Большинство современных смартфонов оснащается акселерометром. Однако не все знают, что это такое и зачем акселерометр устанавливают в телефон.
Акселерометр или G-сенсор – это датчик, определяющий угол наклона электронного устройства по отношению к земной поверхности. На основании данных от датчика программное обеспечение понимает положение смартфона, и поворачивает изображение на дисплее. Иными словами, именно акселерометр способствует автоматическому повороту экрана в альбомную ориентацию при повороте телефона.
Также этот датчик фиксирует ускорение перемещения устройства в пространстве, одновременно сопоставив три пространственные координаты. Можно сказать, что сенсор измеряет разницу между проекциями абсолютного и гравитационного ускорения.
На сегодняшний день акселерометры устанавливаются во многих смартфоны. Ведь именно этот сенсор дает возможность пользоваться такими приложениями, как шагомер, или менять положение экрана автоматически с учетом положения самого гаджета. В рамках игры G-сенсор позволяет осуществлять управление без кнопок.
Зачем нужен G-сенсор в смартфоне?
Как мы уже говорили выше, в мобильных телефонах нового поколения акселерометры используются очень часто. Этот сенсор позволяет устанавливать и использовать различные приложения. Если датчика в смартфоне нет, его функциональные возможности значительно сокращаются.
Акселерометр в смартфоне позволяет использовать:
1. Шагомеры или другие подобные сервисы. Благодаря возможности измерять положение устройства в пространстве, а также его ускорение, сенсор обеспечивает корректную работу шагомера. Это незаменимый помощник для поклонников пробежек или прогулок. Нет необходимости покупать отдельный фитнес-трекер, поскольку в телефон можно установить приложение и использовать его в конкретных целях.
2. Игры. Благодаря G-сенсору процесс игры становится настоящим удовольствием, ведь датчик мгновенно реагирует на минимальную смену положения телефона. Можно отказаться от классической консольной системы управления, поскольку корректировать положение можно путем изменения положения телефона в пространстве.
3. Удобный интерфейс. При смене положения смартфона датчик сразу повернет интерфейс устройства в нужное положение. Эксплуатация устройства максимально удобная и комфортная. Особенно удобен автоповорот экрана при просмотре видео или фильмов.
Как калибруется G-сенсор?
Калибровка представляет собой перечень операций по определению соотношения значений некоторых величин, полученных при помощи акселерометра или любого другого измерительного прибора, и эталонных величин. Полученная разница и позволяет выполнить калибровку устройства. Зачем выполнять калибровку? Все просто. Только точная настройка сенсора гарантирует его корректную работу, что в свою очередь обеспечит корректную работу приложений и отдельных функций устройства.
Калибровка выполняется при помощи специальных приложений, которые можно скачать в интернете. Установите на свой телефон соответствующее приложение. Затем положите устройство на идеально ровную поверхность. Если имеет какие-то выступающие элементы, на время калибровки сенсора его лучше снять.
Теперь зайдите в меню приложений и найдите вкладку «калибровка G-сенсора». Через некоторое время приложение выведет на экран смартфона сообщение о том, что сенсор полностью откалиброван.
Вы когда-нибудь задумывались о том, каким образом ваш планшет или смартфон понимает, что вы повернули гаджет и нужно развернуть интерфейс в альбомную или книжную ориентацию? Наверное, изучая будущего устройства, многие встречали среди них слово «акселерометр».
Но большинство обычно пропускает подобные детали мимо ушей, обращая внимание на объём внутренней памяти, разрешение экрана и ёмкость . И всё же, акселерометр в планшете, что это такое и для чего нужен, кроме поворота экрана? Давайте выяснять.
Не будем приводить здесь определение акселерометра, так как все желающие с лёгкостью могут найти его в Википедии. Лучше остановимся немного подробнее на его устройстве и принципе действия. Простейший акселерометр представляет собой груз, подвешенный на пружине над демпфером. При изменении положения системы в пространстве, колебания груза погашаются демпфером, а деформация пружины считывается датчиками, преобразующими её в информацию о пространственном положении объекта.
Конечно, в современных цифровых устройствах, особенно мобильных, датчик акселерометра отнюдь не так примитивен, но когда-то именно такие приборы применялись на заре авиации и ракетостроения. Сегодня акселерометр применяется в огромном количестве отраслей - от авиации до электроники, его можно встретить как на подводной лодке, так и в смартфоне, лежащем в кармане школьника.
Вы являетесь счастливым обладателем . Акселерометр играет важную роль в вашем повседневном взаимодействии с гаджетом, хотя вы можете даже не замечать этого или не придавать значения. Каждый раз, когда вы крутите своё устройство, разворачивая его для более удобного просмотра видеоролика на YouYube или сёрфинга в интернете, именно этот датчик определяет положение в пространстве и даёт команду на поворот экрана.
Когда в какой-то игре вы управляете персонажем или гоночным болидом, не прикасаясь к экрану, а лишь поворачивая планшет, то это тоже работа акселерометра. Кроме того, акселерометр участвует в подсчёте количества пройденных шагов, хотя это больше относится к смартфонам, так как вряд ли много людей используют планшет в качестве шагомера.
Иногда случаются неприятные ситуации, в которых датчик начинает работать некорректно или вовсе прекращает работать, из-за чего управление в играх не функционирует, экран не поворачивается в удобное и привычное вам положение для сёрфинга или . Что делать в таком случае, как настроить акселерометр на планшете?
