Меню

Акселерометр в смартфоне что это: Что такое акселерометр в смартфоне

Содержание

Акселерометр в телефоне: что это такое?

Еще несколько лет назад мы и представить не могли, что существуют игры на смартфонах, где управление осуществляется с помощью поворота самого устройства! Сейчас таких игр — великое множество в онлайн-магазинах мобильных приложений, а тогда это казалось чем-то невероятным.

Хотите пример? Это могут быть, скажем, различные автомобильные гонки, которые управляются при помощи отклонения смартфона или планшета в разные стороны, при этом автомобиль поворачивает. Одной из самых известных подобных игр является Asphalt 8:

Внимание, вопрос! Как это возможно? Ответ: это стало возможно благодаря акселерометру.

Что такое акселерометр и как он работает?

Акселерометр — это прибор, который измеряет проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Акселерометр позволяет фиксировать даже незначительные изменения ускорения в зависимости от его положения в пространстве.

В смартфоне или планшете акселерометр представляет из себя крайне небольшую деталь, зачастую — чуть больше спичечной головки. Несмотря на это, свои действия он выполняет как и положено.

Где применяется акселерометр?

Как было сказано выше, устройство используется в смартфонах и планшетах. При этом в них его начали устанавливать относительно недавно — вместе с появлением смартфона iPhone, а уже после он начал устанавливаться и в другие мобильные устройства.

Кроме того, акселерометр используется:

  • В промышленной авиации, где является неотъемлемой частью систем навигации, а также управления летательными аппаратами.
  • В промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.
  • В системах управления жестких дисков для активации механизма защиты от повреждений. При ускорении (например, при падении жесткого диска) система «паркует» головки винчестера, тем самым предотвращая их повреждение, а также повреждение данных.
  • В видеорегистраторах. Здесь акселерометр позволяет различать важные события: резкое ускорение или торможение, столкновение и т.п.
  • В игровых приставках, а если быть точным — в устройствах управления игровыми приставками. Джойстик может даже не иметь кнопок и управление происходит с помощью его поворотов в пространстве, потряхиваний и т.д.

Зачем нужен акселерометр в смартфоне?

В настоящее время акселерометр используется в смартфонах и планшетах как для нужд операционной системы, так и для работы некоторых приложений, включая игры.

Что касается операционной системы, то благодаря акселерометру происходит поворот экрана на устройстве, когда мы его переворачиваем.

Про игры было сказано чуть выше. Помимо гонок, акселерометр активно используется в казуалках и даже шутерах.

Словом, акселерометр — крайне важный компонент современной мобильной техники, в чем вы только что убедились.

что это, принцип работы, фото

Если вас интересует ответ на вопрос Акселерометр в телефоне  что это? Значит вы попали по адресу.

Все обладатели современных мобильных устройств наверняка знают, что такое автоповорот экрана. А те, кто любит игры на мобильных платформах ценят возможность управления ими при помощи поворотов телефона.

А обеспечивает такую возможность небольшое устройство – акселерометр.

Содержание:

Именно эта небольшая деталь позволяет использовать телефон в качестве уровня, использовать приложения, наслаждаться играми, которым необходима информация о положении телефона в пространстве.

Что же собой представляет это устройство?

Суть понятия «акселерометр»

Акселерометр – это прибор, предназначенный для измерения кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение – это разница между гравитационным и истинным ускорениями объекта.

Принципиально акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера.

Пружина крепится к неподвижной поверхности, к пружине крепится масса. С другой стороны ее поддерживает демпфер, который гасит собственные вибрации груза.

Во время ускорения массы деформируется пружина. На этих деформациях и основываются показания прибора.

Три таких прибора, объединенные в одну систему и сориентированные по осям позволяют получать информацию о положении предмета в трехмерном пространстве.

Наиболее широкое применение такой тип приборов нашел в нескольких областях:

  1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
  2. Автомобильные спидометры и видеорегистраторы также используют акселерометры. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
  3. Промышленные системы контроля вибрации различных станков, производственных линий и агрегатов. На показаниях прибора работают системы защиты, которые отключают питание или изменяют характеристики работы при достижении критических значений.
  4. В информационных технологиях такие приборы применяются для защиты жестких дисков от падений и сотрясений. Они отдают команду считывающим головкам занять безопасное положение во время падения.
    Это значительно снижает потерю данных и повреждения диска. В эту же категорию можно отнести и акселерометры на телефонах и планшетах.

Принципиально простое устройство производится во множестве специализированных компоновок, каждая из которых предназначена для определенных целей.

В чем же особенность акселерометров в мобильных устройствах (телефоны, планшеты и пр.)?


к содержанию ↑

Акселерометр в телефоне: принцип работы

Первый необходимый критерий приборов для современных гаджетов – это компактность.

В корпусе толщиной, скажем, шесть миллиметров должно размещаться огромное количество электроники, которая должна занимать минимум места.

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе, представленном выше.

Принципиальная схема такой конструкции выглядит так:

К неподвижному корпусу на упругих приставках, которые позволяют перемещение в определенных пределах, крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками.

Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания.

При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои характеристики, что и служит показателем для измерения.

Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно.

Обратите внимание! Если акселерометр в телефоне не работает, то его придется менять в специализированных сервисных центрах.

Для производства этих устройств используются различные реакции силикона с другими веществами.

Благодаря точному расчету времени нанесения и удаления реактива получается производить такие приборы на автоматизированных конвейерных линиях.


к содержанию ↑

Зачем акселерометр в смартфоне

Первый прибор подобного типа появился в телефоне Nokia 5500. Тогда он служил в качестве шагомера. В восторг пришли не только приверженцы активного образа жизни.

Основной резонанс вызвало появление акселерометра в Apple iPhone.

Именно с тех пор наличие такого прибора стало стандартом для мобильных устройств.

Постепенно создавалось все большее количество приложений с использованием акселерометра.

За шагомером в телефоне появился уровень, после этого акселерометр был приспособлен для нужд операционной системы и реализовано управление в играх с его помощью.

Применяется он для разнообразных служебных приложений.

Так, на основе технологий беспроводной связи и акселерометра была создан ряд приложений, которые позволяют передавать данные посредством соударения устройств.

Акселерометр в планшете и современном телефоне используется в комбинации с гироскопами, открывая широкие возможности для разработки разнообразных игр, в частности, шутеров.

Даже при таком широком применений акселерометр имеет еще много перспектив.

что это такое, как настроить и калибровать

Современные смартфоны и планшеты на ОС Android и других платформах, обеспечивают своим владельцам огромное количество возможностей, которые уже давно вышли за пределы обычного общения и интернет-сёрфинга. Для повышения функциональности гаджетов применяется множество дополнительных устройств – от такого приспособления как датчик приближения до акселерометра и гироскопа.

С их помощью удобнее разговаривать по мобильной связи, делать фото и даже играть. Некоторые функции таких датчиков похожи, но в основном они дополняют друг друга – поэтому установленный акселерометр в телефоне не исключает наличие в конструкции и гироскопа.

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:

  1. Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, грузик), прикреплённую к упругому элементу.
  2. Упругая деталь типа пружины фиксируется на неподвижном элементе.
  3. Пружина зафиксирована на неподвижной части конструкции.
  4. Колебания груза подавляются демпфером.
  5. При наклонах, встряске и поворотах гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
  6. Чем больше интенсивность и сила наклона, встряски или поворота, тем сильнее деформируется пружина.
  7. 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.

к оглавлению ↑

Применение устройства

Определившись с тем, что представляет собой акселерометр в телефоне, стоит узнать и как им пользоваться – для этого можно привести несколько примеров:

С помощью датчика осуществляется управление в играх – смена положения мобильного устройства вызывает определённые действия со стороны игрового персонажа или управляемого игроком транспортного средства. Так, например, наклоном телефона можно изменять направление движения автомобиля в гоночных симуляторах.

Рис. 4. Игра Asphalt 8, управление в которой выполняется с помощью акселерометра.

Во время спортивной пробежки акселерометр используется в смартфонах и планшетах для контроля пройденной дистанции. При этом определяется примерное количество сделанных шагов – и, хотя погрешность может быть довольно высокой (зависит от скорости движения), полученные результаты можно использовать для повышения результатов тренировки.

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.

к оглавлению ↑

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.

Рис. 5. Включение через настройки.

Во второй ситуации достаточно потянуть пальцем за верхнюю панель, увеличив её размер на весь экран, и включить соответствующую функцию.

Рис. 6. Включение через верхнюю панель.

Совет: Иногда автоматическая реакция акселерометра на движения мобильника не требуется – и даже может мешать. В таких случаях датчик можно отключить, воспользовавшись одним из тех меню, в которых можно включать автоповорот.

к оглавлению ↑

Настройка и калибровка

Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения. При отсутствии акселерометра в телефоне, что говорит о бюджетной стоимости модели или её выпуске много лет назад, добавить эту функцию не получится ни перепрошивкой, ни изменением настроек.

Зато 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:

1Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox).

2Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность.

3Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.

Рис. 7. Меню приложения.

На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.

Рис. 8. Работа приложения GPS Status & Toolbox.

к оглавлению ↑

Выводы

Зная, что такое акселерометр, можно сделать определённые выводы по поводу его наличия в современных мобильных устройствах. Наличие датчиков определения положения смартфонов и планшетов позволяет упростить просмотр на телефоне видео или чтение книг, а иногда даже помогает в игровом процессе.

Однако перед использованием акселерометра его иногда приходится настраивать. На это потребуется всего несколько минут и скачивание бесплатной утилиты.

Тематическое видео:

что это такое, принцип работы, функции

 

Что такое акселерометр в телефоне

Этот термин изначально происходит от латинского слова «accelero», которое в дословном переводе означает «ускоряю». Прибор, именуемый акселерометр, используется для измерения кажущегося ускорения или разницы между гравитационным и истинным ускорением физического тела или объекта.

Другое название прибора – G-сенсор. Реализация функции в смартфоне предполагает определение угла наклона аппарата относительно поверхности земли путем сопоставления трёх координат: X, Y и Z, или ширины, длины и высоты соответственно.

Специальное программное обеспечение отвечает за смену ориентации изображения на экране в зависимости от полученных датчиком координат.

Но «умный» прибор, обладающий компактными размерами (меньше 10-копеечной монеты), способен реагировать не только на изменение положения корпуса в системе координат. Дополнительно он воспринимает внешние воздействия, такие как встряхивание, толчок или поворот. В зависимости от настройки программных процессов и требований установленного приложения, каждое действие рождает ответную реакцию.

В каждом смартфоне присутствует ещё один датчик, способный улавливать изменение угла наклона, который именуется гироскоп. Его задача идентична и состоит в определении положение устройства относительно земной поверхности. Современные аппараты, для улучшения работы используют данные, получаемые сразу от двух датчиков, поэтому можно сказать, что они дополняют друг друга.

Принцип устройства и действия датчика

В классическом исполнении этот небольшой по размерам датчик имеет простую конструкцию и состоит из трёх компонентов: пружины, подвижной массы и демпфера.

Пружина закрепляется на неподвижной рамке. На её свободный конец прикрепляется грузик или масса, движение которого ограничено демпфером, необходимым для погашения вибраций, создаваемых при раскачивании.

При появлении ускорения наблюдается движение массы, приводящее к деформации пружины, что фиксируется измерительным блоком, преобразующим эти колебания в конкретные величины.

По завершению манипуляции за счёт пружины инертная масса занимает своё первоначальное положение. Датчик необходим для фиксации изменения уровня смещения относительно состояния покоя.

Также, когда речь заходит об акселерометре, вводится такое понятие, как ось чувствительности прибора. Всего их три, по числу составляющих системы координат. При наличии одной оси встроенный датчик сумеет передать изменение положение только в пределах чувствительности данной координаты.

К сведению!

Для достижения нормальной работы требуется три оси чувствительности, тогда происходит полноценное вычисление изменения положения устройства в трёхмерной системе координат.

