Что измеряет гироскоп: Чем отличается гироскоп от акселерометра

что это, зачем он нужен, как работает —

ГлавнаяОбзоры

Средняя оценка0

Сохранить в закладкиСохраненоУдалено 0

Средняя оценка0

0
13784

Примерно десять лет назад в мобильных устройствах появилась невероятная функция: вы поворачивали корпус устройства, и картинка на экране поворачивалась вслед за ним! Прошло совсем немного времени, и мы массово узнали слово «гироскоп», что это такое, как работает и какие его свойства. Кто еще не разобрался в данном вопросе, мы подробно расскажем в нашей статье.

Содержание страницы

• 1 Кто и когда изобрёл
• 2 Гиродатчики в смартфонах и планшетах
  • 2.1 Калибровка
  • 2.2 Как включить гиродатчик на Андроид
  • 2.3 Как проверить, есть ли датчик в смартфоне
  • 2.4 Что делать, если в смартфоне нет гироскопического прибора
• 3 Гироскоп в часах и в фитнес-браслете
• 4 Гироскопы в других устройствах
• 5 Вывод

Кто и когда изобрёл

Как часто бывает, изобретение это оказалось совсем не новым. В начале XIX века гироскоп изобрёл немецкий физик Иоганн Готтлиб Фридрих фон Боненбергер.

В середине XIX века изобретение Боненбергера доработал француз Фуко – тот самый, создатель знаменитого маятника. Тогдашние приборы использовали сложную систему механической балансировки массивного тела, чтобы оно оставалось на месте. А угол наклона тела по отношению к земной оси можно было измерить по изменению положений опор груза. Таким образом, прибор определял направление движения в пространстве через угол наклона к земной оси.

Принцип работы гироскопа в мобильном устройстве несколько иной: чтобы вписаться в миниатюрный чип, используются специальные конденсаторы, которые считывают смещение кристалла внутри чипа и так измеряют его отклонение от оси.

На сегодняшний день гироскоп в телефоне – вещь обязательная. До этого за определение положения отвечали одни только акселерометры – они худо-бедно справлялись, но, как оказалось, можно и лучше. Сегодня используются комбинированные модули из акселерометра и гироскопа, которые позволяют с высокой точностью отслеживать движения и посылать данные на обработку.

Гиродатчики в смартфонах и планшетах

Начиная с 2010 года, компания Apple снабдила iPhone 4 и последующие модели комбинацией из гироскопа и акселерометра. Такие комбинированные датчики очень хорошо отслеживают изменение положения смартфона или другого устройства (например, фитнес-трекера или умных часов). Чуть позже появился гироскоп в смартфоне на базе Андроид и планшете.

Теперь уже сложно представить себе устройство, не реагирующее на поворот. Наоборот, в моде тонкое управление. Например, вы можете рулить машиной в виртуальных гонках, просто вращая в руках телефон, как «баранку». Когда вы читаете книгу, экран может повернуться вправо или влево, и даже вверх ногами; но если вы выходите на рабочий стол телефона, поворот отключается. А вот планшет того же производителя и с той же версией ОС на поворот отреагирует и превратится в подобие ноутбука. И это только малая часть примеров тонкой настройки. В конце концов, в настройках можно вообще выключить и снова включить гироскоп на Андроиде, если в одних ситуациях он полезен, а в других мешает.

Калибровка

Датчик гироскопа в смартфоне – это ценнейший инструмент, но иногда он сбивается. К счастью, его можно откалибровать заново практически во всех актуальных моделях.

Калибровка гироскопа в Android делается с помощью соответствующих приложений. Чтобы откалибровать навигационный прибор на Андроид, лучше всего воспользоваться сторонним приложением. Дело в том, что разные производители используют несколько разные технологии и разные чипы, поэтому приложение, совместимое со всеми устройствами, должно быть независимым. Мы можем рекомендовать вам приложение Accelerometer Calibration Free. К сожалению, у него нет русскоязычного интерфейса, однако оно достаточно понятно и без перевода.

Apple, совершенно в своей манере, предполагает, что калибровка датчика в iPhone не нужна. Лукавит, конечно. Настроить гироскоп в айфоне бывает просто необходимо.

Для рекалибровки рекомендуют следующий сценарий действий:

1. Перезагрузите (выключите и включите) iPhone.
2. Запустите приложение «Компас».
3. Если калибровка датчиков сбилась, приложение само запустит режим калибровки.
4. Наклоняйте iPhone из стороны в сторону, пока круг калибровки не заполнится.
5. Когда приложение покажет вам собственно компас, это означает, что прибор откалиброван.

