Применение
Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения (если известны величина и направление гравитационного ускорения в данной точке пространства), так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения (при неподвижности акселерометра в гравитационном поле). Первое свойство используется для создания инерциальных навигационных систем, где полученные с помощью акселерометров измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Таким образом, акселерометры, наравне с гироскопами, являются неотъемлемыми компонентами систем навигации и управления самолётов, ракет и других летательных аппаратов, кораблей и подводных лодок. Второе свойство позволяет использовать акселерометры как для измерения уклонов, то есть в качестве инклинометров, так и в гравиметрии.
Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.
Акселерометры используют в системах управления жестких дисков компьютеров для активации механизма защиты от повреждений (которые могут быть получены в результате ударов и падений): реагируя на внезапное изменение ускорения, система отдаёт команду на парковку головок жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.
Акселерометры, встроенные в автомобильные видеорегистраторы, различают тревожные события, такие как резкое торможение, ускорение, столкновение, резкие повороты и вращение. Эти события записываются видеорегистраторами в отдельный файл, помечаются специальным маркером и защищаются от случайного стирания и перезаписи.
В устройствах управления игровых приставок акселерометр, совместно с гироскопом[уточнить], используются для управления в играх без использования кнопок — путём поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, акселерометр присутствует в игровых контроллерах Wii Remote и PlayStation Move.
Кроме того, цифровые акселерометры нашли широкое применение в мобильных устройствах, например, телефонах, планшетных компьютерах и т. п. Благодаря акселерометрам осуществляется управление положением изображения на мониторе мобильного устройства и отслеживание его ориентации относительно направления постоянно действующей силы гравитации Земли.
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 емкости конденсатора, 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.
Как работает, и как можно использовать
Чтобы понять, как действует акселерометр в фитнес-браслете и что это такое, нужно изучить механизм действия классического устройства. Мало кто знает, что оно состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.
Основной деталью конструкции является подвижная масса, которая прикреплена к упругому элементу. Пружина крепится к неподвижной поверхности. С противоположной стороны находится демпфер, который подавляет колебания груза.
Акселерометры в фитнес-браслетах бывают разные, но чаще всего применяются емкостные и пьезоэлектрические.
Мало кто знает, как работает емкостный датчик и что это такое. При движении устройства груз давит на пластину, расположенную ближе. При сближении чувствительных элементов увеличивается емкость конденсатора. Микропроцессор производит обработку полученной информации и сигнализирует о движении.
В пьезоэлектрических устройствах вместо пластин применяется кристалл. Во время движения гаджета груз сжимает чувствительный элемент, и он создает разность потенциалов. Микроконтроллер регистрирует изменения.
Акселерометр в фитнес-браслете выглядит как миниатюрный чип, который расположен на плате устройства. Внутри него находится подвижная масса, а выглядит он как небольшой черный квадрат.
Принцип его работы не отличается от стандартного: когда меняется положение подвижной массы, то производится замер уровня смещения. Потом полученная информация преобразуется в электрический сигнал. Это наиболее простой пример работы G-сенсора.
Акселерометр в фитнес-браслете применяют во время ходьбы или бега, чтобы контролировать пройденную дистанцию. Умное устройство помогает подсчитать примерное количество шагов, ступенек. Несмотря на то, что результаты далеко не всегда точны, полученная информация поможет корректировать уровень активности и повысить результаты тренировок.
Не существует фитнес-браслетов, которые определят количество шагов без ошибки. На протяжении дня пользователь совершает непредсказуемые для гаджета движения (например, управление авто, поглощение пищи), которые он ошибочно воспринимает как шаги. К тому же, все люди имеют свой стиль хождения, поэтому нет единого алгоритма, который учитывает особенности походки и точно отличает шаги от других движений. Обычно погрешность находится в пределах от -30 до +10%.
В смартфонах акселерометры позволяют управлять героями из видеоигр или их транспортными средствами. Также датчик помогает менять ориентацию картинки или текста. В авиации G-сенсор обеспечивает работу навигационной системы, а в промышленности он используется в качестве устройства, которое преобразует постоянное низкое напряжение в переменное.
Обзор «полезностей» пространственного контроллера
Давайте рассмотрим несколько благоприятных моментов при использовании основных функциональных способностей акселерометра:
1. Во время пробежек целесообразно использовать шагомер. Осуществляя контроль посредством данного приложения, вы всегда будете владеть информацией о количестве пройденных шагов, что станет своеобразным стимулом улучшать результат тренировок и качественно влиять на общий ход занятий спортом.
