Акселерометр, или же G-sensor — датчик определяющий угол наклона девайса относительно земли. Каждый владелец смартфона пользуется такой функцией, как автоповорот экрана , а любители мобильных игр сталкивались с управлением автомобилем с помощью наклона телефона.
Этот датчик неплохо дополняет функциональные способности смартфона. Вот основной перечень его функций :
- Автоматический поворот экрана при смене ориентации смартфона в пространстве.
- Управление в играх
- Реакция аппарата на конкретные жесты, и проведение определенных операций (изменение музыкального трека, выключение будильника либо отмена звонка). Например, встряхивание телефона, «постукивающие» движения либо поворот телефона экраном вниз.
- Распознавание и демонстрирование расположения в пространстве при помощи различных, в том числе и навигационных, программ. Например, компас.
- Отслеживание активности человека. Самое распространенное применение — подсчет количества шагов и пройденной дистанции
Принцип работы устройства
Акселерометр, это маленький чип , установленный на плате вашего аппарата. Если объяснить просто, то он состоит из инертной массы, прикрепленной к подвижной , гибкой составляющей части. Эта составляющая крепится к неподвижному элементу. С целью подавления случайных или ненужных микроколебаний инертная масса крепится к демпферу .
В период вращения в пространстве или тряске, встроенная в акселерометр, инертная масса реагирует
на инертную силу. Чем выше сила наклона, вращения или тряски, тем сильнее деформируется подвижная часть. После всего этого инертная масса возвращается в исходное положение благодаря гибкой, подвижной составляющей чипа акселерометра.
Датчик замеряет
уровень смещения от уровня состояния покоя. Эта информация преобразуется в электросигнал, а потом отправляется на обработку электронике и программному обеспечению. Благодаря предоставленной информации программа способна определить различия в физических изменениях расположения смартфона.
Но это была описана упрощенная модель
работы акселерометра. Изготовление мобильны акселерометров требует огромнейшей точности расчетов и пропорций. Вручную создать его нельзя, процесс изготовления автоматизирован и применяется химическая реакция среди различных элементов. Акселерометр позволяет перейти на другой, более удобный уровень управления девайсом и играми.
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. Частично снять это вредное воздействие внешних сил можно с помощьюСовременные смартфоны и планшеты на ОС Android и других платформах, обеспечивают своим владельцам огромное количество возможностей, которые уже давно вышли за пределы обычного общения и интернет-сёрфинга. Для повышения функциональности гаджетов применяется множество дополнительных устройств – от такого приспособления как датчик приближения до акселерометра и гироскопа.
С их помощью удобнее разговаривать по мобильной связи, делать фото и даже играть. Некоторые функции таких датчиков похожи, но в основном они дополняют друг друга – поэтому установленный акселерометр в телефоне не исключает наличие в конструкции и гироскопа.
Принцип действия датчика
Пользователь, впервые столкнувшийся с термином «акселерометр» в списке характеристик смартфона, может заинтересовать, что это такое, как работает и выглядит. Ответить на эти вопросы несложно – устройство, получившее название от латинского слова «accelero» («ускоряю»), применяется для измерения кажущегося ускорения.
Определяя этот параметр, датчик помогает программному обеспечению контролировать положение телефона в пространстве и расстояние, на которое был перемещён мобильный гаджет.
Между тем, даже зная, что такое акселерометр, некоторые пользователи не отличают его от гироскопа. На самом деле оба датчика могут измерять одни и те же величины, но полностью заменить друг друга не способны.
При этом гироскоп в телефоне необходим для определения угла поворота гаджета относительно определённой плоскости. А акселерометр требуется для контроля положения в пространстве путём измерения ускорения движения. Совместное использование устройств помогает программному обеспечению гаджета получить более точные результаты.
Рис. 1. Один из примеров работы акселерометра.
Рассматривая действие акселерометра и что это такое по большому счёту, стоит познакомиться с принципом действия классического приспособления:
- Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, грузик), прикреплённую к упругому элементу.
- Упругая деталь типа пружины фиксируется на неподвижном элементе.
- Пружина зафиксирована на неподвижной части конструкции.
- Колебания груза подавляются демпфером.
- При наклонах, встряске и поворотах гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
- Чем больше интенсивность и сила наклона, встряски или поворота, тем сильнее деформируется пружина.
- После возвращения массы на место под воздействием пружины уровень смещения относительно обычного положения фиксируется специальным датчиком.
Рис. 2. Конструкция стандартного акселерометра.
С другой стороны, ответ на вопрос по поводу акселерометра в телефоне – что это и как выглядит, будет немного отличаться. В данном случае он представляет собой миниатюрный элемент на плате с расположенной внутри инертной массой и выглядит обычно как маленький чёрный квадрат.
Основной принцип работы элемента мало отличается от стандартного – при изменении положения инертной массы определяется величина смещения, по которому рассчитываются показатели положения гаджета. Такие датчики стоят практически на любом виде мобильной техники – на телефоне или планшете.
Рис. 3. Внешний вид датчика для смартфона.
Применение устройства
Определившись с тем, что представляет собой акселерометр в телефоне, стоит узнать и как им пользоваться – для этого можно привести несколько примеров:
С помощью датчика осуществляется управление в играх – смена положения мобильного устройства вызывает определённые действия со стороны игрового персонажа или управляемого игроком транспортного средства. Так, например, наклоном телефона можно изменять направление движения автомобиля в гоночных симуляторах.