Современные мобильные устройства имеют небольшие габариты, поскольку каждый производитель старается сделать свой флагман ультратонким. Поэтому разместить внутри корпуса классический акселерометр не представляет возможным. Он заменяется небольшой микросхемой, внутри которого имеется инертная масса, но нет пружины в стандартном её понимании, хотя чувствительные датчики могут чётко определять изменение угла наклона устройства.

Датчики для акселерометров изготавливаются в автоматическом режиме роботизированными станками. Для получения рабочего экземпляра требуется проведение химической реакции, при которой происходит взаимодействие силикона и иных элементов. Поскольку качество и точность будет зависеть от правильности расчётов и пропорций, то в условиях столь минимального размера добиться этого посредством физического воздействия невозможно.

Функции акселерометра и их применение

Наличие данного датчика в смартфоне является достаточно полезной функцией, поскольку с его помощью удается повысить комфортность использования устройства.

К сведению!

Человек, который успел ощутить всю прелесть телефона с акселерометром, уже не сможет использовать устаревшие модели, не имеющие G-сенсора, в силу отсутствия важных функций, являющихся уже привычными в современном мире.


Шагомер

Первым применением акселерометру станет использование его для определения количества пройденных шагов. Эта функция пригодится любителям спорта или людям, которые занимаются фитнесом. Также большое количество современных телефонов имеют приложения, позволяющие следить за собственным здоровьем, где обязательно присутствует шагомер. Точность показаний не является идеально точной, но позволяет корректировать собственный режим тренировок для повышения их результативности.

Управление в играх

Ещё одной важной функцией является возможность управления игровым процессом посредством изменения угла наклона. Особенно удобно это в гоночных играх, где смартфон с акселерометром станет заменой руля, подключаемого к ноутбуку или стационарному ПК с целью упрощения процесса и ощущения большего погружения в игру. Эффективность управления будет зависеть от амплитуды совершаемых движений.

Автоповорот экрана

Просмотр фотографии или видеоролика становится более комфортным при изменении ориентации экрана на горизонтальную. Это упрощает восприятие информации и позволяет меньше напрягать зрение. Отвечает за подобный процесс акселерометр. Также посредством изменения положения картинки на экране становится проще работать с документами или электронными таблицами.

Улучшение навигации

Посредством встроенного акселерометра улучшается работа геопозиционирования устройства в пространстве. Это может понадобиться при работе даже самого простого компаса, который будет реагировать на изменение положения устройства относительно системы координат.

Физическое управление смартфоном

Некоторые современные флагманы имеют возможность управления работой отдельных встроенных приложений посредством жестов или изменение положения устройства. Акселерометр применяется для смены трека музыкального плеера, отключения будильника, выключения звука входящего звонка при перевороте аппарата экраном вниз.

К сведению!

В большинстве случаев осуществление физического управления смартфоном следует активировать в настройках, для чего следует предварительно внимательно ознакомиться с руководством по эксплуатации или советами внутреннего помощника.


Включение и отключение функции

Не всегда функция автоповорота экрана включена по умолчанию, поэтому требуется изменение настроек смартфона, чтобы активировать акселерометр. Это можно сделать двумя способами:

  1. Посредством перехода в меню настроек, где необходимо выбрать пункт «Экран» и просто включить автоматический поворот экрана при изменении положения устройства.
  2. Путем активации нужной пиктограммы через шторку уведомлений, где находятся иконки для быстрого доступа к определенным функциям. Автоповорот экрана изображен в виде чуть склоненного смартфона и стилизованных штрихов, обозначающих движение.

В некоторых моментах автоматическое изменение изображения будет мешать. Для отключения этой функции можно воспользоваться указанными выше способами.

Калибровка датчика

Если существует проблема корректной работы датчика, следует производить его настройку и калибровку. Это достаточно простой процесс, который автоматизирован и потребует от пользователя выполнения минимума действий:

  1. Скачивание из PlayMarket бесплатного приложения.
  2. Установка смартфона на ровной поверхности.
  3. Включение утилиты и переход к пункту «Калибровка».

Далее весь процесс происходит в автоматическом режиме с оповещением пользователя о его завершении посредством появления соответствующей надписи.

Акселерометр не работает: что делать

Бывают ситуации, когда датчик перестаёт работать корректно или вообще отказывается функционировать даже после проведения калибровки. Проблема может быть вызвана программным сбоем или же выходом из строя самой микросхемы. В зависимости от причин появления необходим различный подход к устранению неполадки.

Программный сбой

В этом случае пользователю следует вспомнить последние установленные приложения, которые могли вызвать конфликт оборудования или программного кода. Первым делом рекомендуется удалить все новые приложения и опробовать акселерометр.

Если эти действия не привели к нужному результату, тогда вторым вариантом решения проблемы станет сброс до заводских настроек.

К сведению!

Перед осуществлением данной операции необходимо скопировать всю необходимую и важную информацию из памяти устройства на компьютер или внутрь облачного хранилища.


Для сброса телефона к заводскому состоянию следует выполнить следующие действия:

  • зайти в меню настроек смартфона;
  • выбрать пункт «Восстановление и сброс»;
  • активировать кнопку «Сброс до заводских настроек»;
  • подтвердить действие.

Через некоторое время пользователь получает полностью восстановленный телефон в том состоянии, в котором он был после приобретения.

Ещё одним способом «лечения» программного сбоя является обновление прошивки. При этом желательно подключить смартфон к сети WiFi, поскольку новая прошивка может «весить» гигабайты. Чтобы осуществить обновление программного обеспечения, необходимо перейти к пункту меню «Сведения о телефоне», далее выбрать строчку «Обновление ПО». Последует проверка наличия новых версий и, если они имеются, пользователю останется только скачать их на устройство и завершить процесс обновления.

Аппаратный сбой

Второй причиной, по которой может перестать работать акселерометр, является аппаратный сбой. Единственным способом восстановления нормального функционирования является обращение в специализированную мастерскую, где после проведения диагностических мероприятий мастер решит, какой вид ремонта требуется. Чаще всего осуществляется замена детали на новую, после чего работа аппарата восстанавливается.

Акселерометр является важной деталью, которая необходима для удобного использования современного умного устройства. Также подобные приборы применяются в космической отрасли, промышленности для контроля над вибрацией. Встретить акселерометр можно в жёстком диске, где он применяется для защиты от падений или сотрясений. Ещё раз узнать, что это такое, можно из представленного видео.

 

Акселерометр в смартфоне (телефоне): что это и зачем нужно?

Наверняка вы не раз слышали о том, что многие смартфоны оснащены акселерометром. Рассказываем неопытным пользователям, что это такое и зачем нужно.

Выражаясь понятным языком, акселерометр (еще его называют G-сенсор) — это датчик, определяющий угол наклона смартфона или планшета относительно земной поверхности. Он измеряет ускорение, сопоставляя три пространственные оси координат: X (ширина), Y (длина) и Z (высота).

Программное обеспечение гаджета на основе данных акселерометра меняет ориентацию экрана телефона. Если вы повернете устройство со встроенным G-сенсором на 90 градусов, дисплей перевернет изображение автоматически.

В смартфоне акселерометр установлен в виде небольшого чипа или датчика, размером в несколько раз меньше 10-копеечной монеты. Несмотря на это, он обеспечивает множество функций современных Android-устройств.

Зачем нужен G-сенсор?

Любители спорта могут использовать акселерометр для определения количества пройденных шагов с помощью специальных приложений-шагомеров. Они могут быть встроены в смартфон, либо их придется скачать из Google Play.

Для фанатов игровых приложений на смартфонах G-сенсор — просто находка. Он позволит управлять процессом игры поворотами смартфона. Так как акселерометр реагирует на малейшие изменения угла наклона, приложение мгновенно будет отвечать на любое ваше действие. Это применимо к играм различных жанров, особенно гонкам.

Также автоповорот экрана добавит удобства при просмотре фильмов и фотографий, а также чтении электронных книг.

Если вы часто ходите в лес за грибами или по другим причинам, знайте, что у вас в кармане наверняка есть компас. Как правило, это предустановленное приложение, которое работает с помощью G-сенсора.

Установив приложение «уровень», можно забыть о громоздком строительном приспособлении. И здесь все суть в акселерометре — он позволит определить ровность стены или точный угол ее наклона.

Конечно, если вы всем этим не пользуетесь, акселерометр будет вам даже немного мешать постоянной сменой ориентации экрана. Но его всегда можно отключить, зайдя в настройки экрана.

Заключение

Несмотря на свои скромные размеры, акселерометр добавляет смартфонам много разнообразных возможностей. По этой причине производители оснащают G-сенсором в большинство современных устройств.

Загрузка…

Что такое акселерометр в смартфоне и фитнес-браслете? Объясняем на пальцах, как он работает

Последнее обновление:

Оценка этой статьи по мнению читателей:

Казалось бы, акселерометрам в смартфонах уже «сто лет» и все, кому интересно было узнать, что это такое и как оно работает, давно прочли какую-то статью или посмотрели ролик в YouTube.

Мне действительно так казалось, пока я не почитал самые популярные выдачи Google по этому запросу. К удивлению, это были либо совершенно бестолковые и поверхностные статьи, перепечатанные копирайтерами, пишущими параллельно о моде и политике, либо статьи в стиле «как максимально сложно рассказать о простом».

Такая ситуация, конечно же, не может не радовать, ведь у нас появился отличный повод для новой интересной статьи!

Итак, что такое акселерометр — знают, наверное, все. Этот датчик используется в телефонах для определения положения устройства и автоматического поворота экрана. Также некоторые смартфоны используют акселерометр для определения падения, чтобы автоматически спрятать выдвигающуюся моторизированную селфи-камеру. Среди наших обзоров было много таких аппаратов.

Кроме того, акселерометр является сердцем всех смарт-часов и фитнес-трекеров, ведь именно он отслеживает любое движение пользователя. Да и на смартфонах есть шагомеры, также использующие акселерометр.

Остается лишь один и самый главный вопрос:

Как работает акселерометр?

Давайте на секундочку отбросим все эти технологии и подумаем, как вообще можно сделать устройство, которое бы показывало, скажем, угол своего наклона. Самое простое, что приходит на ум — это стеклянная колбочка с пузырьком воздуха внутри:

Если представить, что слева находится верхняя часть колбы (обозначим ее красным цветом), а справа — нижняя (синий цвет), тогда можно очень легко определять положение колбы в пространстве:

Когда пузырек окажется возле «красной» стороны — колба стоит вверх головой, а когда возле «синей» — она перевернута вверх ногами.

С этим, думаю, всё предельно ясно. Чтобы аналогия ближе отображала суть реального акселерометра, давайте заменим колбу с жидкостью и пузырьком на грузик, который закреплен на гибкой подвеске:

На картинке наше устройство лежит горизонтально на боку, поэтому грузик не провисает. Но если развернуть его в вертикальное положение, гибкие стержни сразу же прогнутся под весом грузика:

Из-за этого мы всегда будем знать, в каком положении находится наше устройство. Ведь грузик будет опускаться вниз под действием силы тяжести, которая прижимает все объекты, включая нас с вами, к центру земли. Да, мы не проваливаемся сквозь пол или асфальт, так как есть гораздо более мощная сила, отталкивающая нас от других объектов, но об этом чуть позже.

Обратите внимание на то, что наше примитивное устройство уже может не только показывать, держим ли мы его нормально или вверх ногами, но также и измерять ускорение!

Представьте, что будет, если мы резко поднимем это устройство вверх, когда грузик уже провисает на стержнях под своей тяжестью? Верно, он на короткое время прогнет гибкие стержни еще сильнее, а затем вернется к своему изначальному положению:

Точно также поведут себя стержни, если мы положим устройство на бок и затем резко переместим его влево. В этом случае, из-за ускорения, грузик на мгновение прогнет стержни в обратную сторону.

