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

Содержание

Основные датчики смартфона – какие бывают и зачем нужны?

Краткое описание основных датчиков современного смартфона, их назначение, какие из них необходимы, а без каких можно и обойтись.

Смартфоны сегодня оснащают множеством датчиков, работа которых часто не заметна. При этом их отсутствие резко уменьшает функционал телефона. На презентациях новинок их упоминают вскользь, хотя каждый из имеющихся датчиков делает работу со смартфоном удобнее и проще.

В этой короткой статье мы рассмотрим основные датчики, являющиеся неотъемлемой частью большинства современных смартфонов и их назначение.

Акселерометр

Акселерометр самый популярный на сегодняшний день датчик в смартфонах. Он измеряет ускорение тела в пространстве и отвечает за автоматический поворот изображения на дисплее.

Этим датчиком укомплектованы абсолютно все современные смартфоны, а его работа заключается в автоматической смене ориентации экрана при повороте устройства.

Гироскоп

Гироскоп в смартфоне определяет скорость углового вращения. Благодаря этому сенсору пользователь может поворотом гаджета управлять игрой. Он также используется при фотосъемке и для координирования дронов. Так же крайне полезен и есть практически везде.

Магнитометр (датчик Холла)

Магнитометр (магнитный компас) встречается не во всех смартфонах. Этот датчик измеряет уровень магнитного поля и используется для комфортной работы с навигационными сервисами и в случае запуска цифрового компаса. Работа с чехлами, которые позволяют разблокировать смартфон при открывании аксессуара, тоже зависит от наличия магнитометра.

Многие смартфоны не имеют аппаратного магнитометра, что не позволяет использовать соответствующие аксессуары. В них используется так называемый цифровой (программный) компас, который используется в навигации, но является менее точным.

Барометр

Встроенный в смартфон барометр позволит с высокой точностью определять атмосферное давление. С помощью этого датчика легко выяснить текущее положение над уровнем моря. Присутствие барометра существенно повышает точность данных GPS, но является привилегией топовых дорогих смартфонов.

Шагомер

Шагомер или педометр помогает контролировать пройденное расстояние, выраженное в количестве шагов. Наличие этого сенсора демонстрирует то, что владелец смартфона уделяет внимание физическим нагрузкам и состоянию своего здоровья.

Отдельный датчик шагов может быть только в некоторых смартфонах и умных часах, ориентированных специально на спортсменов и людей, которые хотят вести более подвижный образ жизни. В других смартфонах шаги считаются с помощью стандартных датчиков и специальных спортивных программ, но немного менее точно.

Датчик приближения

Датчик приближения является обязательным модулем, который блокирует экран во время разговора от случайных нажатий (когда экран прикладывается к щеке). Кроме этого, в некоторых более дорогих моделях успешно реализована система управления жестами с использованием датчика приближения.

Датчик освещенности

Датчик освещенности устанавливается для замера освещенности вокруг смартфона. На основе полученной с него информации смартфон может автоматически выставлять комфортную яркость экрана. Это крайне полезный датчик, облегчающий использование смартфона без необходимости постоянной ручной регулировки яркости, но может отсутствовать в некоторых бюджетных смартфонах.

На улице при ярком свете экран будет максимально ярким и хорошо читаемым, в помещении яркость будет снижаться до среднего уровня, а в вечернее время и затемненном помещении подсветка будет опускаться до минимального щадящего для глаз уровня.

Дактилоскопический сенсор

Стандартом в современных смартфонах в последние годы стал сканер отпечатка пальца. Используя этот способ разблокировки, можно закрыть доступ к устройству или отдельным приложениям от посторонних.

Разблокировка смартфона с помощью датчика отпечатка пальцев позволяет ускорить получения доступа к функционалу смартфона и предотвратить доступ к личным данным в случае его утери или кражи.

Сканер отпечатка пальца обеспечивает высокий уровень защиты смартфона, потому что в отличие от пароля или графического ключа найти способ разблокировки без заданного пальца практически невозможно.

Другие датчики

Есть и некоторые другие датчики, такие как термометр, датчик влажности, пульсометр (датчик сердцебиения), датчик вредного излучения (радиации). Но встречаются они крайне редко и их назначение вполне понятно, так что мы не будем на этом останавливаться.