Как включить гиродатчик на Андроид

Для того чтобы включить гироскоп на Андроид нужно выполнить следующие действия:

1. Открыть верхнее меню (шторку) в телефоне
2. Активировать «Автоповорот». В вашем смартфоне название может отличаться, например, «Книжный экран».

Как проверить, есть ли датчик в смартфоне

Как узнать, есть ли гироскоп в телефоне на  Android? Это не сложно, следуйте нашим рекомендациям.

Скачивайте и устанавливайте любое из этих трех приложений, в которых можно посмотреть детально все датчики:

1. AnTuTu
2. Aida64
3. Sensor Sense Toolbox

У смартфонов Apple проще, у всех моделей, начиная с iPhone 4 и выше, датчики гироскопа по умолчанию встроены в плату.

Так выглядит устройство гироскопа в смартфоне:

Что делать, если в смартфоне нет гироскопического прибора

Если нет гироскопа в телефоне, то есть три решения.

1. Первый, самый верный, — это купить смартфон с нужным датчиком.
2. Про второй и третий вариант смотрите подробное видео (при просмотре не обращайте внимание на голос и дикцию, досмотрите до конца и вы поймете, какой именно способ вам подойдет).

Гироскоп в часах и в фитнес-браслете

Гироскоп в часах – это один из важнейших элементов взаимодействия с миром. Когда вы поднимаете руку с носимым устройством, и в нем включается дисплей – это работает он, родимый. Когда новейшие Apple Watch распознают, что владелец упал и лежит без движения, и вызывают 911 – за спасение своей жизни хозяин должен сказать спасибо этому датчику. Также гироскоп отвечает за фитнес-функции, которые есть во всех современных моделях умных часов.

Он же помогает умному трекеру отследить, как вы ворочаетесь во сне, и оценить качество вашего сна. А более тонкое определение движений помогает распознавать разные виды спорта, которыми вы занимаетесь. Именно гироскоп в фитнес-браслете определяет количество сделанных вами шагов, по тому, как меняется ваше положение во время шага.

Гироскопы в других устройствах

Мы не берём в расчёт применение прибора в транспортных средствах или профессиональных системах навигации. Существуют и относительно небольшие устройства, в которых применяется навигационный прибор. Просто перечислим некоторые из них:

• Геймпады. Современные игровые приставки (Xbox, Playstation) оснащаются контроллерами, которые реагируют на наклон. Это придаёт управлению больше динамики.
• Механические часы. Назвать «массовыми» часики за полмиллиона долларов язык, конечно, не повернётся. Но увидеть, как циферблат в них принимает горизонтальное положение при любом повороте – бесценно.
• Сегвеи. Гироскоп в этих электрических транспортных средствах отвечает за равновесие, а это бесценно, когда вы мчитесь по городским улицам быстрее любого прохожего или даже бегуна.

Вывод

Хотя современные устройства от чистой механики перешли к электронике, принцип гироскопа всё равно остаётся актуальным. За последние годы мы оценили, как облегчают жизнь датчики поворота и движения. И, поверьте, чем умнее и подвижнее становится техника, тем важнее будут сенсоры движения и наклона.

• Была ли полезной информация ?
• ДаНет

Что такое гироскоп в смартфоне и как он работает

• Ольга Волгина
• 23 Янв 2017, 15:00

• 156
• 0

• 1.
  Как работает гироскоп
  • 1.1.
    Преобразование механического движения в электрический сигнал

  • 1. 2.
    Вычисление ориентации смартфона

• 2.
  Зачем нужен гироскоп в смартфоне

• 3.
  Как узнать есть ли в смартфоне гироскоп

Сейчас все смартфоны оснащены как минимум одним датчиком, а чаще всего несколькими. Самыми распространенными стали датчики приближения, освещения и движения. Большинство смартфонов оснащены акселерометром, реагирующим на перемещение устройства в двух или максимум в трех плоскостях. Для полноценного взаимодействия с гарнитурой виртуальной реальности нужен гироскоп, который определяет движения в любом направлении.

Гироскоп в смартфоне – это микроэлектромеханический преобразователь угловых скоростей в электрический сигнал. Другими словами этот датчик рассчитывает изменение угла наклона относительно оси при повороте устройства.

Гироскоп относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС), которые совмещают в себе механическую и электронную часть. Подобные чипы имеют размеры порядка пары миллиметров или меньше.

Как работает гироскоп

Обычный гироскоп состоит из инерционного предмета, который быстро вращается вокруг своей оси. Тем самым он сохраняет свое направление, а смещение контролируемого объекта измеряется по изменению положения подвесов. В смартфоны такой волчок явно не поместиться, вместо него используется МЭМС.

