Core Motion: istota, czujniki ruchu i przetwarzanie danych

Czym jest Core Motion?

Core Motion — systemowy framework Apple, wprowadzony w iOS 4 do pracy z czujnikami ruchu urządzenia. Zapewnia jednolity interfejs dostępu do akcelerometru, żyroskopu, magnetometru i krokomierza, oszczędzając programiście konieczności pracy z sterownikami sprzętowymi na niskim poziomie.

Kluczową zaletą Core Motion jest sprzętowa filtracja danych. Framework automatycznie łączy odczyty akcelerometru i żyroskopu w celu obliczenia czystego userAcceleration bez składowej grawitacyjnej, a także podaje orientację urządzenia w przestrzeni w postaci kwaternionów i kątów Eulera.

Według Apple WWDC 2023, Core Motion jest używany w ponad 80% aplikacji fitness w App Store. Framework jest zoptymalizowany pod kątem zużycia energii — częstotliwość odpytywania czujników automatycznie spada przy braku subskrybentów, wydłużając czas pracy urządzenia na baterii.

Ważną cechą architektoniczną jest wykorzystanie koprocesora serii M (Motion coprocessor), który przetwarza dane czujników ruchu niezależnie od głównego procesora serii A. Począwszy od chipa M7 (iPhone 5S), koprocesor stale zbiera dane akcelerometru i żyroskopu, umożliwiając CMPedometer i CMAltimeter pracę w tle przy zablokowanym ekranie z poborem mocy poniżej 1 mW. Stało się to możliwe dzięki izolacji sprzętowej: koprocesor posiada własną nieulotną pamięć i magistralę danych, niezależną od głównego systemu.

Architektura Core Motion

Architektura Core Motion zbudowana jest według modelu singleton poprzez CMMotionManager. Aplikacja otrzymuje pojedynczą instancję menedżera i za jego pomocą konfiguruje częstotliwość aktualizacji, uruchamia lub zatrzymuje zbieranie danych z każdego typu czujnika. Dane są dostarczane przez bloki z określonym interwałem.

Framework wykorzystuje dwa tryby pozyskiwania danych: pull (aktywne odpytywanie przez startAccelerometerUpdates) i push (pasywne otrzymywanie przez startAccelerometerUpdatesToQueue). Tryb push jest preferowany dla aplikacji UI, ponieważ dane są dostarczane do określonej kolejki bez blokowania głównego wątku.

import CoreMotion

let motionManager = CMMotionManager()
motionManager.accelerometerUpdateInterval = 0.1

guard motionManager
    .isAccelerometerAvailable else { return }

motionManager.startAccelerometerUpdates(
    to: OperationQueue.current()!
) { data, _ in
    guard let accel = data?.acceleration else { return }
    print("X: \(accel.x), Y: \(accel.y), Z: \(accel.z)")
}

Czujniki Core Motion

Core Motion zapewnia dostęp do czterech kategorii czujników: akcelerometr mierzy liniowe przyspieszenie w trzech osiach, żyroskop — prędkość kątową obrotu, magnetometr — natężenie pola magnetycznego dla kompasu. Czwarta kategoria — połączone dane CMDeviceMotion, które obejmują filtrowane odczyty wszystkich czujników.

CMDeviceMotion — najcenniejsza klasa do programowania. Dostarcza userAcceleration (przyspieszenie bez grawitacji), rotationRate (prędkość obrotu), magneticField (wektor pola magnetycznego) i attitude (orientacja urządzenia w postaci kwaternionu lub kątów Eulera). Do obliczania attitude Core Motion wykorzystuje fuzję danych żyroskopu i akcelerometru według algorytmu podobnego do filtra komplementarnego.

Magnetometr służy do korekcji dryfu żyroskopu. Czysty żyroskop z czasem gromadzi błąd z powodu dryfu temperaturowego i szumu — magnetometr i akcelerometr korygują ten błąd, zapewniając dokładność orientacji do 1–2 stopni w pozycji statycznej.

guard motionManager
    .isDeviceMotionAvailable else { return }

motionManager.deviceMotionUpdateInterval = 1.0 // 1 Hz

motionManager.startDeviceMotionUpdates(
    using: .xArbitraryZVertical,
    to: OperationQueue.current()!
) { motion, _ in
    guard let attitude = motion?.attitude else { return }
    print("Roll: \(attitude.roll)")
    print("Pitch: \(attitude.pitch)")
    print("Yaw: \(attitude.yaw)")
}

Krokomierz i altimetr

CMPedometer — klasa do liczenia kroków, przebytego dystansu i tempa ruchu. Wykorzystuje dane akcelerometru z sprzętowym przetwarzaniem na koprocesorze ruchu serii M (M7/M8/M9/M10/M11). Umożliwia to pracę w tle z minimalnym zużyciem energii — około 1% baterii na 8 godzin ciągłego śledzenia.

