用移动设备的陀螺仪制作球平衡游戏

Question

正如标题已经说过的，我目前正在做一个小的球平衡游戏，使用陀螺仪旋转旋转一个带有球的浮动平台。我经常遇到的问题是:我不能锁定y轴。我使用了欧拉角，它工作得很完美，但我必须处理万向节锁。因为我不想处理欧拉的这个问题，所以我试着用四元数代替，它确实是以某种方式起作用的。我可以设置旋转，并可以定义一个校准偏移陀螺仪。如果我不计算这个偏移量，旋转将是绝对的，而不是相对于无名氏的世界空间。但是我总是有某种y旋转，即使我把四元数设置为0。

例如:我开始游戏，校准陀螺仪到我的旋转，但之后，围绕y轴旋转在现实世界的空间。这个平台一直面向着摄像机，但旋转轴也是如此。

正常的行为和它应该是怎样的(在真实的空间里没有y轴的旋转)：https://www.nani-games.net/share/umSc6XH1vE.gif

实际行为和它不应该是什么(在现实世界空间中y轴的旋转)：https://www.nani-games.net/share/AVicmV4fWe.gif

我已经尝试过的东西列表：

使用欧拉角和四元数组合组成一个新的四元数和所需参数/ rotations

• Using Quaternion.AngleAxis以改变欧拉axes

• Checking的顺序--约束下平台刚体的“冻结Y旋转”框(这不起作用，因为我不是用力来旋转，而是直接设置旋转)

如何建立我的场景： https://www.nani-games.net/share/Unity_fAQKW7cfPK.png

我有两个脚本，用来获得陀螺仪的旋转，使它在统一中有用，并用来旋转其他物体。

一个名为DeviceRotation的静态脚本。它激活陀螺仪并从它获得旋转：

using UnityEngine;

static class DeviceRotation
{
    public static Quaternion offsetRotation;

    private static bool gyroInitialized = false;

    public static bool HasGyroscope
    {
        get
        {
            return SystemInfo.supportsGyroscope;
        }
    }

    public static Quaternion Get()
    {
        if (!gyroInitialized)
        {
            InitGyro();
        }

        return HasGyroscope
            ? ReadGyroscopeRotation()
            : Quaternion.identity;
    }

    private static void InitGyro()
    {
        if (HasGyroscope)
        {
            Input.gyro.enabled = true;
            Input.gyro.updateInterval = 0.0167f; // 60Hz
        }
        gyroInitialized = true;
    }

    private static Quaternion ReadGyroscopeRotation()
    {
        return new Quaternion(0.5f, 0.5f, -0.5f, 0.5f) * Input.gyro.attitude * new Quaternion(0, 0, 1, 0);
    }

    public static void calibrateCoords()
    {
        Quaternion deviceRotation = Get();
        offsetRotation = deviceRotation;
    }
}

是附加到platform对象的第二个脚本。它获得一个校准四元数，从校准四元数中计算出一个新的四元数和一个不断更新的四元数(都来自陀螺旋转)，然后将平台转换为这个新的旋转：。

using UnityEngine;
using UnityEngine.UI;

public class Gyroscope : MonoBehaviour
{
    public Button resetSphere;
    public Button calibrate;
    public GameObject sphere;

    public Text platformCoords;
    public Text gyroOffsetCoords;

    void Start()
    {
        DeviceRotation.calibrateCoords();
        calibrate.onClick.AddListener(DeviceRotation.calibrateCoords);

        setGyroRotation();
        resetSphere.onClick.AddListener(ResetSphere);
    }

    void Update()
    {
        setGyroRotation();

        Vector3 offsetRotationEuler = DeviceRotation.offsetRotation.eulerAngles;
        gyroOffsetCoords.text = "GyroOffset:\n" +
                                "X: " + offsetRotationEuler.x + "\n" +
                                "Y: " + offsetRotationEuler.y + "\n" +
                                "Z: " + offsetRotationEuler.z;
    }

    private void ResetSphere()
    {
        GameObject temp_sphere = Instantiate(sphere);
        temp_sphere.transform.position = new Vector3(0, 3, 0);
    }

    private void setGyroRotation()
    {
        Quaternion deviceRotation = DeviceRotation.Get();
        Quaternion newRotation = Quaternion.Inverse(DeviceRotation.offsetRotation) * deviceRotation;
        transform.localRotation = newRotation;