Это интуитивно понятно, так как каждый из нас на себе ощущал подобный эффект при разгоне автомобиля, когда во время быстрого ускорения нас прижимает к сидению, то есть, мы движемся в противоположную сторону ускорению автомобиля.

Получается, мы уже можем не только говорить о самом факте ускорения, но даже и вычислить его силу. Ведь чем сильнее грузик сместится в противоположную сторону, тем сильнее ускорение. Это как с автомобилем — чем быстрее разгон, тем сильнее нас прижимает к сидению.

Вот мы и разобрали базовый принцип работы акселерометра! Какой-то грузик под действием силы тяжести провисает на тонком гибком стержне. Если мы развернем телефон на 180 градусов, тогда стержни прогнутся в противоположную сторону.

Но, заметьте, что такое устройство сможет определять только верх и низ, а также ускорение вверх или вниз. Стержни не будут прогибаться влево или вправо, а также наше устройство не будет реагировать на ускорение вперед/назад (вглубь экрана):

К сожалению, одним акселерометром нам не обойтись, так как он будет измерять положение и ускорение устройства только по одной оси (в нашем примере — оси Y или вверх/вниз. И такие акселерометры действительно существуют — это одноосевые акселерометры.

Если мы хотим измерять положение и/или ускорение по всем осям (X, Y и Z или влево/вправо, вверх/вниз и от нас/к нам), тогда нам нужны 3 акселерометра или 3 отдельных грузика, которые будут размещаться внутри смартфона или фитнес-трекера соответствующим образом:

Такой акселерометр будет называться уже 3-осевым. В более дорогих фитнес-браслетах и смарт-часах есть 6-осевые датчики. Это значит, что помимо 3-осевого акселерометра, у них также есть 3-осевой гироскоп. Но об этом сенсоре мы поговорим как-нибудь в другой раз.

А как выглядит реальный акселерометр?

Я много времени уделил довольно простой (даже банальной) аналогии с грузиками, но что на самом деле размещается внутри смартфона или браслета? Вы же не думаете, что там внутри есть крохотная коробочка, в которой жестко закреплены гибкие стержни с подвешенными грузиками?

А зря! Ведь именно так и есть, только сами стержни и грузики выглядят немножко по-другому.

Существует целый класс устройств под названием MEMS (микроэлектромеханические системы). Сюда входят не только акселерометры, но и гироскопы, микрофоны, барометры и другие датчики. Отдельные «запчасти» этих крошечных механизмов могут быть в 100 раз тоньше человеческого волоса!

То есть, суть MEMS и заключается в том, чтобы использовать классические механизмы, но очень маленького размера.

Вот как схематически можно представить MEMS-акселерометр смартфона или смарт-часов, который отслеживает движение только влево-вправо:

Зеленым цветом здесь показан грузик, а темно-серым — гибкие стержни, которые прогибаются при ускорении смартфона или наклонах влево-вправо. Не обращайте пока внимание на синие палочки и на странную форму грузика.

Стержни и грузик могут выглядеть по-разному. Вот снимок под микроскопом реального MEMS-акселерометра, который также отслеживает движение/ускорение по одной оси X (влево-вправо):

Здесь мы видим немного другую форму грузика, а вместо стержней используется гибкая подвеска. Обведу их разными цветами, чтобы было понятней, где что находится:

Существуют и другие формы, но принцип один и тот же.

На этом моменте может показаться, что принцип работы акселерометра понятен. В смартфоне или фитнес-трекере на самом деле установлен микроскопический механизм, состоящий из грузика и гибкого подвеса. Но как использовать этот механизм?

Представьте, что вы роняете телефон и он падает на землю. Естественно, минимум один из акселерометров срабатывает, так как его грузик из-за ускорения смартфона отклоняется в обратную сторону. Но что дальше? Как смартфон знает, куда, как сильно и какой конкретно грузик отклонился?

Мы видим это глазами, но у смартфона внутри корпуса нет глаз. Или как фитнес-браслет при взмахе рукой «знает», что какой-то из микроскопических грузиков куда-то отклонился?

Для ответа на эти вопросы нам нужно разобраться еще с одним интересным физическим явлением. Давайте сконструируем что-то вроде примитивного аккумулятора, который можно очень быстро заряжать и разряжать. Сделать его можно буквально за пару минут из подручных средств.

Необходимо взять две металлические пластинки, прикрепить к ним провода и… всё! Если мы разместим эти пластины достаточно близко друг к другу, но только так, чтобы они не соприкасались, тогда у нас получится такая интересная «батарейка»:

Интересна она по той причине, что заряжать ее можно мгновенно (за доли секунд), но и отдает свой заряд она также мгновенно. Использовать такую «батарейку» в качестве аккумулятора невозможно, ведь она не способна отдавать заряд постепенно в течение долгого времени.

Как же это работает?

Когда мы подключаем к двум пластинкам настоящую батарейку, к одной из этих пластинок устремляются триллионы электронов — крошечных «сгустков» энергии.

В то же время батарейка начинает «вытягивать» электроны из другой пластинки. Это происходит по той причине, что разные концы батарейки имеют разный заряд — отрицательный («минус») и положительный («плюс»).

Положительный заряд батареи будет притягивать к себе электроны с синей пластинки (они имеют отрицательный заряд), а отрицательный заряд, на котором у батарейки уже очень много электронов, будет стремиться избавиться от них и выталкивать электроны на красную пластинку:

В общем, весь этот процесс закончится тогда, когда уже будет не хватать «давления» (напряжения) в батарейке, с которым она выталкивает одни электроны и притягивает другие.

Когда мы отключим батарейку от пластинок, то одна из них теперь будет хотеть избавиться от лишних электронов, а другая наоборот — их притянуть. Но сделать это напрямую не получится, ведь между пластинками есть «изоляция» — воздух:

Если бы мы подключили к этим пластинкам, например, лампочку, тогда она бы на мгновение ярко засветилась. Половина электронов от красной пластинки устремятся к синей, чтобы их везде оказалось поровну и пластинки «не испытывали» никакого давления. А движение электронов по проводам — это и есть ток, который «зажжет» лампочку.

Какое отношение всё это имеет к механическому акселерометру?

Чтобы соединить все точки рассказа, нужно знать еще одну маленькую деталь.

Дело в том, что мы легко можем узнать ёмкость нашей самодельной «батарейки» (я называю ее батарейкой для простоты восприятия, на самом деле такое незамысловатое устройство называется конденсатором). Под словом «ёмкость» я имею в виду количество заряда, которое пластинка может накопить, а затем отдать.

Как вы думаете, от чего зависит эта ёмкость? Конечно, сразу интуитивно напрашивается ответ — от размера пластинок. Ведь чем она крупнее, тем больше туда физически может поместиться электронов:

Мы видим, что справа больше электронов, а значит, эти две пластинки могут накопить больший заряд, соответственно, ёмкость правого конденсатора («батарейки») — выше.

Но есть еще один способ изменить ёмкость пластинок, не меняя их размер. Он следует из закона Кулона, суть которого заключается в том, что сила, с которой одни заряженные частички притягиваются к другим, зависит от расстояния между ними.

Дело в том, что между этими двумя пластинками появляется электрическое поле — невидимая сила, притягивающая разноименно заряженные частички (+ и ) и отталкивающая одноименно заряженные частички ( и или + и +). Для этой силы ни воздух, ни другая изоляция не является помехой или преградой.

Именно поэтому невозможно сделать конденсатор из одной пластинки. Мы просто не «затолкаем» туда электроны, так как они будут моментально отталкиваться обратно. Но когда появились две пластинки с разными зарядами, появилась и сила, удерживающая этот переизбыток зарядов.

Согласно закону Кулона, чем ближе будут пластинки, тем выше будет сила взаимодействия между заряженными частичками, которая удерживает их, и мы сможем затолкать еще больше электронов при том же размере пластинок:

Это должно быть понятно даже интуитивно, так как все мы пробовали соединять два магнитика. Чем ближе они друг ко другу (при условии, что мы соединяем их разные полюса или «плюс» и «минус»), тем сильнее они притягиваются друг ко другу.

И вот теперь наших знаний достаточно, чтобы ответить на вопрос, как же на самом деле работает акселерометр в смартфонах и фитнес-браслетах.

Давайте посмотрим на 3D-модель вот такого микромеханического акселерометра:

Здесь мы видим «грузик» синего цвета на гибких подвесках (также синего цвета) по краям. Это акселерометр, который работает только по оси X, то есть, грузик смещается влево-вправо (на картинке он уже смещен вправо).

А теперь обратите внимание на темно-серые палочки. Я нарисую схематически вот этот кусочек, чтобы остальная часть акселерометра нам не мешала:

Так вот, синяя верхняя вертикальная палочка на грузике — это и есть одна из пластинок «батарейки» (конденсатора), которую мы только что подробно рассмотрели. Соответственно, серая палочка вверху — вторая пластинка (см. картинку ниже).

На эти пластинки подается заряд и, когда грузик движется вправо, верхние пластинки прижимаются друг к другу, но не соприкасаются. А внизу происходит обратная ситуация — две пластинки отдаляются друг от друга:

Так как две верхние пластинки приблизились вплотную друг к другу, то и заряд на них максимальный, то есть, мы говорим, что ёмкость верхнего конденсатора максимальна. А на двух нижних пластинках, напротив, заряд минимален, так как расстояние между ними увеличилось, соответственно, сила взаимодействия также снизилась.

Акселерометр непрерывно измеряет емкость такой пары конденсаторов — двух верхних и двух нижних пластинок. И по ним очень легко определяет, насколько грузик отклонился от состояния покоя:

  • Если ёмкость верхних пластинок максимальна, а нижних — минимальна, значит, грузик ушел максимально вправо
  • Если ёмкость верхних пластинок минимальна, а нижних — максимальна, значит, грузик ушел максимально влево
  • Если ёмкость верхних и нижних пластинок одинакова, значит грузик находится в состоянии покоя и акселерометр не зафиксировал никакого движения по оси X (влево-вправо)

Кроме того, мы можем легко определять ускорение устройства по степени (амплитуде) отклонения грузика.

Еще раз посмотрим это на увеличенной 3D-модели:

Акселерометр мобильных устройств работает с ничтожно малыми емкостями и зарядами, так как эти пластинки микроскопического размера. Поэтому в акселерометре не одна пластинка, а множество. И все верхние пластинки соединены между собой в одну, как и все нижние — между собой.

Грузик также является одной общей пластинкой, которая подключается к питанию с одной стороны стержня (на картинке этот контакт я подписал словом «грузик», хотя сам грузик синего цвета находится, естественно, посередине):

То есть, по сути, акселерометр состоит из двух конденсаторов («батареек»): одной большой верхней пластины с ребрами и грузика, а также одной большой нижней пластины с ребрами и того же грузика. Смартфон непрерывно измеряет ёмкости этих двух конденсаторов и сразу же понимает, что произошло какое-то движение, как только емкости меняются.

Вот и весь принцип работы этого крохотного инженерного чуда! Теперь дело остается за малым. Нужно просто связать определенное изменение ускорение акселерометра по всем осям с определенным действием.

К примеру, вот так выглядит изменение ускорения по всем 3 осям акселерометра моего фитнес-браслета, когда я просто иду:

© Deep-Review

Мы видим, что ускорение заметно изменяется только по одной оси X (показано синим цветом). А вот какие показания акселерометра будет регистрировать фитнес-браслет, когда я побегу:

© Deep-Review

Здесь мы видим, что из-за увеличения скорости движения рук увеличилась и сила ускорения. Кроме того, заметно изменяется ускорение не только по оси X, но и по оси Y (показано желтым цветом). Ведь при ходьбе мои руки были опущены вниз, а во время бега — полусогнуты.

Таким образом, браслету не составляет никакой трудности, например, автоматически определить ходьбу или бег. Ведь «рисунок» изменения ускорения по всем осям очень характерен для каждого вида активности.

При желании трекеры могли бы очень легко определять даже такие занятия, как чистка зубов или игра в теннис (при ударе ракеткой происходит характерное движение кистью, которое очень легко отследить по акселерометру).

