Реализация Core Motion (акселерометр, гироскоп) в iOS-приложении

Реализация Core Motion (акселерометр, гироскоп) в iOS-приложении

CoreMotion — единая точка входа к инерциальным датчикам iPhone и iPad: акселерометр, гироскоп, магнитометр, барометр, Motion Coprocessor. Прямой доступ к «сырым» данным с 100 Гц плюс обработанные данные Device Motion с коррекцией гравитации и фильтрацией дрейфа гироскопа. Большинство задач решается на уровне Device Motion — не нужно реализовывать Madgwick или Mahony фильтр вручную.

CMMotionManager: один экземпляр на приложение

Это не рекомендация — это требование. Несколько экземпляров CMMotionManager в разных частях приложения приводят к конфликту обновлений и непредсказуемому поведению. Стандартное решение — singleton через DI-контейнер или статическое свойство:

final class MotionManager {
    static let shared = MotionManager()
    let motion = CMMotionManager()
    private init() {}
}

Device Motion vs Raw Accelerometer

Raw Accelerometer (startAccelerometerUpdates) — полное ускорение: сумма гравитации и линейного ускорения от движения. На iPhone в покое на столе: (x: 0, y: 0, z: -1) приблизительно — это g ≈ 9.81 м/с² по оси Z. При наклоне — проекция гравитации меняется по всем осям.

Device Motion (startDeviceMotionUpdates) — ускорение уже без гравитации (userAcceleration), плюс attitude (ориентация в пространстве: pitch, roll, yaw), плюс rotationRate с коррекцией дрейфа.

let manager = MotionManager.shared.motion
manager.deviceMotionUpdateInterval = 1.0 / 60.0 // 60 Гц

manager.startDeviceMotionUpdates(
    using: .xMagneticNorthZVertical,
    to: .main
) { [weak self] motion, error in
    guard let motion = motion else { return }

    let pitch = motion.attitude.pitch  // наклон вперёд/назад (радианы)
    let roll = motion.attitude.roll    // наклон влево/вправо
    let yaw = motion.attitude.yaw      // поворот вокруг вертикальной оси

    let accel = motion.userAcceleration  // линейное ускорение без гравитации
    let rotation = motion.rotationRate   // угловая скорость рад/с
}

CMAttitudeReferenceFrame.xMagneticNorthZVertical — ориентация относительно магнитного севера, Z вверх. Для игровых приложений и AR — правильный выбор. Для простой детекции жестов — xArbitraryZVertical (без магнитометра, меньше потребление).

Практические применения

Детекция жестов

Shake gesture встроен в UIKit, но ограничен. Для кастомных жестов — анализ userAcceleration. Паттерн встряхивания: пики ускорения > 2.5g с чередованием знаков на одной оси за < 500 мс.

var accelerationHistory: [Double] = []

// В обработчике device motion:
let magnitude = sqrt(
    pow(motion.userAcceleration.x, 2) +
    pow(motion.userAcceleration.y, 2) +
    pow(motion.userAcceleration.z, 2)
)

accelerationHistory.append(magnitude)
if accelerationHistory.count > 30 { accelerationHistory.removeFirst() }

let peakCount = accelerationHistory.filter { $0 > 2.5 }.count
if peakCount >= 3 {
    triggerShakeAction()
    accelerationHistory.removeAll()
}

Определение ориентации и наклона

Для приложений-уровней, AR-разметки, управления камерой: attitude.pitch и attitude.roll достаточно точны (ошибка < 1° в стационарных условиях).

Педометрия без CMPedometer

На устройствах без поддержки CMPedometer (iPod Touch без Motion Coprocessor) — детекция шагов из акселерометра. Алгоритм: low-pass фильтр на userAcceleration.y, детекция пиков > 0.2g с минимальным интервалом 300 мс.

CMAltimeter: барометрическая высота

CMAltimeter — отдельный класс для барометра:

let altimeter = CMAltimeter()

guard CMAltimeter.isRelativeAltitudeAvailable() else { return }

altimeter.startRelativeAltitudeUpdates(to: .main) { data, error in
    guard let data = data else { return }
    let relativeAltitude = data.relativeAltitude.doubleValue // метры от старта
    let pressure = data.pressure.doubleValue // кПа
}

relativeAltitude — изменение высоты от момента старта обновлений, не абсолютная высота над уровнем моря. Точность: ±0.1 м в стабильных погодных условиях. Используется для подсчёта этажей в CMPedometer.floorsAscended и для фитнес-приложений (набор/сброс высоты на маршруте).

Управление частотой и батарея

Не держать датчики активными без необходимости: stopDeviceMotionUpdates() в viewDidDisappear или при переходе в фон (если данные в фоне не нужны).

Сроки

Интеграция базовых датчиков (акселерометр, гироскоп, attitude) с конкретным прикладным сценарием — 3–7 рабочих дней. Сложные алгоритмы обработки сигналов (детекция активностей, жестов, педометрия) — 2–4 недели.