Разница между гироскопом и акселерометром

Многие из современных мобильных гаджетов — смартфонов и планшетов — оснащены гироскопами и акселерометрами. Что это за аппаратные компоненты?

Что такое гироскоп?

Гироскоп, встраиваемый в мобильный гаджет, это небольшое устройство, способное определять собственный (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) угол наклона относительно земной поверхности и передавать соответствующие координаты в то или иное приложение. Например — в игру, установленную на смартфоне либо планшете или иной вид ПО. Использование приложениями данных с гироскопа дает возможность пользователю эффективно управлять интерфейсом девайса или, например, игровыми персонажами.

Гироскопы — это девайсы, которые находят самое широкое применение не только в индустрии мобильных решений, но и в иных сегментах рынка электронных устройств, а также в автомобильной, аэрокосмической промышленности. Принцип их работы вне зависимости от сферы применения одинаковый — они используются для определения положения объекта относительно земной поверхности.

Что такое акселерометр?

Акселерометр в мобильном гаджете — это устройство, позволяющее измерять собственное (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) ускорение. Даже если длина «разгона» составляет миллиметры. Как и гироскоп, акселерометр, инсталлированный на смартфоне или планшете, может передавать сведения об ускорении в игру или приложение. При этом соответствующий сигнал призван выполнять, в принципе, ту же функцию, что и в случае с задействованием гироскопа — он помогает программе, работающей на гаджете, определить свое положение относительно земной поверхности.

Вместе с тем у акселерометра есть одно важное преимущество — измерение ускорения позволяет устройству весьма точно вычислять расстояние, на которое оно перемещено в пространстве. Поэтому мобильный гаджет с акселерометром можно использовать, к примеру, как шагомер.

Способность акселерометра измерять ускорение исключительно полезна для работы систем защиты некоторых электронных устройств от последствий падения или неудачной «перепасовки» одним пользователем другому. Подобные системы могут устанавливаться на жестких дисках ноутбуков: если они обнаруживают, что винчестер куда-то летит, то временно блокируют его записывающую головку — самый хрупкий элемент. Если жесткий диск все же упадет, то сохранится шанс на то, что его кластеры останутся в целости.

Сравнение

Главное отличие гироскопа от акселерометра — в принципах работы данных аппаратных компонентов. Первый вычисляет свой угол наклона относительно земли, второй подсчитывает собственное ускорение — но, опять же, относительно земной поверхности. На практике обе функции могут в ряде случаев заменять друг друга или же удачно дополнять. Поэтому многие мобильные девайсы оснащаются как акселерометром, так и гироскопом.

Вместе с тем у акселерометра есть ряд возможностей, недоступных для гироскопа. В частности — формирование сигналов, позволяющих определить расстояние, пройденное пользователем мобильного устройства.

Определив то, в чем разница между гироскопом и акселерометром, зафиксируем ее ключевые критерии в таблице.

Источник

Что такое гироскоп и акселерометр

Акселерометр

Акселерометр в простейшем виде — это закрепленный на пружинке грузик, установленный в собственном корпусе. При встряхивании или повороте корпуса, грузик перемещается внутри него по инерции. И поскольку при ускорении в соответствующем направлении грузик движется, он неизбежно натягивает за собой и пружинку, колебания которой могут быть приняты в расчет для определения направления и ускорения изменения положения всего корпуса.

Так, три пружинки с грузиками, установленные вдоль трех пространственных осей, позволяют получить полное представление о направлении и величине ускорения относительно земли того предмета, к которому они прикреплены.

В смартфоне, например, вся эта конструкция размещена внутри маленькой микросхемы, и все движения «грузиков» происходят внутри нее. Однако в результате становится возможным определение ускорения всего смартфона в пространстве.

Гироскоп

Гироскоп действует совсем иначе. Волчок, закреплен на оси в первой рамке, и вращается с высокой скоростью. Первая рамка имеет свободу вращения, будучи закреплена на оси (перпендикулярной оси волчка) внутри второй рамки. Третья рамка несет на себе ось вращения для второй рамки (перпендикулярную осям вращения волчка и первой рамки).

В итоге, как ни поворачивай такую конструкцию, волчок будет стремиться сохранить вертикальное положение, хотя кольца и будут поворачиваться.

Для более точного определения параметров перемещения предмета в пространстве, гироскоп обычно работает совместно с акселерометром, позволяя получить полное представление о физическом движении корпуса того или иного гаджета.