Алексей, глав. ред. Deep-Review

 

P.S. Мы открыли Telegram-канал и сейчас готовим для публикации очень интересные материалы! Подписывайтесь в Telegram на первый научно-популярный сайт о смартфонах и технологиях, чтобы ничего не пропустить!

 

Как правильно откалибровать акселерометр на смартфоне

Любой современный смартфон или планшет имеет множество встроенных устройств и датчиков. О большинстве из них пользователь может даже не догадываться. Однако все они нужны для работы различных приложений.

Один из таких встроенных датчиков называется G-Sensor – он же акселерометр. Его наличие нигде не видно явно, однако используется он постоянно. Неправильная его работа может вызвать странную работу гаджета, а неопытные пользователи могут даже решить, что он сломался. Давайте разберёмся, для чего он нужен и что можно сделать в случае неполадок, связанных с этим устройством.

Для чего нужен датчик

Без акселерометра смартфоны не были бы такими удобными и были бы похожи на сенсорные мобильники, которые появились более 10 лет назад. У них не было некоторых функций, к которым мы все уже привыкли, и они стали возможны именно благодаря G-сенсору.

Так как основное назначение этого датчика – определение положения гаджета в пространстве, то это позволило реализовать функцию поворота. Она срабатывает при повороте смартфона, и экран автоматически переворачивается. Это настолько удобная и естественная функция при фото- и видеосъёмке или при просмотре видео, что воспринимается, как естественная. Однако ей мы обязаны именно акселерометру.

На основе этого датчика работают популярные приложения – шагомеры, которыми пользуются многие. Также он используется в различных играх самых разных жанров – например, с его помощью реализуется управление в гоночных симуляторах путём поворота смартфона.

Как работает акселерометр

Это устройство контролирует положение гаджета в пространстве. Его действие основано на земной гравитации, а показания считываются благодаря изменению положения подвижных контактов при изменении положения датчика.

Устройство этого датчика несложное. Внутри корпуса имеется подвижная перегородка, перемещения которой ограничены упругими контактами. При смещении этой перегородки под действием гравитации в любом направлении происходит изменение напряжения между её контактами и подвижными. Анализируя данные этих контактов, можно узнать, в каком положении находится датчик в любой момент времени.

Конечно, датчик этот крохотный и изменения, которые в нём происходят, очень малы. Поэтому используются усилители, которые превращают малые колебания в достаточно большие. Это значительно повышает точность измерений и позволяет более точно узнать положение датчика.

Всё остальное – дело программистов, которые на основе показаний акселерометра внедряют разные полезные функции в операционную систему или в приложения.

Акселерометр можно в любой момент выключить. Для этого под верхней шторкой Android есть функция «Автоповорот», которая по умолчанию включена. Но иногда она может мешать, например, при чтении книги, и её можно легко отключить, а потом также легко включить.

Калибровка акселерометра G-Sensor

Иногда бывает, что поворот экрана или другие приложения, использующие акселерометр, начинают вести себя неправильно. Например, экран не переворачивается при наклоне, управление в играх не срабатывает…

Так бывает, если данные с датчика неправильно обрабатываются. Ломаться в нём практически нечему, так что это обычно чисто программная проблема.

Решается она также программно – просто системе нужно указать, какие данные даёт акселерометр в ровном, горизонтальном положении. Это будет использоваться, как точка отсчёта, нулевой уровень, и в дальнейшем расчёт положения происходит нормально.

Такая настройка называется калибровкой акселерометра. Сложно в этом ничего нет, и с процедурой может справиться любой пользователь:

  • Из магазина Play Market нужно скачать и установить утилиту GPS Status&Toolbox.
  • Запустить установленную программу.
  • Положить смартфон на ровную поверхность – на окно, стол и т. п.
  • Не перемещая устройство, открыть в программе раздел «Tools» — инструменты.
  • Выбрать пункт «Калибровка акселерометра» и подтвердить это действие нажатием «Ок».
  • Выбрать «Откалибровать». Будут предложены также пункты «Усреднить» и «Сбросить» — ими пользоваться не следует.

По окончании процедуры появится сообщение, что акселерометр откалиброван, и можно проверить его в действии.

В смартфонах Xiaomi есть встроенная возможность калибровки. Она находится в настройках дисплея. Никакое приложение при этом скачивать не нужно.

Вот таким нехитрым способом можно очень быстро настроить гироскоп – акселерометр на Android. Напишите в комментариях, встречались ли вам проблемы с этим датчиком, как они проявлялись и как вы решили эту проблему. Кому-нибудь из читателей наверняка пригодится ваш опыт.

Акселерометры

: что это такое и как они работают

Когда вы используете приложение компаса на своем смартфоне, оно каким-то образом знает, в каком направлении указывает телефон. С помощью приложений для наблюдения за звездами он каким-то образом знает, где на небе вы хотите правильно отображать созвездия. Смартфоны и другие мобильные технологии определяют свою ориентацию с помощью ускорителя, небольшого устройства, состоящего из осевого датчика движения.

Датчики движения в акселерометрах могут даже использоваться для обнаружения землетрясений и могут использоваться в медицинских устройствах, таких как бионические конечности и другие искусственные части тела.Некоторые устройства, являющиеся частью количественного определения собственного движения, используют акселерометры.

Акселерометр — это электромеханическое устройство, используемое для измерения сил ускорения. Такие силы могут быть статическими, например, непрерывная сила тяжести, или, как в случае со многими мобильными устройствами, динамическими для определения движения или вибрации.

Ускорение — это измерение изменения скорости или скорости, деленной на время. Например, автомобиль, разгоняющийся с места до 60 миль в час за шесть секунд, будет иметь ускорение 10 миль в час (60, разделенное на 6).

Назначение акселерометра

Применение акселерометров распространяется на множество дисциплин, как академических, так и ориентированных на потребителей. Например, акселерометры в ноутбуках защищают жесткие диски от повреждений. Если ноутбук внезапно упадет во время использования, акселерометр обнаружит это внезапное свободное падение и немедленно отключит жесткий диск, чтобы не ударить считывающими головками о пластину жесткого диска. Без этого они могли бы ударить и поцарапать диск, что приведет к повреждению файлов и чтению.Акселерометры также используются в автомобилях в качестве отраслевого метода обнаружения автомобильных аварий и почти мгновенного срабатывания подушек безопасности.

В другом примере динамический акселерометр измеряет силу тяжести, чтобы определить угол наклона устройства по отношению к Земле. Ощущая величину ускорения, пользователи анализируют, как движется устройство.

Акселерометры позволяют пользователю лучше понять окружение предмета. С помощью этого небольшого устройства вы можете определить, движется ли объект вверх по холму, упадет ли он, если наклонится больше, летит ли он горизонтально или наклоняется вниз.Например, смартфоны поворачивают дисплей между портретным и альбомным режимами в зависимости от того, как вы наклоняете телефон.

Как они работают

Ускоритель выглядит как простая схема для более крупного электронного устройства. Несмотря на свой скромный внешний вид, акселерометр состоит из множества различных частей и работает по-разному, две из которых — пьезоэлектрический эффект и емкостной датчик. Пьезоэлектрический эффект является наиболее распространенной формой акселерометра и использует микроскопические кристаллические структуры, которые подвергаются напряжению из-за ускоряющих сил.Эти кристаллы создают напряжение из напряжения, и акселерометр интерпретирует напряжение, чтобы определить скорость и ориентацию.

Емкостной акселерометр определяет изменения емкости между микроструктурами, расположенными рядом с устройством. Если ускоряющая сила перемещает одну из этих структур, емкость изменится, и акселерометр преобразует эту емкость в напряжение для интерпретации.

Акселерометры состоят из множества различных компонентов и могут быть приобретены как отдельное устройство.Доступны аналоговые и цифровые дисплеи, хотя для большинства технологических устройств эти компоненты интегрированы в основную технологию и доступны с помощью управляющего программного обеспечения или операционной системы.

Типичные акселерометры состоят из нескольких осей, две для определения большинства двухмерных перемещений с возможностью третьей для трехмерного позиционирования. В большинстве смартфонов обычно используются трехосные модели, в то время как автомобили просто используют только две оси для определения момента удара. Чувствительность этих устройств довольно высока, поскольку они предназначены для измерения даже очень незначительных изменений ускорения.Чем более чувствителен акселерометр, тем легче он измеряет ускорение.

Акселерометры, которые активно используются во многих электронных устройствах в современном мире, также доступны для использования в индивидуальных проектах. Независимо от того, являетесь ли вы инженером или техническим специалистом, акселерометр играет очень активную роль в широком спектре функций. Во многих случаях вы можете не заметить наличие этого простого датчика, но есть вероятность, что вы уже используете устройство с ним.

Наука со смартфоном: акселерометр

Ключевые понятия
Физика
Движение
Позиция
Скорость
Разгон
Измерение

Введение
Вы когда-нибудь играли в видеоигры с контроллером, который использовал элементы управления движением? Вы когда-нибудь задумывались, как иногда смартфон «узнает», что вы двигаетесь? Как эти электронные устройства измеряют движение? Попробуйте это занятие, чтобы узнать!

Фон
Вы, наверное, знакомы с единицами измерения расстояния и скорости.В США мы можем сказать, что рост человека составляет 5 футов 11 дюймов (измерение расстояния) или что мы едем по шоссе со скоростью 55 миль в час (измерение скорости — это единица измерения расстояния за определенный промежуток времени). Ученые используют метрическую систему, которая измеряет расстояние в метрах (м) и скорость в метрах в секунду (м / с).

Чтобы достичь определенной скорости, объекту часто требуется ускоряться или замедляться. Вы можете использовать слово «ускоряться», чтобы описать то, что ускоряется (например, автомобиль, разгоняющийся после красного светофора), или «замедляться», чтобы описать то, что замедляется (например, автомобиль, нажимающий на тормоза).Мы можем изучить эти идеи и дальше. В то время как скорость измеряет, насколько быстро изменяется расстояние, ускорение измеряет, насколько быстро изменяется скорость. Из-за этого единицы измерения ускорения звучат немного странно: метры в секунду в секунду — или «метры в секунду в квадрате» (м / с 2 ). Если что-то имеет постоянную скорость, например, автомобиль, использующий круиз-контроль на шоссе, его ускорение равно нулю. Если скорость вообще изменяется, ускорение не равно нулю. Например, если автомобиль останавливается на светофоре, он имеет скорость 0 м / с.Если он ускоряется и через две секунды имеет скорость 10 м / с, его ускорение составляет 5 м / с 2 . Водители американских горок могут испытать ускорение примерно до 60 м / с 2 , а пилоты истребителей могут испытать ускорение до 90 м / с 2 на короткие промежутки времени! Не волнуйтесь, если все это звучит сбивающе с толку — вы можете просто думать об ускорении как о том, насколько быстро что-то ускоряется или замедляется (если оно замедляется, число будет отрицательным).

При чем здесь все это смартфоны и игровые контроллеры? Ускорение можно измерить с помощью небольшого электронного устройства, называемого акселерометром.Большинство современных смартфонов содержат встроенные акселерометры и могут запускать приложения, отображающие показания акселерометра. Итак, если вы хотите исследовать движение в окружающем мире, все, что вам нужно, — это смартфон!