Рис. 4. Игра Asphalt 8, управление в которой выполняется с помощью акселерометра.
Во время спортивной пробежки акселерометр используется в смартфонах и планшетах для контроля пройденной дистанции. При этом определяется примерное количество сделанных шагов – и, хотя погрешность может быть довольно высокой (зависит от скорости движения), полученные результаты можно использовать для повышения результатов тренировки.
Наличие таких датчиков на смартфонах и планшетах позволяет изменять ориентацию изображения. Расположив мобильный гаджет горизонтально, пользователь при помощи акселерометра автоматически получает альбомный формат картинки или текста. При вертикальном расположении экрана ориентация изменится на книжную.
В других устройствах датчик применяют и для выполнения тех же задач, для чего нужен акселерометр на телефонах, и для других целей. Так, в авиации он необходим для работы навигационных систем, а в промышленности используется в качестве вибропреобразователя.
В системах управления жёсткими дисками HDD акселерометр требуется для компенсации вызываемых ускорениями объекта колебаний и защиты хранящихся на накопителе данных.
Видеорегистраторы с помощью этого датчика способны определять время ускорения и торможения, фиксировать остановки и столкновения. На джойстиках игровой приставке акселерометр необходим для управления игровым процессом.
Включение и отключение датчика
Способ, как узнать есть ли акселерометр на телефоне, заключается в повороте экрана в другое положение. Если изображение при этом не изменилось, значит датчик отсутствует – или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорота».
У большинства моделей поворот экрана при изменении положения автоматически включается и выключается с помощью меню настроек или верхней панели на главном экране:
В первом случае следует перейти в «Настройки» , выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.
Рис. 5. Включение через настройки.
Во второй ситуации достаточно потянуть пальцем за верхнюю панель, увеличив её размер на весь экран, и включить соответствующую функцию.
Рис. 6. Включение через верхнюю панель.
Совет: Иногда автоматическая реакция акселерометра на движения мобильника не требуется – и даже может мешать. В таких случаях датчик можно отключить, воспользовавшись одним из тех меню, в которых можно включать автоповорот.
Настройка и калибровка
Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения. При отсутствии акселерометра в телефоне, что говорит о бюджетной стоимости модели или её выпуске много лет назад, добавить эту функцию не получится ни перепрошивкой, ни изменением настроек.
Зато при наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку.
Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа:
2 Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность.
3 Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.
Рис. 7. Меню приложения.
На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.
Рис. 8. Работа приложения GPS Status & Toolbox.
Выводы
Зная, что такое акселерометр, можно сделать определённые выводы по поводу его наличия в современных мобильных устройствах. Наличие датчиков определения положения смартфонов и планшетов позволяет упростить просмотр на телефоне видео или чтение книг, а иногда даже помогает в игровом процессе.
Однако перед использованием акселерометра его иногда приходится настраивать. На это потребуется всего несколько минут и скачивание бесплатной утилиты.
Тематическое видео:
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.
Наверняка вы не раз слышали о том, что многие смартфоны оснащены акселерометром. Рассказываем неопытным пользователям, что это такое и зачем нужно.
Выражаясь понятным языком, акселерометр (еще его называют G-сенсор) - это датчик, определяющий угол наклона смартфона или планшета относительно земной поверхности. Он измеряет ускорение, сопоставляя три пространственные оси координат: X (ширина), Y (длина) и Z (высота).
Программное обеспечение гаджета на основе данных акселерометра меняет ориентацию экрана телефона. Если вы повернете устройство со встроенным G-сенсором на 90 градусов, дисплей перевернет изображение автоматически.
В смартфоне акселерометр установлен в виде небольшого чипа или датчика, размером в несколько раз меньше 10-копеечной монеты. Несмотря на это, он обеспечивает множество функций современных Android-устройств.
Зачем нужен G-сенсор?
Любители спорта могут использовать акселерометр для определения количества пройденных шагов с помощью специальных приложений-шагомеров. Они могут быть встроены в смартфон, либо их придется скачать из Google Play.
Для фанатов игровых приложений на смартфонах G-сенсор - просто находка. Он позволит управлять процессом игры поворотами смартфона. Так как акселерометр реагирует на малейшие изменения угла наклона, приложение мгновенно будет отвечать на любое ваше действие. Это применимо к играм различных жанров, особенно гонкам.
Также автоповорот экрана добавит удобства при просмотре фильмов и фотографий, а также чтении электронных книг.
Если вы часто ходите в лес за грибами или по другим причинам, знайте, что у вас в кармане наверняка есть компас. Как правило, это предустановленное приложение, которое работает с помощью G-сенсора.
Установив приложение «уровень», можно забыть о громоздком строительном приспособлении. И здесь все суть в акселерометре - он позволит определить ровность стены или точный угол ее наклона.
Конечно, если вы всем этим не пользуетесь, акселерометр будет вам даже немного мешать постоянной сменой ориентации экрана. Но его всегда можно отключить, зайдя в настройки экрана.
Заключение
Несмотря на свои скромные размеры, акселерометр добавляет смартфонам много разнообразных возможностей. По этой причине производители оснащают G-сенсором в большинство современных устройств.