Більшість смартфонів чутливі до нахилу, але який пристрій робить це можливим? Крім того, як це працює (і пов'язані з ним датчики)?

Крім того, оскільки робота цих датчиків майже напевно базується на наявності зовнішнього гравітаційного поля (наприклад, земного), це задає друге питання: чи зберігають смартфони чутливість до нахилу під нульовою силою тяжіння (гіпотетична) умови?

(Нещодавно на моєму телефоні грала в тренажер з літальним апаратом ... факт, що літак так добре відреагував на нахил, здивував мене; звідси і бажання задати це питання)

Екстри:

Я сам вкладав у це деяку думку, тож я буду також це робити. З усіх намірів і цілей моє запитання закінчилося після другого пункту, але те, що я додав після цього, може допомогти адаптувати відповідь, що відповідає моєму теперішньому розумінню фізики.

Зараз я перебуваю у середній школі, і якщо я правильно пригадую, в декартовій системі 3D є шість ступенів свободи. З мого досвіду роботи із додатком для імітації літаків, смартфони, здається, виявляють рух лише за трьома ступенями свободи: крок, кочення та позіхання.

Якщо говорити про чутливі до нахилу датчики: я вважаю, що ці датчики / перетворювачі працюють, це шляхом виявлення хвилинних змін гравітаційної потенційної енергії (що може проявлятися як невеликий рух деяких крихітних компонентів датчика), що пов'язано з зміна телефону в просторовій орієнтації.

Як я це бачу, такий датчик потребує рухомих деталей, а не може бути просто ще одним мікросхемою на друкованій платі.

За цих обставин, якби мені поставили завдання створити чутливий до нахилу пристрій, який сприймає хвилинні зміни гравітаційної потенціальної енергії, мені, певно, знадобиться щонайменше 3 пари датчиків (пара в кожній з трьох осей координат). Крім того, дивлячись, як дуже чутливий мій смартфон до нахилу, я повинен був би створити смішно великий пристрій, кожен сенсор в парі розміщений на кілька метрів один від одного, щоб досягти чутливості до нахилу, порівнянної з моїм телефоном.

Однак у смартфонів розміри менші, ніж у типового сендвіч, тому наявність "датчиків у парі, розміщених на відстані кількох метрів", окрім того, що це непрактично, явно не так.

^ Я пішов з цього приводу, щоб ви могли відчути моє справжнє здивування в підзапиті, що випливає:

Яким чином ці датчики є настільки чутливими, незважаючи на їх невеликий розмір?

Ви маєте рацію, в певному сенсі. Цим датчикам потрібні рухомі компоненти. Однак вони є фішкою на вашій платі.

Натяжні датчики (власне, акселерометри) та гіроскопи (і датчики тиску, ...) є частиною сімейства під назвою MEMS: Мікроелектромеханічні системи.

Використовуючи подібні прийоми, що вже звичні для виготовлення інтегральних схем, ми можемо зробити дивовижні маленькі пристрої. Ми використовуємо ті ж процеси травлення речей, нанесення нових шарів, вирощування структур тощо.

Це неймовірно крихітні пристрої. це приклад гіроскопа:

посилання на оригінальний веб-сайт.

Більшість із них працює, визначаючи зміни ємності. Гіроскоп відчув би зміни внаслідок обертання (велика річ на малюнку крутиться навколо центральної осі. Це зблизить крихітні зубки, які переплетені між собою, і збільшить ємність. Акселерометри працюють за аналогічним принципом. Ці зуби можуть бути помічений у правому нижньому куті другого зображення.

Що з нульовою силою тяжіння?

Це не сильно зміниться з точки зору функціонування пристроїв. Розумієте, акселерометри працюють, визначаючи прискорення. Ключове, однак, полягає в тому, що гравітація для них однакова - просто відчувається, що ти постійно прискорюєшся на 1G. Вони використовують цю "константу", щоб зрозуміти, де "вниз". Це також означає, що хоча мікросхеми будуть чітко функціонувати в мікрогравітації, ваш телефон не буде - він буде плутатися, оскільки, здається, немає "вниз".