2. Датчик акселерометра в телефоне упраздняет порой сложный, но вместе с тем трудоемкий процесс управления игрой, приближая пользователя к пониманию абсолютного комфорта. Естественные телодвижения позволяют геймеру получить максимум удовольствия. Эффективность воздействия заключается не в силе нажатия или правильно выбранной кнопки, а исключительно зависит от выбора оптимальной амплитуды движения и точности процесса позиционирования. Легкость и непринужденность игрового момента позволяют считать акселерометр неоспоримым преимуществом в управлении игровым сценарием.
А что, если?..
Не стоит встряхивать, бить или тереть телефон, если вдруг датчик перестал функционировать. Шаманские танцы с бубном и чтение магических мантр также не окажут желаемого результата. Проблематичную ситуацию, когда не работает акселерометр, можно решить лишь двумя способами:
- Программный ремонт (настройка, прошивка и обновление ПО телефона).
- Аппаратное восстановление работоспособности пространственного датчика (замена модуля управления, техническое обслуживание).
Причем второй вариант — прерогатива специалистов-электронщиков.
Впрочем, давайте рассмотрим еще несколько немаловажных аргументов в пользу столь важного устройства
Акселерометр в смартфоне
Акселерометр, что это такое в телефоне и по какому принципу он работает?
Первоначальные акселерометры имели крупные размеры, не позволяющие внедрить устройство в миниатюрный корпус мобильника.
Специалисты решили создать миниатюрный чип с инертной массой внутри, которая и отслеживает ускорение с фиксацией данных об изменениях местоположения объекта.
Общий алгоритм работы мобильного акселерометра не отличается от основного принципа работы оригинального устройства.
Современные гаджеты также укомплектовываются этим небольшим, но очень удобным механизмом. Акселерометр в смартфоне или в планшете позволяет сохранять важные данные, измеряет уровень смещения от уровня состояния покоя, отслеживает активность человека, а также распознает и демонстрирует расположение в пространстве.
Другие важные функции акселерометра в мобильном телефоне:
- измерение количества шагов (шагометр);
- обеспечивает удобное управление путем мгновенного реагирования на смену положения устройства;
- переворачивает экран при смене положения, создавая наиболее комфортные условия для эксплуатации гаджета.
К слову, большинство современных смартфонов также укомплектовываются гироскопом.
Гироскоп в телефоне обеспечивает гаджет функцией изменения ориентации устройства с книжной на альбомную в зависимости от его расположения. Первый гироскопический датчик в мобильной индустрии был установлен в Айфон 4.
Новые возможности телефона покорили пользователей и эту идею вскоре подхватили и другие компании-производители. Во многих современных смартфонах уже функционирует акселерометр и гироскоп, улучшающие функциональность гаджета.
Физические принципы
Акселерометр измеряет надлежащее ускорение, которое является ускорением, которое это испытывает относительно свободного падения и является ускорением, которое чувствуют люди и объекты. Помещенный иначе, в любом пункте в пространстве-времени принцип эквивалентности гарантирует существование местной инерционной структуры, и акселерометр измеряет ускорение относительно той структуры. Такое ускорение обычно измерено с точки зрения g-силы.
Акселерометр в покое относительно поверхности Земли укажет приблизительно на 1 г вверх, потому что любой пункт на поверхности Земли ускоряется вверх относительно местной инерционной структуры (структура свободно падающего объекта около поверхности). Чтобы получить ускорение из-за движения относительно Земли, это «погашение силы тяжести» должно быть вычтено, и исправления сделаны для эффектов, вызванных вращением Земли относительно инерционной структуры.
Причина появления гравитационного погашения — принцип эквивалентности Эйнштейна, который заявляет, что эффекты силы тяжести на объекте неотличимы от ускорения. Когда проводится фиксированный в поле тяготения, например, применяя измельченную силу реакции или эквивалентный восходящий толчок, справочная структура для акселерометра (его собственный кожух) ускоряется вверх относительно свободно падающей справочной структуры. Эффекты этого ускорения неотличимы от любого другого ускорения, испытанного инструментом, так, чтобы акселерометр не мог обнаружить различие между заседанием в ракете на стартовой площадке и быть в той же самой ракете в открытом космосе, в то время как это использует свои двигатели, чтобы ускориться в 1 г. По подобным причинам акселерометр прочитает ноль во время любого типа свободного падения. Это включает использование в курсирующий космический корабль в открытом космосе, далеком от любой массы, космический корабль, вращающийся вокруг Земли, самолета в параболической дуге «невесомости» или любого свободного падения в вакууме. Другой пример — свободное падение на достаточно большой высоте, что можно пренебречь атмосферными эффектами.
Однако, это не включает (несвободное) падение, в котором сопротивление воздуха производит силу сопротивления, которая уменьшает ускорение, пока постоянная предельная скорость не достигнута. В предельной скорости акселерометр укажет на 1-граммовое ускорение вверх. По той же самой причине не чувствует парашютист, после достижения предельной скорости, как будто он или она был в «свободном падении», а скорее испытывает ощущение себя подобным тому, чтобы быть поддержанным (в 1 г) на «кровати» uprushing воздуха.
