Акселерометры. Акселерометр в телефоне: что это, принцип работы, фото

На сегодняшний день акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов и планшетов, а впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500 . Благодаря наличию акселерометра этот телефон можно было использовать как шагомер. Однако наличие этой функции в мобильном телефоне привлекала только любителей утренних пробежек, а пика популярности акселерометры достигли только после выхода Apple iPhone.

Сегодня уже невозможно представить "продвинутую" , в которой управление не было бы реализовано наклоном телефона или планшета. Акселерометр значительно облегчает процесс управления различными играми на мобильных устройствах. Благодаря ему, пользователь имеет возможность воздействовать на процесс игры путем перемещения девайса в то или иное положение относительно двух плоскостей. Например, с помощью акселерометра можно управлять гоночной машиной просто поворачивая мобильный телефон или планшет вправо или влево.

Акселерометр - это прибор , измеряющий ускорение объекта при каком-либо перемещении. Сфера применения акселерометра чрезвычайно широка. Она охватывает не только мобильные телефоны и планшеты, но и ноутбуки, видеорегистраторы, автомобили и самолеты. Например, в ноутбуках акселерометр предотвращает повреждение жесткого диска и потерю данных при падении.

Исходя их вышеизложенного, можно сделать вывод. Встроенный в смартфон или планшет акселерометр нужен для выполнения следующих :

1. Во время пробежек смартфоны и планшеты с акселерометром вы можете использовать как шагомер. Осуществляя контроль за количеством пройденных шагов за определенный отрезок времени, вы сможете улучшить результаты тренировок и оказать влияние на ход спортивных занятий.

2. Акселерометр упраздняет процесс управления игрой , благодаря ответному воздействию мобильного устройства на смену его положения. Развороты экрана помогают геймеру получить максимум удовольствия от игры.

3. Благодаря наличию акселерометра воссоздается определенное на данный момент положение мобильника в пространстве. Например, если вы решили использовать телефон лежа на спине, то датчик пространственного положения перевернет интерфейс девайса, облегчая комфортность восприятия отображаемой на дисплеи информации. Просмотр видео станет более привлекательным, если экран мобильного устройства будет развернут в положении альбомного формата.

Однако у каждого владельца мобильного телефона и планшета, которые используют устройства исключительно для общения, чтения и набора текстов, просмотра фотографий, возникает желание отключить функцию движения, так как при малейшем изменении положения девайса изображение на экране начинает "прыгать" и приходиться его "ловить". Чтобы отключить акселерометр необходимо зайти в пункт "Настройки", отключить функцию "Автоповорот" и в разделе "Приложения" задать необходимое положение экрана .

Для тех, кто не обнаружил акселерометра в своем мобильном устройстве, бесполезно пытаться установить его с помощью какого- то программного обеспечения . Никакая прошивка не сможет добавить эту функцию в мобильное устройство, если самого датчика в нем нет. Другое дело, если при сбоях работы акселерометра нарушается управление, что особенно неприятно во время игр. Например, если вы играете в гонки и держите планшет абсолютно горизонтально, а управляемый вами автомобиль все время уходит в сторону, то это признак того, что акселерометр планшета необходимо откалибровать.

Чтобы откалибровать акселерометр, необходимо произвести следующие простые действия:
1. Скачайте из маркета бесплатную GPS Status & Toolbox и запустите ее.

2. Положите телефон или планшет на абсолютно ровную поверхность. Если у устройства сзади выступает камера или крышка не очень ровная, то попробуйте снять крышку, не вынимая батарею, или найдите другой выход, чтобы найти возможность расположить девайс ровно.

3. Зайдите в пункт "Меню", затем в "Инструменты" ("Tools") и выберите "Калибровка акселерометра " среди трех предложенных вариантов: компас, A-GPS и акселерометр.

4. После этого на экране появиться сообщение с просьбой установить устройство на ровную поверхность. Если ваш мобильник или планшет уж лежат на ровной поверхности, никаких повторных действий производить уже не требуется. Нажмите кнопку "ОК" и дождитесь сообщения "Акселерометр откалиброван ".

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.

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.

Современные технологии позволяют человеку в значительной степени прочувствовать превосходство настоящего времени в материализовавшихся мечтах и предположениях прошлого, которые наиболее явно проявляются в столь привычных для нас сегодня устройствах, как мобильные телефоны.

Воплощение фантастики в реальность

Акселерометр в телефоне — что это и для чего он нужен? Именно об этой необходимой функции и пойдет речь в рамках данной статьи. Сегодня никого не удивишь компактными размерами ультратонкого ноутбука или сотового телефона, корпус которого имеет всего лишь несколько миллиметров толщины. Для большинства из нас невероятные технические возможности отдельно взятых электронных устройств - очевидный факт. Сегодня мы, люди, оперируем поистине фантастическими объемами данных, а скорость передачи информации давно преодолела “световую” отметку. Но за этими способностями скрываются вполне объяснимой природы устройства, свойства и функциональность которых зависит только от и уровня примененной технологии. Довольно сложный механизм, измеряющий гравитационное ускорение — акселерометр, нашел свое предназначение в электронных аппаратах. Одним из таких девайсов как раз и стал современный мобильный телефон.

