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.
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 - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть ускорение, вызванное равнодействующейсилнегравитационной природы, действующая намассуи равное этой силе отнесённой к величине этой массы. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трех плоскостях.
Принцип действия простейшего акселерометра изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 Принцип действия простейшего акселерометра
Груз закреплен на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменаяя показания прибора.
Используемый акселерометр – акселерометр на переменных конденсаторах. Это обеспечивает компактность и высокую точность измерений.
При воздействии на подвижный элемент сенсора массой F = ma возникает смещение x i , пропорциональное ускорению.
где 𝛃– жесткость подвески,a– ускорение смещения сенсора,w 0 – собственная частота колебаний сенсора, определяющая чувствительность механической части системы.
При малых смещениях подвижной части электрический сигнал пропорционален величине смещения, которое, в свою очередь, пропорционально ускорению.
В отличие от других типов вибродатчиков, пьезоэлектрический акселерометр эффективен при измерениях всех колебательных величин механических колебаний самых различных объектов измерения, практически в любых необходимых динамическом и частотном диапазонах.
Акселерометр различают по:
Виду движения
линейный;
По технологии изготовления
пьезоэлектрические акселерометры;
пьезорезистивные акселерометры;
акселерометры на переменных конденсаторах.
Пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Отличаются широким диапазоном частот (от нескольких Гц до 30 кГц), при этом частотная характеристика может оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
Наиболее распространенный тип акселерометра, используемый для измерения механической вибрации и ударов – пьезоэлектрический акселерометр. Это определяется качествами, свойственными этому типу датчиков вибрации.
Основные преимущества пьезоэлектрических акселерометров:
широкий частотный диапазон;
линейная амплитудная характеристика в широком динамическом диапазоне;
возможность при использовании интеграторов, включенных на выход акселерометра, получить сигнал, пропорциональный виброскорости и виюроперемещению;
способность работать в тяжелых окружающих условиях (температура, влажность);
высокая механическая надежность и долговечность (нет движущихся частей);
отсутствие необходимости в источнике питания, т.к. пьезоакселерометр является датчиком генераторного типа.
Пьезоэлектрический акселерометр состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и основания, жестко между собой соединенными, и закрытого корпуса. Пьезоэлемент из поляризованной пьезокерамики или пьезокристалла выполняет роль пружины, соединяющей массу с основанием. В силу своей инертности при воздействии вибрации на основание пьезоакселерометра, инерционная масса отстает в своем движении от основания, это вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на его обкладках заряда, пропорционального ускорению.
Рисунок 2 Основной принцип работы пьезоэлектрических акселерометров
Акселерометры на переменных конденсаторах – продукт самых современных технологий. Они отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3кГц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурном диапазоне до 180 0 С не превышает 1.5 %. Акселерометры этого типа отлично подходят для измерения низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения, однако их стоимость ввиду новизны препятствует широкому распространению.
Рисунок 3 Основной принцип работы акселерометров на переменных конденсаторах
Существуют определенные требования к установке акселерометров при диагностировании объекта контроля. Эти требования включают в себя следующее:
акселерометр должен воспроизводить, насколько это возможно, движение испытуемой конструкции в месте установки датчика;
установка акселерометра должна влиять на колебания конструкции в минимальной, насколько это возможно, степени;
отношение сигнала с выхода акселерометра к воспринимаемым им колебаниям не должно быть искажено влиянием собственной резонансной частоты установленного акселерометра.
Для реализации указанных принципов необходимо выполнить следующие требования:
акселерометр и его крепление должны быть максимально жесткими и твердыми, а поверхность крепления – максимально чистой;
само крепление должно вносить минимальные искажения в движение конструкции, для чего рекомендуется использование симметричных креплений;
масса акселерометра вместе с устройством крепления должна быть мала в сравнении с динамической массой конструкции.
Поверхность, на которую устанавливается датчик, должна быть проверена на гладкость и наличие загрязнений и, если необходимо, подвергнута дополнительной шлифовке.
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.