Ускорение определено количественно в метрах единицы СИ в секунду в секунду (m/s) в cgs девочке единицы (Девочка), или обычно с точки зрения g-силы (g).
Для практической цели найти ускорение объектов относительно Земли, такой что касается использования в инерционной навигационной системе, требуется знание местной силы тяжести. Это может быть получено или калибровав устройство в покое, или от известной модели силы тяжести в приблизительном настоящем положении.
Параметры
Основными параметрами акселерометра являются:
- Масштабный коэффициент — коэффициент пропорциональности для линейной зависимости между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом).
- Рабочий диапазон частот.
- Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
- Смещение нуля — разность между показаниями прибора и проекцией гравитационного ускорения на ось чувствительности при нулевом кажущемся ускорении.
- Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
- Нелинейность — отклонение зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением от линейной при изменении кажущегося ускорения.
Принцип действия датчика
Пользователь, впервые столкнувшийся с термином «акселерометр» в списке характеристик смартфона, может заинтересовать, что это такое, как работает и выглядит. Ответить на эти вопросы несложно – устройство, получившее название от латинского слова «accelero» («ускоряю»), применяется для измерения кажущегося ускорения.
Определяя этот параметр, датчик помогает программному обеспечению контролировать положение телефона в пространстве и расстояние, на которое был перемещён мобильный гаджет.
Между тем, даже зная, что такое акселерометр, некоторые пользователи не отличают его от гироскопа. На самом деле оба датчика могут измерять одни и те же величины, но полностью заменить друг друга не способны.
При этом гироскоп в телефоне необходим для определения угла поворота гаджета относительно определённой плоскости. А акселерометр требуется для контроля положения в пространстве путём измерения ускорения движения. Совместное использование устройств помогает программному обеспечению гаджета получить более точные результаты.
Рис. 1. Один из примеров работы акселерометра.
Рассматривая действие акселерометра и что это такое по большому счёту, стоит познакомиться с принципом действия классического приспособления:
- Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, грузик), прикреплённую к упругому элементу.
- Упругая деталь типа пружины фиксируется на неподвижном элементе.
- Пружина зафиксирована на неподвижной части конструкции.
- Колебания груза подавляются демпфером.
- При наклонах, встряске и поворотах гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
- Чем больше интенсивность и сила наклона, встряски или поворота, тем сильнее деформируется пружина.
- После возвращения массы на место под воздействием пружины уровень смещения относительно обычного положения фиксируется специальным датчиком.
Рис. 2. Конструкция стандартного акселерометра.
С другой стороны, ответ на вопрос по поводу акселерометра в телефоне – что это и как выглядит, будет немного отличаться. В данном случае он представляет собой миниатюрный элемент на плате с расположенной внутри инертной массой и выглядит обычно как маленький чёрный квадрат.
Основной принцип работы элемента мало отличается от стандартного – при изменении положения инертной массы определяется величина смещения, по которому рассчитываются показатели положения гаджета. Такие датчики стоят практически на любом виде мобильной техники – на телефоне или планшете.
Рис. 3. Внешний вид датчика для смартфона.
Универсал востребован всегда
Используя специальное приложение “уровень”, можно с легкостью определить ровность стен и откосов или правильность установки карниза. Стоит отметить, что наличие акселерометра в мобильном устройстве позволяет значительно упростить поиск требуемого объекта в пределах населенного пункта, а также окажет неоценимую помощь в походе, когда использование компаса становится жизненно необходимым средством ориентации. Любопытные моменты использования датчика ускорения будут полностью удовлетворены, когда пользователь захочет узнать фактические параметры разгона автотранспортного средства. Опять же, захватывающие гонки, на телефон с акселерометром загруженные из сети Интернет, способны привнести разнообразие и развеять скуку в непредвиденные моменты ожидания. Многогранность использования и широта невероятных возможностей пространственного устройства не могут быть отражены в полном объеме в рамках данной статьи. Поэтому вам еще не раз предстоит почувствовать захватывающее удивление и увлекательный процесс познания масштабного предназначения электронного “вестибуляра”.
Акселерометр в телефоне: что это такое, принцип действия
Наличие таких датчиков на смартфонах и планшетах позволяет изменять ориентацию изображения.
Расположив мобильный гаджет горизонтально, пользователь при помощи акселерометра автоматически получает альбомный формат картинки или текста.
При вертикальном расположении экрана ориентация изменится на книжную.