Швидке доповнення до вирішення (дуже хорошого) пункту, який підводить користувач GreenAsJade: Коли ви дивитесь на загальні визначення гіроскопів у таких джерелах, як вікіпедія, їх часто описують як щось на зразок спінінгового диска. На знімках вище, здається, немає частин, що обертаються. Що з цим?

Спосіб їх вирішення полягає в заміні обертання на вібрацію . Об'єкт у формі диска на малюнках тут з'єднаний лише з дуже тонкими та гнучкими структурами до центральної осі. Потім цей диск робиться вібрувати навколо своєї осі на високій частоті. Якщо перемістити всю конструкцію під кутом, це призведе до того, що диск намагатиметься і постійно протистояти цьому - подібно до класичного гіроскопа. Цей ефект називається ефектом Коріоліса . Визначивши кількість нахилу диска порівняно з навколишнім твердим матеріалом, можна виміряти, наскільки швидко він обертається.

Сенсорний прилад - це вага на пружині. Це дійсно "невеликий рух деяких крихітних компонентів датчика", а також "ще одна мікросхема на друкованій платі".

Ключове слово тут - MEMS . Можна побудувати невеликі кремнієві конструкції, а потім протравити під ними, залишаючи вільно плаваючий шматок. Якщо шматок довгий і тонкий, він деформується під дією сили тяжіння (або будь-якого прискорення) на величину, пропорційну його модулю Юнга. Зміна положення впливає на ємність між рухомою частиною і нерухомими частинами навколо неї, яку можна виміряти в електронному вигляді.

Як правило, вони мають лише один тривісний акселерометр. Більшої точності можна досягти, додавши гіроскоп або інший акселерометр, розділений на відстань; Nintendo зробив це за допомогою додатків Wiimote.

Багато телефонів також містять магнітометр, який невиразно повідомляє, де магнітна північ відносно телефону, хоча калібрування в них погано.

Звернення до конкретних частин питання:

• Що робить смартфони чутливими до нахилу?

Акселерометри MEMS. Кілометровий пакет мікросхем, 0,50 дол. США або менше.

• Чи збережуть вони цю здатність в умовах нульової гравітації?

Не зовсім. У них більше немає зручного опорного вектора. Однак вони все ще можуть виявити прискорення, тому, якщо у вас є одне з цих "світлих метрів" додатків і помахувати його навколо, воно все одно працюватиме на МКС. Але ні ви, ні телефон не маєте чіткого уявлення про "вгору".

(Набір Raspberry Pi, надісланий там, має акселерометр та купу програм, написаних школярами, тому майже напевно є відео, де це демонструється десь)

Вихідний вихід 3-осевого акселерометра - це вектор з 3 значень, виміряних в м / с ^ 2. Величина цього вектора зазвичай буде приблизно 1 г, але напрямок змінюється. Для стаціонарного телефону він буде спрямований вниз. Якщо перемістити його, то вектор прискорення змінить напрямок. Якщо ви кинете телефон, тобто він потрапляє у вільне падіння так само, як і телефон на орбітальному судні, то величина йде майже до нуля. Це змушує напрямок вектора дико гойдатися і перетворюватися на шум.

Використання акселерометрів як детекторів крапель для безпеки жорсткого диска було популяризовано близько десяти років тому Macbooks. Люди знайшли для них інші способи використання .

• як це працює?

Відповіли більш детально на інші відповіді.

Теоретично, так, телефон або планшет може працювати так само добре, як, наприклад, Міжнародна космічна станція (МКС), як це робиться тут, на місцях.

Давайте трохи розберемо це.

Існує два типи руху, які потрібно виявити пристрою.

Лінійний рух

Автономні акселерометри використовують відхилення маси, пов'язаної з пружиною, від нормальної точки спокою як міру сили прискорення на цій осі. Очевидно, вам потрібно три з них, щоб виявити рух на будь-якій осі.