Надеемся эта статья была для вас полезной и интересной, если так – поделитесь ей в соцсетях с помощью кнопочек слева

что это, как работает и зачем нужен в фитнес-браслете, часах и смартфоне

1 Акселерометр: что это и зачем нужен?

2 Где применяется акселерометр?

3 Как работает акселерометр?

4 Чем отличается акселерометр от гироскопа?

5 Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах

6 Акселерометр в телефоне

7 Как откалибровать акселерометр?

Практически в каждом описании характеристик современного смартфона, фитнес-браслета или умных часов можно встретить упоминание датчика под названием «акселерометр». Еще его могут называть «датчик ускорения» или G-сенсор. Что это такое, как работает и зачем нужен в телефоне, часах или браслете, читайте далее.

Акселерометр: что это и зачем нужен?

Простым языком, акселерометр – это прибор, измеряющий ускорение (величину изменения скорости). Название прибора происходит от латинского «accelero», что дословно переводится, как «ускоряю» и греческого «metreō», что в переводе означает «измеряю».

Измерение величины динамического ускорения позволяет определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство с акселерометром. По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные (одноосевые, двух осевые и трехосевые). Например, 3-осевой датчик ускорения может определять величину и направление ускорения как векторную величину во всех трех осях.

Часто этот датчик путают с гироскопом, но это совершенно разные датчики, хотя часто они взаимодополняют друг друга для достижения более точных результатов, а иногда даже могут выполнять одни и те же функции. Отличаются же эти датчики принципом работы и эффективностью при выполнении конкретной задачи.

В основном в устройствах акселерометр используется для определения ориентации, ударов, вибрации и ускорения координат. Например, в смартфонах именно акселерометр отвечает за переворот картинки при изменении положения корпуса, а фитнес-браслетах он активирует экран при вращении запястья.

Где применяется акселерометр?

Датчик ускорения применяется в самых различных сферах:

Навигационные устройства летательных аппаратов. Без приборов на основе гироскопов и акселерометров не может обойтись ни один самолет, вертолет и даже квадрокоптер. Так, например, для работы квадрокоптера необходимо минимум три гироскопа.

Автомобили. В автомобилях акселерометр интегрируется в системы безопасности и стабилизации. Прибор определяет экстренное торможение или дорожно-транспортное происшествие и запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

Промышленность. Датчики активно используются в различных станках, агрегатах и производственных линиях в системах защиты для отключения питания в случае поломок или при достижении критических значений.

Электроника. В компьютерах и ноутбуках акселерометр применяется для защиты жестких дисков от ударов и падений. В случае обнаружения падения прибор отдает команду считывающим головкам принять безопасное положение для избегания повреждения диска и потери данных.

В смартфонах и планшетах акселерометр отвечает за смену ориентации экрана при повороте корпуса, а также за управление игровым процессом при наклонах гаджета. В фитнес-браслетах и часах акселерометр применяется для подсчета шагов, отслеживания сна и активации экрана поднятием запястья.

Бытовая техника. Да, акселерометрами могут оснащаться даже стиральные машины, утюги и тепловентиляторы. Например, в утюгах акселерометр, обнаружив его падение, отключает питание, чтобы не допустить возникновения пожара.

Как работает акселерометр?

Большинство устройств оснащается емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами. Часто акселерометр представляет собой микроэлектромеханическую систему (MEMS), содержащую несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Размер же прибора обычно не превышает габариты спичечной головки.

Механический акселерометр

Объяснить принцип работы акселерометра проще на механическом приборе. Он состоит из пружины, прикрепленной к корпусу, подвижной массы и демпфера. Масса или, проще сказать, грузик, крепится к пружине. С обратной стороны грузик поддерживает демпфер, гасящий вибрации грузика. Во время ускорения корпуса пружина деформируется (растягивается или сжимается) по противоположным осям под воздействием грузика, стремящегося сохранить свое первоначальное положение, то есть отстать или опередить корпус. На величине деформации и основываются вычисления прибора.

Для получения информации о положении предмета в трехмерном пространстве используется три таких прибора, объединенных в один комплекс.