Функционирование

Текущую ориентацию устройства в пространстве определяет гиродатчик. Программа реагирует на перемещение, и способна быстро отследить тот момент, когда устройство, например, падает. Ноутбук опрокидывается — внутри активируется система фиксации жесткого диска.

Играя раньше в компьютерные игры, человек мог осуществлять управление игровым процессом при помощи джойстика, мыши или клавиатуры. Сегодня же можно играть в гонки на смартфоне, и просто двигая, встряхивая или наклоняя его в разных направлениях, полностью управлять игровым процессом — вести виртуальный автомобиль.

На данный момент придумано множество интерактивных игр с учетом возможностей управления, открывшихся благодаря паре акселерометра и гироскопа. Игры стали более увлекательными, так как получаются почти реальными.

Акселерометр с гироскопом всюду управляют ориентацией изображения на экране. Стоит наклонить смартфон — ориентация станет альбомной (удобной для просмотра видео), а верни его в вертикальное положение — снова превратится в стандартную, удобную для чтения с веб-страниц.

Аналогичным образом автоматически настраивается вид в приложениях — вид плеера изменяется, становится видно обложку прослушиваемого альбома, когда ориентация экрана горизонтальна, но в вертикальном положении остаются лишь основные кнопки управления проигрыванием музыки.

В GPS-навигаторах карта поворачивается на экране подобно стрелке компаса, когда вы то и дело сворачиваете, перемещаясь по местности с ним в руках, но стрелка, указывающая направление, остается направленной в соответствии с положением в пространстве ваших рук.

Шагомер — еще одно простое, но полезное, применение акселерометра. Вы можете задать индивидуальные настройки, и узнаете не только количество сделанных шагов, но сможете прикинуть и приблизительное расстояние, которое пробежали или прошли.

Разумеется, используя устройство с гироскопом и акселерометром необходимо учитывать тот факт, что данные датчики реагируют не только на осознанно сделанные движения, но и на случайные.

Порой это вредно, например вы ложитесь с ридером на диван, желая почитать книгу, ворочаетесь при этом немного, а он, будучи чувствительным, реагирует на случайное движение и поворачивает страницу, переводя ее в альбомный вид.

В таких ситуациях будет очень полезна возможность настройки чувствительности датчика, когда задается угол наклона устройства, при котором датчик понимает, точно ли нужно развернуть ориентацию или это просто неловкое движение.

Источник

Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры

Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.

История и архитектура

Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения. Через 20 лет — в 1974 году — компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления. А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.

MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.

В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах. Так, кремний очень надежен — он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи. Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.

Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.

Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung — литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.

Результат, полученный с помощью объемной обработки

Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.

В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы. Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия. Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).

DLP-проектор BenQ использует актуаторы

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Акселерометры

Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения. В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх — они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров. Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер. Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.

Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Акселерометр InvenSense MPU-6500

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности. С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control — и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.

Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией

Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство. Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D’Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D’Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений. Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков. Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения. Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Источник

Датчики современных смартфонов

Владимир Нимин

Продолжаем разбираться в устройстве смартфона. В прошлый раз смотрели экраны, а сегодня поговорим про датчики.

Акселерометр, также называют G-сенсор. Официальное определение гласит, что это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения. А если простым языком, то акселерометр помогает смартфону определить положение в пространстве, а также расстояние перемещения. Основные функции акселерометра:

Акселерометр – это громоздкое устройство, внутри которого находится инертная масса, реагирующая на все перемещения. Такой вариант для смартфона не подходил, поэтому придумали чип, имеющий кристаллическую структуру, пьезоэлектрический элемент и сенсор ёмкостного сопротивления. Когда смартфон перемещается/вращается, то пьезоэлектрический элемент выдаёт разряды, а сенсор их интерпретирует, таким образом определяя положение и скорость.

Акселерометр – базовый датчик, который есть в любом, даже самом дешевом, смартфоне. Хотя это на удивление технически сложный продукт. В смартфонах акселерометр понимает движения по 3 осям. Третья нужна для 3D позиционирования. К слову, акселерометр есть и во всех современных автомобилях, но там он обычно двухосевой (ибо автомобиль не крутится в воздухе).

Не все акселерометры одинаковые. Их делают из разных материалов. Соответственно, некоторые более чувствительные, некоторые менее.

Гироскоп – это один самых классных датчиков, о полезности которого для смартфонов долгое время никто не подозревал, пока на сцену не вышел Стив Джобс и не объяснил, как оно должно быть. Посмотрите презентацию этой шикарной функции, и как зал взорвался от восторга.