Core Motion: суштина, сензори покрета и обрада података

Шта је Core Motion?

Core Motion — Apple-ов системски оквир, представљен у iOS 4 за рад са сензорима покрета уређаја. Пружа јединствени интерфејс за приступ акцелерометру, жироскопу, магнетометру и педометру, ослобађајући програмера потребе за радом са хардверским драјверима на ниском нивоу.

Кључна предност Core Motion-а је хардверска филтрација података. Оквир аутоматски комбинује очитавања акцелерометра и жироскопа за израчунавање чистог userAcceleration без гравитационе компоненте, а такође даје оријентацију уређаја у простору у облику кватерниона и Ојлерових углова.

Према Apple WWDC 2023, Core Motion се користи у више од 80% фитнес апликација из App Store-а. Оквир је оптимизован за потрошњу енергије — учесталост испитивања сензора се аутоматски смањује у одсуству претплатника, продужавајући време рада уређаја на батерији.

Важна архитектонска карактеристика — употреба копроцесора M-серије (Motion coprocessor), који обрађује податке сензора покрета независно од главног процесора A-серије. Почевши од чипа M7 (iPhone 5S), копроцесор непрекидно прикупља податке акцелерометра и жироскопа, омогућавајући CMPedometer-у и CMAltimeter-у да раде у позадини са закључаним екраном уз потрошњу мању од 1 mW. Ово је постало могуће захваљујући хардверској изолацији: копроцесор има сопствену неиспарљиву меморију и магистралу података, независну од главног система.

Архитектура Core Motion-а

Архитектура Core Motion-а изграђена је по синглтон моделу преко CMMotionManager-а. Апликација добија једну инстанцу менаџера и преко њега конфигурише учесталост ажурирања, покреће или зауставља прикупљање података са сваког типа сензора. Подаци се достављају путем блокова са одређеним интервалом.

Оквир користи два режима добијања података: pull (активно испитивање кроз startAccelerometerUpdates) и push (пасивно примање кроз startAccelerometerUpdatesToQueue). Push режим је пожељнији за UI апликације, јер се подаци достављају у одређени ред без блокирања главне нити.

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)")
}

Сензори Core Motion-а

Core Motion пружа приступ четири категорије сензора: акцелерометар мери линеарно убрзање дуж три осе, жироскоп — угаону брзину ротације, магнетометар — јачину магнетног поља за компас. Четврта категорија — обједињени подаци CMDeviceMotion-а, који укључују филтрирана очитавања свих сензора.

CMDeviceMotion — највреднија класа за развој. Пружа userAcceleration (убрзање без гравитације), rotationRate (брзину ротације), magneticField (вектор магнетног поља) и attitude (оријентацију уређаја у облику кватерниона или Ојлерових углова). За израчунавање attitude, Core Motion користи фузију података жироскопа и акцелерометра по алгоритму сличном комплементарном филтеру.

Магнетометар се користи за корекцију дрифта жироскопа. Чисти жироскоп временом акумулира грешку због температурног дрифта и шума — магнетометар и акцелерометар исправљају ову грешку, обезбеђујући тачност оријентације до 1–2 степена у статичком положају.

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)")
}

Педометар и алтиметар

CMPedometer — класа за бројање корака, пређеног растојања и темпа кретања. Користи податке акцелерометра са хардверском обрадом на копроцесору покрета M-серије (M7/M8/M9/M10/M11). Ово омогућава рад у позадини са минималном потрошњом енергије — око 1% батерије за 8 сати непрекидног праћења.

CMAltimeter — класа за одређивање релативне висине на основу барометра уграђеног у iPhone 6 и новије. Показује промену висине у односу на почетну тачку са тачношћу од око 1 метра. Користи се у фитнес апликацијама за бројање спратова и у навигационим апликацијама за одређивање висинских разлика.

Подаци CMPedometer-а су доступни са кашњењем не већим од 5 секунди за тренутна очитавања. За историјске податке доступан је избор из последњих 7 дана путем queryPedometerData. Педометар аутоматски препознаје ходање, трчање и вожњу — ови типови активности доступни су путем queryPedometerData са филтером по типу.

Тачност и ограничења

Тачност CMPedometer-а износи око 95% при нормалном ходању и смањује се на 90% при трчању. На тачност утичу: положај телефона у џепу или ранцу, тип обуће и подлога. Apple препоручује коришћење CMPedometer-а у комбинацији са Core Location за одређивање удаљености на отвореном — GPS обезбеђује прецизнију удаљеност, а Core Motion — бројање корака.

let pedometer = CMPedometer()

guard CMPedometer
    .isStepCountingAvailable() else { return }

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

// Приступ алтиметру
let altimeter = CMAltimeter()
altimeter.startRelativeAltitudeUpdates(
    to: OperationQueue.current()!
) { data, _ in
    print("Висина: \(data?.relativeAltitude)")
}

Интеграција Core Motion-а у апликацију

Интеграција Core Motion-а не захтева посебне дозволе или entitlement — довољно је додати import оквира и креирати инстанцу CMMotionManager-а. Међутим, за CMPedometer од iOS 11 потребан је захтев за ауторизацију путем CMStepCounter-а или коришћење CMPedometer-а са захтевом за дозволу кроз системски дијалог.

Процес интеграције укључује: креирање CMMotionManager-а, проверу доступности сензора путем isAccelerometerAvailable / isGyroAvailable / isDeviceMotionAvailable, подешавање интервала ажурирања и покретање пријема података. Важно је зауставити ажурирања путем stopAccelerometerUpdates када подаци нису потребни — ово је критично за потрошњу енергије.

За рад у позадини, CMPedometer и CMAltimeter не захтевају додатна подешавања — они користе копроцесор покрета. За CMMotionManager рад у позадини није доступан — подаци се прикупљају само када је апликација активна и налази се у предњем плану. Једини услов за CMPedometer — апликација мора бити покренута бар једном од стране корисника након инсталације ради иницијализације претплате на позадинска ажурирања из iOS-а.

Оптимизација потрошње енергије

Core Motion подржава адаптивну учесталост испитивања: ако апликацији нису потребни подаци у реалном времену, довољно је подесити интервал од 1–5 Hz уместо 100 Hz. За фитнес апликације оптимална учесталост је 10 Hz за CMMotionManager и 1 Hz за CMPedometer. Apple препоручује смањење учесталости на минимално потребну за исправан рад.

За игре са управљањем нагибом потребна је учесталост од 60–100 Hz како би се обезбедила глаткоћа реакције. У овом случају важно је користити startDeviceMotionUpdates са одвојеним редом и обрађивати податке што је брже могуће. Према Apple-у, учесталост од 60 Hz троши приближно 2 пута више енергије од 30 Hz.

При раду са Core Motion-ом потребно је узети у обзир компатибилност уређаја: жироскоп недостаје на iPhone 3GS и iPad-у 1. генерације, магнетометар — на свим iPad-овима без ћелијског модула. За проверу доступности сензора користе се статичке методе isAccelerometerAvailable, isGyroAvailable и isDeviceMotionAvailable класе CMMotionManager. У симулатору Core Motion враћа тест податке — за отклањање грешака на стварном сензору увек је потребан физички Apple уређај.

// Оптимално подешавање за фитнес апликацију
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()
    }
}