Преобразование механического движения в электрический сигнал

В самом простом одноосевом гироскопе есть две подвижные массы, двигающиеся в противоположных направлениях (на картинке изображены синим цветом). Как только прикладывается внешняя угловая скорость, на массу действует сила Кориолиса, которая направлена перпендикулярно их движению (отмечена оранжевым цветом).

Под действием силы Кориолиса происходит смещение масс на величину пропорциональную прикладываемой скорости. Изменение положения масс меняет расстояние между подвижными электродами (роторами) и неподвижными (статорами), что приводит к изменению емкости конденсатора и соответственно напряжения на его обкладках, а это уже электрический сигнал. Вот такие множественные сигналы и распознаются гироскопом MEMS, определяя направление и скорость движения.

Вычисление ориентации смартфона

Микроконтроллер получает сведения о напряжении и преобразует их в угловую скорость в данный момент. Величину угловой скорости можно определять с заданной точностью, например до 0,001 градусов в секунду. Чтобы определить насколько градусов вокруг оси повернули устройство, необходимо мгновенную скорость умножить на время между двумя показаниями датчика. Если использовать трехосевой гироскоп, то получим данные о поворотах относительно всех трех осей, то есть таким образом определить ориентацию смартфона в пространстве.

Здесь стоит отметить, что для получения значений углов, необходимо интегрировать первоначальные уравнения, в которые входят угловые скорости. При каждом интегрировании увеличивается погрешность. Если вычислять положение только при помощи гироскопа, то со временем рассчитываемые значения станут некорректными.

Поэтому в смартфонах для точного определения ориентации в пространстве необходимы данные еще и акселерометра. Этот датчик измеряет линейное ускорение, но не реагирует на повороты. Оба датчика способны полностью описать все виды движения. Основное преимущество гироскопа над акселерометром в том, что он реагирует на движение в любом направлении.

Зачем нужен гироскоп в смартфоне

Повышенное внимание этому датчику оказывается последние пару лет, когда активно начали развиваться игры и приложения виртуальной реальности. Для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью программе необходимо точно определить положение человека в пространстве. Сейчас даже в самых бюджетных смартфонах установлен акселерометр, но его показания сопровождаются шумами, и датчик не реагирует на повороты и движения в горизонтальной плоскости. Следовательно, для полного погружения в виртуальную реальность в смартфоне обязательно должен быть гироскоп и акселерометр.

Как узнать есть ли в смартфоне гироскоп

Обычно в характеристиках смартфона указано, какие в нем есть датчики. Если же вы сомневаетесь в правдивости информации, то помогут специальные программы. Например, Sensor Box for Android показывает информацию о всех встроенных датчиках. Гироскоп в нем обозначен как Gyroscope. Есть и другие способы, которые мы описывали в этой статье.

Теги: Полезная информация

Датчики акселерометров и гироскопов: работа, определение и применение

Скачать PDF

Abstract

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) в бытовой электронике с каждым годом развиваются все быстрее в связи с растущим спросом со стороны рынка мобильных устройств, который доминирует в росте этой новой технологии. МЭМС-датчики фактически становятся ключевыми элементами при разработке различных продуктов для потребительского и мобильного рынка, таких как игровые приставки, смартфоны и планшеты. MEMS предоставляет пользователю новый способ взаимодействия со своим интеллектуальным устройством. Эта статья представляет собой обзор МЭМС: принцип их работы, механизм обнаружения и множество потенциальных приложений.

Аналогичная версия этой статьи появилась в марте 2014 г. в EDN .

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

МЭМС-датчики

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.

Оптическая стабилизация изображения на основе гироскопа

(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

Датчики акселерометра

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.

Акселерометр

и гироскоп: в чем разница?

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Альтиметр использует гироскоп для определения высоты и положения самолета.
(Изображение предоставлено: Ян Калишак | Шаттерсток)

Для определения положения и ориентации объекта используется множество различных сенсорных устройств. Наиболее распространенными из этих датчиков являются гироскоп и акселерометр. Хотя они похожи по назначению, они измеряют разные вещи. При объединении в одно устройство они могут создать очень мощный массив информации.

Что такое гироскоп?

Гироскоп — это устройство, которое использует гравитацию Земли для определения ориентации. Его конструкция состоит из свободно вращающегося диска, называемого ротором, установленного на вращающейся оси в центре большего и более устойчивого колеса. Когда ось поворачивается, ротор остается неподвижным, чтобы указать центральное гравитационное притяжение и, таким образом, направление «вниз».

«Один типичный тип гироскопа состоит из подвешивания относительно массивного ротора внутри трех колец, называемых карданами», — говорится в учебном пособии Университета штата Джорджия. «Установка каждого из этих роторов на высококачественных опорных поверхностях гарантирует, что на внутренний ротор будет воздействовать очень небольшой крутящий момент».

