Что такое гироскоп в телефоне: Что такое гироскоп в телефоне и для чего он нужен?

Аналогичная версия этой статьи появилась в марте 2014 г. в

Введение

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) объединяют механические и электрические компоненты в небольшие структуры микрометрового масштаба. Они образованы комбинацией полупроводниковых технологий и технологий микрообработки с использованием микромашинной обработки для интеграции всей электроники, датчиков и механических элементов на общую кремниевую подложку. Основными компонентами любой МЭМС-системы являются механические элементы, чувствительный механизм и ASIC или микроконтроллер. В этой статье представлен обзор МЭМС-датчиков акселерометров и гироскопов. Мы обсуждаем принципы их работы, их чувствительный механизм, растущее разнообразие их применений и глубокое влияние, которое они уже оказывают на нашу повседневную жизнь.

МЭМС в качестве инерциальных датчиков

имеют множество применений для измерения либо линейного ускорения вдоль одной или нескольких осей, либо углового движения вокруг одной или нескольких осей в качестве входных данных для управления системой (рис. 1).

Рис. 1. Угловое и линейное движение.

Все датчики акселерометров МЭМС обычно измеряют смещение массы с помощью интерфейсной схемы измерения положения. Это измерение затем преобразуется в цифровой электрический сигнал через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для цифровой обработки. Однако гироскопы измеряют как смещение резонирующей массы, так и ее каркаса из-за ускорения Кориолиса.

Основные операции с акселерометром

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение (м/с ² ) тела прямо пропорционально суммарной силе (Ньютона), действующей на тело, и обратно пропорционально его массе. (грамм).

Ускорение = Сила (Ньютон)
(м/с ² ) Масса (грамм)

Важно отметить, что ускорение создает силу, которая улавливается механизмом определения силы акселерометра. Так что акселерометр действительно измеряет силу, а не ускорение; в основном он косвенно измеряет ускорение через силу, приложенную к одной из осей акселерометра.

Акселерометр также представляет собой электромеханическое устройство, включающее отверстия, полости, пружины и каналы, изготовленное с использованием технологии микрообработки. Акселерометры изготавливаются в процессе многослойной пластины, измеряя силы ускорения путем обнаружения смещения массы относительно неподвижных электродов.

Чувствительный механизм акселерометра

Общим подходом к измерению, используемым в акселерометрах, является измерение емкости, при котором ускорение связано с изменением емкости движущейся массы (рис. 2). Этот метод измерения известен своей высокой точностью, стабильностью, низким рассеиванием мощности и простой конструкцией. Он не подвержен шуму и колебаниям температуры. Полоса пропускания для емкостного акселерометра составляет всего несколько сотен герц из-за их физической геометрии (пружина) и воздуха, заключенного внутри ИС, который действует как демпфер.

C = (ε ₀ × ε _r × A)/D (Фарад)

ε ₀ = допустимое свободное пространство
ε _r = допустимый относительный материал между пластинами
A = площадь перекрытия между электродами
D = расстояние между электродами

Рис. 2. Движущаяся масса и емкость.

Емкость может быть либо односторонней, либо дифференциальной парой. Рассмотрим акселерометры, расположенные дифференциальной парой (рис. 3). Он состоит из одной подвижной массы (одна плоская поверхность), помещенной вместе с механической пружиной между двумя неподвижными эталонными кремниевыми подложками или электродами (другая плоская поверхность). Очевидно, что движение массы (Motion x) происходит относительно неподвижных электродов (d1 и d2) и вызывает изменение емкостей (C1 и C2). Вычислив разницу между C2 и C1, мы можем определить смещение нашей массы и ее направление.

Рис. 3. Ускорение, связанное с одной движущейся массой.

Смещение подвижной массы (микрометра) вызвано ускорением и создает очень небольшое изменение емкости для правильного обнаружения (уравнение 1). Это требует использования нескольких подвижных и неподвижных электродов, соединенных параллельно. Конфигурация обеспечивает большее изменение емкости, которое может быть определено более точно, и, в конечном счете, делает измерение емкости более осуществимым методом.

