说文解字第23课:姿态感应器Orientation Sensor

当我们使用即时通讯App加入好友时,可以透过摇一摇手机的方式与朋友配对,难不成手机里住着小精灵,会感应到手机摇晃的情况?当然不是。先了解六轴姿态是什么相信没有人会认真以为手机里着小精灵,不过话说回来,手机又是怎么感应运动情况的呢,在回答这个

当我们使用即时通讯App加入好友时,可以透过摇一摇手机的方式与朋友配对,难不成手机里住着小精灵,会感应到手机摇晃的情况?当然不是。

先了解六轴姿态是什么

相信没有人会认真以为手机里着小精灵,不过话说回来,手机又是怎么感应运动情况的呢,在回答这个问题之前,我们要先了解常常听到的「六轴姿态」、「六轴感应」中的六轴是如何定义。

为了要描述物体在空间中的位置,在数学上我们习惯使用三维直角座标,这种系统具有3组彼此互相正交的座标轴,如下面的附图所示,3组座标轴的代号分别是X、Y、Z。其中X与Y轴分别代表平面上的前后与左右,Z轴则是高低,我们只要指出物体的座标,就能知道它的位置。

而物体在空间中移动的速度与加速度,也能利用座标描述情况,例如以时速5公里沿着X轴移动,如此一来我们就可以知道移动的方向与速度。但是如果不是沿着轴的方向移动,这样要怎么描述呢?这时候只要将移动的情况拆分为3组分量,分别计算沿着X、Y、Z轴方向移动的速度就可以了,例如往斜上的方式移动,就可以将它拆分为往前与往上的2组分量,并在计算时将其合成、还原为斜上方向即可。

至于转动部分,也是以X、Y、Z轴的方式描述,看物体是绕着哪个座标轴旋转。以烤肉串来形容,就会好懂许多,如果肉串像沙威玛一样直立旋转的话,我们就会说它沿着Z轴旋转。当物体同时沿多个轴向旋转的话,也只需将它拆成3组分量描述即可。

如果上述内容太过深奥,让读者有看没有懂的话,不妨将座标系统想像为1架飞机,机身的前后方向就是X轴,机翼展开的左右方向则是Y轴,至于上下方向就是Z轴。

在移动部分,飞机的前进、后退就是沿X轴移动,左、右平移则是沿Y轴移动,上升与下降就是沿Z轴移动。至于转动部分,机身的滚转是沿X轴转动,机首的偏航是沿Y轴转动,俯仰角度的改变则是沿Z轴转动。

有了这些座标系统后,我们就能透过3轴移动与3轴转动的数据,描述物体在空间中的移动,由于移动与转动分别使用3个座标轴来描述,因此总体就称为六轴姿态。

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▲我们习惯用X、Y、Z等3组座标轴描述立体空间。(图片来源:维基百科,本图採用创用CC姓名标示-相同方式分享,作者为Falcorian)h

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▲六轴姿态就分别是沿着3组座标轴的移动与转动。(图片来源:维基百科,本图採用创用CC姓名标示-相同方式分享,作者为Quirón5)

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▲转动可能是大家会觉得比较複杂的部分,如果用飞机来想像的话,X轴转动就是飞机的滚转。

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▲Y轴转动则是飞机俯仰角度的变化。

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▲Z轴转动则对应飞机机首方向的偏航。

 

透过晶片侦测手机姿态

在智慧型手机或其他电子装置上侦测六轴姿态,主要是透过微机电加速规与陀螺仪等晶片来达成,加速规的功能是测量移动的加速度,而陀螺仪则是测量转动的角加速度。

不同于传统採用机械式结构的设计,微机电加速规与陀螺仪则是採用电子方式进行测量,这类晶片中包含会随移动、转动产生微小偏移的细小元件,当这些元件偏移的时候,最在晶片内部产生微小的电容变化,只要侦测这些变化就能推算出加速度与角加速度,发挥加速规与陀螺仪测量移动与转动的功能。

有了姿态感应器之后,系统就能知道使用者是否摇动、转动手机,例如Line的「摇一摇、加好友」,或是游戏的体感控制,都是利用姿态感应器来达成的功能。

例如任天堂Wii以及Sony PlayStation 3、PlayStation 4的控制器,也都内建姿态感应器,因此可以用于操作体感游戏。以棒球打击为例来说明,游戏开发者可以在开发过程中,事先测量各种挥棒方式下,每个座标轴加速度与角加速度的变化情况,在实际游玩时,程式就可以将玩家挥棒的情况,转换成六轴姿态的参数,计算出挥棒的角度与力道,并将成果呈现于游戏中,让游戏更加刺激有趣。

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▲Line的加好友功能,会透过姿态感应器侦测摇动状况。

▲Wii Sports的体感控制功能,就是将测量到的六轴姿态的参数,转换为游戏的操作指令。

 

说文解字使用範例:

O:智慧型手机中的姿态感应器能够侦测手机的移动和旋转,可以应用于操控游戏。

X:把姿态感应器装在坐姿不端正的人身上,就能校正姿势。

原创文章,作者:甜可芯,如若转载,请注明出处:https://www.53moban.com/8161.html

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