Акселерометр — это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Схематически, этот прибор можно изобразить в виде массивного тела, которое способно передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом пружинами. Смещение тела относительно центра оси можно измерить с помощью механической стрелки, как показано на рисунке.
В состоянии покоя тело находится на равном удалении от стенок прибора и стрелка указывает на середину шкалы. Если весь прибор толкнуть вправо (кадр B), то груз сместится по оси влево до момента, когда сила растянутой пружины уравновесит внешнюю силу. В этот момент, стрелка повернется и укажет на некоторое значение на шкале. Чем больше внешняя сила, тем дальше смещается груз, тем большее значение показывает стрелка. Когда сила перестанет действовать на тело, груз вернется на прежнее положение и прибор покажет на нулевое значение шкалы.
1. Электронный МЭМС-акселерометр
Разумеется, внешний вид современного акселерометра отличается от этой простой модели с пружинками, но не сильно. Как и прежде, для измерения ускорения нам требуется какое-то массивное тело, которое будет скользить по направляющей и удерживаться в нейтральном положении пружинками. При этом, всё это должно быть очень миниатюрным, чтобы поместиться в тот же смартфон.
На помощь приходит технология МЭМС (микроэлектромеханические системы). С помощью МЭМС удаётся выращивать механический акселерометр на кремниевой подложке таким же методом, которым создаются и обычные микросхемы.
Так выглядит МЭМС акселерометр на снимке, полученном при помощи микроскопа. Схема работы такого прибора представлена ниже.
Чтобы измерить смещение массивного тела вдоль оси прибора здесь применяется дифференциальный конденсатор. В состоянии покоя, расстояния между центральным электродом и двумя обкладками конденсатора (выделены оранжевым цветом) равны. При воздействии силы эти расстояния меняются, что в дальнейшем фиксируется специальной аналоговой измерительной системой.
Современные акселерометры имеют в своем составе сразу три измерительные оси, направленные перпендикулярно друг к другу. Это позволяет измерять ускорение тела в любом направлении.
2. Измерение углов наклона с помощью акселерометра
Все современные смартфоны умеют определять угол своего наклона относительно горизонта. Эта функция используется для автоматического поворота экрана, а также в различных играх, где управление происходит при помощи наклона. И всё это благодаря акселерометру. Но как устройство, определяющее ускорение, может помочь вычислить угол наклона?
Дело в том, что на акселерометр, как и на все тела на этой планете, действует сила гравитации. Эта сила придаёт телам ускорение когда они падают на землю. Повернем акселерометр так, чтобы его ось оказалась в вертикальном положении. В таких условиях груз сместится вниз, растянув при этом верхнюю пружину и сжав нижнюю. В этот момент акселерометр зафиксирует величину ускорения свободного падения — 9.8 м/с².
Попробуем использовать этот факт для вычисления угла наклона акселерометра относительно горизонта. Изобразим на схеме тело, на котором закреплен трёхосевой акселерометр. Обозначим эти три оси как: Xт, Yт и Zт.
Затем повернём тело на угол a вокруг оси Xт относительно системы координат мира X, Y и Z. Предполагается, что ось мира Z направлена вдоль вектора силы гравитации (вверх), а оси X и Y вдоль горизонта. Мы смотрим на всю эту систему сбоку, так что оси мира — X и тела — Xт смотрят на нас, и мы их не видим.
В таком положении акселерометр, находящийся внутри тела зафиксирует проекции силы гравитации на все три оси: Gxт,Gyт,Gzт. При этом проекция Gxт на ось Xт будет равна нулю, так как эта ось расположена вдоль горизонта. Проекции Gyт (зеленый отрезок) и Gzт можно выразить с помощью теоремы о прямоугольном треугольнике:
Gyт = G * cos(b) Gzт = G * sin(b)
Таким образом, зная G и одну из проекций Gyт или Gzт можно вычислить угол b отклонения акселерометра от вектора гравитации Z (от вертикальной оси):
Cos(b) = Gyт/G b = arccos(Gyт/G)
Делая такие вычисления, важно учитывать, что G и Gyт должны измеряться в одинаковых единицах. Например, если мы преобразуем показания акселерометра к единицам гравитации (другими словами G = 1 — земная гравитация), то выражение для угла b примет вид:
B = arccos(Gyт/1) = arccos(Gyт)
И напоследок, вычислим искомый угол a наклона тела относительно горизонта:
A = 90 - b = 90 - arccos(Gyт)
Помним, что Gyт — это число, которое возвращает нам акселерометр.
Заключение
Итак, мы выяснили, что одного лишь акселерометра вполне достаточно, чтобы вычислить угол наклона тела относительно горизонта. В следующем уроке мы рассмотрим конкретный пример работы с датчиком MPU6050 на Ардуино.