Давайте быстро подведем итоги. Сила вызывает смещение массы, что, в свою очередь, вызывает изменение емкости. Теперь параллельное размещение нескольких электродов позволяет увеличить емкость, которую будет легче обнаружить (рис. 4). V1 и V2 являются электрическими соединениями с каждой стороны конденсаторов и образуют делитель напряжения с центральной точкой в ​​​​качестве напряжения нашей массы.

Рис. 4. Ускорение, связанное с несколькими движущимися массами.

Аналоговое массовое напряжение будет проходить через усиление заряда, формирование сигнала, демодуляцию и фильтрацию нижних частот, прежде чем оно будет преобразовано в цифровую область с помощью сигма-дельта АЦП. Затем последовательный цифровой битовый поток от АЦП передается в буфер FIFO, который преобразует последовательный сигнал в параллельный поток данных. Затем этот параллельный поток данных может быть преобразован с использованием последовательного протокола, такого как I ² C или SPI перед отправкой на хост для дальнейшей обработки (рис. 5).

Рис. 5. Электрическая схема акселерометра.

Сигма-дельта АЦП хорошо подходит для акселерометров из-за его узкой полосы пропускания сигнала и высокого разрешения. С выходным значением, определяемым количеством битов, сигма-дельта АЦП может быть очень легко преобразован в единицы «g» для приложения акселерометра. «g» — это единица ускорения, равная силе тяжести Земли на уровне моря:

Например, если показания нашего 10-разрядного АЦП по оси X равны 600 из доступных 1023 (2 ¹⁰ – 1 = 1023) и при опорном напряжении 3,3 В мы можем получить напряжение для ось X, указанная в «g» следующим уравнением:

X – напряжение = (600 × 3,3)/1023 = 1,94 В

Каждый акселерометр имеет уровень напряжения невесомости, то есть напряжение, соответствующее 0g. Сначала мы вычисляем сдвиги напряжения от напряжения невесомости (указанного в техническом паспорте и предполагаемого равным 1,65 В) следующим образом:

1,94 В – 1,65 В = 0,29 В

Теперь для окончательного преобразования делим 0,29В на чувствительность акселерометра (указана в техпаспорте и принята равной 0,475В/g):

0,29 В/0,475 В/г = 0,6 г

Многоосевой акселерометр

Давайте еще раз взглянем на наш рисунок 3 и добавим фактически изготовленный акселерометр (рисунок 6). Теперь мы можем четко связать каждый компонент акселерометра с его механической моделью.

Рис. 6. Механическая модель настоящего акселерометра.

Просто установив акселерометр по-другому (под углом 90 градусов, как показано на рис. 7), мы можем создать 2-осевой акселерометр, необходимый для более сложных приложений.

Рис. 7. Двухосевой акселерометр.

Есть два способа сконструировать двухосевой акселерометр: расположить два разных одноосных датчика акселерометра перпендикулярно друг другу или использовать единую массу с емкостными датчиками, расположенными для измерения движения по обеим осям.

Выбор акселерометра

При выборе акселерометра для конкретного приложения важно учитывать некоторые его ключевые характеристики:

