手機傳感器建筑測量實用算法與思想

趙新月 李志鵬 侯誠超 曹建濤 杜澤坤

(石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著電子產品的飛速發展，手機的智能化速度亦是超乎了我們的想象，從先前極少數人擁有一部手機，到現在智能手機在不同人群中隨處可見，僅經歷了短短幾年。說起智能手機之所以如此受歡迎，這與手機的智能化給人們帶來的便利是密不可分的，當然與智能手機的賣價能夠讓買家接受也有很大關系。對于我們測繪生而言，很多時候，當我們想知道某建筑物體的尺寸，如長、寬、高等值時，還要帶著重重的儀器去測量，不僅浪費了人力，還浪費了時間。對于其他人來說，也難免會遇到類似的情況，想要知道距離卻難耐現實的阻礙。由此，將智能手機與測距相結合，通過隨身攜帶的手機即可解決測量問題，不僅減少了工作量，更是十分便捷了測量操作。

1 手機坐標系

在開發前，首先要明白手機中的坐標系(如圖1所示)和慣性坐標系(如圖2所示)是不同的，手機中，x軸是朝向右的，y軸是豎直向上的，z軸是垂直于手機屏幕正面指向外的，也就是說手機的背面是z的負半軸。具體區別如下。

2 傳感器的介紹

手機測距要通過手機中的傳感器，相信很多人對傳感器一詞還是很陌生的，也不禁會發出疑問，小小的手機還裝著傳感器嗎，我怎么沒有體會到。首先，傳感器是一種檢測裝置，它的體積很小，一部小小的手機中就存在好多傳感器；數字化，智能化的程度高，功能種類也非常豐富，比如溫度傳感器，加速度傳感器，磁傳感器等等，這些傳感器就像人的感覺器官一樣，能夠感知外界環境的變化，并作出相應的反應。相信很多手機用戶都發現一個現象，當我們撥打或接聽電話時，將手機靠近臉部，耳旁進行說話時，我們的手機屏幕會變黑，而當我們通話結束，將手機遠離時，屏幕又會自動的亮起來，這就是手機中的光敏傳感器在搞怪，這樣就可以大大節省電量，延長手機待機時間。接下來，讓我們了解一下可用于測量的傳感器。

陀螺儀傳感器，也叫角加速度傳感器，通過調用這個傳感器，我們可以測量手機轉動，或者偏轉時的轉動角速度，但還要將手機坐標系下測得的數值轉換成慣性坐標系的數值。當角速度、旋轉軸已知，用四元數算法構造旋轉矩陣，隨后通過轉換，求得慣性系下的各軸加速度，相應的角度值也就解決了。

3 豎直高度測量與測量者到測量物距離測量

高度測量原理圖見圖3。

具體算法：

在三角形ABE中，依據正弦定理得：

(1)

e=c-a

(2)

由式(1)，式(2)解得：

(3)

在三角形AEF中，依據正弦定理得：

(4)

將式(3)代入式(4)解得：

BC=BE·cos(c-90°) (即可得到測量者距測量物的距離)。

4 水平距離測量與測量者到測量物距離測量

水平距離測量原理圖見圖4。

具體算法：

在三角形ABE中，依據正弦定理得：

(5)

e=c-a

(6)

由式(5)，式(6)解得：

(7)

在三角形AEF中，依據正弦定理得：

(8)

將式(7)代入式(8)解得：

BC=BE·cos(c-90°) (即可得到測量者距測量物的距離)。

5 通過安卓手機陀螺儀測角度相應代碼

安卓手機調用陀螺儀測角度相應代碼見圖5。

6 結語

手機陀螺儀傳感器具有的功能十分強大，不單單是測量，除此之外，手機的定位也與此傳感器有關，因此，加強對此傳感器的理解與應用會有很多益處，未來基于傳感器的APP開發將會有很多。希望讀者看了這篇文章能夠對此傳感器在測量上的應用有更深一步的了解；此數學算法依據正余弦定理，相對來說簡單易懂，希望給那些想要研發測量APP的朋友提供最直接的實現原理；文章所附的代碼需要有需求的人親自測試，僅提供一個參考的作用；最后希望這篇文章能幫助到需要這方面知識的人。