Мэмс акселерометры, гироскопы и геомагнитные датчики — революционно новый функционал потребительских устройств

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.

Для чего используется гироскоп в телефонах?

Смартфоны стали частью нашей жизни, статистики насчитали 72 млн владельцев этих устройств в России, за 2017 год салоны связи продали 28,4 млн штук.

Люди пользуются мобильными устройствами не только для связи, выхода в интернет или просмотра фильмов.

Смартфон сейчас сможет определить физическое состояние владельца: подсчитать пульс, измерить давление, скорость дыхания.

С другой стороны это же устройство будет инженерным инструментом, определит местоположение, обозначит уровень, измерит угол отклонения или расстояние до объекта.

Все эти действия стали возможны при установке многочисленных датчиков и настройке программного обеспечения.

Определение

Обычный гироскоп – устройство вращения с постоянным углом размещения, используется давно в мореходстве, авиации и космонавтике.

Сложная трёхмерная конструкция из вращающихся окружностей была впервые в кардановом подвесе, и была продемонстрирована в начале 19 века, а после постоянно совершенствовалась.

Гироскопы для смартфонов

Средний размер смартфона не больше ладони, а внутри его корпуса размещены датчики. Чем круче мобильник, тем больше в нём разнообразных этих микроструктурных чипов. Возможность разместить эти платы появилась после изобретения MEMS – технологии микроэлектромеханических систем.

MEMS помогает создавать 2 типа чипов:

1. Актуатор – устройство исполнения. Оно переводит цифровой сигнал в реальное действие, примером могут служить наушники.
2. Сенсор – устройство измерения, которое переводит физические воздействия в цифровой сигнал. Сначала в смартфонах появился датчик движения, позднее гироскоп. Первый из этих сенсоров измеряет линейное перемещение, второй –угловое или поворот.

Работа простейших гироскопов основана на принципе конденсатора, более сложные основаны на принципе вращения.

Изменение положения подвижной части измеряется и переводится в цифровой сигнал, который потом обрабатывается программой. По этому изменению рассчитывается перемещение подвижного грузика и угловые ускорения.

Конструктивно всё размещается в одном кристалле, который крепится на микро плате с контактами. Размер готового гироскопа в корпусе не больше 5*5*1мм, обычно меньше.

Для чего эти премудрости

Гироскоп в смартфоне отвечает за круг задач, который постоянно расширяется. Изначально с его помощью мобильное устройство определяло перемещение в пространстве в трёх плоскостях, скорость этого перемещения, определяло сторону света.

GPS определяет координаты на местности, но не подсказывает направление движения к цели. Гироскоп показывает направление, но не обозначает координаты цели. Только вместе они проложат верный путь, поэтому ориентирование с помощью смартфона становится простым занятием.

Как проверить наличие гироскопа

Не факт, если в вашем смартфоне поворачивается экран, то у него установлен гироскоп. Обычный акселератор может управлять поворотом экрана. Полную проверку установленных сенсоров можно сделать программами Sensor Box Android или Sensor Kinetics iOS.

Дополнительные возможности

Разработчики операционных систем мобильных устройств упрощают их использование благодаря встроенным датчикам. Функции гироскопа разрешают владельцам просто встряхнуть телефоном для ответа на входящий звонок, не касаться для этого поверхности экрана.

Многофункциональные приложения, установленные на смартфон, расширяют возможности устройства. Датчик гироскопа используется в строительных, инженерных и дизайнерских приложениях.

Проблемы

При всех положительных качествах встроенного гироскопа, иногда появляются проблемы. Часто при работающем сенсоре приложения реального времени, в которых определяется точное положение в пространстве, замедляются или просто зависают. В таких случаях гироскоп отключают.

Гироскопы для геймеров

Кто не может обойтись без датчика гироскопа, так это геймеры. Гироскоп определяет наклон смартфона, что используется для управления в играх.

Любой поворот экрана в гоночных симуляторах укажет в какую сторону надо двигаться. В стрелялках сенсор покажет направление цели.

Гироскоп: применение

Чаще всего этот прибор используется в качестве чувствительного элемента для указывающих гироскопических приборов, а также в качестве датчика угла поворота или угловой скорости для устройств, работающих под автоматическим управлением. В некоторых случаях гироскоп может послужить в качестве генератора энергии или момента силы.

Принцип работы гироскопа позволяет активно использовать его в авиации, судоходстве и космонавтике. Почти у каждого морского судна дальнего плавания имеется гирокомпас для автоматического или ручного управления судном, а в некоторых используются и гиростабилизаторы. Система управления огнем корабельной артиллерии обычно оснащается множеством дополнительных гироскопов, которые предназначены для обеспечения стабильной системы отсчета или для измерения угловых скоростей.

Вертолеты и самолеты тоже обязательно оборудуются этими приспособлениями для того, чтобы давать надежную информацию о деятельности систем навигации и стабилизации. К таким приборам можно отнести авиагоризонт, гироскопический указатель поворота и крена, гировертикаль. Если рассматривать вертолет с гироскопом, то тут этот прибор может служить как в качестве указывающего устройства, так и в качестве датчика автопилота.