Знаючи та відстежуючи ці сили, ви можете «рахувати мертві» швидкість та напрямок руху пристрою з його початкового місця «включення». Фактор в точний годинник, і ви також можете визначити поточне положення.

Це звучить просто, але математика насправді досить складна, і помилки в системі спричиняють зрушення з часом.

Обертання

Обертання очевидно крутиться навколо будь-якої осі.

Спінові датчики

Обертання можна виміряти за допомогою гіроскопа або датчика віджиму. Ці пристрої знову мають нещільно пов'язану масу, яка вільно обертається або рухається в певній осі. Коли корпус вашого пристрою обертається, різниця між обертаннями говорить вам, наскільки обертається пристрій.

Спінові датчики та гіроскопи не цікавляться силою тяжіння, крім певних відмінностей від тертя.

Гравітація, пов'язана з обертанням акселерометра

Оскільки акселерометри вимірюють силу, що діє на слабко підвішену масу, коли цей датчик вертикальний відносно землі, звичайно, весна відбуватиметься відхиленням через вагу маси за рахунок сили тяжіння. Це зміщення математично видаляється програмним забезпеченням, щоб витягти частину прискорення.

Однак, оскільки триосні акселерометри будуть виробляти різні зміщення залежно від їх орієнтації, математично можна виявити віджимання від різниці в зміщеннях.

Однак, хоча цей метод працює, він підлягає розбіжностям у Г. Він би не працював у просторі. Це також було б значно менш функціональним у маневруючих літальних апаратах. Навіть автомобіль, що їде крутим поворотом на швидкості, може бути проблематичним.

Виявлення спіна акселерометра

Можна, за допомогою двох наборів досить чутливих акселерометрів, виявити віджимання від різниці прискорень між акселерометрами.

Оскільки кожен акселерометр повинен рухатись відносно іншого, то різниця у прискоренні в цій осі буде між ними. Ці значення знову можуть бути використані математично для прогнозування закрутки.

$X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

На цей метод НЕ впливає гравітація.

Чи працюватиме ваш телефон або планшет на ISS

Як видно з вищесказаного, це дійсно залежить від того, які методи використовує ваш пристрій.

Технічно це можна було побудувати і запрограмувати для цього. Можливо, вам знадобиться вимкнути його та знову ввімкнути його, щоб повторно відкалібрувати його, але при наявності потрібних систем він повинен працювати нормально. Принаймні для того, щоб грати в цю «імітаційну гру літаків».

Але дрейф може бути більшою проблемою на МКС. Оскільки телефони в звичайному G мають можливість знати, який шлях "вниз" знаходиться в цей конкретний момент, вони можуть з часом змінитись. Космічний пристрій потребує періодичного ручного скидання, щоб вказати "нормальний" напрямок.

Усі коментарі та відповіді чудово допомагають зрозуміти, як це можливо. Але ось ось що допоможе вам зрозуміти, як це реалізується в реальній продукції.

(джерело зображення)

Це крихітний ІС (3x3x1 мм!) Від InvenSense. Він має тривісний акселерометр (для бічного руху), тривісний гіроскоп (для обертання) та тривісний магнітометр (як голка компаса). Він має внутрішній код, який буде робити всю складну математику. Це майже не потребує енергії. Все це за 10 доларів у разовій кількості.

Це лише приклад. Є кілька компаній, що виробляють подібну продукцію. Деякі є більш точними, ніж інші, деякі дешевші, у більшості немає магнітометра тощо.

Веселіться!

Це рідкісний випадок на сайті Electronics, коли жодна з відповідей чітко і чітко не відповіла на питання!

Чи зберігають мобільні телефони можливість виявлення нахилу в умовах нульової сили тяжіння?

Відповідь:

Вони зберігають (на апаратному рівні) здатність виявляти нахили , але більше не можуть виявити нахил .