В других устройствах датчик применяют и для выполнения тех же задач, для чего нужен акселерометр на телефонах, и для других целей. Так, в авиации он необходим для работы навигационных систем, а в промышленности используется в качестве вибропреобразователя.
В системах управления жёсткими дисками HDD акселерометр требуется для компенсации вызываемых ускорениями объекта колебаний и защиты хранящихся на накопителе данных.
Видеорегистраторы с помощью этого датчика способны определять время ускорения и торможения, фиксировать остановки и столкновения. На джойстиках игровой приставке акселерометр необходим для управления игровым процессом.
Включение и отключение датчика
Способ, как узнать есть ли акселерометр на телефоне, заключается в повороте экрана в другое положение. Если изображение при этом не изменилось, значит датчик отсутствует – или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорота».
У большинства моделей поворот экрана при изменении положения автоматически включается и выключается с помощью меню настроек или верхней панели на главном экране:
В первом случае следует перейти в «Настройки», выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.
Включение через настройки
Во второй ситуации достаточно потянуть пальцем за верхнюю панель, увеличив её размер на весь экран, и включить соответствующую функцию.
Включение через верхнюю панель
Настройка и калибровка
Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения.
При наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку.
Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа:
Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox). Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность. Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.
Меню приложения
На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.
Работа приложения GPS Status & Toolbox
Применение
Акселерометры используются в различных областях, от инженерной и бытовой электроники до биологии и медицинских технологий. Ниже приведены наиболее часто используемые датчики акселерометров.
Навигация
Инерциальная навигационная система (также называемая инерциальной эталонной платформой) использует компьютер и акселерометры для непрерывного измерения местоположения, ориентации и скорости движущегося объекта без каких-либо внешних ориентиров.
Инженерия
Акселерометры широко используются для измерения вибрации на машинах, автомобильных двигателях и зданиях. В автомобильном секторе акселерометры с высоким значением g используются для обнаружения дорожно-транспортных происшествий и установки подушек безопасности в нужное время.
Они также используются для контроля работоспособности оборудования и регистрации вибрации вращающихся инструментов, таких как компрессоры, турбины, которые, если их не обслуживать, могут привести к дорогостоящему ремонту. Некоторые акселерометры специально настроены (встроены в гравиметры) для измерения гравитационных сил.
В космических аппаратах акселерометры используются для обнаружения апсиса — точки на орбите спутника, в которой он наиболее удален от Земли.
Бытовая электроника
Они используются практически во всех ноутбуках, мобильных телефонах и камерах для определения положения и ориентации устройства и отображения контента в вертикальном положении на экранах. Игровые приставки, такие как пульт дистанционного управления PlayStation DualShock , используют трехосевой акселерометр, чтобы сделать рулевое управление более реалистичным в гоночных играх.
Многие производители ноутбуков используют акселерометры для защиты жестких дисков от повреждений. Если датчик обнаруживает внезапное падение, головки жесткого диска припаркованы, чтобы избежать повреждения диска и потери данных.
Биология и медицинское применение
В биологических науках все чаще используются акселерометры. Данные, получаемые с помощью высокочувствительных трехосных акселерометров, позволяют ученым различать поведенческие модели животных, когда они находятся вне поля зрения.
Многие автоматические внешние дефибрилляторы содержат акселерометр для определения глубины сдавления грудной клетки СЛР.
Несколько компаний производят часы для спортсменов, которые состоят из акселерометров для измерения скорости и пройденных дистанций бегунов. Современные будильники фазы сна также интегрированы с акселерометрическими датчиками, так что они могут обнаружить движение спящего и разбудить человека в цикле не-быстрого сна.
Заключение по основным датчикам
Итак, наличие у смартфона или планшета исключительно акселерометра говорит о том, что это устройство самого низкого ценового диапазона и умеет только «вращать экран». Это удел дешевых смартфонов и планшетов. Конечно, есть вероятность, что производитель не дал вменяемой информации о типах используемых датчиков – в этом случае нужно начинать читать обзоры, в которых подробно изучается аппаратная начинка устройства с помощью приложения System Info for Android, к примеру.
Наличие у смартфона акселерометра, геомагнитного датчика, датчика приближения и освещенности, говорит о его достаточной оснащенности, но он все еще не очень хорош для управления квадракоптером или игр, где управление наклоном/поворотом возложено на перемещение смартфона пользователем. Эту проблему решает гироскоп – устройства с гироскопом точно отслеживают малейшие отклонения.
Наличие всех вышеперечисленных сенсоров, большого набора вспомогательных датчиков (рассмотрены в конце статьи) и большинства нижеперечисленных сенсоров свидетельствует в пользу того, что перед вами продвинутый аппарат, использование которого станет удовольствием, а его возможности превзойдут все ваши ожидания – это лучшие планшеты и смартфоны.