CMAltimeter — klasa do określania względnej wysokości na podstawie barometru, zainstalowanego w iPhone 6 i nowszych. Pokazuje zmianę wysokości względem punktu początkowego z dokładnością około 1 metra. Używany w aplikacjach fitness do liczenia pięter i w nawigacyjnych do określania różnic wysokości.

Dane CMPedometer są dostępne z opóźnieniem nie większym niż 5 sekund dla bieżących odczytów. Dla danych historycznych dostępny jest wybór z ostatnich 7 dni przez queryPedometerData. Krokomierz automatycznie rozpoznaje chodzenie, bieganie i jazdę — te typy aktywności są dostępne przez queryPedometerData z filtrem według typu.

Dokładność i ograniczenia

Dokładność CMPedometer wynosi około 95% przy normalnym chodzeniu i spada do 90% przy bieganiu. Na dokładność wpływają: umieszczenie telefonu w kieszeni lub plecaku, rodzaj obuwia i nawierzchnia. Apple zaleca używanie CMPedometer w połączeniu z Core Location do określania dystansu na otwartym powietrzu — GPS zapewnia dokładniejszy dystans, a Core Motion — liczenie kroków.

let pedometer = CMPedometer()

guard CMPedometer
    .isStepCountingAvailable() else { return }

pedometer.startUpdates(from: Date()) { data, _ in
    guard let pedData = pedometerData else { return }
    print("Kroki: \(pedData.numberOfSteps)")
    print("Dystans: \(pedData.distance)")
}

// Dostęp do altimetru
let altimeter = CMAltimeter()
altimeter.startRelativeAltitudeUpdates(
    to: OperationQueue.current()!
) { data, _ in
    print("Wysokość: \(data?.relativeAltitude)")
}

Integracja Core Motion w aplikacji

Integracja Core Motion nie wymaga specjalnych uprawnień ani entitlement — wystarczy dodać import frameworka i utworzyć instancję CMMotionManager. Jednak dla CMPedometer od iOS 11 wymagane jest żądanie autoryzacji przez CMStepCounter lub użycie CMPedometer z żądaniem zgody przez systemowe okno dialogowe.

Proces integracji obejmuje: utworzenie CMMotionManager, sprawdzenie dostępności czujnika przez isAccelerometerAvailable / isGyroAvailable / isDeviceMotionAvailable, ustawienie interwału aktualizacji i uruchomienie pobierania danych. Ważne jest zatrzymywanie aktualizacji przez stopAccelerometerUpdates, gdy dane nie są potrzebne — ma to krytyczne znaczenie dla zużycia energii.

Do pracy w tle krokomierza CMPedometer i altimetru CMAltimeter nie wymagają dodatkowych ustawień — wykorzystują koprocesor ruchu. Dla CMMotionManager praca w tle jest niedostępna — dane są zbierane tylko gdy aplikacja jest aktywna i znajduje się na pierwszym planie. Jedynym warunkiem dla CMPedometer jest to, że aplikacja musi być przynajmniej raz uruchomiona przez użytkownika po instalacji w celu inicjalizacji subskrypcji aktualizacji w tle z iOS.

Optymalizacja zużycia energii

Core Motion obsługuje adaptacyjną częstotliwość odpytywania: jeśli aplikacja nie potrzebuje danych w czasie rzeczywistym, wystarczy ustawić interwał 1–5 Hz zamiast 100 Hz. Dla aplikacji fitness optymalna częstotliwość to 10 Hz dla CMMotionManager i 1 Hz dla CMPedometer. Apple zaleca obniżanie częstotliwości do minimalnie wymaganej dla poprawnego działania.

Dla gier z sterowaniem poprzez przechylanie wymagana jest częstotliwość 60–100 Hz, aby zapewnić płynność reakcji. W tym przypadku ważne jest użycie startDeviceMotionUpdates z oddzielną kolejką i jak najszybsze przetwarzanie danych. Według Apple, częstotliwość 60 Hz zużywa około 2 razy więcej energii niż 30 Hz.

Podczas pracy z Core Motion należy uwzględnić kompatybilność urządzeń: żyroskop jest nieobecny w iPhone 3GS i iPad 1. generacji, magnetometr — we wszystkich iPad bez modułu komórkowego. Do sprawdzenia dostępności czujników służą statyczne metody isAccelerometerAvailable, isGyroAvailable i isDeviceMotionAvailable klasy CMMotionManager. W symulatorze Core Motion zwraca dane testowe — do debugowania na rzeczywistym czujniku zawsze potrzebne jest fizyczne urządzenie Apple.

// Optymalna konfiguracja dla aplikacji fitness
motionManager.deviceMotionUpdateInterval = 0.1 // 10 Hz

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

    if motion.userAcceleration.magnitude() > 2.0 {
        self.detectedSignificantMovement()
    }
}