Магия движения

Итак, акселерометр в телефоне — что это за устройство? На этот вопрос существует простой ответ: это датчик, определяющий пространственное положение объекта, в который он внедрен. От того, в каком положении находится устройство, зависит форма и вид отображаемой дисплеем телефона информации. Например, картинка может менять ориентацию относительно осей Х и Y. Вследствие физического воздействия - поворота, удара или встряхивания - функциональный алгоритм может активизировать тот или иной программный процесс. При использовании шагомера или игрового приложения принцип измерения гравитационного ускорения остается неизменным.

Акселерометр в телефоне — что это за устройство и в чем его преимущества?

Универсальность датчика пространственного положения телефона значительно облегчает процесс управления игровым приложением. Пользователь во время игры перемещает девайс относительно двух плоскостей, тем самым воздействуя на общий процесс выполняемой программы. Стоит отметить, что скорость, с которой геймер меняет углы наклона, также имеет математическое значение, которое является фактором необходимой реакции. Безусловно, акселерометр значительно расширил функционал современного мобильника. Благодаря данному устройству ориентации, использование компаса, GPS-навигации и электронных игрушек намного упростилось и стало более удобным.

Обзор "полезностей" пространственного контроллера

Давайте рассмотрим несколько благоприятных моментов при использовании основных функциональных способностей акселерометра:

1. Во время пробежек целесообразно использовать шагомер. Осуществляя контроль посредством данного приложения, вы всегда будете владеть информацией о количестве пройденных шагов, что станет своеобразным стимулом улучшать результат тренировок и качественно влиять на общий ход занятий спортом.

2. Датчик акселерометра в телефоне упраздняет порой сложный, но вместе с тем трудоемкий процесс управления игрой, приближая пользователя к пониманию абсолютного комфорта. Естественные телодвижения позволяют геймеру получить максимум удовольствия. Эффективность воздействия заключается не в силе нажатия или правильно выбранной кнопки, а исключительно зависит от выбора оптимальной амплитуды движения и точности процесса позиционирования. Легкость и непринужденность игрового момента позволяют считать акселерометр неоспоримым преимуществом в управлении игровым сценарием.

3. Когда вам необходимо занять удобную позу, скажем, прилечь на бок, а телефон все также необходим для использования, датчик пространственного положения аппарата перевернет интерфейс девайса, облегчая комфортность восприятия визуально отображаемой информации. Игры с акселерометром, на телефон установленные, сегодня завоевали тотальную популярность не только среди тинейджеров… Замечено, что в кругах более старшего поколения также стала прослеживаться некая тенденция увлеченности приложениями, которые используют пространственную технологию позиционирования.

4. Просмотр видео станет более приемлемым, если экран электронного устройства будет развернут в положение альбомного формата, что также благоприятно отразится на просмотре фотографий, электронной почты или написании не слишком емких сообщений. Работа с графическими таблицами и редактирование статей при использовании функции акселерометра также выражаются в более эффективной отдаче.

Вопрос надежности устройства

Акселерометр в мобильном телефоне становится неотъемлемой частью аппаратных возможностей современного девайса. Относительная простота конструктивных элементов пространственного датчика позволяет отвечать высокому уровню надежности. Посудите сами, технология по определению призвана работать в экстремальных условиях эксплуатации. Авиастроение и космонавтика позволили довести устройство до технического совершенства. Ведь в этих сферах применения технология определения и измерения ускорения пространственного положения объекта является обязательным элементом, обуславливающим ювелирную точность и корректность работы бортовых систем управления. Безусловно, мобильный телефон не является сверхнадежным продуктом. Серийность производства и автоматизация конвейерного процесса изготовления нередко допускает брак.

А что, если?..

Не стоит встряхивать, бить или тереть телефон, если вдруг датчик перестал функционировать. Шаманские танцы с бубном и чтение магических мантр также не окажут желаемого результата. Проблематичную ситуацию, когда не работает акселерометр, можно решить лишь двумя способами:

• Программный ремонт (настройка, прошивка и обновление ПО телефона).
• Аппаратное восстановление работоспособности пространственного датчика (замена модуля управления, техническое обслуживание).

Причем второй вариант - прерогатива специалистов-электронщиков.

Впрочем, давайте рассмотрим еще несколько немаловажных аргументов в пользу столь важного устройства.

Универсал востребован всегда

Используя специальное приложение “уровень”, можно с легкостью определить ровность стен и откосов или правильность установки карниза. Стоит отметить, что наличие акселерометра в мобильном устройстве позволяет значительно упростить поиск требуемого объекта в пределах населенного пункта, а также окажет неоценимую помощь в походе, когда использование компаса становится жизненно необходимым средством ориентации. Любопытные моменты использования датчика ускорения будут полностью удовлетворены, когда пользователь захочет узнать фактические параметры разгона автотранспортного средства. Опять же, захватывающие гонки, на телефон с акселерометром загруженные из сети Интернет, способны привнести разнообразие и развеять скуку в непредвиденные моменты ожидания. Многогранность использования и широта невероятных возможностей пространственного устройства не могут быть отражены в полном объеме в рамках данной статьи. Поэтому вам еще не раз предстоит почувствовать захватывающее удивление и увлекательный процесс познания масштабного предназначения электронного “вестибуляра”.

В заключение

Так что же такое акселерометр в телефоне? Что это - новая система управления или все-таки прибор для измерения физических параметров? Спешу вас обрадовать: и то и другое. Это еще одно достижение технического прогресса, позволяющее человеку почувствовать дополнительный комфорт и повысить эффективность использования объекта с примененной технологией.

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.