Акселерометр что измеряет. Гироскоп в смартфоне - что это такое и зачем он нужен

Даже не работая в оборонной промышленности, можно иметь общее представление об акселерометре: что это, как он работает и какими параметрами обладает. Ведь эти устройства применяются в современной оргтехнике: ноутбуках, планшетах и телефонах. Задумывались ли вы, почему ваш телефон легко определяет, где верх, а где низ, когда вы его крутите? Это акселерометр позволяет технике «сориентироваться» в пространстве.

Общие сведения

Акселерометр измеряет проекцию кажущегося ускорения. Благодаря ему можно узнать разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением свободного падения.

Основная классификация акселерометров ведётся по числу задействованных осей. Соответственно, можно выделить одноосевые, двухосевые и трёхосевые приборы. Число осей также называют числом компонентов. От этого параметра зависит, по какому числу координат акселерометр сможет измерить ускорение.

Многие акселерометры совмещены с системой обработки данных, что позволяет создавать полноценные датчики. Ведь что такое акселерометр? Это измерительный прибор. Совместите его с компьютером, и вычислительная система готова!

Применение акселерометров

Акселерометры активно используются при проектировании навигационных систем, наряду с гироскопами. Они являются неотъемлемым элементом конструкции современных летательных аппаратов: самолётов, вертолётов, ракет, беспилотников.

В компьютерной технике акселерометры стали элементами жёстких дисков, предотвращая вибрации и повреждения. Получив сигнал об изменении положения в пространстве, прибор отдаёт команду на парковку головок винчестера, чтобы предотвратить царапины. Здесь следует упомянуть о том, что такое G-сенсор. Во многом он похож на акселерометр и действует по тому же принципу. Однако компактный размер и функциональные особенности позволили встраивать такой сенсор в чувствительную технику: автомобильные регистраторы, планшетные компьютеры, коммуникаторы и так далее.

Сенсор «умеет» различать резкую остановку, поворот, столкновение, вращение и другие смены положения. Это используется как для защиты техники от повреждений, так и для различных программ и игр, которые задействуют положение устройства в пространстве. Несколько лет назад прототипы современных G-сенсоров уже использовались в игровых приставках. Сегодня акселерометр в планшете может использоваться как для игр, так и для серьёзных программ, а в телефоне такой сенсор позволяет определять, какой стороной развернуть экран, чтобы пользователю было удобнее работать и набирать текст.

Как нетрудно догадаться, в условиях невесомости акселерометр или G-сенсор работать не смогут, поэтому они окажутся совершенно бесполезны и никак не повлияют на устройство, в которое встроены.

Характеристики акселерометров

Основные характеристики, которыми обладают акселерометры, влияют на их функциональность и, соответственно, на область их применения. Ключевые параметры – это:

• разрешение (пороговая чувствительность) – так называют минимальное изменение линейной величины, которое может зафиксировать прибор;
• смещение нуля – показания прибора при кажущемся нулевом ускорении;
• случайное блуждание – величина погрешности, выражаемая через среднее отклонение от смещения нуля;
• нелинейность – изменение, которое произойдёт с зависимостью между выходным сигналом и кажущимся ускорением, если кажущееся ускорение изменится.

Следует учитывать все эти параметры при выборе любого акселерометра, а также по возможности интересоваться ими при покупке техники, которая содержит G-сенсор. Вопреки стереотипу, это не будет излишней дотошностью. Вы сможете выбрать устройство, которое не будет «глючить» от случайных толчков и которое всегда будет верно определять своё положение в пространстве. Особенно актуально это для акселерометра в телефоне, ведь телефонам приходится быстро и чётко определять своё положение.

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.

Акселерометр

Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. 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.

Принцип работы

Схема акселерометра

Акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера. Пружина крепится к неподвижной поверхности, к пружине крепится масса. С другой стороны ее поддерживает демпфер, который гасит собственные вибрации груза. Во время ускорения массы деформируется пружина. На этих деформациях и основываются показания прибора. Три таких прибора, объединенные в одну систему и сориентированные по осям позволяют получать информацию о положении предмета в трехмерном пространстве.

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 часто называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению - когда и в какую строну повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра в телефоне: если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр не работает - перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером.

Применение

1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
2. Автомобильные спидометры и видеорегистраторы. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
3. Промышленные системы контроля вибрации различных станков, производственных линий и агрегатов. На показаниях прибора работают системы защиты, которые отключают питание или изменяют характеристики работы при достижении критических значений.
4. В информационных технологиях такие приборы применяются для защиты жестких дисков от падений и сотрясений. Они отдают команду считывающим головкам занять безопасное положение во время падения. Это значительно снижает потерю данных и повреждения диска.
5. На телефонах и планшетах:

• 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 шагомера.

