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.
Задайте себе вопрос: как часто Вы пользуетесь современными и оборудованными смартфонами? Частенько, не так ли? А как часто Вы задумывались о том, какие комплектующие помогают Вам активно пользоваться им? Их ведь очень много в самом смартфоне.
Вообще удивительная система, ведь работает она за счёт отличной скорости всех комплектующих сразу. Сегодня, в этой статье, мы разберём такую вещь, как акселерометр и для чего он нужен. Интересная вещь, о которой должен знать каждый пользователь. Давайте же приступим.
Что такое акселерометр
Итак, уважаемые пользователи. Вы ведь не раз слышали такое слово, как акселерометр, не правда? Верно, хотя бы раз в жизни, но слышали. А как часто Вы интересовались что это? Давайте попробуем разобраться в этом. Как часто Вы играете в игры? Думаю, довольно часто.
Они могут быть такими, чтобы делать простое касание экрана, а могут быть и такими, которые позволяют наклонять телефон в нужном направлении и получать результат. Как пример можно привести гонки, где каждый наклон считается как поворот руля. Это и есть акселерометр. А теперь объясним это с научной точки зрения.
Акселерометр — это возможность телефона менять направление при помощи наклона и при этом получать определённый результат. Давайте поблагодарим разработчиков за столь прекрасную вещь. Вы же играете в игры, а он Вам помогает в некоторых из них.
Не играете и думаете, что он Вам не нужен? Тоже не верно. Напомним о такой вещи, как «Автоповорот экрана» . Им то Вы точно пользовались хоть разок в жизни. Мы считаем, что Вы даже не догадываетесь, что работает он за счёт акселерометра. Да, именно за счёт него.
Он помогает определить положение телефона ссылаясь на поверхность земли. Существуют две оси, это Х и Y. И одна, и другая ось позволяет определять положение телефона относительно земле. Вот так и получается, что даже в этом случае акселерометр нужен.
Не верите, что только в этом польза? Вспомните то, что Вы можете встряхивать телефон при каждом использовании. Он будет жужжать, что также является акселерометром. Представьте, что будет, если он сломается. Вы не сможете пользоваться своим смартфоном на все сто и будете постоянно оставаться недовольными.
Ещё одна наиболее раздражающая вещь — просмотр видео . Частенько так бывает, особенно на смартфонах с маленькими экранами, что просматривая видео Вы ничего не видите. Это действительно так, ведь если расположить телефон горизонтально, то посмотреть видео не получится из-за маленького экрана.
В таком случае нужно расположить его вертикально. Расположили, а он… Не меняется. Вот и всё. Вот и придётся смотреть только горизонтально. А вот акселерометр помогает облегчить всю задачу.
К тому же это очень важная часть смартфона, ведь при его поломке его не так просто починить . Некоторые «умные» пользователи считают, что если побить телефон, то он сразу будет нормально работать. Наивно, достаточно наивно. Однако, огорчим Вас, это не поможет. Проще пойти в ремонтный центр и починить телефон, чем усложнять себе задачу. Вот так вот.
Это не такая деталь, которую очень просто заменить, нет. Телефон придётся относить к специалистам, которые разбираются в данной ситуации и в её решении.
Кстати, в смартфоне существует ещё одна функция. Она очень схожа с акселерометром, но это не одна и та же функция. Их часто путают и называют одним и тем же. Нет, это не так. Функция эта называется гироскоп и она даже и близко не является схожей. Она похожа в функциях, но задача её совершенно иная.
Ещё акселерометр очень отличное средство, если Вы потерялись. Ведь он выполняет ещё и роль компаса. Да, Вы не ошиблись. Всё это время рядом с Вами был компас, о котором Вы, возможно и не знали. Теперь же знайте и используйте его с умом.
На этом мы завершаем нашу статью. Не лёгкий путь мы прошли до её конца, очень нелёгкий. Однако, мы благодарим Вас за то, что дочитали её. Надеемся, что она действительно Вам принесла пользу и оставила только положительное впечатление.
В заключении хотелось бы сказать, что каждая часть Вашего телефона крайне хрупкая. Кому захочется относить телефон на ремонт или же на прошивку после неудачного падения? Действительно, никому, это очень обидно. Так что, всегда помните об этом и берегите свой телефон, как зеницу ока.
Каждый телефон по своему уникален и помогает Вам оставаться довольными в любой ситуации. Мы действительно желаем Вам только наилучшего и быть постоянно на позитиве. Не каждый человек способен принимать это. Как же Вы будете смотреть фильмы и наслаждаться играми, если акселерометр сломается?
Верно, очень и очень тяжело. Так что пользуйтесь телефон на здоровье. Новейшие технологии действительно удивляют многих, так что акселерометр идеально вписывается в жизнь человека, облегчая её на всех фронтах. Удачи Вам!
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.
Сфера применения
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.
Альтернативные сферы применения
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.
Идеи
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.
Применение новых возможностей
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.
Устройство
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.
Акселерометр: что это?
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 — 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.
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.