Гироскопы были впервые изобретены и названы в 19 веке французским физиком Жаном-Бернаром-Леоном Фуко. Согласно Британской энциклопедии, только в 1908 году немецкий изобретатель Х. Аншютц-Кемпфе разработал первый работоспособный гирокомпас. Он был создан для использования в подводном аппарате. Затем, в 1909 году, его использовали для создания первого автопилота.

Что такое акселерометр?

Акселерометр представляет собой компактное устройство, предназначенное для измерения негравитационного ускорения. Когда объект, в который он интегрирован, переходит из состояния покоя в любую скорость, акселерометр предназначен для реагирования на вибрации, связанные с таким движением. В нем используются микроскопические кристаллы, которые испытывают напряжение, когда возникают вибрации, и из-за этого напряжения генерируется напряжение для создания показаний при любом ускорении. Акселерометры являются важными компонентами устройств, которые отслеживают физическую форму и другие измерения при количественном самодвижении.

Первый акселерометр назывался машиной Этвуда и был изобретен английским физиком Джорджем Этвудом в 1783 году, согласно книге «Практические МЭМС» Вилле Кааякари.

Использование гироскопа или акселерометра

Основное различие между этими двумя устройствами простое: одно может ощущать вращение, а другое нет. В некотором смысле акселерометр может измерять ориентацию неподвижного объекта относительно поверхности Земли. При ускорении в определенном направлении акселерометр не может отличить это от ускорения, создаваемого гравитационным притяжением Земли. Если учесть этот недостаток при использовании в самолете, акселерометр быстро потеряет большую часть своей привлекательности.

Гироскоп сохраняет свой уровень эффективности, будучи способным измерять скорость вращения вокруг определенной оси. При измерении скорости вращения вокруг оси крена самолета он определяет фактическое значение до тех пор, пока объект не стабилизируется. Используя ключевые принципы углового момента, гироскоп помогает указывать ориентацию. Для сравнения, акселерометр измеряет линейное ускорение на основе вибрации.

Типичный двухосевой акселерометр показывает пользователям направление силы тяжести в самолете, смартфоне, автомобиле или другом устройстве. Для сравнения, гироскоп предназначен для определения углового положения на основе принципа жесткости пространства. Приложения каждого устройства довольно сильно различаются, несмотря на их схожее назначение. Например, гироскоп используется в навигации беспилотных летательных аппаратов, компасов и больших лодок, что в конечном итоге способствует стабильности навигации. Акселерометры одинаково широко используются в машиностроении, машиностроении, аппаратном мониторинге, мониторинге зданий и конструкций, навигации, транспорте и даже бытовой электронике.

Появление акселерометра на рынке бытовой электроники с появлением таких широко распространенных устройств, как iPhone, использующих его для встроенного приложения компаса, способствовало его общей популярности во всех областях программного обеспечения. Определение ориентации экрана, работа в качестве компаса и отмена действий простым встряхиванием смартфона — вот несколько основных функций, которые зависят от наличия акселерометра. В последние годы его применение среди бытовой электроники теперь распространяется и на персональные ноутбуки.

Используемые датчики

Использование в реальных условиях лучше всего иллюстрирует различия между этими датчиками. Акселерометры используются для определения ускорения, хотя трехосевой акселерометр может определять ориентацию платформы относительно поверхности Земли. Однако, как только эта платформа начинает двигаться, ее показания становятся более сложными для интерпретации. Например, при свободном падении акселерометр покажет нулевое ускорение. В самолете, выполняющем крен под углом 60 градусов для поворота, трехосевой акселерометр зарегистрирует вертикальное ускорение 2G, полностью игнорируя наклон. В конечном счете, акселерометр не может использоваться сам по себе, чтобы поддерживать правильную ориентацию самолета.

Вместо этого акселерометры находят применение в различных потребительских электронных устройствах. Например, по данным Wired, одним из первых смартфонов, использующих эту функцию, был iPhone 3GS от Apple с такими функциями, как приложение компаса и встряхивание для отмены.

Гироскоп будет использоваться в самолетах для определения скорости вращения вокруг оси крена самолета. Когда самолет катится, гироскоп будет измерять ненулевые значения до тех пор, пока платформа не выровняется, после чего он будет считывать нулевое значение, указывающее направление «вниз». Лучшим примером чтения гироскопа является индикатор высоты на обычных самолетах. Он представлен круглым дисплеем с экраном, разделенным пополам, верхняя половина синего цвета для обозначения неба, а нижняя красная для обозначения земли. Когда самолет кренится для разворота, ориентация дисплея будет меняться вместе с креном, чтобы учесть фактическое направление земли.

Предполагаемое использование каждого устройства в конечном счете влияет на его практичность на каждой используемой платформе.