Многие самолеты оснащены гиростабилизированными магнитными компасами и прочим оборудованием – фотоаппаратами с гироскопами, гиросектантами, навигационными визирами. В военной авиации активно используются гироскопы в качестве составных элементов в прицелах бомбометания и воздушной стрельбы.

Xiaomi Mi Band 5 – лучший фитнес-браслет 2020 года

Краткие характеристики

• Год выпуска:&nbsp2020
• Страна производитель:&nbspКитай
• Время работы аккумулятора:&nbsp14 дней
• Цветной дисплей:&nbspда
• Диагональ:&nbsp 1.1″
• Разрешение экрана:&nbsp126×294 px
• Влагозащита:&nbspWR50
• Датчики:&nbsp
  акселерометр, пульсометр, гироскоп
• GPS:&nbspНет

Подробнее

Наши оценки

Точность шагомера
9.4

Функционал
9.5

Качество дисплея
9.9

Автономность
8.0

Дизайн
9.3

Удобство использования со смартфоном
9.0

9.1
Средняя оценка

Где купить в Москве и регионах:

Xiaomi Mi Band 5 зарекомендовал себя как универсальный фитнес-браслет, который подойдет как спортсменам, так и любителям модных аксессуаров с современным функционалом.

Mi Band 5 обладает цветным AMOLED-дисплеем в 1.1 дюйма с разрешением 126х294 пикселя (291 PPI) и яркостью 450 нит. Многие эксперты уже называют экран «пятерки» лучшим на рынке фитнес-браслетов.

Данный фитнес-браслет также предлагает самый богатый функционал за свои деньги. Помимо стандартных функций вроде постоянного измерения пульса, мониторинга сна, подсчета потраченных калорий, приема и просмотра уведомлений, Mi Band 5 предлагает отслеживание уровня стресса, подсчет индекса PAI, подробный прогноз погоды на 3 дня вперед, 11 спортивных режимов, календарь менструальных циклов, систему событий и напоминаний, дыхательные упражнения, управление музыкальным плеером, управление затвором камеры смартфона, добавление мировых часов и многое другое.

Фитнес-браслет ведет ежедневный подсчет количества пройденных шагов, пройденного расстояния и потраченных калорий. В приложении Mi Fit вы сможете ознакомиться с подробной статистикой, которая включает в себя показатели за последние 24 часа (график шагов, общее количество шагов с указанием процента пользователей, которых вы обошли, пройденное расстояние и количество сэкономленного бензина, а также список активностей, когда количество шагов резко возрастало, например, вы переходили на бег или быстрый шаг) и срез за последние 30 дней (среднее количество шагов в сутки, среднее преодолеваемое за день расстояние, а также общий объем сэкономленного бензина за месяц и количество сожженных калорий).

Что касается точности шагомера, то при целенаправленной прогулке погрешность составила всего 0.4%, то есть на 1000 шагов будет до 4 ложных срабатываний. Если брать повседневное использование, то ложные срабатывания могут вызывать следующие активности: приседания, прыжки на месте, зарядка (активные амплитудные движения руками), прием душа (здесь все зависит от амплитуды и плавности ваших движений). Такие активности, как жестикуляция руками, отжимания, подтягивания, мытье посуды и езда за рулем ложных срабатываний не вызывают.

Измерение пройденного расстояния Mi Band 5 осуществляет с погрешностью до 10% при отсутствии синхронизации со смартфоном и до 1% при наличии подключенного смартфона с активным модулем GPS.

Подробный обзор Xiaomi Mi Band 5

Области применения гироскопического датчика

Гироскопические датчики широко распространены и применяются как в быту, так и в промышленных и военных областях. В быту, например, гироскопы стабилизируют поведение радиоуправляемых моделей самолетов и вертолетов. Навигация и управление транспортными средствами также использует датчики гироскопы. В легковых автомобилях датчики активируют подушки безопасности при опрокидывании.

Системы навигации и системы реагирования на чрезвычайные ситуации используют гироскопические датчики для повышения надежности работы оборудования. Роботы, роботизированные платформы в военной области используют датчики гироскопы в системах управления и наведения. Подводные лодки, самолеты, автономные подводные аппараты и многое другое не могут эффективно работать без применения гироскопических датчиков.

Практически на всех смартфонах также установлен датчик гироскопа. Он часто используется в мобильных играх, функциях автоповорота изображения и многих других. Можно привести еще множество примеров использования датчика гироскопа. Но в нашем случае мы изучаем очень простой датчик, который позволяет понять основные принципы работы гироскопов.

Принцип работы гироскопического датчика

Принцип работы датчика заключается в том, что он способен отслеживать вращение. Датчик гироскопа EV3 способен обнаружить вращение всего по одной оси. На верхней стороне датчика мы можем увидеть две стрелки. Эти стрелки показывают нам плоскость работы гироскопического датчика.