Конечно же, никто не будет «запихивать» в компактный фитнес-браслет или смартфон такую громоздкую конструкцию. Поэтому она заменяется миниатюрным чипом. Хотя чип и более сложный, чем прибор с шариком и пружиной, он имеет те же основные элементы.

У такого чипа имеется корпус, который крепится к часам или смартфону, «гребенчатая» секция с отведенными по сторонам пластинами и ряд фиксированных пластин, снимающих показания. Эта секция может перемещаться вперед и назад, изменяя значение напряженности поля вокруг контактов. Полученные данные передаются на обработку электроникой и программным обеспечением, после чего происходит вычисление физического расположения устройства.

Внутренняя работа акселерометра

Но самое интересное, как изготавливаются такие акселерометры. При толщине примерно 500 микрон ни один инструмент не сможет его создать. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния и силикона с другими веществами. Весь процесс изготовления полностью автоматизирован и выполняется на конвейерных линиях без участия человека.

Также понять как работает акселерометр поможет короткое видео ниже:

https://youtu.be/CUo9Nlf1KbUVideo can’t be loaded because JavaScript is disabled: Как устроен акселерометр на вашем смартфоне | engineerguy (https://youtu.be/CUo9Nlf1KbU)

Чем отличается акселерометр от гироскопа?

Хотя в некоторых случаях гироскоп и акселерометр и могут выполнять одни и те же функции, это два абсолютно разных датчика, которые часто используются в паре для достижения максимального эффекта. Часто такой дуэт называют 6-осевым датчиком.

Акселерометр не умеет точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а может лишь примерно его оценить. На практике это может выражаться в ложных срабатываниях и задумчивости в повороте экрана. И тут на помощь приходит гироскоп. Не вдаваясь в подробности о принципе работы данного прибора, скажем, что он может определять не только угол поворота устройства, но и скорость поворота, что, например, во время игры на смартфоне позволяет реализовать более быстрое и точное управление.

Иллюстрация работы механического гироскопа

Поэтому в большинстве устройств эти два прибора устанавливаются совместно для достижения наибольшей эффективности.

Акселерометр в фитнес-браслете и смарт-часах

В фитнес-браслетах и умных часах акселерометр отвечает за несколько функций. Обнаруживая поднятие или вращение руки, он отдает сигнал для включения экрана. Также именно акселерометр отвечает за подсчет шагов и мониторинг сна. На акселерометре «завязана» и работа функции «Умный будильник», который будит владельца гаджета в фазе быстрого сна.

Акселерометр в телефоне

Первый акселерометр появился в телефоне Nokia 5500. Там он использовался для подсчета пройденных шагов. Такое решение многим понравилось и с тех пор компания Apple стала оснащать таким датчиком все модели своих iPhone. А начиная с iPhone, если не ошибаюсь, четвертого поколения, в дополнение к акселерометру компания стала оснащать свои смартфоны гироскопом. После этого наличие этой пары датчиков стало стандартом для большинства производителей мобильных устройств.

Акселерометр в телефоне отвечает не только за поворот экрана при наклоне корпуса. Он так же как и в случае с фитнес-браслетом позволяет вести учет пройденного расстояния. Еще акселерометру нашли применение в системных жестах. Например, отключение звука телефона встряхиванием или переворотом смартфона вниз экраном.

Как откалибровать акселерометр?

В некоторых случаях может потребоваться настройка или калибровка акселерометра. Например, если телефон не реагирует на поворот корпуса или не точно считаются шаги. Для смартфонов под управлением операционной системы ANDROID для этих целей есть несколько сторонних приложений, например GPS Status & Toolbox. Для iPhone таких приложений нет, поэтому в случае сбоев придется ограничиться перезагрузкой устройства. Обычно это помогает.

Некоторые производители фитнес-браслетов и смарт-часов также позволяют откалибровать акселерометр. Точнее, не откалибровать, а «обучить» с помощью «Меток поведения», то есть помогая датчику более точно понимать, какое именно действие владелец гаджета выполняет в тот или иной момент. Такая возможность есть у владельцев популярной линейки Xiaomi Mi Band и ряда других моделей.

