如何在安卓设备上使用加速度计来跟踪路径？

Question

我希望创建一个在安卓上追踪路径的应用程序。我已经使用以下代码计算不同方向上的加速度。

package com.example.usrivast.accelerometer;

import android.app.Activity;
import android.hardware.Sensor;
import android.hardware.SensorEvent;
import android.hardware.SensorEventListener;
import android.hardware.SensorManager;
import android.os.Bundle;
import android.view.Menu;
import android.view.MenuItem;
import android.widget.TextView;


public class MainActivity extends Activity implements SensorEventListener{

Sensor accelerometer = null;
SensorManager sm = null;
TextView acceleration = null;

@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_main);
    sm = (SensorManager)getSystemService(SENSOR_SERVICE);
    accelerometer = sm.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);
    sm.registerListener(this, accelerometer, SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);
    acceleration = (TextView)findViewById(R.id.acceleration);
}


@Override
public boolean onCreateOptionsMenu(Menu menu) {
    // Inflate the menu; this adds items to the action bar if it is present.
    getMenuInflater().inflate(R.menu.menu_main, menu);
    return true;
}

@Override
public boolean onOptionsItemSelected(MenuItem item) {
    // Handle action bar item clicks here. The action bar will
    // automatically handle clicks on the Home/Up button, so long
    // as you specify a parent activity in AndroidManifest.xml.
    int id = item.getItemId();

    //noinspection SimplifiableIfStatement
    if (id == R.id.action_settings) {
        return true;
    }

    return super.onOptionsItemSelected(item);
}

@Override
public void onSensorChanged(SensorEvent event) {

    acceleration.setText("x: " + event.values[0] + "\ny: " + event.values[1] + "\nz: " + event.values[2]);
}

@Override
public void onAccuracyChanged(Sensor sensor, int accuracy) {
   }
}

但是我无法理解这些数值的输出。它们变化非常快。即使我的手机处于静止状态，这些值也会变化。 当我的手机静置在桌子上时，这些值的示例为： x：-0.1278 y：0.2968 z：9.6323 它们变化非常快。我正在使用 Nexus 5。

- Utkarsh Srivastav

Answer 1

智能手机中的加速度计非常便宜和微小。这意味着它们的输出质量非常差。

你会注意到的第一件事是你已经注意到的，也就是数值非常嘈杂。这意味着数值会不停地随机上下跳动。这只是典型的信号噪音或白噪声，而廉价的传感器会有很多这种噪音，特别是当它们被装在一个有很多数字电子和天线（wifi、蜂窝频率等）的小包装中时。找出消除这种噪音的方法是一个独立的科学领域（称为信号处理），比你想象的要复杂得多。一个基本的想法是使用某种低通滤波器。

第二件事你现在不会注意到，但如果你尝试对信号进行更多操作（特别是积分），你就会注意到。这个问题与传感器中的偏差有关。基本上，这个问题是关于零加速度在传感器上没有注册为零的问题。为了复杂化问题，这个“偏差”通常会漂移并随时间改变（并且也会随温度改变，例如当电池变热或手机握在手心时）。再次提到，正确消除这种偏差并不容易（可能只需应用高通滤波器，但首选方法是使用扩展卡尔曼滤波器）。

第三个问题是非线性。大多数廉价加速度计的加速度和测量值之间远非线性关系。它们通常被设计成相对于0比较线性，并且在它们可以测量的加速度范围的上下界附近变得更糟。因此，如果你不进行过于剧烈的运动，这不会成为问题。

所有这些问题的结果是，智能手机内部的加速度计根本不足以产生像手机运动路径的轨迹这样精确的东西。要实际生成此路径，您需要对信号进行数值积分两次（一次获取速度，一次获取位置）。数值积分通常会使上述每个问题变得更糟，并且两次执行将是灾难性的。大多数可以应用于消除噪声和/或偏差的滤波器在集成信号时会添加其他问题。无论如何，您都在与某些不可战胜的自然力作斗争，信号处理是一个非常苛刻的领域，最重要的是，如果您希望获得除了垃圾之外的任何东西，即垃圾输入，垃圾输出，那么您需要更好的信号才能开始。

这就是为什么智能手机中的加速度计很少用于除检测手机所持方向（这是基于平均一段时间的加速度计值的简单计算）和检测相当激烈的手势（检测值上的大/长尖峰）之外的任何事情。即使是像Wii-mote这样具有更好传感器的设备也不能用于重新创建路径，因为信号仍然太嘈杂和偏倚。

- Mikael Persson

---

从加速度中确定位置的系统被称为惯性导航系统。它们确实很复杂，军方开发价值数十亿美元的GPS来替代INS也是有充分理由的。 - MSalters