1. Полоса пропускания (Гц) : полоса пропускания датчика указывает диапазон частот вибрации, на которые реагирует акселерометр, или как часто можно получать надежные показания. Люди не могут создавать движения тела за пределами диапазона от 10 Гц до 12 Гц. По этой причине полоса пропускания от 40 Гц до 60 Гц достаточна для обнаружения наклона или движения человека.
2. Чувствительность (мВ/g или LSB/g) : чувствительность является мерой минимального обнаруживаемого сигнала или изменения выходного электрического сигнала на изменение входного механического изменения. Это справедливо только для одной частоты.
3. Плотность шума напряжения (мкг/SQRT Гц) : шум напряжения изменяется с обратным квадратным корнем полосы пропускания. Чем быстрее мы считываем изменения акселерометра, тем хуже получаем точность. Шум сильнее влияет на работу акселерометров при работе в условиях более низких g с меньшим выходным сигналом.
4. Напряжение невесомости : этот термин определяет диапазон напряжений, которые можно ожидать на выходе при ускорении в 0g.
5. Частотная характеристика (Гц) : это диапазон частот, указанный с допустимым диапазоном (±5% и т. д.), для которого датчик будет обнаруживать движение и сообщать истинный выходной сигнал. Допуск указанного диапазона позволяет пользователю рассчитать, насколько чувствительность устройства отклоняется от эталонной чувствительности на любой частоте в пределах заданного частотного диапазона.
6. Динамический диапазон (g) : это диапазон между наименьшей обнаруживаемой амплитудой, которую может измерить акселерометр, до наибольшей амплитуды до искажения или ограничения выходного сигнала.

Акселерометр и гироскоп

Прежде чем описывать некоторые приложения МЭМС, мы должны понять разницу между акселерометром и гироскопом. Акселерометры измеряют линейное ускорение (указывается в мВ/г) вдоль одной или нескольких осей. Гироскоп измеряет угловую скорость (задается в мВ/град/с). Если взять наш акселерометр и придать ему вращение (т. е. крен) (рис. 8), то расстояния d1 и d2 не изменятся. Следовательно, выходной сигнал акселерометра не будет реагировать на изменение угловой скорости.

Рис. 8. Невосприимчивость акселерометра к вращению.

Мы можем сконструировать датчик по-другому, так что внутренняя рама, содержащая резонирующую массу, соединена с подложкой пружинами под углом 90 градусов по отношению к резонирующему движению (рис. 9). Затем мы можем измерить ускорение Кориолиса с помощью измерения емкости на электродах, установленных между внутренней рамой и подложкой.

Рис. 9. Внутреннее представление и представление подложки относительно движущейся массы.

Приложения для акселерометров и гироскопов

Акселерометры уже давно используются в автомобилях для обнаружения автомобильных аварий и для срабатывания подушек безопасности в нужный момент. У них есть много приложений на мобильных устройствах, таких как переключение между портретным и ландшафтным режимами, жесты касания для перехода к следующей песне, постукивание по одежде, когда устройство находится в кармане, или захват анти-размытия и оптическая стабилизация изображения.

Внутренняя навигация

Ускорение это скорость изменения скорости

α = δv/δ t = δ ² x/δt ²

Мы можем получить информацию о скорости и расстоянии из выходных данных ускорения путем одинарного или двойного интегрирования соответственно. Добавляя измерения, обеспечиваемые гироскопами, мы можем затем использовать специальную технику для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки. Эта информация используется для навигации внутри помещений без внешнего опорного сигнала или сигнала GPS (Рисунок 10).

Рисунок 10. Акселерометр для внутренней навигации.

Оптическая стабилизация изображения

Человеческие руки дрожат с очень низкой частотой (от 10 Гц до 20 Гц). При съемке с помощью наших новейших компактных и легких смартфонов и камер мы вызываем дрожание, которое размывает изображение. Такие функции, как оптический зум, усугубляют эту проблему и вызывают еще большее размытие.

При использовании камеры SVGA с разрешением 800×600 пикселей и углом обзора 45 градусов следует учитывать датчик с горизонтальным дрейфом 0,08 градуса. 45/800 = 0,056 градуса, что соответствует размытию 1,42 пикселя. По мере улучшения разрешения камеры размытие охватывает больше пикселей и вызывает большее искажение изображения.

Рис. 11. Размытость изображения устраняется с помощью оптической стабилизации изображения.

(рис. 11) с корректирующим программным обеспечением может компенсировать размытость изображения путем отправки данных измерений механического гироскопа на микроконтроллер и линейный двигатель для перемещения датчика изображения.