Однако, следует учитывать, что вычисление углов с помощью акселерометра возможно только тогда, когда прибор находится в состоянии покоя. Ведь если на прибор во время измерения подействует любая другая сила, акселерометр непременно её зафиксирует и тем самым внесет ошибку в расчеты.
Термин «акселерометр» произошел от латинского accelero, что в переводе означает «ускоряю». Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. Другими словами, он призван помочь программному обеспечению смартфона определить положение, а также расстояние перемещения мобильного устройства в пространстве.
Часто этот датчик путают с гироскопом. Однако, это разные датчики, хотя взаимодополняют друг друга, и даже могут выполнять одни и те же функции. Их отличие заключается в принципе работы, а также в эффективности выполнении конкретных задач. Могут использоваться совместно, для достижения наиболее точных результатов.
Датчик значительно расширяет возможности смартфона. Ниже перечислены основные функции, за которые он отвечает.
- Автоматическая смена ориентации экрана при повороте девайса.
- Управление игровым процессом при помощи наклонов.
- Реагирование устройства на определенные жесты, и выполнение соответствующих действий (смена музыкального трека, отключение будильника или отклонение звонка). Примеры жестов: постукивание по корпусу или его встряхивание, переворот смартфона экраном вниз.
- Определение и визуальная демонстрация изменений положения человека в пространстве через навигационные приложения (Google Карты и др.).
- Возможность отслеживания физической активности. Классический пример – подсчет пройденной дистанции при помощи шагометра.
Как работает акселерометр, принцип его строения
На картинке ниже изображена схематическая конструкция самого простого акселерометра.
Он состоит из инертной массы (в данном примере ее роль выполняет грузик), который прикреплен к подвижному, упругому элементу (например, к пружине). Пружина, в свою очередь, фиксируется на неподвижной детали. Для подавления колебаний грузика используется демпфер. Когда происходит встряска, наклон или поворот объекта, в который встроен акселерометр, инертная масса реагирует на силу инерции. С увеличением интенсивности и силы наклона, поворота или сотрясения увеличивается радиус деформации пружины.
Затем грузик принимает свою прежнюю позицию, благодаря пружине. Специальный датчик фиксирует уровень смещения инертной массы от ее положения в состоянии «покоя». Затем эти данные преобразуются в электрический сигнал, и передаются на обработку электроникой, и программным обеспечением. Благодаря полученным данным программа может «вычислить» изменения в физических изменениях расположения объекта.
Еще есть такое понятие, как ось чувствительности прибора. Если ось только одна, датчик сможет передать данные об изменении положения объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Чтобы увеличить чувствительность датчика, и получить точные данные о силе и направлении наклона объекта, необходимо две, а еще лучше три оси. Объединив в один прибор сразу три оси, можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.
Акселерометр в смартфонах
По техническим и иным причинам описанная выше конструкция датчика неприменима в мобильных устройствах. Она заменяется миниатюрным чипом, внутри которого находится инертная масса.
Принцип действия чипа схож с классическим датчиком: инертная масса меняет свою позицию во время ускорения. Благодаря этому смартфон и получает данные о положении в пространстве. Но между классическими приборами и чипами существует огромная разница не только в конструкции, но и в методе производства.
Изготовление подобных датчиков – полностью автоматизированный процесс. Чтобы получить рабочий экземпляр, используется химическая реакция между силиконом и другими элементами. Процесс требует высочайшей точности в расчетах и пропорциях. Вручную, при помощи физического воздействия на материалы сделать это фактически невозможно.
Вывод
Акселерометр в мобильном устройстве, представляющий собой лишь крохотный чип, имеет существенное влияние на взаимодействие между человеком и смартфоном. С его помощью управление аппаратом переходит на новый, более комфортный уровень. А игры и приложения получают множество дополнительных возможностей, которые можно реализовать при помощи акселерометра.
Сейчас трудно представить нашу жизнь без смартфонов и планшетов. А из года в год они становятся все совершеннее. Увеличивается объем оперативной памяти, прибавляется количество ядер у процессора (и повышается их таковая частота), устанавливаются графические процессоры для обработки графики (в том числе и 3D), камеры становятся двойными, что позволяет делать четкие фотографии в большом разрешении, совершеннее становятся экраны и многое другое. Причем надо заметить, все эти совершенства комплектуются в довольно тонкий корпус в несколько миллиметров. Но есть две маленькие детальки, без которых не обходится ни один смартфон или планшет – это датчики акселерометр и гироскоп. Впрочем, они устанавливаются и в другие электронные устройства, например, в квадрокоптеры. Они устанавливаются даже в некоторые жесткие диски. Рассмотрим что такое акселерометр в телефоне, как он устроен и для чего применяется.