Источник изображений: YouTube , Wikipedia

Реклама

Гироскоп вашего смартфона может быть хакерским микрофоном

Если у вас есть смартфон, скорее всего, он оснащен гироскопом, а также есть вероятность, что гироскоп можно использовать (без специального разрешения) в качестве микрофона для прослушивания ваших личных разговоров. Это поразительное открытие двух исследователей из факультета компьютерных наук Стэнфордского университета и одного исследователя из Rafael Advanced Defense Systems, которые написали статью под названием «Гирофон: распознавание речи по сигналам гироскопа».

Согласно статье, гироскопы микроэлектромеханических систем (MEMS), используемые в современных смартфонах, достаточно чувствительны, чтобы улавливать акустические сигналы. Хотя этих необработанных сигналов недостаточно для получения полезной информации, исследователи использовали обработку сигналов и алгоритмы для определения правильного говорящего из набора из 10 возможных говорящих с 50-процентной вероятностью успеха.

Связанный: Кому нужны вредоносные программы? Я мог бы испортить жизнь этому пацану блокнотом

Используя Nexus 4 и Galaxy S3, они также смогли успешно распознавать простую речь до 65 процентов времени в случаях, зависящих от говорящего, и до 26 процентов времени в случаях, не зависящих от говорящего. Гироскопы в этих телефонах также использовались для правильного определения пола говорящего в 84 процентах случаев.

«Поскольку iOS и Android не требуют специальных разрешений для доступа к гироскопу, наши результаты показывают, что приложения и активный веб-контент, которые не могут получить доступ к микрофону, тем не менее могут подслушивать речь рядом с телефоном», — говорится в статье.

Исследователи также предлагают два варианта защиты от подслушивания с помощью гироскопа: применить низкочастотную фильтрацию к необработанным образцам, предоставляемым гироскопом, или применить форму акустической маскировки вокруг самого гироскопа или на корпусе смартфона.

«Общий вывод, который мы предлагаем после этой работы, заключается в том, что доступ ко всем датчикам должен контролироваться структурой разрешений, возможно, различая низкие и высокие частоты дискретизации», — говорят исследователи.

Документ будет представлен на 23-м симпозиуме по безопасности USENIX в Сан-Диего в пятницу, 22 августа.

Те, кто заинтересован в загрузке приложения для Android, которое можно использовать для измерения гироскопа телефона, могут посетить страницу Stanford Security Research, посвященную статье.

[Изображение предоставлено venimo/Shutterstock]

Датчики: магнитометры, акселерометры и гироскопы

Наши смартфоны, планшеты и другие мобильные устройства выглядят довольно обычными снаружи, но внутри они напичканы крошечными сложными датчиками.

Три, которые, скорее всего, будут в вашем обычном устройстве, это магнитометры, акселерометры и гироскопы.

Эти устройства также сыграли важную роль в развитии современной потребительской виртуальной реальности, поскольку они позволяют нам измерять движение и направление в пространстве. То, что необходимо знать при переносе движения в виртуальный мир. Благодаря исследованиям и разработкам в области технологий для смартфонов эти датчики теперь дешевы и очень малы, и обе функции решают проблемы старых поколений оборудования виртуальной реальности, которые были дорогими и неуклюжими.

Прежде чем мы перейдем к самим датчикам, мы сначала должны поговорить о МЭМС или микроэлектромеханических системах. Датчики, используемые сегодня в электронных устройствах, на самом деле представляют собой микроскопические механические устройства, встроенные в твердотельные кремниевые микрочипы. Например, проекторы с цифровой обработкой света или DLP используют миллионы микроскопических зеркал, которые индивидуально наклоняются тысячи раз в секунду для получения изображений высокой четкости. Каждое зеркало можно точно наклонить для точной градации интенсивности света. Технология MEMS может предоставить механические и электрические компоненты, необходимые для создания таких устройств, как гироскопы, в крошечном, крошечном масштабе. Следующим шагом после MEMS является NENS, или наноэлектромеханические системы. Это выводит эти компоненты из микроскопической области в область нанотехнологий. Без методов производства MEMS любой смартфон, которому нужны компас, акселерометр и гироскоп, был бы действительно очень громоздким.

