Что такое акселерометр в часах. Акселерометры

05.05.2019

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.

Практичное устройство – акселерометр, позволяет измерять и регулировать скорость передвижения транспортных средств. Впервые такие приборы появились в комплектации автомобилей Форд и Мерседес-Бенц. Чуть позже их стали устанавливать в мобильные телефоны и другие технические устройства.

Акселерометр в смартфоне

Акселерометр, что это такое в телефоне и по какому принципу он работает?

Первоначальные акселерометры имели крупные размеры, не позволяющие внедрить устройство в миниатюрный корпус мобильника.

Специалисты решили создать миниатюрный чип с инертной массой внутри, которая и отслеживает ускорение с фиксацией данных об изменениях местоположения объекта.

Общий алгоритм работы мобильного акселерометра не отличается от основного принципа работы оригинального устройства.

Современные гаджеты также укомплектовываются этим небольшим, но очень удобным механизмом. Акселерометр в смартфоне или в планшете позволяет сохранять важные данные, измеряет уровень смещения от уровня состояния покоя, отслеживает активность человека, а также распознает и демонстрирует расположение в пространстве.

Другие важные функции акселерометра в мобильном телефоне:

измерение количества шагов (шагометр);
обеспечивает удобное управление путем мгновенного реагирования на смену положения устройства;
переворачивает экран при смене положения, создавая наиболее комфортные условия для эксплуатации гаджета.

К слову, большинство современных смартфонов также укомплектовываются гироскопом.

Гироскоп в телефоне обеспечивает гаджет функцией изменения ориентации устройства с книжной на альбомную в зависимости от его расположения. Первый гироскопический датчик в мобильной индустрии был установлен в Айфон 4.

Новые возможности телефона покорили пользователей и эту идею вскоре подхватили и другие компании-производители. Во многих современных смартфонах уже функционирует акселерометр и гироскоп, улучшающие функциональность гаджета.

Функция акселерометра в фитнес-часах

В часах и в фитнес-браслетах акселерометр выполняет функцию контроля:

измеряет количество шагов;
просчитывает скорость движения и пройденное расстояние;
устанавливает какое количество энергии потратил человек во время тренировки;
распознает сердечный ритм.

Вся информация автоматически фиксируется во время сна и бодрствования человека. Такие данные сохраняются в отчете установленного приложения. Очень удобное устройство для тех, кто занимается спортом и следит за своим здоровьем!

Функция акселерометра в видеорегистраторе

Автомобильные видеорегистраторы уже давно комплектуются чипом-акселерометром. Это устройство фиксирует резкие изменения движения транспорта и обеспечивает сохранность видео файлов с регистратора.

Акселерометр в видеорегистраторе также выполняет:

сбор информации об ускорении авто и ее сохранение в компьютере;
при определении «тревожных событий» (например, резкое торможение, удар или поворот), запускает автоматическое включение регистратора, который мог быть выключен на тот момент;
предотвращают случайное удаление видео записей в момент «тревожных событий», сохраняя эту информацию в специальной отдельной папке.

Проще говоря, акселерометр – очень нужная и удобная вещь, успешно применяемая в разных направлениях.

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.

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 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.