Применение датчика акселероментра в телефоне
Акселерометр в телефоне это, что позволяет измерять кажущееся ускорение (т. е. разницу между истинным и гравитационным ускорением устройства). Он дает возможность программному обеспечению «чувствовать» перемещение сматрфона в пространстве, а также управлять устройством с помощью поворота, потряхивания или даже постукивания. Например, смена ориентации экрана при повороте смартфона осуществляется за счет встроенного датчика акселерометра. С его помощью осуществляется управление в некоторых играх, например, таких как Doodle Jump. В ней главный герой прыгает вверх по платформам, а ваша задача управлять им, поворачивая телефон влево или вправо.
Итак, датчик акселерометра в телефоне в основном используется для следующих задач:
- Автоповорот экрана;
- Управление в некоторых играх путем наклона устройства;
- Отслеживание физической активности (например, для подсчета шагов во время прогулки или тренировки);
- Управление смартфоном (или некоторыми приложениями) с помощью специально предусмотренных жестов, таких как встряхивание, поворот и т. д.
Устройство и принцип работы акселерометра
Внешне акселерометр представляет собой очень крошечный датчик, размером примерно со спичечную головку.
Устройство датчика довольно простое. Он состоит из:
- Пружины (которая крепится к неподвижной части);
- Массы;
- Демпфера.
Демпфер необходим для того, чтобы погасить собственные колебания грузика (массы). При изменении положения устройства или его поворота происходит деформация пружины. Все это фиксируется и преобразовывается в электрический сигнал, а после обрабатывается с помощью программ.
Но так работает только одна ось. Чтобы телефон мог ориентироваться в трехмерном пространстве, добавляются еще две оси (всего их три). В итоге получается своеобразный гироскоп.
Выше мы рассмотрели по каким принципам работает акселерометр, из каких деталей он состоит. Понятное дело, что такую конструкцию в тонкий смартфон не засунешь. Поэтому инженеры разработали специальный миниатюрный вариант. Устроен он следующим образом:
Если кратко, то работает он так: специальная перегородка с отведенными в сторону контактами крепится к неподвижному корпусу (сам корпус на упругих приставках). Сами же отводы размещены между контактами, которые снимают показания изменения напряженности поля. Производство таких датчиков производится на специальном оборудовании.
Новейшие смартфоны оснащены многочисленными датчиками. Одним из самых полезных модулей выступает гироскоп. Для чего такое устройство внедряют в системы сотовых телефонов? Гироскоп в смартфоне - что это? Какие функции на него возложены? Обо всем этом пойдет речь в нашей публикации.
Краткий экскурс в историю
Гироскоп - изобретение французского ученого Леона Фуко. Прототип, согласно принципу работы которого функционируют современные устройства, использовался физиком в целях отслеживания особенностей суточного вращения планеты.
Инновационные гироскопы используются не только для отслеживания специфики колебания различных тел. В наши дни основным назначением прибора является определение углов отклонения предметов по отношению к плоскостям. Для чего нужен гироскоп в смартфоне? Комбинирование такого модуля с акселерометром открывает возможность для отслеживания движений телефона в трехмерном пространстве.
Впервые средство сотовой связи с таким модулем на борту представила компания Apple. Случилось это в ходе презентации модели смартфона iPhone 4. Впоследствии инновационному решению стали подражать самые различные разработчики телефонов.
Гироскоп в смартфоне - что это?
Гироскоп в сотовом телефоне не имеет ничего общего с традиционным механическим устройством. Здесь модуль представляет собой микроскопическую электронную плату, которая способна вычислять угловые скорости, передавая соответствующую информацию в виде электрических сигналов. Как правило, габариты такого чипа составляют всего лишь несколько миллиметров. Если отвечать в общих чертах на вопрос: "Гироскоп в смартфоне - что это?", то несведущему человеку может показаться, что никакой особой пользы владельцу эта фишка не несет - применение устройства направлено всего лишь на определение отклонения мобильного гаджета от собственной оси. Но так ли это?
Отличие гироскопа от акселерометра
Гироскоп в смартфоне - что это? Такой модуль способен передавать данные тем или иным приложениям об угле наклона мобильного гаджета по отношению к земной поверхности. Подобная функция закреплена также за акселерометром. Однако указанные девайсы имеют различный принцип работы. Ведь функционирование акселерометра основано на вычислении собственного ускорения в пространстве. На практике отмеченные возможности обеих систем оказываются взаимозаменяемыми. Именно по этой причине современные смартфоны оснащаются как гироскопом, так и акселерометром.
Функции гироскопа
Зачем нужен гироскоп в смартфоне? Применение датчика открывает следующие возможности. В первую очередь благодаря элементарному встряхиванию мобильного телефона пользователь способен быстро ответить на входящий звонок. Гироскоп позволяет просматривать изображения, переключать аудиозаписи в плеере, облегчает переворачивание страниц во время просмотра текстовых документов.