Первым делом, конечно, стоит проверить в настройках гаджета, не отключен ли датчик, возможно, вы сами по какой-то причине отключили автоповорот дисплея и забыли об этом. Если же в настройках всё нормально, но в работе акселерометра наблюдаются проблемы, то следует откалибровать датчик при помощи утилиты GPS Status & Toolbox, которую можно загрузить в магазине приложений Google Play.
Несмотря на своё название, приложение позволяет работать не только с GPS, но и с другими датчиками вашего гаджета. Для калибровки необходимо произвести несколько простых шагов:
Если после всех этих манипуляций в работе акселерометра всё равно наблюдаются проблемы, то можно сделать (не забываем, что при хард-резете вся информация с гаджета сотрётся, так что делаем бэкап). Если и этот вариант не поможет, значит, проблема носит аппаратный характер и вам прямая дорога в ближайший сервисный центр, так как ремонт и калибровка акселерометра в домашних условиях без специального оборудования невозможны.
Если рассматривать акселерометр, что это, станет понятно, когда будет определена его сфера применения. Она охватывает ноутбуки, мобильные телефоны, разнообразные игровые устройства, а также автомобили. Само предназначение этого приспособления заключается в измерении кажущегося ускорения.
Датчик акселерометр в мобильном телефоне используется для множества целей. К примеру, для смены ориентации экрана. Либо при выполнении определенных функций при встряхивании девайса. Не стоит забывать и об играх, так как сейчас именно они берут на себя основную сферу применения акселерометров. Эти датчики имеются в разнообразных контроллерах игровых консолей, используются они и в шлеме виртуальной реальности от Sony. Если рассматривать акселерометр, что это, то стоит сказать о его особом значении в ноутбуках, точнее в жестких дисках, установленных там. Все знают о чрезвычайной хрупкости винчестеров, а в случае с лэптопами вероятность их повреждения становится в разы выше. При падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения, после чего отдает команду на парковку головки винчестера, что позволяет предотвратить не только повреждение устройства, но и потерю данных.
Аналогичный принцип используется в автомобильном видеорегистраторе. В моменты резкого торможения, перестроения и ускорения транспортного средства на видеозаписи остается специальный маркер, защищающий ее от стирания и перезаписи, благодаря чему существенно облегчается разбор ДТП в дальнейшем. Если рассматривать акселерометр, что это такое и где он используется, то стоит сказать, что наиболее перспективным рынком для этих приспособлений является автомобильный. В игровых консолях и мобильных телефонах он используется исключительно в развлекательных целях, а вот в автомобилях на их работе основываются все системы безопасности. Датчик акселерометр обеспечивает работу систем развертывания подушек безопасности, АБС, адаптивного круиз-контроля, системы стабилизации, адаптивной подвески и прочих важных систем. Если учесть, что внимание производителей автомобилей на данный момент больше всего направлено в сторону обеспечения безопасности, то сфер применения акселерометров будет становиться все больше и больше.
При том что рамки использования акселерометров определены достаточно четко, разработчики все еще думают над тем, в каких еще целях применимы эти устройства. К примеру, было предложено использовать в качестве датчика землетрясений акселерометр в смартфоне. Что это, станет понятно, если рассмотреть устройство более подробно. В результате экспериментов стало понятно, что акселерометр способен улавливать сильные толчки более пяти балов по шкале Рихтера, однако он должен находиться вблизи эпицентра землетрясения. Конечно, такой результат сложно назвать впечатляющим, однако ученые убеждены в том, что точность приспособлений со временем будет только расти, что позволит в будущем им определять землетрясения меньшей силы.
В связи со всем сказанным ранее остается только один вопрос: зачем телефонному акселерометру измерять силу толчков, если уже существует датчик землетрясений? Ученые решили создать в будущем сеть из смартфонов в сейсмически активных районах. Теория такова, что все сигналы с этих устройств будут поступать при землетрясении в аналитический центр, благодаря чему можно будет определить районы, больше всего пострадавшие от стихии, чтобы координировать спасательные операции более эффективно. Идея не просто очень интересная, а довольно востребованная в некоторых уголках планеты, но сейчас пока еще сложно представить ее реализацию на практике.
Если рассматривать акселерометр, что это, станет понятно после изучения его конструкции. В зависимости от архитектуры на данный момент существует несколько типов устройств. Работа акселерометра вполне может базироваться на конденсаторном принципе. В такой системе подвижная часть выполнена в виде обычного грузика, смещаемого в зависимости от того, в какую сторону наклонено устройство. По мере его смещения происходит изменение а конкретнее, напряжения. Эти данные позволяют получить смещение грузика, а вместе с ним и искомое ускорение. Именно так и работает акселерометр гироскоп.
Наиболее распространенным типом являются пьезоэлектрические системы. В их основе лежит грузик, воздействующий под давлением на пьезокристалл. В ответ на это он вырабатывает электрический ток, благодаря чему можно рассчитать искомое ускорение, если известны параметры всей системы.
Акселерометры представлены еще в одном варианте, который в корне отличен от описанных выше. Их называют термальными. В их архитектуре предусмотрено использование воздушного пузырька. Ускорение приводит к его отклонению от начального положения, что фиксируют специальные датчики. Величину ускорения можно рассчитать, если знать, на сколько воздушный пузырек сместился при движении.
В планшете и смартфоне этот датчик используется чаще всего для реакции устройства на поворот и иные манипуляции. Это позволяет экрану тоже поворачиваться. В играх акселерометры тоже используются весьма активно, ведь управление в данном случае осуществляется посредством наклонов смартфона или планшета.
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.
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.
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.
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.
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.