Принцип работы в смартфонах

Схема конструкции

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе. К неподвижному корпусу на упругих приставках, которые позволяют перемещение в определенных пределах, крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками. Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания. При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои характеристики, что и служит показателем для измерения. Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно. Для производства этих устройств используются различные реакции силикона с другими веществами. Благодаря точному расчету времени нанесения и удаления реактива получается производить такие приборы на автоматизированных конвейерных линиях.

Появления акселерометра в смартфонах

Первый прибор подобного типа появился в телефоне Nokia 5500. Тогда он служил в качестве шагомера. В восторг пришли не только приверженцы активного образа жизни. Основной резонанс вызвало появление акселерометра в Apple iPhone. Именно с тех пор наличие такого прибора стало стандартом для мобильных устройств.
Постепенно создавалось все большее количество приложений с использованием акселерометра. За шагомером в телефоне появился уровень, после этого акселерометр был приспособлен для нужд операционной системы и реализовано управление в играх с его помощью. Применяется он для разнообразных служебных приложений. Так, на основе технологий беспроводной связи и акселерометра была создан ряд приложений, которые позволяют передавать данные посредством соударения устройств.
Акселерометр в планшете и современном телефоне используется в комбинации с гироскопами, открывая широкие возможности для разработки разнообразных игр.

Благодаря развитию технического прогресса у людей появилась возможность использовать достаточно большой набор инструментов, при этом нося с собой только один смартфон. Однако есть маленькая деталь, без которой использование данного устройства было бы не так удобно - акселерометр. Что это такое и почему он так важен?

Основной функцией данного прибора является измерение ускорения наземного транспорта, летательных аппаратов, ракет и другой техники. Впервые он появился в конце XIX века. Устройство устанавливали на поезда и автомобили, чтобы иметь возможность отслеживать скорость, с которой они передвигаются.

Шкала отображала все возможные и максимально допустимые значения для конкретного вида транспорта. Такое строение позволяло предотвратить превышение скоростного режима и не допустить разрушения двигателя. Но был у этого помощника и один недостаток. Что это? Акселерометр был крайне громоздким. Так что впоследствии конструкция все время изменялась.

В Россию первые такие устройства попали уже в комплекте автомобилей Ford и Mercedes-Benz. Также они шли вместе с паровозами, произведенными в Германии. Была лишь одна проблема. Она заключалась в том, что эти акселерометры не выдерживали холодный климат. А потому предприятиям транспортного машиностроения России пришлось разрабатывать собственные модели.

Разновидности

Различают следующие разновидности акселерометров:

• Емкостный. Отслеживает изменение емкости между статическим состоянием и динамическим.
• Пьезоэлектрический. Устройство работает за счет одноименного эффекта (в зависимости от давления на кристаллы, появляется электрический потенциал).
• Пьезорезистивный. Измеряет электрическое сопротивление в зависимости от приложенного механического давления.
• Устройство с эффектом Холла. Замеряет изменения в напряжении, происходящие по причине перемен в магнитном поле вокруг самого прибора.
• Магнитно-резисторный. Фиксирует изменения в магнитном поле. В отличие от предыдущего измеряет сопротивление.
• Прибор теплопередачи. В зависимости от ускорения измеряет перемены в теплоотдаче.

Новое время

На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.

Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.

На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.

Мобильная индустрия

Выше уже было сказано о том, что акселерометр - это устройство, позволяющее измерять и регулировать изменение скорости передвижения транспорта. Тем не менее сегодня его можно встретить и в сотовых телефонах.

Первое устройство

Первым мобильным устройством, получившим акселерометр, стал Nokia 5500. В столь маленьком корпусе не было возможности использовать устройство в его оригинальной форме. В силу этого было решено использовать миниатюрный чип. Внутри него находилась инертная масса. Возникает резонный вопрос: какую функцию выполнял первый акселерометр в телефоне. Что это было? То же, что крайне популярно сейчас в различных фитнес-браслетах и прочих устройствах - шагомер.

Как это работает

Общий алгоритм работы не слишком отличается от изначального прибора. Чип встраивался по принципу неподвижной конструкции с прикрепленными проводниками. Находящаяся внутри инертная масса, подвергаясь ускорению, изменяет свое местонахождение в пространстве. Благодаря этому сдвигу устройство получает данные обо всех изменениях местоположения. Отходящие от устройства проводники находились между контактами, снимающими показания счетчика.