Еще зачем гироскоп в смартфоне? Чрезвычайно удобным модуль становится при использовании калькулятора. Благодаря отклонению гаджета в ту или иную сторону можно выбирать функции умножения, деления, вычитать и слагать значения.
Разработчики мобильных устройств нашли применение гироскопу также при работе с различными приложениями и программным обеспечением. При встряхивании некоторых устройств автоматически происходит обновление Bluetooth. Очень удобным наличие модуля становится при необходимости измерения уровней и углов наклона.
Гироскоп незаменим в случае работы с электронными картами. Модуль дает возможность определять точное положение пользователя на определенной местности. При запуске навигатора карта будет менять положение вслед за поворотом человека. Если пользователь развернется лицом к тому или иному объекту, это сразу же отобразится на визуальной схеме. Такая функция будет крайне полезной для людей, которые увлекаются активным отдыхом, в частности путешествиями и ориентированием на местности.
Без гироскопа не могут обойтись любители мобильных игр. Функциональный модуль способствует созданию более реалистичной картинки и облегчает управление. Особенно правдоподобными благодаря гироскопу становятся всевозможные симуляторы, шутеры, трехмерные бродилки. Чтобы езда на виртуальной машине либо полет на самолете казались более реальными, достаточно изменения положения смартфона в одной из плоскостей.
Если пользователь мобильного телефона в дальнейшем планирует использовать шлем виртуальной реальности, в таком случае наличие гороскопа выступает обязательным условием. Без датчика станет невозможным отслеживание системой смартфона поворотов головы, перемещения человека в пространстве.
Недостатки
Но наличие в смартфоне гироскопа может обернуться минусом, да таким, что отдельные пользователи стараются сразу же отключить функциональный модуль. Речь идет о реакции некоторых приложений на изменения положения сотового телефона в пространстве со значительным запозданием.
Сравнительным недостатком наличия гироскопа в смартфоне выступают неудобства, которые способны возникать при чтении электронной книги. Если пользователь произвольно меняет позу, датчик тут же преобразит ориентацию странички в соответствующей плоскости. Подобные моменты обычно вызывают раздражение.
Как определить, есть ли гироскоп в смартфоне
Узнать о присутствии функционального модуля в системе мобильного устройства можно несколькими способами. Наиболее простой и доступный вариант - ознакомление с описанием модели смартфона на официальном сайте изготовителя либо просмотр прилагающейся к гаджету технической документации.
Существуют и другие решения. Например, можно прибегнуть к установке на телефон специальных приложений. Одним из таковых выступает AnTuTu Benchmark. После инсталляции и запуска приложения достаточно перейти на вкладку «Информация». Через несколько мгновений на экране отобразятся все спецификации смартфона.
В качестве альтернативы вышеуказанному варианту можно воспользоваться утилитой Sensor Sense. Приложение фиксирует данные, которые исходят со всех датчиков, встроенных в мобильное устройство. Если в списке «запеленгованных» модулей не окажется гироскопа, это будет свидетельствовать о его отсутствии.
Акселерометр – это измерительный прибор. С его помощью можно фиксировать и анализировать вибрации, а также движение и ускорение. С прибором напрямую связано понятие «кажущейся силы», так вот назначение акселерометра в его измерении.
Кажущейся силой называют геометрическую разницу между реальным ускорением объекта и ускорением силы гравитации нашей планеты. Понятие применяется в системах инерционной навигации.
ТРЕХОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР: ПРИНЦИП РАБОТЫ
Акселерометры различаются по типу выхода (аналоговые и цифровые), по частотным диапазонам, а также по количеству осей.
Трёхосный акселерометр способен показывать частоты, периоды и формы собственных колебаний зданий и сооружений. Прибор позволяет анализировать ускорение, действующее в направлении сразу трёх осей. В некоторых случаях такое измерение является единственным способом получить необходимую информацию в полном объёме.
Под крышкой корпуса такого акселерометра располагают пьезоэлементы. Они должны находится симметрично вдоль осей, находящихся перпендикулярно.
Этот вид акселерометров считается своего рода «лидером». Ведь любое другое подобное устройство сильно уступает ему в точности, ширине как рабочего, так и частотного диапазонов. Более того, пьезоэлеметные приборы отличает прочность и надёжность.
Ещё одним плюсом такого устройства считается то, что в процессе его использовании нет необходимости искать способ подключиться к электрической сети, аккумулятору или какой-либо источник питания. Отсутствие движущихся элементов даёт возможность говорить об очень низкой степени износа прибора.
Если говорить о механике работы такого прибора, то это активные датчики, которые генерируют электросигнал, пропорциональный колебаниям. Главным элементом в таком акселерометре считается компонент, который подвергается воздействию. Так появляется электрический заряд, пропорциональный силе, воздействующей на него.