Материалы

  • Смартфон или планшет с доступом в Интернет и разрешением на загрузку и установку приложения
  • Мягкая поверхность, например подушка, кровать или диван
  • Взрослый (для проверки и загрузки приложения)
  • Доступ на детскую площадку (по желанию)
  • Лента на липучке (или другой способ) для крепления телефона к руке или ноге (необязательно)
  • Транспортное средство, на котором можно ездить, например велосипед, автомобиль, автобус и т. Д. (Необязательно)


Подготовка

  • Попросите взрослого помочь вам найти и загрузить приложение «акселерометр» на смартфон или планшет.Доступно множество бесплатных опций, но в некоторых приложениях может быть включена реклама или встроенные покупки.
  • Познакомьтесь с вашим приложением акселерометра. Некоторые приложения просто отображают число на экране, тогда как другие отображают счетчик или график. Для этого проекта лучше всего подойдет приложение, которое позволяет записывать данные и автоматически находить минимальные и максимальные значения.
  • Большинство приложений для акселерометров отображают три значения ускорения с такими метками, как «X», «Y» и «Z».»Они соответствуют движению вашего телефона в трехмерном пространстве.
  • Обычно, если вы кладете телефон на стол экраном вверх, ускорением по оси X будет любое движение слева направо, ускорением по оси Y будет любое движение в направлении верхней или нижней части устройства, и Ускорение «Z» — это любое движение вверх и вниз (над или под поверхностью стола).
  • Некоторые приложения могут дать вам возможность комбинировать показания со всех трех направлений и отображать комбинированное или общее ускорение.
  • Убедитесь, что приложение работает: помашите телефоном, и вы увидите, что числа изменились.


Процедура

  • Измерьте ускорение «типичных» движений, которые вы делаете в течение дня. Держите телефон в руке или кладите его в карман, когда вы ходите, садитесь / вставаете, поднимаетесь и спускаетесь по лестнице и т. Д. Насколько велико ускорение, которое вы измеряете?
  • Теперь измерьте ускорения «быстрых» движений.Попробуйте прыгать, бегать, вертеться или размахивать руками (будьте осторожны, не уроните телефон!). Насколько велики эти ускорения?
  • Попробуйте уронить телефон с небольшого расстояния на мягкую поверхность, например подушку, кровать или диван. Какое ускорение происходит при ударе телефона о землю? Как вы думаете, ускорение было бы больше, если бы телефон упал с более высокого места или приземлился на твердую поверхность? (не проверяйте это!)
  • Насколько сложно двигаться с постоянной скоростью? Положите телефон на стол и попробуйте толкнуть его в направлении X или Y. Можете ли вы получить соответствующее значение ускорения, чтобы оно оставалось равным нулю?
  • Дополнительно: Попробуйте наклонить телефон, не перемещая его. Меняются ли показания ускорения в зависимости от того, в какую сторону вы наклоняете телефон?
  • Дополнительно: Снимите показания ускорения на детской площадке. Что происходит, когда вы спускаетесь с горки, качаетесь на качелях или забираетесь на поручни? Где вы испытываете наибольшее ускорение?
  • Extra : снимайте показания ускорения с разных частей тела.Вы можете использовать липучку (или другую), чтобы прикрепить телефон к руке или ноге. Какая часть вашего тела испытывает наибольшее ускорение при беге? Самый маленький?
  • Дополнительно: Провести измерения в автомобиле. Каковы ускорения, когда вы едете на велосипеде (не смотрите в телефон во время езды!) Или едете в машине или автобусе?

Наблюдения и результаты
Вы должны легко измерить ускорение примерно до 10 м / с 2 , когда вы совершаете обычные движения, держа телефон в руках.Смартфоны, фитнес-трекеры и шагомеры могут отслеживать изменения этих ускорений, чтобы подсчитать, сколько шагов человек делает в течение дня.

Ускорение может быть немного выше, если вы положите телефон в карман вместо того, чтобы держать его, потому что он больше подпрыгивает. Более быстрые движения, такие как раскачивание телефона, могут привести к ускорению более 50 м / с. 2 — почти такое же ускорение, которое испытывает кто-то, катаясь на американских горках. Некоторые электронные устройства, такие как ноутбуки, на самом деле имеют «детектор падения» и автоматически отключаются, чтобы предотвратить повреждение, если они обнаруживают слишком большое ускорение.(Опять же, не проверяйте это!)

Вы можете быть сбиты с толку, если обнаружите, что можете изменить показания ускорения, просто наклонив телефон. В конце концов, телефон не движется — его скорость равна нулю, так разве не должно быть нулевое ускорение? Это происходит потому, что акселерометры также определяют ускорение свободного падения, которое составляет 9,8 м / с 2 . Когда вы наклоняете телефон, направление силы тяжести по отношению к корпусу телефона меняется. Даже если телефон неподвижен, показания ускорения по осям X, Y и Z будут разными, в зависимости от того, какой из них направлен вниз.Так работают элементы управления движением в видеоиграх (например, наклон контроллера для поворота в гоночной игре).

Больше для изучения
Техническая записка об акселерометре, от Science Buddies
Speedy Science: Как ускорение влияет на расстояние? от Scientific American
Демонстрация науки: наблюдайте за объектами в свободном падении от Scientific American
Занятия STEM для детей от Science Buddies

Это мероприятие предоставлено вам в сотрудничестве с Science Buddies

Что такое акселерометр? Как использовать акселерометр в мобильных устройствах?

Акселерометр — это датчик, который позволяет пользователям расширять возможности, регулируя ориентацию экрана приложения на смартфоне и планшете.

Основная цель акселерометра мобильного телефона заключается в том, что устройство адаптирует ориентацию в соответствии с положением устройства с горизонтального на вертикальное и наоборот. Чтобы обеспечить пользователям комфортный просмотр, он измеряет положение и изменение ориентации экранов.

Давайте разберемся в этом на примерах.

Если вы играете в игру, у вас не будет хорошего опыта с горизонтальным обзором. Горизонтальный вид предоставляет пользователям больше места для игр на устройствах с сенсорным экраном.

При использовании банковского приложения пользователи предпочитают портретный режим по сравнению с вертикальным, поскольку в нем довольно легко добавлять и читать информацию.

Таким образом, акселерометр в смартфоне позволяет настраивать вид приложения в соответствии с вашим комфортом просмотра.

Что такое акселерометр?

Акселерометр — это электромеханическое устройство, которое измеряет силу ускорения, вызванную движением, силой тяжести или вибрацией. Эти силы могут быть статическими, такими как сила тяжести, динамическое движение чувств или вибрации.

Математически ускорение — это измерение изменения скорости или скорости, деленное на время.

Для чего нужен акселерометр?

Акселерометр можно использовать как в академических, так и в бытовых целях.

Например: если ваш ноутбук внезапно упадет во время его использования, акселерометр может определить причины внезапного свободного падения и сразу же выключить жесткий диск, чтобы избежать повреждения данных.

Динамический акселерометр измеряет силу тяжести.Если мы рассмотрим контекст потребителя, то использование может лучше понять окружение объекта. Он фиксирует каждое движение объекта, будь то движение вверх, падение, наклон, горизонтальный полет или выравнивание вниз.

Акселерометр в смартфоне — это динамический акселерометр, который меняет ориентацию дисплея с книжной на альбомную и наоборот в зависимости от наклона телефона.

Что такое акселерометр в мобильном телефоне?

Акселерометр в смартфоне измеряет линейное ускорение устройства.В положении покоя в любой ориентации цифра представляет силу тяжести, действующую на устройство, в то же время она также измеряет ускорение по осям X и Y, которое будет равно нулю.

Apple интегрировала акселерометр во все свои устройства iPhone, iPad и iPod, начиная с 4-го поколения.

Хотите, чтобы ваши пользователи получали удовольствие от просмотра, используя встроенный в смартфоны акселерометр?

Что такое акселерометр, используемый в мобильных устройствах

Вход движения

Датчик доступен в мобильных телефонах высокого класса.Если у вас есть мобильный телефон с клавиатурой, вы не сможете испытать этот датчик. У вас должен быть смартфон, чтобы увидеть, как акселерометр помогает в изменении ориентации вашего мобильного приложения.

Персональные цифровые помощники и цифровые аудиоплееры управляют пользовательским интерфейсом мобильного приложения с помощью акселерометра. Он регулирует ориентацию контента и представления мобильного приложения, чтобы сделать его удобным для пользователя.

Поскольку акселерометр в смартфоне может отслеживать движение, он используется в качестве шагомера для подсчета шагов и в зависимости от шага позволяет пользователям детально анализировать, сколько сожженных калорий, сколько километров они прошли и т. Д.Таким образом, датчик широко используется в приложениях для здоровья и фитнеса, а также в спортивных приложениях.

Определение ориентации

В наши дни большинство смартфонов используют акселерометр для выравнивания ориентации экрана в зависимости от направления удерживания устройства. Благодаря встроенному акселерометру мобильного телефона пользователи могут улучшить качество просмотра при перелистывании страницы, игре в игры на основе жестов, переключении с альбомной на портретную ориентацию, а также при увеличении и уменьшении изображения.

Акселерометр в смартфоне содержит, по крайней мере, датчик наклона для управления просмотром изображений.Иногда его используют для устранения дрожания при съемке, автоповорота изображений, игры в мини-игры, чувствительные к движению.

Основные характеристики акселерометра мобильного телефона

  • Он регулирует ориентацию экрана с альбомной / горизонтальной на портретную / вертикальную и наоборот, чтобы пользователи могли лучше видеть приложение.
  • Благодаря изменению ориентации улучшается просмотр фотографий и просмотр веб-страниц.
  • Акселерометр широко используется в гоночных играх, поскольку он чувствителен к движению, взаимодействует и контролирует изменение направления и поворота гоночного автомобиля.
  • Повернув мобильные устройства вниз, пользователи могут отключить звук входящего вызова.

Credencys использует встроенный акселерометр в разработке мобильных приложений

Credencys, ведущая компания по разработке мобильных приложений, успешно реализовала более 500 проектов разработки мобильных приложений для стартапа компаний из списка Fortune 500, чтобы помочь им в достижении их бизнес-целей или решении организационных вопросов. проблемы. У нас есть команда опытных разработчиков мобильных приложений, которые доказали свою эффективность в предоставлении мобильных решений с помощью акселерометра.

Мы помогли компании ABB, лидеру на рынке производства низковольтных двигателей (LV), выполнить профилактическое обслуживание промышленных двигателей с помощью смартфона. В приложении мы использовали возможности акселерометра для проверки скорости двигателя низкого напряжения и сбора данных о состоянии двигателей. Приложение, анализируя различные параметры, предлагает профилактическое обслуживание. Это помогло клиенту сократить время работы двигателя за счет своевременного ремонта или замены.

Планируете создать приложение, подобное ABB, с помощью акселерометра? Давайте вместе создадим потрясающее бизнес-решение, которое повысит ценность вашей организации и клиентов.

Часто задаваемые вопросы об акселерометре в смартфоне

Как работает акселерометр в смартфоне?

Акселерометр — это устройство, которое используется для измерения ускорения, скорости изменения скорости. Однако, если говорить об акселерометре в смартфоне, он определяет изменение ориентации и соответственно поворачивает экран мобильного телефона. По сути, t помогает вашему смартфону узнавать, что вверх и вниз.

Что акселерометр в смартфоне измеряет ускорение?

Акселерометр — это встроенный комментарий смартфона для измерения его ускорения.Он отслеживает различные движения, такие как встряхивание, наклон, качание и вращение, и соответственно изменяет ориентацию вашего приложения. Для расчета и обнаружения движения акселерометр использует значение XYZ.

Какой акселерометр используется в iPhone?

Акселерометр в смартфоне измеряет ускорение устройства. Если говорить об Apple, технический гигант использует акселерометр STMicroelectronics под названием LIS302DL 3-axis MEMS для своих iPhone и iPod touch первого поколения.

Какая польза от акселерометра в андроиде?

Акселерометр работает как датчик в смартфонах и планшетах на базе Android, который отслеживает движение по вертикали, чтобы изменить ориентацию приложения. Практически каждое устройство Android оснащено датчиком акселерометра. Удивительно, но он потребляет в 10 раз меньше энергии по сравнению с другими датчиками движения.

Как работает акселерометр в смартфоне? Билл Хэммак, инженер-инженер, объясняет [ПОЛНЫЙ ТЕКСТ]

Мы почти не замечаем их, но они являются одной из самых важных функций, скрытых в повседневном использовании смартфона.Акселерометры — это устройства, которые могут измерять ускорение (скорость изменения скорости), но в смартфонах они могут обнаруживать изменения ориентации и указывать экрану на поворот. По сути, это помогает телефону различать верхнюю и нижнюю границы.

