Акселерометр в телефоне - что это? Датчик акселерометра в телефоне. Что такое акселерометр в смартфоне, принцип его строения и работы

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.

Еще несколько лет назад мы и представить не могли, что существуют игры на смартфонах, где управление осуществляется с помощью поворота самого устройства! Сейчас таких игр — великое множество в онлайн-магазинах мобильных приложений, а тогда это казалось чем-то невероятным.

Хотите пример? Это могут быть, скажем, различные автомобильные гонки, которые управляются при помощи отклонения смартфона или планшета в разные стороны, при этом автомобиль поворачивает. Одной из самых известных подобных игр является Asphalt 8:

Внимание, вопрос! Как это возможно? Ответ: это стало возможно благодаря акселерометру.

Что такое акселерометр и как он работает?

Акселерометр — это прибор, который измеряет проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр позволяет фиксировать даже незначительные изменения ускорения в зависимости от его положения в пространстве.

В смартфоне или планшете акселерометр представляет из себя крайне небольшую деталь, зачастую — чуть больше спичечной головки. Несмотря на это, свои действия он выполняет как и положено.

Где применяется акселерометр?

Как было сказано выше, устройство используется в смартфонах и планшетах. При этом в них его начали устанавливать относительно недавно — вместе с появлением смартфона iPhone, а уже после он начал устанавливаться и в другие мобильные устройства.

Кроме того, акселерометр используется:

• В промышленной авиации, где является неотъемлемой частью систем навигации, а также управления летательными аппаратами.

• В промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

• В системах управления жестких дисков для активации механизма защиты от повреждений. При ускорении (например, при падении жесткого диска) система «паркует» головки винчестера, тем самым предотвращая их повреждение, а также повреждение данных.

• В видеорегистраторах. Здесь акселерометр позволяет различать важные события: резкое ускорение или торможение, столкновение и т.п.

• В игровых приставках, а если быть точным — в устройствах управления игровыми приставками. Джойстик может даже не иметь кнопок и управление происходит с помощью его поворотов в пространстве, потряхиваний и т.д.

Зачем нужен акселерометр в смартфоне?

В настоящее время акселерометр используется в смартфонах и планшетах как для нужд операционной системы, так и для работы некоторых приложений, включая игры.

Что касается операционной системы, то благодаря акселерометру происходит поворот экрана на устройстве, когда мы его переворачиваем.

Про игры было сказано чуть выше. Помимо гонок, акселерометр активно используется в казуалках и даже шутерах.

Словом, акселерометр — крайне важный компонент современной мобильной техники, в чем вы только что убедились.

Автоматический поворот экрана, реализованный в современных смартфонах и планшетах, - полезная для многих пользователей функция. Особенно это актуально для геймеров, играющих в развлекательные приложения на мобильных устройствах. При наличии акселерометра очень удобно управлять игрой.
Этот прибор дает возможность использовать смартфон в качестве ватерпаса, устанавливать приложения и проходить в комфортном режиме игры, которые используют данные о положении устройства в пространстве.

Суть понятия «акселерометр»

Акселерометр - прибор для измерения проекции кажущегося ускорения. Это понятие подразумевает разность между настоящим и гравитационным ускорением объекта. Пружина, демпфер, чувствительная масса - три составляющих устройства.

Пружина, прикрепленная к неподвижной поверхности, соединяется с массой. А демпфер, поддерживающий пружину, гасит или предотвращает колебания. Когда объект ускоряется, пружина изменяет форму. И показания акселерометра базируются именно на этих изменениях.

По конструкции измерительное устройство может быть однокомпонентным, двухкомпонентным, трехкомпонентным. Например, два устройства, соединенные в одной системе (двухкомпонентный тип), измеряют положение объекта в двухмерном пространстве.

Применяются эти измерительные устройства в четырех областях:

• Системы навигации воздушных суден и ракет базируются на акселерометре и гироскопе.
• При создании видеорегистраторов и спидометров для авто тоже используют этот измерительный прибор. С помощью акселерометра спидометры определяют скорость, основываясь на отклонениях чувствительной массы, а видеорегистраторы фиксируют изменение в скорости, повороты, торможение и делают записи в файлы.
• Станки, оборудование, производственные линии защищены акселерометрами. Если, например, температура достигает критического значения, с помощью устройства обесточивается питание или меняются параметры работы.
• Акселерометры также защищают винчестеры и мобильные устройства (смартфоны, планшеты) от внешнего воздействия. Например, если смартфон падает, акселерометр даст команду магнитной головке и она примет наименее опасное положение. В этом случае минимизируется потеря информации.

Один акселерометр - простой прибор, но компонуясь, может решить множество задач. Есть ли принципиальное отличие измерительных устройств, работающих на смартфонах, планшетах и других современных девайсах?

Акселерометр в телефоне: принцип работы

Приборы для современных мобильных устройств должны быть компактными, поскольку сами девайсы такие. В шестимиллиметровом корпусе должно уместиться множество разнообразных приборов, поэтому их конструкция должна быть максимально миниатюрной, чтобы занимала как можно меньше места. По сути, в мобильных устройствах все детали акселерометра заключены в миниатюрном чипе. Вот так это выглядит на конструкции:

Перегородка, проводники которой разведены в сторону, крепится к стационарному корпусу специальными приставками, позволяющими прибору перемещаться в заданных пределах. Разведенные в сторону проводники, размещенные между контактами, и измеряют проекцию ускорения. Когда они перемещаются между контактами, фиксируется изменение параметров напряженности поля. Это и измеряет прибор.

В чипе все элементы прибора микроскопичны, поэтому физически их обработать нереально. Производятся акселерометры на конвейерах с автоматическим принципом работы и при их изготовлении применяются реакции полиорганосилоксанов с определенными веществами.

Важная информация! При поломке акселерометра обращайтесь только в специализированный сервис-центр.

Зачем акселерометр в смартфоне

Первый акселерометр, отдаленно напоминающий современное устройство, появился в смартфоне Nokia 5500. Хотя и использовался он только как шагомер, но стал моментально популярным. А затем измерительным устройством был оснащен iPhone. Теперь это стандарт смартфонов, планшетов.

Разработчики приложений оценили функциональные возможности акселерометра и стали создавать свои продукты. Вслед за шагомером мобильные устройства оснастили электронным ватерпасом, а затем возможности измерительного прибора стали применяться в ОС и игровых приложениях.

Некоторые служебные программы также используют возможности акселерометра. Например, есть программы, передающие информацию путем столкновения устройств.

Широкое применение прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения, нашел в игровых приложениях. Особенно это актуально при создании мобильных шутеров от первого лица. В играх этого жанра используются возможности акселерометра и гироскопа, устройства, измеряющего изменения углов ориентации объекта относительно ИСО (инерциальной системы отчета). Это позволяет комфортно передвигаться по уровням, управлять и контролировать персонажа.

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.