Управление на основе жестов

Мы можем использовать датчики MEMS-акселерометра для управления жестами беспроводной мыши, управления направлением в инвалидной коляске или гироскопа в Wii 9.Консоль 0030 ® . Другие примеры включают интеллектуальное устройство, использующее жесты для управления курсором на телевизоре, или «виртуальные» ручки, или даже команды жестов для управления внешними устройствами с помощью портативного беспроводного сенсорного блока.

Заключение

MEMS и гироскопы уже давно используются для широкого спектра применений в судоходстве, космосе, промышленной робототехнике и автомобилях. Но универсальность их приложений теперь распространилась на смартфоны, где они дают нам новый способ интерфейса для движения и жестов с нашим интеллектуальным устройством. Понимание поведения МЭМС и характеристик акселерометра или гироскопа позволяет разработчикам разрабатывать более эффективные и недорогие продукты для крупносерийных приложений. Эти МЭМС-устройства также позволяют нам создавать новые приложения, которые коренным образом меняют то, как наши движения, телодвижения и жесты влияют на то, как мы живем.

Что такое гироскоп на мобиле?

25 июля 2021 г. от Abdullah Sam

Многие люди владеют новейшими технологиями и восхищаются тем, как много они могут сделать с сенсорами своего Android-смартфона или мобильного телефона. Вы редко задумываетесь, для чего нужны некоторые функции вашего устройства, но если вы уже слышали о гироскопе и акселерометре , читайте дальше.

Индекс( )

1. Для чего нужны гироскоп и акселерометр на мобильном телефоне?
2. Что такое гироскоп на мобильном телефоне?
3.  Как пользоваться гироскопом
   1. Где находится гироскоп?
4. Функции гироскопа
   2. Что такое акселерометр?
5. Функции акселерометра
   1. Что измеряет акселерометр?
6. В чем их отличия?
7. В каких телефонах есть гироскоп и акселерометр?
8. Как узнать, есть ли в моем телефоне гироскоп и акселерометр

Для чего нужны гироскоп и акселерометр в мобильном телефоне?

Мы редко исследуем внутренние системы наших электронных устройств, но мы использовали их функции, например  , измеряя наши калории при беге трусцой . Возможно, это не позволило нам адекватно или полностью использовать датчики, которые у них есть, поэтому мы объясним, как работают оба электронных датчика.

Однако, чтобы вы лучше поняли его назначение, мы покажем вам из чего состоят гироскоп и акселерометр  , для чего они нужны и чем они отличаются. Важно понимать, что без этих датчиков многие приложения, которые вы используете ежедневно, не будут работать, причем последние зависят от модели Android.

Что такое гироскоп в мобильном телефоне?

Это датчик, который включен в мобильные телефоны  для расчета движений, которые выполняются с ними, это функция, которую можно найти в самых последних устройствах и которая позволяет узнать в данный момент положение, в котором это так же, как и движения, что с ним не так.

 Как использовать гироскоп

Чтобы использовать гироскоп на вашем телефоне или планшете Android, вы должны включить его, поскольку мы уже знаем, что существуют разные модели телефонов и для каждого из них есть свое решение, однако есть способ, который подходит для большинства устройств, тогда вы должны выполнить следующие шаги:

1. Вы должны перейти в меню настроек, а затем там, где написано мои устройства, для этого вам просто нужно нажать на значок с шестеренкой внутри.
2. Найдите раздел движений в зависимости от вашей модели и марки вашего терминала, вы можете найти тот или иной вариант. Вы должны спускаться вниз по списку разделов  , пока не найдете тот, в котором говорится о Движениях и Жестах, или это также может быть Движения. Когда вы, наконец, найдете его, вы должны нажать его, чтобы войти в его настройки и двигаться дальше.

Где находится гироскоп?

Гироскоп, в отличие от других датчиков, расположен на материнской плате мобильного телефона, скрыт от поля зрения пользователя.