Несмотря на то, что акселерометр регулярно используется в играх, видео и других действиях на смартфоне, мало кто знает, как на самом деле работает гаджет или как инженеры смогли сжать такой маленький, но важный элемент технологии, который может обнаруживать движение в трех направлениях. в смартфон толщиной в миллиметр.

Вот где приходит Билл Хэммак. Хаммак, он же Инженер Гай, является профессором факультета химической и биомолекулярной инженерии Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, но у 50-летнего профессора колледжа также есть второй жизнь на YouTube, рассказывая о том, как работают различные компоненты повседневной техники, от цифровых фотоаппаратов до оптоволоконных кабелей.

Во вторник Хэммак выпустил свое новейшее видео, в котором объясняется, что он считает одной из самых крутых функций современных смартфонов.Он не только описывает, как работает технология акселерометра, но и более подробно рассказывает о том, как инженеры преобразовали трехмерную технологию для работы внутри крошечного тонкого смартфона. Видео несколько заимствовано из собственной книги Хаммака «Восемь удивительных инженерных историй: использование элементов для создания экстраординарных технологий», но видео на YouTube объясняет, как работает весь процесс, более подробно. Вот полный текст из видео Хэммака, который также встроен в конец статьи.

Hammack представляет акселерометр: Я думаю, что это одна из самых крутых функций современных смартфонов, — начинает Hammack. Он знает сверху вниз. В схему встроено крошечное устройство, которое может обнаруживать изменения ориентации и указывать экрану на поворот. Теперь позвольте мне показать вам, как это выглядит на старом iPhone. Вот оно. Это акселерометр. Я расскажу, как работает этот вид микросхемы и как он сделан, но сначала немного об акселерометрах.

Хэммак объясняет компоненты акселерометра: Они состоят из двух основных частей: крепления корпуса к объекту, ускорение которого мы хотим измерить, и массы, которая, будучи привязанной к корпусу, все еще может двигаться, сказал Хэммак, создавая трехмерную графику. чтобы проиллюстрировать его точку зрения.Здесь пружина с тяжелым металлическим шаром. Если сдвинуть корпус вверх, шарик отстает от растяжения пружины. Если мы измерим, насколько растягивается эта пружина, мы сможем вычислить силу тяжести. Вы можете легко увидеть, что три из них могут определять ориентацию трехмерного объекта. Когда ось z лежит перпендикулярно силе тяжести, только шарик на пружине оси x растягивается. Поверните его на бок так, чтобы ось z была направлена ​​вверх, и только акселерометр вдоль пружины на этой оси растянулся.

Хэммак объясняет разницу акселерометров в смартфонах: Итак, как этот телефон и этот чип измеряют изменения силы тяжести? — спрашивает Хаммак, читая мысли своей аудитории. Хотя она более сложна, чем простая модель с шариком и пружиной, она имеет те же основные элементы. Внутри чипа инженеры создали крошечный акселерометр из кремния. У него, конечно же, есть корпус, который крепится к телефону, и секция в виде гребешка, которая может перемещаться вперед и назад. Это сейсмическая масса, эквивалентная шару.Пружина в данном случае — это гибкость тонкого силиконового крепления к корпусу. Теперь ясно, что если мы можем измерить движение этой центральной секции, мы сможем обнаружить изменения в ориентации.

Чтобы увидеть, как это делается, исследуйте каждый три пальца на акселерометре. Три пальца образуют дифференциальный конденсатор: это означает, что если центральная часть перемещается, ток будет течь. Инженеры соотносят величину протекающего тока с ускорением.

Hammack подробно описывает, как создаются акселерометры: Этот акселерометр очаровывает меня, но еще более удивительно то, как они делают такие вещи, сказал он.Казалось бы, сделать такое сложное устройство, как крошечный акселерометр смартфона, практически невозможно. При диаметре всего 500 микрон (1/50 дюйма) никакие крошечные инструменты не могут создать такую ​​вещь. Вместо этого инженеры используют некоторые уникальные химические свойства кремния для травления пальцев акселерометра и H-образной части.

Чтобы понять, как они это делают, позвольте мне показать вам, как сделать одиночную консольную балку, такую ​​как трамплин, из твердого куска кремния. Опытным путем инженеры заметили, что если налить гидроксид калия (КОН) на определенную поверхность кристаллического кремния, он разъедает кремний, пока не образуется отверстие пирамидальной формы.Это происходит из-за уникальной кристаллической структуры кремния. Чтобы сделать пирамидальное отверстие в кремнии, инженеры покрывают все, кроме небольшого квадрата, маской, непроницаемой для КОН. Теперь он выгравирован только внутри квадратной формы, огороженной маской. КОН растворяет кремний быстрее в вертикальном, чем в горизонтальном направлении. Вот почему он делает пирамидальную дыру.

Теперь, чтобы сделать консольную балку, инженеры выполняют следующие действия. Сначала замаскируйте поверхность, за исключением U-образного сечения. Сначала КОН будет разрезать две перевернутые пирамиды бок о бок.По мере продолжения травления КОН начинает растворять кремний между этими отверстиями. Если мы смоем все это как раз в нужной точке, прежде чем он растворит силикон прямо под маской, останется небольшая консольная балка, свисающая над отверстием с квадратным дном.

Хэммак объясняет, что акселерометры значат для мира техники и технологий: Инженеры создают акселерометры для смартфонов, используя те же методы, но, как вы можете представить, требуется серия детальных масок, чтобы создать сложную структуру акселерометра смартфона.Хотя это сложно, ключевым моментом является то, что весь процесс можно автоматизировать. Это абсолютно необходимо для миниатюризации технологии. Теперь инженеры в таком крошечном масштабе создают всевозможные удивительные вещи. Микродвигатели с шестернями, которые вращаются 300 000 раз в минуту, сопла в струйных принтерах и мои любимые микрозеркала, фокусирующие свет в полупроводниковых лазерах.

Я Билл Хэммак, инженер-инженер.

Как акселерометр в смартфоне работает для отслеживания вашего движения

Из всех компонентов смартфона акселерометр, вероятно, является самым технологически захватывающим, но также недооцененным устройством на устройстве.Если вы хотите, чтобы изображение на вашем телефоне было альбомным или портретным, все, что вам нужно сделать, это повернуть телефон в нужном вам направлении, и экран будет следовать за вами. Вы когда-нибудь задумывались, как телефон распознал, что вы наклонили телефон в этом направлении?

Связанные : Что нужно знать о фотографии в 360 градусов


Чтобы отреагировать на поворот телефона, он должен определить, в какую сторону вы его двигаете. Акселерометр — отличный способ добиться этого, и они бывают всех форм и размеров.Несмотря на это, акселерометры обычно содержат те же три переменные:
  • Корпус акселерометра, который перемещается вместе с устройством, в котором он установлен. Он действует как основание датчика, которое движется с той же скоростью, что и устройство.
  • Движущаяся часть акселерометра, которая перемещается при перемещении корпуса вокруг него. Это движение зависит от того, насколько наклонено устройство.
  • Датчики на акселерометре, которые смотрят на движущуюся часть и отслеживают, насколько устройство переместилось в зависимости от результата.

Хотя есть много способов сделать это, те, которые вы найдете в смартфонах (и других устройствах), обычно бывают двух видов: емкостные и пьезоэлектрические акселерометры.

Что такое акселерометры емкости?

Оба слова звучат очень сложно, но не волнуйтесь — на практике они довольно просты! Во-первых, давайте рассмотрим емкостные акселерометры.

Знаете ли вы те игрушки-лабиринты с шариками, которые иногда можно найти в рождественских крекерах? Представьте себе один из них, но это просто пустой квадрат без препятствий.Представьте, что вы также соединили стороны квадрата, чтобы определять, когда металлический шар ударяется о стороны. Когда вы наклоняете квадрат, мяч перекатывается и ударяется об одну из сторон, срабатывая датчик.

Конечно, внутри мобильных телефонов нет маленьких головоломок-шариков! Однако у них есть нечто похожее. Вместо мяча в телефоне используется сетка, подвешенная на опорах. Эти опоры обладают некоторой снисходительностью, позволяя сетке немного сдвигаться при движении телефона.

Между частями сетки есть маленькие «пальцы», которые чувствуют, где находится сетка. Когда телефон наклоняется, сетка на опорах перемещается в сторону движения, и пальцы фиксируют это движение. Пальцы сообщают, в какую сторону наклонился телефон.

Что такое пьезоэлектрические акселерометры?

С другой стороны, пьезоэлектрические акселерометры получили свое название от пьезоэлектрического эффекта, который акселерометр использует для измерения ориентации.

Представьте, если бы вы стояли спиной к стене, держа матрас на расстоянии вытянутой руки с закрытыми глазами.Затем я прошу вас сообщить мне, если вы заметите, что матрас двигается. Матраса не видно, но вы чувствуете, как он движется.

Теперь, если я толкаю или тяну матрас, это вызывает напряжение в ваших руках. Вы либо чувствуете, как матрас отрывается от вас, либо толкает его к вам. Только по этому ощущению можно сказать, подталкиваю ли я матрас или толкаю его.

Пьезоэлектрические акселерометры работают аналогично. Они используют механизм, который толкает и притягивает кристалл, который, в свою очередь, излучает электричество в зависимости от приложенного напряжения.Затем это напряжение переводится в измерения движения.

Наклон и поворот

Акселерометры

— удивительная и интригующая часть смартфона, но их очень недооценивают. Теперь вы знаете, как они работают и как определяют, куда движется ваш телефон.

Насколько важен акселерометр в вашем собственном телефоне? Сообщите нам об этом ниже.

Кредит изображения: Википедия

Эта статья полезна? да Нет

Саймон Батт

Саймон Батт — выпускник факультета компьютерных наук со страстью к кибербезопасности.

Акселерометры для смартфонов

можно обмануть звуковыми волнами

Эти поставщики изначально выступали против схемы, называемой Open RAN, поскольку считали, что в случае ее реализации она нанесет ущерб — если не разрушит — их существующую бизнес-модель. Но столкнувшись с коллективной властью операторов, требующих нового способа построения беспроводных сетей, у этих поставщиков осталось немного вариантов, ни один из которых не был бы очень привлекательным.Некоторые отреагировали, пытаясь установить условия развития Open RAN, в то время как другие продолжают тянуть время и рискуют остаться позади.

Технология, лежащая в основе поколения беспроводной связи, например 5G, может занять десятилетие или больше, чтобы перейти от первоначальной идеи до полностью реализованного оборудования. Для сравнения, Open RAN возникла практически мгновенно. Менее чем за три года идея превратилась из не более чем концепции в несколько крупных развертываний по всему миру. Его сторонники считают, что это будет способствовать появлению огромных инноваций и снижению стоимости беспроводного доступа.Его недоброжелатели говорят, что это угрожает базовой сетевой безопасности и может привести к катастрофе. В любом случае, это переломный момент в индустрии связи, и пути назад нет.

Сеть Open RAN от Rakuten Mobile включает радиомодули 4G от Nokia, на которых установлено программное обеспечение другого производителя. Компания развернула одну такую ​​RAN в глобальной штаб-квартире компании в Токио. Сеть Open RAN также использует серверы для питания облачной сети. Фотографии: Rakuten

В общих чертах, сеть радиодоступа (RAN) — это структура, которая связывает конечное устройство, такое как сотовый телефон, и большую проводную базовую сеть.Базовая станция сотовой связи, или вышка, является наиболее знакомым примером RAN. Другие разновидности базовых станций, такие как небольшие соты, которые отправляют и принимают сигналы на короткие расстояния в сетях 5G, также подходят для этого.