Далі,

На рівні програмного забезпечення, насправді, майже всі (дуже ймовірно, "усі") програми-програмісти-програмісти не допускатимуть кутового випадку з нульовою силою тяжіння, тому дуже ймовірно, що гіроскопічні функції діятимуть шалено в цілому, в більшість / усі фактичні програми.

Що стосується роботи гіроскопів / акселерантів у телефонах, ви можете легко гугл API для них на двох платформах ( приклад ).

Однак зауважте, що всі ОС на письмі, як правило, переносять гіро / акселерації нижчого рівня в якийсь зручний зручний менеджер руху вищого рівня :

Accels / gyros, насправді зв'язані разом на рівні ОС

Так насправді ...

на практиці для будь-якого досить-таки написаного додатка (пам’ятаючи, що, скажімо, близько 25% додатків у магазині розкладаються / не оновлюються регулярно), це зводиться до того, як команда в Apple, яка написала (у їхньому випадку) "Coremotion" обробляв (якщо взагалі!) Випадок нульової сили тяжіння. (Схожа ситуація і для Android).

І далі, для ігор як таких ...

Сьогодні майже будь-яка гра, яку ви збираєте і граєте на телефоні, створена в Unity3D, а не як рідний додаток. (І, як правило, якщо подивитися на набір "додатків, які використовують акселератор / гірос", 90% (більше?) З них - це лише ігри.) Так що насправді (на всіх платформах) програмні засоби-насправді насправді використовуючи рівень програмних обгортків Unity .

Отже, реальна поведінка в крайньому кутовому випадку земної орбіти залежатиме від того, що робили ці люди, коли писали це.

Один заплутаний момент ...

це не було з’ясовано. Коли ви пишете програмне забезпечення для телефонів, цілком звично стикатися з "нульовою силою тяжіння" ... за короткий проміжок часу: тобто, коли телефон знаходиться у вільному падінні . Тож якщо ви робите одне із (100-ти) додатків для скейтбордистів, лижників тощо, яке вимірює час зависання тощо, ви, звичайно, вирішите це.

Гіроскопи були представлені на телефони близько 2010 року; акцепти були в них з самого початку.

Французький / Італійська компанія називається STMicroelectronics в значній мірі робить більшість з гіроскопів як для яблука і сумісного.

Що стосується акселерометрів, то в більшості телефонів зараз є декілька з них, оскільки це працює краще. Я чув, що постачальників акселерометрів є більш різноманітними (Bosch тощо).

Ви можете буквально придбати гіроскопи MEMS або акселератори , якщо, наприклад, ви робите електронну іграшку, яка включає таку функцію.

• Як реально працюють акселерометри MEMS на рівні підкладки
• Як працюють гіроскопи MEMS

На повторення, фундаментальна швидка відповідь на поставлене запитання

У "нульовому г" вони зберігають (на апаратному рівні) можливість виявлення нахилу , але вони більше не можуть виявити нахил .

Що стосується програмного забезпечення,

1. це, майже напевно, "повністю провалиться!" у химерному випадку "ти на орбіті". Оскільки жоден ґен або інженер додатків (я знаю) не був би таким OCD, щоб охопити цю справу, але не забувайте ...

2. цілком звично мати «нульову гравітацію» .. під час коротких періодів вільного падіння (це стосується звичайної справи, якщо ви робите одне з таких «додатків для занять спортом»).

Я думаю, що вони можуть використовувати інтерферометр саньяку в смартфонах. Інтерферометр «Саньяк» - це пристрій, який створює постійну схему перешкод під час спокою, і її схема змінюється при повороті установки.

Таким чином, коли розміщено 3 таких інтерферометра, ми можемо виміряти обертання навколо всіх 3-х осей.

Інтерферометри саньяку бувають дуже невеликих розмірів, і він складається з оптичних волокон для передачі світла, джерела світла (когеранта) та детектора.

Звичайно, перед використанням слід його відкалібрувати.