        Vector3 platformAngles = transform.localRotation.eulerAngles;
        platformCoords.text = "Platform:" + "\n" +
                              "X: " + platformAngles.x + "\n" +
                              "Y: " + platformAngles.y + "\n" +
                              "Z: " + platformAngles.z;
    }
}

所以，总结一切:我的问题是，我不能锁定一个四元数的一个轴(y轴)。我还尝试使用euler进行所需的旋转，然后将其转换为四元数(这就是为什么脚本QuaternionToEuler和EulerToQuaternion中存在这两个函数OffsetGyro的原因)，但不幸的是，这导致了gimbal锁定(我猜这是一个多么令人惊讶的事情)。

在这个四元数问题上我真的需要帮助，几天后我就被困住了。

Answer 1

所以，我玩了一小段时间，并试图随机创造一个可能的解决方案。这是我当前的函数setGyroRotation：

private void setGyroRotation()
{
    Quaternion deviceRotation = DeviceRotation.Get();
    Quaternion newRotation = Quaternion.Inverse(DeviceRotation.offsetRotation) * deviceRotation; // Calculating "initial" rotation
    axisObject.transform.rotation = newRotation; // Setting the axis' rotation to our "initial" rotation
    Vector3 unfixedUp = newRotation * Vector3.up;

    float angle = Vector3.Angle(Vector3.up, unfixedUp);
    Vector3 axis = Vector3.Cross(Vector3.up, unfixedUp);

    if (axis == Vector3.zero)
    {
        transform.rotation = Quaternion.AngleAxis(unfixedUp.y >= 0f ? 0f : 180f, Vector3.right);
    }
    else
    {
        transform.rotation = Quaternion.AngleAxis(angle, axis);
    }

    Vector3 platformAngles = transform.localRotation.eulerAngles;
    platformCoords.text = "Platform:" + "\n" +
                            "X: " + platformAngles.x + "\n" +
                            "Y: " + platformAngles.y + "\n" +
                            "Z: " + platformAngles.z;
}

它几乎像预期的那样工作:没有万向节锁(至少不是很容易发生的)。只有当你的手机在x或z上旋转180度左右，y轴被冻结，但初始/校准旋转轴仍然是一个大问题。这里有一个gif，希望它能比其他的更好地显示问题：https://www.nani-games.net/share/93eHK0Fz1t.gif

平台上方的轴线显示陀螺的旋转，并施加偏移量。

Answer 2

评论中的解释：

// FIELDS
// device rotation from last frame
// init with DeviceRotation.Get() where appropriate
private Quaternion prevDeviceRotation; 

//...

// UPDATE LOGIC
// get the new device rotation
Quaternion newDeviceRotation = DeviceRotation.Get();

// Find difference between previous and current device rotation along previous axes
Quaternion relativeDelta = Quaternion.Inverse(prevDeviceRotation) * newDeviceRotation;

// Apply that difference to the transform's rotation to get an unfixed rotation 
// for the transform
Quaternion unfixedTransformRotation = transform.rotation * relativeDelta ;

// determine the unfixed up direction after that rotation is applied.
Vector3 unfixedUp = unfixedTransformRotation  * Vector3.up;

// find angle of up from world up
float angle = Vector3.Angle(Vector3.up, unfixedUp); 
Vector3 axis = Vector3.Cross(Vector3.up, unfixedUp); 

// if up is colinear with world up, use identity or flipped rotation
if (axis == Vector3.zero) 
{ 
    transform.rotation = Quaternion.AngleAxis(unfixedUp.y >= 0f ? 0f: 180f,
            Vector3.right); 
} 
else 
{ 
    transform.rotation = Quaternion.AngleAxis(angle, axis);
}

// update prevDeviceRotation
prevDeviceRotation = newDeviceRotation;