По причине крайне малого размера всех деталей чипа производство деталей производится без вмешательства человека — только автоматизированные конвейеры.

Стоит отметить, что акселерометр в смартфоне - это деталь, позволяющая сохранять важные данные. К примеру, при нахождении устройства в полете (падение или перекидывание) прибор определяет это состояние и отдает команду о блокировке самых хрупких деталей, отвечающих за запись данных. Например, так происходит с записывающей головкой жесткого диска ноутбука.

Однако в современных гаджетах можно встретить не только акселерометр, но и гироскоп.

Что такое гироскоп?

На фото выше можно увидеть роторный гироскоп. Это устройство, реагирующее на изменение угла наклона относительно поверхности Земли. Самый простой пример — юла. Оно было изобретено в 1817 году. Его преимуществом стала возможность работы в достаточно плохих условиях, таких как:

• низкий уровень видимости;
• наличие электромагнитных помех;
• тряска поверхности и многие другие.

Разновидности

На данный момент различают две основных категории данных устройств.

По степени свободы:

• двухстепенной;
• трехстепенной.

По принципу действия:

• оптический;
• механический.

Первое появление в мобильной индустрии

Самым первым представителем этой сферы, получившим гироскопический датчик, стал смартфон от компании Apple - iPhone 4. Эта функция позволила изменять ориентацию телефона с книжной на альбомную, в зависимости от его положения в пространстве.

Подобное нововведение было крайне популярно среди покупателей, а потому другие фирмы-производители мобильных устройств достаточно быстро подхватили идею, начав установку данного элемента в собственные телефоны. Стоит отметить, что все последующие модели iPhone на обязательной основе включали в себя эту функцию.

Однако устройства на платформе Android не всегда обладают гироскопическим датчиком. Потому перед тем как приобрести устройство с данной операционной системой, стоит справиться о наличии гироскопа в устройстве. Это можно сделать:

• найдя список характеристик в Интернете;
• спросить у консультанта в магазине.

Предпочтительно первое, так как не всегда консультанты осведомлены об особенностях той или иной модели смартфона.

Как определить наличие гироскопического датчика в устройстве?

Как было сказано выше, можно ознакомиться с характеристиками телефона на сайте производителя или магазина, занимающегося его продажей. Чаще всего наличие данного элемента указывается в обязательном порядке.

Еще один вариант - проверка на видео, работающем в 360 градусов. Если при его просмотре есть функция поворота изображения в любом допустимом направлении - значит, датчик присутствует.

И последний вариант - проверка приложением AnTuTu Benchmark. Оно проводит полную диагностику смартфона и в обязательном порядке указывает наличие данного компонента.

Калибровка акселерометра телефона

Наличие такого элемента в современном смартфоне крайне важно. Оно позволяет устройству выполнять ряд крайне важных функций:

• поворот дисплея;
• выполнение действий при встряхивании экрана;
• обеспечение работы шагомера;
• демонстрация настоящего положения в пространстве.

Далее будет приведен пример того, как откалибровать акселерометр Xiaomi. Данная инструкция подойдет как для мобильных устройств данного производителя, так и для многих других смартфонов на платформе Android. Она достаточно проста и не требует много времени и знаний о работе с функциями телефона. Для запуска калибровки экрана необходимо выполнить следующую последовательность действий:

• выбрать меню «настройки»;
• перейти в пункт «дисплей»;
• нажать на функцию «калибровка акселерометра». Далее она сама проведет настройку правильного отображения изображения на экране в различных положениях.

Итоги

Несмотря на то, что акселерометр и гироскоп появились как устройства для применения в сфере машиностроения, сегодня ни один смартфон не может считаться полноценным, если эти компоненты отсутствуют. Указанные выше функции делают его использование максимально комфортным. Поэтому перед приобретением телефона обязательно убедитесь в их наличии среди списка его основных характеристик.

Акселерометр — что это такое и зачем нужен?.

Наша жизнь состоит из будничных мелочей, которые так или иначе влияют на наше самочувствие, настроение и продуктивность. Не выспался - болит голова; выпил кофе, чтобы поправить ситуацию и взбодриться - стал раздражительным. Предусмотреть всё очень хочется, но никак не получается. Да ещё и вокруг все, как заведённые, дают советы: глютен в хлебе - не подходи, убьёт; шоколадка в кармане - прямой путь к выпадению зубов. Мы собираем самые популярные вопросов о здоровье, питании, заболеваниях и даем на них ответы, которые позволят чуть лучше понимать, что полезно для здоровья.