Чтобы функционировать в качестве этой ссылки, RAN выполняет несколько шагов. Например, когда вы используете свой телефон, чтобы позвонить другу или члену семьи в другом городе, вам необходимо находиться в пределах досягаемости вышки сотовой связи. Итак, первым делом антенны вышки сотовой связи должны принять сигнал телефона.Во-вторых, радио преобразует сигнал из аналогового в цифровой. В-третьих, компонент, называемый модулем основной полосы частот, обрабатывает сигнал, исправляет ошибки и, наконец, передает его в базовую сеть. В RAN эти компоненты — антенна, радио и блок основной полосы частот — могут рассматриваться и часто рассматриваются как отдельные технологические блоки.

Если вы отделяете радиомодуль и блок основной полосы частот друг от друга и разрабатываете и конструируете их независимо, вам все равно необходимо убедиться, что они работают вместе.Другими словами, вам нужно, чтобы их интерфейсы были совместимы. Без такой совместимости данные могут быть искажены или потеряны при переходе от радиомодуля к модулю основной полосы частот или наоборот. В худшем случае радиомодуль и модуль основной полосы частот с несовместимыми интерфейсами просто не будут работать вместе. Функциональная RAN должна иметь общий интерфейс между этими двумя компонентами. Однако, что удивительно, в настоящее время нет гарантии, что радиостанция, произведенная одним поставщиком, будет совместима с модулем основной полосы частот, произведенным другим поставщиком.

Спецификации стандартов интерфейса RAN, как и все стандарты для сотовых сетей, устанавливаются Проектом партнерства третьего поколения. Джино Масини, председатель рабочей группы 3GPP RAN3, говорит, что многие спецификации 3GPP, включая те, которые касаются интерфейсов, разработаны с учетом возможности взаимодействия. Однако Масини, который также является главным исследователем стандартизации в Ericsson, добавляет, что ничто не мешает производителю «дополнять» стандартизованный интерфейс дополнительными патентованными методами.Многие поставщики поступают именно так — и Масини говорит, что это не ограничивает возможности взаимодействия поставщиков.

Другие в отрасли не согласны. «И Nokia, и Ericsson используют интерфейсы 3GPP, которые должны быть стандартными», — говорит Югина Джордан, вице-президент по маркетингу Parallel Wireless, компании из Нью-Гэмпшира, разрабатывающей технологии Open RAN. Но «эти интерфейсы не открыты, потому что каждый продавец создает свой собственный вкус », — добавляет она. Большинство этих специфичных для производителя настроек происходит в программном обеспечении и языках программирования, используемых для подключения радиомодуля к модулю основной полосы частот.Джордан говорит, что изменения в основном заключаются в том, что поставщики определяют параметры радиосвязи, которые намеренно оставлены незаполненными в стандартах 3GPP для будущего развития.

В настоящее время нет гарантии, что радиостанция, произведенная одним поставщиком, будет совместима с модулем основной полосы частот, произведенным другим поставщиком.

В конечном итоге это приводит к тому, что каждый поставщик создает оборудование, которое слишком несовместимо с оборудованием других производителей для удобства операторов. «В спецификации 3GPP мы видим все больше и больше пробелов, — говорит Оливье Симон, директор по инновациям в области радиосвязи французского оператора Orange.Саймон говорит, что из интерфейсов, определенных 3GPP, «вы можете видеть, что многие из них на самом деле не открыты в том смысле, что они не позволяют взаимодействовать с разными поставщиками на обеих сторонах интерфейса».

The O-RAN Alliance, из которых Саймон является членом исполнительного комитета, крупнейшей отраслевой группы, работающей над спецификациями Open RAN. Группа была образована в 2018 году, когда пять операторов — AT&T, China Mobile, Deutsche Telekom, NTT Docomo и Orange — объединились, чтобы возглавить дальнейшее развитие Open RAN в отрасли. РАН.«Я думаю, что реализация заключалась в том, что нам необходимо создать единый глобальный операторский голос, чтобы управлять этим разукрупнением и открытостью», — говорит Сачин Катти, доцент Стэнфордского университета и один из сопредседателей технического руководящего комитета O-RAN Alliance.

Члены альянса O-RAN надеются, что Open RAN сможет заполнить пробелы, созданные спецификациями 3GPP. Они сразу же заявляют, что не пытаются заменить спецификации 3GPP. Вместо этого они рассматривают Open RAN как необходимое ужесточение спецификаций, чтобы препятствовать тому, чтобы крупные поставщики использовали свои патентованные технологии в интерфейсах, тем самым блокируя операторов беспроводной связи в сетях с одним поставщиком.Принудительно открывая интерфейсы, отрасль беспроводной связи может прийти к совершенно новому способу проектирования своих сетей. И если эти открытые интерфейсы будут способствовать усилению конкуренции и снижению цен, тем лучше.

В начале развертывания 5G по всему миру, в 2019 году группа компаний беспроводной связи GSM Association прогнозировала, что операторы потратят 1,3 триллиона долларов на инфраструктуру, оборудование и технологии 5G для своих сетей. На строительство RAN будет приходиться львиная доля этих капитальных затрат.И большая часть этих расходов пойдет на небольшую группу поставщиков, которые все еще могут предоставлять полные сквозные сети.

«Это всегда было проблемой, потому что RAN — самая дорогостоящая часть развертывания оператора», — говорит Шридхар Раджагопал, вице-президент по технологиям и стратегии в Mavenir, техасской компании, которая предоставляет сквозные сети. программное обеспечение. «На это уходит почти 60, 70 процентов затрат на развертывание». По прогнозам Ассоциации GSM, к 2025 году операторы будут тратить на RAN до 86 процентов своих капитальных бюджетов.

Неудивительно, что с такими большими деньгами операторы делают все возможное, чтобы избежать любых фиаско, вызванных несовместимым оборудованием. Самый надежный способ избежать такой катастрофы — придерживаться одного и того же поставщика от одного конца сети до другого, избегая, таким образом, любой возможности несовпадающих интерфейсов.

Еще одним фактором, вызывающим беспокойство операторов, является сокращение числа компаний, которые могут предоставить современные сквозные сети. Сейчас их всего три: Ericsson, Nokia и Huawei.Это трио поставщиков комплексных услуг может взимать высокие цены, поскольку операторы по существу привязаны к своим системам.

Даже появление нового поколения беспроводной связи не дает оператору четкой возможности сменить поставщика. Новые поколения беспроводных сетей поддерживают обратную совместимость, так что, например, телефон 5G может работать в сети 4G, когда он не находится в пределах досягаемости каких-либо ячеек 5G. Таким образом, по мере того, как операторы развивают свои развертывания 5G, они в основном придерживаются запатентованной технологии одного поставщика, чтобы обеспечить плавный переход.Основная альтернатива — отказаться от всего и заплатить еще больше за новое развертывание с нуля.

В индустрии беспроводной связи существует широкий консенсус в отношении того, что Open RAN позволяет выбирать различные компоненты RAN от разных поставщиков. Эта возможность, называемая дезагрегацией, также снимет напряжение, связанное с тем, будут ли компоненты взаимодействовать при соединении вместе. Является ли дезагрегация хорошей вещью, зависит от того, кого вы спрашиваете.

Операторам точно нравится.Dish, поставщик услуг телевидения и беспроводной связи, особенно агрессивно поддерживает Open RAN. Сиддхартха Ченумолу, вице-президент по развитию технологий в Dish, описывает свою первую реакцию на технологию: «Эй, здесь может быть что-то, что позволяет нам полностью дезагрегировать», — говорит он. «Мне не нужно полагаться только на Эрикссон. для предоставления радиоприемников или только Nokia «. Dish обязалась использовать Open RAN для наземного развертывания сети 5G в США в этом году.

Мелкие и более специализированные поставщики также с оптимизмом смотрят на те преимущества, которые Open RAN может принести их бизнесу.Для Software Radio Systems, производителя передовых программно-определяемых радиостанций, Open RAN упрощает сосредоточение на разработке нового программного обеспечения, не беспокоясь о потере потенциальных клиентов, запуганных задачей интеграции технологии в их более широкие сети.

Неудивительно, что три оставшихся производителя оборудования придерживаются разных взглядов. В феврале Франк Буэтар, генеральный директор Ericsson France, назвал Open RAN «экспериментальной технологией», которая еще не достигла зрелости и не может конкурировать с продуктами Ericsson.(В Ericsson отказались комментировать эту статью).

Но некоторые в отрасли считают, что производители оборудования намеренно замедляют развитие Open RAN. «Некоторые крупные поставщики постоянно поднимают ту или иную проблему, — говорит Пол Саттон, директор Software Radio Systems. — Эрикссон, вероятно, находится в той стороне, которая больше всех борется с Open RAN, потому что они, вероятно, будут больше всего терять «.

Не каждый крупный поставщик сопротивляется. Nokia, например, видит возможности.«Я думаю, нам нужно принять тот факт, что Open RAN все равно произойдет, с нами или без нас», — говорит Томас Барнетт, руководитель стратегии и технологий мобильных сетей в Nokia. «Мы в Nokia решили проявить инициативу в этом вопросе. занять лидирующую позицию, чтобы занять лучшую позицию на рынке ». Например, при развертывании Open RAN японского оператора Rakuten используется оборудование Nokia, и Nokia также работает с Deutsche Telekom над развертыванием системы Open RAN в Нойбранденбурге, Германия, в конце этого года.

Это не значит, что Nokia или другие поставщики находятся на одной волне с операторами и специализированными поставщиками, такими как Software Radio Systems. На данный момент еще много споров. Эрикссон и другие поставщики утверждают, что создание большего количества открытых интерфейсов неизбежно создаст больше точек в сети для кибератак. Операторы и другие сторонники Open RAN возражают, что стандартизованные интерфейсы упростят для отрасли выявление и устранение уязвимостей. Кажется, у всех свое мнение о том, насколько открытость является достаточной открытостью, или о том, насколько необходимо дезагрегировать аппаратные элементы RAN.

По прогнозам Ассоциации GSM, к 2025 году операторы будут тратить на RAN до 86 процентов своих капитальных бюджетов.

В своей наиболее амбициозной версии Open RAN разделит RAN на более мелкие компоненты, помимо радиомодуля и блока основной полосы частот. Сторонники такого уровня разукрупнения полагают, что он привлечет еще больше поставщиков в отрасль беспроводной связи, поскольку позволит компаниям гиперспециализироваться. Оператор может заключить договор с поставщиком только на процессор, который, например, подготавливает данные, полученные из базовой сети, для беспроводной передачи.Многие представители отрасли также заявляют, что такая специализация ускорит технологические инновации, поскольку позволит заменить и развернуть новый компонент RAN, не дожидаясь обновления всего радиомодуля или модуля основной полосы частот. «Возможно, это одна из самых ярких возможностей, которые может предоставить Open RAN», — говорит Тед Раппапорт, директор-основатель NYU Wireless, исследовательского центра передовых беспроводных технологий.

Первые попытки индустрии беспроводной связи с дезагрегацией были вдохновлены самими спецификациями 5G.Эти спецификации разделяют модуль основной полосы частот, который отвечает за обработку и передачу данных в базовую сеть или из нее, на два меньших компонента. Одним из компонентов является распределенная единица, которая берет на себя ответственность за обработку данных. Другой компонент — это централизованное устройство, которое обеспечивает подключение к базовой сети. Преимущество такого разделения модуля основной полосы частот состоит в том, что централизованный модуль больше не нужно размещать в самой вышке сотовой связи. Вместо этого одно централизованное устройство может находиться в локальной серверной ферме, поддерживая соединение с базовой сетью для нескольких вышек сотовой связи в этом районе.

O-RAN Alliance работает над несколькими различными «функциональными разделами» в RAN, чтобы создать больше возможностей для дезагрегирования помимо этого разделения между распределенным и централизованным блоком. Каждое из этих дополнительных разделений создает разделение где-то среди много шагов между поступлением сигнала из базовой сети и его передачей на мобильный телефон. Это немного похоже на обеденный перерыв: вы можете пообедать рано и, таким образом, перенести многие свои обязанности на послеобеденное время, или поработать несколько часов, прежде чем выбрать для более позднего обеда.

