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

Разбираемся что такое акселерометр и гироскоп

Положение в пространстве, направление движения и ускорение — наверное одни из тех факторов, которые попросту нужно знать логической части множества контролирующих устройств. Речь идет не только о специфичной самолетной, вертолетной или морской технике, изменение ориентации которой важно в навигации и пилотировании.

Применяются датчики определяющие перечисленные факторы и в быту. К примеру, в смартфонах, фитнес-браслетах, планшетах, ноутбуках, экранах TV или мониторах. Для первых трех — технология положения используется в нише создания шагомеров или в качестве управляющей функциями аппарата опции. Доступно и позиционирование с участием детектора отображаемых элементов мобильного устройства. Остальные перечисленные, довольствуются определением текущей ориентации выводящего изображение экрана. В случае ее изменения, соответственно будет подстроен и формат — книжный (широкий) или альбомный (узкий) тип подачи картинки на текущий дисплей.

Есть еще одна ниша в быту, где властвуют аппараты, определяющие ускорение и положение в пространстве. Речь идет об игровых контроллерах, которые, на современных приставках, осуществляют действие не только от нажатия на кнопку, но и по вибрации джойстика или его наклона.

Встречаются акселерометры и в автомобильных регистраторах. Они включают запись событий в моменты резких остановок, экстренного торможения или изменения положения кузова. Последнее актуально для тех случаев, когда машина вылетает с дороги, обо что-то ударяется, а также переворачивается на бок или крышу.

В любом варианте использования, для аппаратов, определяющих положение, применяют два вида сенсоров — акселерометр или гироскоп. Каждый из которых, обладает своими плюсами и минусами. В настоящее время, сама механика каждого из перечисленных датчиков, упакована внутрь небольших микросхем. Хотя, в своей основе, — принцип их действия остается неизменным еще с XIX века. Именно тогда, давно известные физические свойства, относящиеся к механизмам, определяющим положение в пространстве, получили свое официальное наименование.

Редко, но встречаются случаи, участия обоих типов сенсоров — гироскопа и акселерометра в схеме одного устройства. Чаще используется какой-либо один из них, так как он, почти в полном объеме, выполняет функции другого. Хотя есть и небольшие различия, делающие применение аналогичного по возможностям датчика, но работающего на других физических основах, — в некоторых случаях невозможным.

Гироскоп

Изобретение устройства приписывается Иоанну Бонненбергеру, как первому человеку, описавшему механический гироскоп. Но, еще задолго до него, люди обращали внимание на поведение обычного волчка (юлы) — вращаясь, он всегда сохраняет одно положение, вне зависимости от действия сторонних сил. То есть, единовременный наклон плоскости, на которой находится крутящийся маховик не оказывает на его положение никакого влияния. В основе работы механического гироскопа заложен тот же принцип. Ротор, закреплен в корпусе на две подвижные рамы, позволяющие изменять его положение в пространстве по всем осям ординат. Вращаясь, он будет сохранять свой изначальный наклон, вне зависимости от угла смещения основы, на которой закреплена конструкция. Обусловлен этот фактор действием кориолисовой силы.

Чем выше оборот маховика и его вес, тем более устойчив гироскоп к внешним факторам изменения положения. С другой стороны, тем больше его размер. Современные устройства настоящего типа миниатюрны и представляют собой относительно небольшую микросхему с гранями менее сантиметра длинной. Наклон в таких приборах выявляется уже не положением маховика в подвижной раме, а местонахождением миниатюрного вибрирующего грузика по трем осям. Описанная система более надежна, чем ее классический вариант. Кроме того, результирующий чувствительный прибор очень мал. Впервые, для рынка мобильных устройств, гироскоп в составе МЭМС микросхемы стал доступен в смартфоне Apple iPhone 4s.

Акселерометр

Изначальным датчиком, определяющим положение в пространстве для устройств, был акселерометр, еще называемый G-сенсором. В состоянии покоя, он позволяет приблизительно, вычислить угол наклона детектора относительно вектора силы тяготения земли. Но основная функция устройства — определение ускорения движения.

В своей конструкции, акселерометр представлен грузом, закрепленным на подвижном основании и установленным вдоль пути возможного перемещения. При ускорении маятник будет смещаться на расстояние, зависящее от силы воздействия.

Практическое применение прибора с одним определяемым вектором направления — бессмысленно. Обычно используют датчики акселерометров с тремя линиями чувствительности воздействия, упакованные, как, и в случае гироскопов внутрь МЭСМ микросхем.

Рассматривая детектор со стороны внутренних электрических принципов работы, можно заметить, что чаще встречаются сенсоры ускорения емкостного или пьезоэлектрического действия.

Недостатки и преимущества

Гироскоп и акселерометр похожи по возможностям, тем не менее, отличаются определяемой характеристикой. В первом случае — положение, для второго — направление воздействия силы. Поэтому функциональность их востребована немного в разных жизненных областях. Рассмотрим их возможности, в разрезе плюсов и минусов.

Акселерометр

Наиболее часто используется в обыденной жизни для автомобильных регистраторов, систем безопасности хрупкого оборудования, мобильных телефонов и планшетов, игровых контроллеров, фитнес-браслетов. Популярен за счет низкой цены, малого размера и надежности.

Гироскоп

Для гироскопов характерной нишей применения становятся системы равновесия транспортных средств, включая водные, воздушные и космические. Ими же оснащают качественные мобильные аппараты и всю электронику контролирующую изначальное положение в пространстве механизмов или производственных линий.

Как определить установленный тип датчика для мобильного устройства

В смартфоне или планшете определить, какой именно сенсор установлен — гироскоп или акселерометр очень просто, даже без использования специфичных программ. Достаточно включить «поворот экрана» и потрясти устройство вверх-вниз, влево-вправо, не переворачивая его в действительности. Если экран сменит ориентацию, значит детектором выступает акселерометр. Если нет — гироскоп. Все дело именно в отличии определяемых сил. Если ускорение без покоя в случае акселерометра – процессор устройства «решит», что произошел поворот. Гироскопу тряска безразлична.

Точно помогут определить вид детектора и его модель специальные программы. К примеру, Sensor Box For Android, AnTuTu Benchmark, AIDA64.

Использование акселерометра или гироскопа с микроконтроллерами

Отдельно стоит упомянуть датчики положения, используемые в DIY- проектах. Речь идет об их вариантах, разработанных для совместного использования с Arduino или Raspberry PI.

С помощью подобных сенсоров и контролера можно определять текущее положение роботов или подвижной техники в пространстве. Доступно и вычисление текущей скорости. Для чего берется за основу импульсы изначального ускорения и характеристики торможения. Далее математически вычисляется текущее значение параметра. Причем крайний вариант применения не требует установки механической связи с подвижными частями подвески аппарата. В некоторых случаях, настоящее действие может быть затруднено к исполнению.

Резюмируя

Датчики положения для техники делятся на акселерометры и гироскопы. Первые определяют ускорение, воздействующее на сенсор, вторые его угол наклона в пространстве. Акселерометры можно использовать и в качестве гироскопа, вычисляя текущий поворот детектора относительно вектора земного притяжения. К сожалению, точность настоящих измерений будет низкой и сильно зависеть от сторонних факторов. Включая то, что для определения текущего положения датчика ускорения — под углом, стоя или лежа, требуется чтобы он находился в состоянии покоя. Для гироскопов последнее не критично.

Видео по теме