisappear:
方法中，使
NSTimer
失效并将其置为
nil
，以停止定时器。
3.
updateMotionLabels
方法会检查加速度计和陀螺仪是否可用，如果可用则获取最新的数据并更新相应的标签文本。
6. 两种运动访问方式的对比
为了更清晰地了解基于事件的运动处理和主动式运动访问的区别，我们可以通过以下表格进行对比：
| 对比项 | 基于事件的运动处理 | 主动式运动访问 |
| ---- | ---- | ---- |
| 实现方式 | 向
CMMotionManager
传递块，运动发生时执行块代码 | 使用
startAccelerometerUpdates
和
startGyroUpdates
激活传感器，主动读取值 |
| 适用场景 | 普通Cocoa应用，对实时性要求不高 | 交互式游戏等需要实时获取设备状态的应用 |
| 代码复杂度 | 相对复杂，涉及块的使用和线程处理 | 相对简单，直接读取数据 |
| 资源消耗 | 可能会有较多的回调触发，资源消耗较大 | 按需读取数据，资源消耗相对较小 |
7. 总结与展望
通过对iOS设备中陀螺仪和加速度计的探索，我们了解了它们的基本原理和使用方法。加速度计可以感知设备的运动和重力，而陀螺仪可以检测设备的旋转。利用Core Motion框架和
CMMotionManager
类，我们可以方便地在应用程序中访问这些数据。
在实际开发中，我们可以根据应用程序的具体需求选择合适的运动访问方式。基于事件的运动处理适合一般的应用场景，而主动式运动访问更适合对实时性要求较高的交互式应用。
未来，随着移动设备硬件的不断发展，陀螺仪和加速度计的精度和功能可能会进一步提升。开发者可以利用这些更强大的功能开发出更加丰富、有趣和实用的应用程序，如更真实的游戏体验、更精准的运动监测应用等。
graph LR
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classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px
A([开始]):::startend --> B{选择运动访问方式}:::decision
B -->|基于事件| C(创建CMMotionManager实例和操作队列):::process
B -->|主动式| D(创建CMMotionManager实例):::process
C --> E(检查加速度计是否可用):::process
C --> F(检查陀螺仪是否可用):::process
D --> G(检查加速度计是否可用):::process
D --> H(检查陀螺仪是否可用):::process
E -->|可用| I(设置更新间隔并开始加速度计更新):::process
F -->|可用| J(设置更新间隔并开始陀螺仪更新):::process
G -->|可用| K(设置更新间隔并激活加速度计更新):::process
H -->|可用| L(设置更新间隔并激活陀螺仪更新):::process
I --> M(运动发生时执行块代码更新标签):::process
J --> N(运动发生时执行块代码更新标签):::process
K --> O(主动读取加速度计数据更新标签):::process
L --> P(主动读取陀螺仪数据更新标签):::process
M --> Q([结束]):::startend
N --> Q
O --> Q
P --> Q
这个流程图展示了基于事件的运动处理和主动式运动访问两种方式的整体流程，帮助我们更直观地理解它们的区别和实现步骤。
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