Одно важное разделение, называемое Split 7.2x, передает такие обязанности, как кодирование и декодирование сигналов, а также модуляция, распределенному устройству. С другой стороны, радиостанция отвечает за некоторые функции обработки света, такие как формирование луча, которое устанавливает конкретное направление передачи. Радио также по-прежнему отвечает за преобразование цифровых сигналов в аналоговые и наоборот.

Другой разделитель, Split 8, перекладывает даже ответственность за формирование диаграммы направленности на распределенный блок, оставляя радиостанцию ​​ответственной только за преобразование сигналов.Напротив, Split 2 будет передавать кодирование, декодирование, модуляцию, формирование диаграммы направленности и даже больше функций обработки на радио, оставляя распределенный блок ответственным только за сжатие данных до меньшего числа битов перед передачей данных в централизованный блок.

«Некоторые крупные поставщики постоянно поднимают ту или иную проблему». Пол Саттон, Software Radio Systems

Цель создания открытых стандартов для нескольких видов разделения состоит в том, чтобы операторы затем могли приобретать более адаптированные компоненты для конкретного типа сети, которую они строят.Например, оператор может выбрать Split 8 для крупномасштабного развертывания, требующего большого количества радиомодулей. Такое разделение позволяет радиостанциям быть как можно более «тупыми» и, следовательно, дешевыми, поскольку вся обработка выполняется в централизованном блоке.

Технически возможно собрать дезагрегированную RAN с открытыми интерфейсами, используя только оборудование, но определяя Компоненты в программном обеспечении имеют некоторые преимущества. «Наша отрасль действительно стала ориентированной на оборудование», — говорит Чих-Лин И, который вместе с Катти из Стэнфорда является сопредседателем технического руководящего комитета O-RAN Alliance.«Каждое поколение наших сетей в основном полагается на специализированное оборудование с тесно связанным программным обеспечением. Поэтому каждый раз, когда нам требуется обновление, новый выпуск или новый частичный выпуск, на это уходят годы ».

Чтобы отойти от аппаратно-ориентированного подхода, O-RAN Alliance также поощряет беспроводную индустрию к тому, чтобы включать больше программного обеспечения в RAN. Программно-определяемые сети, которые заменяют традиционные аппаратные компоненты программируемыми эквивалентами программного обеспечения, являются более гибкими.Обновление виртуального компонента может быть таким же простым, как отправка нового кода на базовую станцию.

Акцент на программное обеспечение также позволяет отрасли рассматривать совершенно новые технологии, наиболее важной из которых является интеллектуальный контроллер RAN. RIC собирает данные из компонентов RAN десятков или сотен базовых станций одновременно и использует методы машинного обучения для перенастройки сетевых операций в реальном времени. Он основывает модификации на том, находятся ли определенные вышки сотовой связи под большой нагрузкой, например, или передают в сильный ливень, который может ослабить сигналы.RIC может перепрограммировать программные компоненты RAN для улучшения обслуживания. «Представьте себе возможность, в которой я действительно могу адаптировать свою сеть на основе пользовательского опыта, того, как пользователь себя чувствует в реальном времени», — говорит Ченумолу из Dish. «Насколько это здорово?»

С момента основания в 2018 году альянс O-RAN увеличился с пяти членов-учредителей — всех операторов — до более чем 260 членов. Из трех крупных поставщиков только Huawei не является членом, ссылаясь на свою убежденность в том, что системы Open RAN не могут работать так же хорошо, как проприетарные системы компании.Другие группы Open RAN растут аналогичными темпами. Коалиция политики Open RAN, например, была основана в мае 2020 года и уже насчитывает более 60 членов, работающих над координацией глобальной политики по разработке и развертыванию Open RAN.

Инженеры Rakuten могут установить базовую станцию ​​4G для развертывания Open RAN всего за 8 минут.

В последние месяцы Rakuten Mobile, подразделение японского гиганта электронной коммерции, и Dish взяли на себя обязательство использовать Open RAN для обширных новых развертываний 5G.После поручения британского правительства отключить все компоненты Huawei из беспроводных сетей, базирующаяся в Англии компания Vodafone заменяет эти компоненты в своих собственных сетях эквивалентами Open RAN. Из-за аналогичных требований местные операторы в Соединенных Штатах, такие как Inland Cellular из Айдахо, делают то же самое.

Эти развертывания не всегда шли по плану. Rakuten, в частности, столкнулся с некоторыми первоначальными неудачами, когда производительность его сети Open RAN не соответствовала производительности традиционной сквозной системы.Однако оператор сохраняет оптимизм и не отказывается от этого. Многие в отрасли не озабочены подобными проблемами, утверждая, что единственный способ сгладить недостатки технологии — это развернуть ее в нужном масштабе и посмотреть, что работает, а что нуждается в улучшении.

Есть еще нерешенные вопросы о том, где остановиться. Когда оператор покупает сквозную систему у Nokia, Ericsson или Huawei, он также знает, что поддержка сети в случае возникновения проблем может зависеть от этого поставщика.Иначе обстоит дело с развертываниями Open RAN, где ни один поставщик, скорее всего, не возьмет на себя ответственность за проблемы взаимодействия. Более крупные операторы, вероятно, смогут поддерживать свои собственные сети Open RAN, но более мелкие операторы могут полагаться на такие компании, как Mavenir, которые позиционируют себя как системные интеграторы. Критики, однако, видят в этом подходе просто создание еще одного поставщика комплексных услуг — и добавление дополнительных расходов — для операторов, у которых нет опыта или ресурсов для поддержки своих собственных сетей.

В конце концов, истинное испытание Open RAN может наступить, когда придет время внедрять беспроводную связь следующего поколения. «Я думаю, что 6G будет построено с использованием Open RAN в качестве предварительного предположения», — говорит Раджат Пракаш, главный инженер отдела исследований и разработок в области беспроводной связи в Qualcomm. новые интерфейсы или даже новые технологии. Важно то, что это движение уже получило существенный импульс.Несмотря на то, что в некоторых уголках отрасли все еще есть оговорки, операторы и мелкие продавцы придавали слишком большое значение идее, чтобы движение прекратилось. Open RAN никуда не денется. По мере развития беспроводная индустрия будет открыта для нового способа ведения бизнеса.

Эта статья появится в выпуске печати за май 2021 года как «Битва за первую милю 5G».

Датчики смартфонов — крошечные инструменты с большим влиянием

Назад ко всем сообщениям в блоге

Размещено Мартиной Джанольо
Категории: Технологические теги: Акселерометр, Гироскоп, МЭМС, Микросенсоры, Мобильные устройства, Позиционирование, Датчики, Смартфон

Изображение: www.iFixit.com

Датчики

появились задолго до появления смартфонов. Но они не только перешли в цифровую эпоху, но и становятся все меньше и меньше: на картинке выше крупным планом показана сложная технология гироскопа iPhone размером с булавочную головку.

Между тем, датчики также значительно улучшают свою точность. Это позволяет вашему смартфону видеть свет и детально слышать звук, а также улавливать сигналы, которые мы не можем.

И мы становимся все более и более креативными в использовании этого возросшего восприятия.Это помогает сделать повседневное использование технологий более интуитивно понятным и открывает двери для новых приложений. К настоящему времени ваш смартфон, вероятно, также является вашим навигационным устройством, вашей камерой, игровой консолью и вашим цифровым кошельком.

Все эти функции были бы невозможны без встроенной микроскопической сенсорной технологии.

Давайте рассмотрим некоторые из мощных микродатчиков вашего телефона и посмотрим, на что они способны.


Движение: Акселерометр и гироскоп

Акселерометр может определять ориентацию относительно силы тяжести, а также поступательное движение.

Поместите это в свой телефон, и вы сможете в некоторой степени измерять наклон и сдвиг в линейном направлении. Таким образом ваш телефон узнает, какой у вас режим: альбомный или портретный, и может автоматически настраивать экран.

Чтобы помочь акселерометру точно ориентироваться, даже когда телефон перемещается в пространстве, его данные объединяются с гироскопом . Он измеряет изменения угловой скорости.

Гироскоп используется для обнаружения более сложных изменений ориентации, необходимых для приложений дополненной реальности, просмотра видео на 360 градусов или использования телефона в качестве рулевого колеса в гоночной игре.

Для измерения механических сигналов цифровыми датчиками в вашем телефоне используются микроэлектрические механические системы (MEMS). Они предлагают уменьшенную версию концепции механических сенсорных инструментов, встроенных в плату электроники.

Вот как это работает:

Комбинированный датчик движения с акселерометром и гироскопом можно использовать в более сложных приложениях. Приложения для спорта и фитнеса используют эти датчики для отслеживания шагов пользователя и объединяют их с GPS для отображения вашего маршрута и темпа.


Расположение: GPS, барометр, магнитометр

Когда дело доходит до определения местоположения, первое, что приходит на ум, это, скорее всего, GPS, глобальная система определения местоположения. Ресивер вашего телефона принимает сигналы от спутниковой сети для триангуляции своего относительного положения. Но поскольку сигналы GPS доступны не везде, более точные системы позиционирования заполняют пробелы с помощью датчиков движения или других датчиков.

Во многих телефонах есть барометр , который измеряет давление воздуха.Это полезно для обнаружения изменений погоды, но в сочетании с другими инструментами, такими как GPS, Wi-Fi и маяки, барометры могут передавать данные о высоте в сигнал местоположения.

Как видно из названия, магнитометр измеряет магнитные поля. Магнитометр позволяет легко ориентировать телефон с помощью магнитного поля Земли. Это используют приложения цифрового компаса, а также цифровые карты, которые меняются в зависимости от вашего физического положения.

Но использование магнитометров может выходить за рамки этого: способность определять положение магнита уже работает с мельчайшими деталями, и ее точность улучшается.Это открывает путь для других функций, таких как беспроводное управление жестами.


Свет и звук: микрофоны, окружающее освещение и приближение

Микрофоны не особо новы, но с Alexa, Siri и Cortana явно наблюдается тенденция к голосовым командам, что отводит им все большую роль в технологиях будущего.

Микрофоны

MEMS захватывают рынок смартфонов, поскольку они намного меньше, чем у любого другого конкурента.Они обеспечивают все более высокое качество звука для записи и входят в стандартную комплектацию умных устройств, таких как умные часы или умные очки.

Окружающий свет датчики могут измерять свет вокруг устройства. Ваш смартфон обычно использует его для регулировки уровня яркости в соответствии с окружающей средой.

Датчик приближения Датчик работает аналогичным образом, но обнаруживает инфракрасный свет, невидимый для человеческого глаза.Обычно он размещается рядом с верхним динамиком вашего телефона и сочетает в себе светодиод, излучающий инфракрасный луч, с детектором света. Если свет отражается, датчик приближения обнаруживает отраженный свет.

Таким образом можно определить, лежит ли у вас телефон у уха или в кармане. Экран можно выключить для экономии энергии или отключить сенсорный экран. Другие варианты использования включают использование его в качестве детектора движения и превращение вашего телефона в камеру безопасности.


Отпечаток пальца датчики

Дактилоскопические датчики работают несколькими способами: оптическими, емкостными или ультразвуковыми.Эти сканеры используют свет, электрический ток или ультразвуковой импульс и передают его на палец.

На основе полученной информации они могут создать изображение гребней и впадин, составляющих уникальный отпечаток пальца. Эта технология обеспечивает такие функции, как безопасный вход на устройство или аутентификация для мобильных платежей.

На изображении выше показан первый экранный датчик отпечатков пальцев Vivo, который был продемонстрирован на выставке CES 2018. В нем используется оптический датчик, который смотрит через промежутки между пикселями OLED-дисплея и позволяет размещать датчик на экране, а не на задней панели устройства, как и многие другие продукты конкурентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.