Функции гироскопа

Эти основные функции можно использовать после того, как гироскоп вашего смартфона или мобильного устройства включен или активирован. Чтобы вы в полной мере использовали свое мобильное устройство, они знают, для чего нужен гироскоп, и что в будущем они, вероятно, будут улучшаться с каждым днем.

• Определите скорость фокусировки мобильного телефона.
• Позволяет вам Повернуть экран .
• Помогает акселерометру сохранять направление поворота.
• Если это фотография, с помощью этого датчика вы можете применять фильтры к своим фотографиям , создавая сверхреальные эффекты.
• Управление движениями в процессе игры в виртуальной реальности.
• Вы можете рассчитать расстояние до места, чтобы разместить объект в этом пространстве, например, чтобы найти большой объект.
• Вы можете проецировать реальное изображение, смоделированное изображение, известное как  Дополненная реальность .
• Игры виртуальной реальности, в которых мы используем шлемы, используют этот датчик, который создает впечатление, что что-то реально.
• Это позволяет формировать 360-градусную проекцию как для изображений, так и для видео, и эта опция есть в некоторых приложениях. Стоит проверить, может ли ваше устройство использовать функцию 360° для видео , прежде чем пытаться ее использовать, и не вызывать у себя разочарование.

Что такое акселерометр?

Этот небольшой внутренний датчик в нашем устройстве фиксирует, в каком направлении оно было перемещено, вертикально или горизонтально. Как мы упоминали ранее, этот датчик работает в сочетании с датчиком гироскопа , обнаруживая различные движения с ускорением.

Функции акселерометра

Ниже мы покажем вам функции или для чего нужен акселерометр на вашем мобильном телефоне  , вполне вероятно, что вы сможете их идентифицировать, потому что вы их использовали.

• Измеряет ускорение свободного падения веса и его изменения.
• Обнаружение вибраций в зависимости от используемого приложения.
• Расчет расстояний.
• Если вы находитесь в движении, таком как бег или бег трусцой, это позволяет вам рассчитать скорость, которую вы берете , и даже калории, которые вы израсходовали.
• Вы можете измерять воздействие от слабого до среднего .
• Обычно он заставляет работать сигнализацию, в которой мы так нуждаемся.
• Доступ к разблокировке экрана.
• Получите доступ к музыке одним касанием.

Что измеряет акселерометр?

Акселерометр измеряет движение или вибрации   , которым подвергается объект или его часть.

В чем их отличия?

Возможно, мы могли бы подумать, что гироскоп и акселерометр — это одно и то же, но это не разные электронные компоненты, а работающие как одна команда.

1. Гироскоп  получает вращение, а акселерометр – нет .
2. Акселерометр не имеет электронной возможности различать, откуда исходят движения.
3. Гироскоп может  определять ориентацию в точке.
4. Акселерометр линейный, а гироскоп угловой

Эти датчики различаются в зависимости от модели устройства Android, и по мере выхода новых версий они будут включать датчики гироскопа и акселерометра. При использовании  приложений, требующих гироскопа и акселерометра,  вы будете думать о том, что вы читаете здесь, и это побудит вас узнать о других датчиках вашего мобильного телефона.

В каких телефонах есть гироскоп и акселерометр?

Большинство телефонов Android,  независимо от того, являются ли они старыми моделями, имеют гироскоп, телефоны Apple также имеют их, единственные телефоны, о которых мы можем сказать, что у них нет гироскопа, это те, которые имеют базовые функции, например те, которые были проданы в рынок в девятом десятилетии0.

А что касается акселерометра, то он есть не у всех телефонов, в Android этот датчик есть только у самых новых, например у Samsung Galaxy note10, да и у самых новых айфонов он есть.

Как узнать, есть ли в моем телефоне гироскоп и акселерометр

Чтобы узнать, есть ли в вашем телефоне гироскоп, вам просто нужно опустить панель уведомлений и убедиться, что устройство дает нам возможность активировать вращение экран, чтобы проверить, работает ли он, мы должны активировать его и приступить к размещению нашего телефона в горизонтальном положении.