1. При вращении датчика в плоскости стрелок на верхней части датчика он может определять угловую скорость вращения. Она измеряется в градусах в секунду. 440 градусов в секунду является максимальной угловой скоростью, которую модет измерить датчик.
2. Кроме скорости вращения датчик может определять угол вращения. Измерение угла вращения происходит в градусах. Точность измерения гироскопического датчика +/- 3 градуса если поворот на 90 градусов.

Зачем нужен гироскоп и как узнать, есть ли он в смартфоне?

С некоторых пор выяснилось, что гироскоп является очень важным датчиком. И весьма печально, что об его отсутствии производители смартфонов скромно умалчивают на своих презентациях. К счастью, узнать о наличии или отсутствии гироскопа можно как до покупки устройства, так и после. Как это сделать — рассказано в сегодняшней статье.

Что такое гироскоп?

Но сначала давайте разберемся с тем, чем именно является гироскоп

Также мы постараемся выяснить, настолько ли важной деталью он считается. И лишь после этого мы расскажем вам о том, как проверить его наличие

Полноценный гироскоп по своей форме похож на юлу или волчок. Он обладает подставкой, диском-ротором, шпилькой и несколькими обручами. Его конструкция выполнена таким образом, что диск всегда находится в одном положении, за что следует поблагодарить силу тяжести.

В смартфон невозможно установить классический гироскоп, так как он имеет слишком крупные размеры. Поэтому вместо него используется специальный датчик, построенный на основе микроэлектромеханической системы. Его ширина варьируется от 5 до 10 мм, а высота не превышает 5 мм. Однако и такие габариты кажутся некоторым производителям смартфонов чересчур большими, в связи с чем частенько они отказываются от установки гироскопа.

Где используется гироскоп?

Данный датчик является усовершенствованной версией акселерометра. С его помощью операционная система не только вовремя узнаёт о передвижении и вращении устройства, но и может с точностью отслеживать все эти действия. Если акселерометр — это своеобразный строительный уровень, то гироскоп увеличивает точность показаний этого датчика в разы.

Если вы в будущем хотите приобрести VR-шлем для Android, то в вашем аппарате обязан присутствовать гироскоп. Данный датчик будет отслеживать повороты вашей головы, направляя виртуальный взгляд именно в ту сторону, в которую направлены ваши настоящие глаза. Также гироскоп на Андроид помогает в просмотре звездного неба. Если использовать соответствующее приложение, то оно будет понимать, в какую сторону света направлена камера, показывая названия видимых в данный момент созвездий.

А ещё этот датчик используется в играх с дополненной реальностью. Самым ярким примером тому служит Pokemon Go. Если гироскопа в смартфоне нет, то карманные монстры будут прыгать по виртуальной траве. Если же датчик присутствует, то зверьки станут двигаться по настоящему миру, видимая область которого попадает во взгляд встроенной камеры.

Как узнать, имеется ли гироскоп в смартфоне или планшете

Если на ваш смартфон или планшет установлен клиент YouTube, то откройте его и введите в поисковую строку запрос «360 видео». Запустите показ любого из выданных результатов. Если вы можете вертеть взглядом виртуальной камеры при помощи поворотов смартфона, то гироскоп присутствует и успешно функционирует. Если поворачивать взгляд можно только пальцем, то датчика в составе аппарата нет.

Другой способ заключается в использовании приложения AnTuTu Benchmark. Вам нужно его скачать, установить и запустить. Во вкладке «Инфа» вы обнаружите все технические спецификации своего устройства. В том числе вы увидите наименование встроенного гироскопа. Либо обнаружите, что он «Не поддерживается» (то есть, его попросту нет).

Вместо AnTuTu можно установить и более специализированную утилиту. Речь идет о Sensor Sense. Он отображает показания со всех встроенных в смартфон датчиков. Если гироскопа в списке нет, то он в гаджет не встроен. Это можно сказать и в том случае, если данные у этого датчика не изменяются при вращении аппарата в руках.

Данный элемент смартфона работает на постоянной основе. Его нельзя включить или отключить. Если вы в этот момент думаете о функции поворота экрана, то за неё отвечает акселерометр. И эту функцию действительно можно отключить. Для этого совершите следующие действия:

1. Перейдите в раздел с настройками системы.

2. Перейдите в подраздел «Экран».

3. Здесь вы без труда обнаружите пункт, отвечающий за действия устройства при его повороте. Смените его значение на нужное.

На корпусе некоторых старых гаджетов (в основном на планшетных компьютерах) можно обнаружить отдельный переключатель. Он блокирует поворот экрана, вне зависимости от выставленных настроек.

Можно ли настроить гироскоп?

Как уже было сказано выше, гироскоп является совершенно самостоятельным датчиком, в работу которого вмешаться никак нельзя. Если акселерометр можно откалибровать, то с гироскопом никакие подобные действия совершить нельзя. Если же он вовсе отсутствует, то придется покупать для дополненной или виртуальной реальности новый телефон.

setphone.ru