当我的 Android 设备不平坦时，我应该如何计算方位角、俯仰角、方向？答案

【问题标题】：How should I calculate azimuth, pitch, orientation when my Android device isn't flat?当我的 Android 设备不平坦时，我应该如何计算方位角、俯仰角、方向？
【发布时间】：2021-04-07 22:39:34
【问题描述】：

我正在使用 Android 重力和磁场传感器通过 SensorManager.getRotationMatrix 和 SensorManager.getOrientation 计算方向。这给了我方位角、俯仰角和方向数字。当设备平放在桌子上时，结果看起来很合理。

但是，我在清单中禁用了纵向和横向之间的切换，因此 getWindowManager().getDefaultDisplay().getRotation() 始终为零。当我将设备旋转 90 度使其垂直站立时，我遇到了麻烦。有时数字看起来很错误，我意识到这与Gimbal lock 有关。但是，其他应用程序似乎没有这个问题。例如，我将我的应用与两个免费的传感器测试应用（Sensor Tester (Dicotomica) 和Sensor Monitoring (R's Software)）进行了比较。当设备平放时，我的应用程序与这些应用程序一致，但当我将设备旋转到垂直位置时，可能会有显着差异。这两个应用似乎彼此一致，那么它们如何解决这个问题呢？

【问题讨论】：

标签： android orientation sensors

【解决方案1】：

当设备不平整时，您必须先调用remapCoordinateSystem(inR, AXIS_X, AXIS_Z, outR);，然后再调用getOrientation。

getOrientation返回的azimuth是通过将设备单元Y axis正交投影到世界East-North plane然后计算得到的投影向量与北轴之间的角度得到的。

现在我们通常认为方向是后置摄像头指向的方向。那是-Z 的方向，其中Z 是指向屏幕外的设备轴。当设备是扁平的时，我们不会考虑方向并接受任何给定的东西。但是当它不平坦时，我们预计它是-Z 的方向。但是getOrientation计算Y axis的方向，因此我们需要在调用getOrientation之前交换Y and Z axes。这正是remapCoordinateSystem(inR, AXIS_X, AXIS_Z, outR) 所做的，它保持X axis 完整并映射Z to Y。

现在你怎么知道何时remap 或不。你可以通过检查来做到这一点

float inclination = (float) Math.acos(rotationMatrix[8]);
if (result.inclination < TWENTY_FIVE_DEGREE_IN_RADIAN 
            || result.inclination > ONE_FIFTY_FIVE_DEGREE_IN_RADIAN)
{
    // device is flat just call getOrientation
}
else
{
    // call remap
}

上面的倾角是设备屏幕与世界东西北平面的夹角。它显示设备倾斜的程度。

【讨论】：

感谢您的回复。但是，这不是这两个免费传感器应用程序正在做的事情，因为当倾斜度超过 25（或 155 度）时，根据您的建议，由于轴的切换，俯仰和横滚数字会跳跃。免费传感器应用程序的俯仰和横滚数字不会跳跃。此外，轴到 AXIS_X 和 AXIS_Z 的切换仅对一个方向的倾斜是正确的，对于其他方向的倾斜，它会导致不正确的方位角跳跃（尽管毫无疑问，通过调整切换到的轴可能是正确的）。跨度>
用于不调用 remap 的俯仰和横滚值，仅用于方位角。我不明白你向另一个方向倾斜是什么意思？如果您的意思是屏幕不面向您，那么方向肯定与屏幕面向您时的方向相反。
感谢您的想法，但其他答案似乎提供了更一致的方法。
这是几乎所有关于 AR 应用程序的文章中都写的通用方法，也从 Play 商店的一些 3D 指南针中检查了它。每个应用程序都提供相同的方位角，但在设备平坦时获得的值之间存在差异。相差约10度。我还没能解决这个问题。当设备放在表面上或平放时，您不会得到相同的结果。

【解决方案2】：

我认为，当设备不平坦时，定义方向角的最佳方法是使用更合适的角坐标系，该坐标系是您从SensorManager.getOrientation(...) 获得的标准欧拉角。我建议使用我描述的here on math.stackexchange.com。我还在an answer here 中放了一些实现它的代码。除了方位角的良好定义外，它还定义了俯仰角，这正是Math.acos(rotationMatrix[8]) 给出的角度，在另一个答案中提到。

您可以从我在第一段中给出的两个链接中获得完整的详细信息。但是，总而言之，SensorManager.getRotationMatrix(...) 中的旋转矩阵 R 是

其中 (E_x, E_y, E_z), (N_x, N_y, N_z) 和 (G_x, G_y, G_z) 是指向正东、正北和重力方向的向量。然后你想要的方位角由

给出

【讨论】：

不幸的是，这不适用于我从SensorManager.getRotationMatrixFromVector（使用传感器TYPE_ROTATION_VECTOR）获得的旋转矩阵。当我计算 double a = Math.toDegrees(Math.atan((r[1] - r[3]) / (r[0] + r[4])));（其中 r 是旋转矩阵）时，我总是以 -90 a 的角度结束

【解决方案3】：

我将使用 Hoan 的回答添加一个对我有用的示例，并重点介绍一些现在可用的新资源，这些资源在查看需要使用陀螺仪传感器的应用时可能会有所帮助。

首先，有一个带有示例应用程序的 Google 代码实验室 - 我发现完整的示例应用程序对于理解设备行为非常有用。

应用显示如下：

代码实验室和最终应用版本可在以下链接中获得（在撰写本文时）：

特别是这允许您进行以下实验（它比描述更容易做......）：

将您的设备平放在桌子上，并尝试在平放的情况下在桌子上旋转，同时抬起顶部和底部（即，将显示屏的顶部（通常是前置摄像头所在的位置）从桌子上抬起，同时离开底部，其中您的主页按钮通常是在桌面上（如果有）。同样，抬起设备的左右边缘。观察应用中的方位角、俯仰角和滚动值。
以纵向模式将您的设备靠在衣柜门上，然后再次尝试移动它。开门见效。旋转到横向查看差异。

我认为您可能从上面看到的关键是，一切都非常简单，并且在平坦时运行良好，而在不平坦时，一切都很复杂且相互关联。

具体看一个用例，我必须在纵向模式下垂直显示俯仰和滚动，以下对我有用：

 when (event?.sensor?.type) {
            Sensor.TYPE_ROTATION_VECTOR -> {

                // Calculate the rotation matrix
                val rotMatrix = FloatArray(9)
                var rotationMatrixAdjusted = FloatArray(9)
                val azimuthChanged: (Float) -> Unit
                val orientation = FloatArray(3)
                SensorManager.getRotationMatrixFromVector(rotMatrix, event.values);
                SensorManager.remapCoordinateSystem(rotMatrix,
                        SensorManager.AXIS_Y, SensorManager.AXIS_MINUS_X,
                        rotationMatrixAdjusted);
                SensorManager.getOrientation(rotationMatrixAdjusted, orientation)

                val rollAngleRadians = orientation[1]
                val pitchAngleRadians = orientation[2]
                              
                //Report results back to listener
                thisListener.onRollPitchEvent(rollAngleRadians, pitchAngleRadians)
            }
        }

【讨论】：