Магнитометр — это, как вы, наверное, уже поняли, устройство для измерения магнитных полей. Поэтому он может действовать как компас, определяя магнитный север, он всегда может сказать, в каком направлении он смотрит на поверхности земли. Умные разработчики переделали магнитометр для использования с Google Cardboard, где магнитное кольцо скользит вверх и вниз по другому магниту, а колебания в поле затем регистрируются как нажатие кнопки. Металлоискатели также используют магнитометры, поэтому они могут обнаруживать только черные металлы.

То есть металлы, которые можно намагничивать. Магнитометры могут работать по-разному. Некоторые используют постоянные магниты, а другие используют электромагниты. В любом случае, когда магнитное поле возмущает материал внутри магнитометра, это обнаруживается, и можно измерить величину и направление этого магнетизма.

Акселерометр — это механизм, который позволяет вашему устройству, например смартфону, узнать, в каком направлении оно находится. Это датчик, который сообщает вашему телефону или планшету, должен ли экран быть в портретном или ландшафтном режиме. Один акселерометр может сказать, находится ли он на одной линии с гравитационным притяжением или нет, но если вы объедините три из них (по одному на каждую ось), вы сможете сказать, в какую сторону что-то направлено вверх, поскольку каждая ось зафиксирована по отношению к устройству, на котором она находится. Акселерометры MEMS имеют диаметр в несколько сотен микрон, это действительно крошечные устройства, которые добавляют интуитивно понятный метод ввода для компьютерных систем.

Конечно, акселерометры могут измерять не только ориентацию. Как следует из названия, он также может измерять величину ускорения вдоль оси. Например, они используются для срабатывания подушек безопасности во время аварии, когда перегрузка по горизонтальной оси превышает определенный порог. В случае устройств обнаружения движения, таких как Nintendo Wiimote, они могут определить, насколько сильным является колебание в определенном направлении. Наиболее успешные МЭМС-акселерометры (емкостного преобразовательного типа) состоят из микроскопических кремниевых частей, имеющих почти гребенчатую структуру. Когда гравитация (или перегрузки при падении или раскачивании) возмущает гребенки, они генерируют электрический ток, который можно преобразовать в данные об ускорении.

Однако акселерометры имеют свои ограничения. Хотя вы можете получить некоторые сложные данные о движении, объединив показания всех трех осей акселерометра одновременно, вы не можете получить данные, представляющие точное представление вращения устройства. Например, если вы играете в игру на своем смартфоне, в которой вы поворачиваете телефон, как руль, акселерометр будет бесполезен, так как вы не прикладываете к устройству боковую силу. Вот здесь-то и появляется гироскоп. Гироскоп — это устройство, которое можно использовать для вычисления ориентации либо для того, чтобы помочь вам придерживаться определенной ориентации, либо для того, чтобы убедиться, что вы изменили ее на правильную. Скорее всего, вы видели механический гироскоп. Это выглядит примерно так:

Независимо от того, как рама (и то, на чем она установлена) меняет ориентацию, вращающийся диск в середине остается верным своей первоначальной плоскости. Это бесценно, например, для самолетов, где вы можете не знать, находится ли корабль горизонтально или нет из-за таких проблем, как видимость.

Конечно, существуют МЭМС-гироскопы, которые достигают того же результата, только используя другие принципы. Типы компонентов, используемых для измерения вращения в электронных устройствах, могут быть самыми разнообразными. Как правило, они обнаруживают вибрацию, которая преобразуется во вращательное измерение с помощью микроскопических камертонов, вибрирующих колес или резонирующего твердого вещества. Они работают как органы насекомых (известные как жужжальца), которые помогают им ориентироваться в них. Эти МЭМС-гироскопы также известны как гироскопы с вибрирующей структурой. Поскольку объекты, которые вибрируют, имеют тенденцию продолжать вибрировать в той же плоскости даже при вращении, это означает, что вибрирующая масса создает силу Кориолиса, которую можно обнаружить с помощью электроники.

В электронных устройствах, таких как смартфоны, HMD или контроллеры движения, эти датчики часто представлены в нескольких итерациях. Устройство может иметь несколько гироскопов, акселерометров и магнитометров, чтобы обеспечить богатый входной сигнал датчика, который может быть интерпретирован программным обеспечением как высокоточные и сложные движения. Обычно целью является достижение истинных шести степеней свободы (6DoF), которые охватывают все степени движения твердого тела в пространстве.