Что такое гироскоп и акселерометр
Множество современных устройств и гаджетов имеют встроенные в них гироскопы и акселерометры. Смартфоны, видео- и фотокамеры, планшеты, ридеры и т. д. — практически везде встречаются данные приспособления, хотя их присутствие вовсе не заметно, если взглянуть на прибор снаружи. Гироскоп по-другому именуют гиродатчиком, а акселерометр — G-сенсором. Работая в паре, данные устройства превосходно дополняют друг друга, обеспечивая удобство пользования и гибкость функций гаджета.
Акселерометр
Акселерометр в простейшем виде — это закрепленный на пружинке грузик, установленный в собственном корпусе. При встряхивании или повороте корпуса, грузик перемещается внутри него по инерции. И поскольку при ускорении в соответствующем направлении грузик движется, он неизбежно натягивает за собой и пружинку, колебания которой могут быть приняты в расчет для определения направления и ускорения изменения положения всего корпуса.
Так, три пружинки с грузиками, установленные вдоль трех пространственных осей, позволяют получить полное представление о направлении и величине ускорения относительно земли того предмета, к которому они прикреплены.
В смартфоне, например, вся эта конструкция размещена внутри маленькой микросхемы, и все движения «грузиков» происходят внутри нее. Однако в результате становится возможным определение ускорения всего смартфона в пространстве.
Гироскоп
Гироскоп действует совсем иначе. Волчок, закреплен на оси в первой рамке, и вращается с высокой скоростью. Первая рамка имеет свободу вращения, будучи закреплена на оси (перпендикулярной оси волчка) внутри второй рамки. Третья рамка несет на себе ось вращения для второй рамки (перпендикулярную осям вращения волчка и первой рамки).
В итоге, как ни поворачивай такую конструкцию, волчок будет стремиться сохранить вертикальное положение, хотя кольца и будут поворачиваться.
Для более точного определения параметров перемещения предмета в пространстве, гироскоп обычно работает совместно с акселерометром, позволяя получить полное представление о физическом движении корпуса того или иного гаджета.
Функционирование
Так, акселерометр измеряет проекцию результирующего кажущегося ускорения и позволяет определить угол наклона устройства по отношению к земле, а программа может на основе полученных данных повернуть, например, изображение на экране устройства, в котором этот акселерометр установлен. Поверните ридер из вертикального положения — на бок, и ориентация страницы на дисплее тут же изменится на альбомную.
Текущую ориентацию устройства в пространстве определяет гиродатчик. Программа реагирует на перемещение, и способна быстро отследить тот момент, когда устройство, например, падает. Ноутбук опрокидывается — внутри активируется система фиксации жесткого диска.
Играя раньше в компьютерные игры, человек мог осуществлять управление игровым процессом при помощи джойстика, мыши или клавиатуры. Сегодня же можно играть в гонки на смартфоне, и просто двигая, встряхивая или наклоняя его в разных направлениях, полностью управлять игровым процессом — вести виртуальный автомобиль.
На данный момент придумано множество интерактивных игр с учетом возможностей управления, открывшихся благодаря паре акселерометра и гироскопа. Игры стали более увлекательными, так как получаются почти реальными.
Акселерометр с гироскопом всюду управляют ориентацией изображения на экране. Стоит наклонить смартфон — ориентация станет альбомной (удобной для просмотра видео), а верни его в вертикальное положение — снова превратится в стандартную, удобную для чтения с веб-страниц.
Аналогичным образом автоматически настраивается вид в приложениях — вид плеера изменяется, становится видно обложку прослушиваемого альбома, когда ориентация экрана горизонтальна, но в вертикальном положении остаются лишь основные кнопки управления проигрыванием музыки.
В GPS-навигаторах карта поворачивается на экране подобно стрелке компаса, когда вы то и дело сворачиваете, перемещаясь по местности с ним в руках, но стрелка, указывающая направление, остается направленной в соответствии с положением в пространстве ваших рук.
Шагомер — еще одно простое, но полезное, применение акселерометра. Вы можете задать индивидуальные настройки, и узнаете не только количество сделанных шагов, но сможете прикинуть и приблизительное расстояние, которое пробежали или прошли.
Разумеется, используя устройство с гироскопом и акселерометром необходимо учитывать тот факт, что данные датчики реагируют не только на осознанно сделанные движения, но и на случайные.
Порой это вредно, например вы ложитесь с ридером на диван, желая почитать книгу, ворочаетесь при этом немного, а он, будучи чувствительным, реагирует на случайное движение и поворачивает страницу, переводя ее в альбомный вид.
В таких ситуациях будет очень полезна возможность настройки чувствительности датчика, когда задается угол наклона устройства, при котором датчик понимает, точно ли нужно развернуть ориентацию или это просто неловкое движение.
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства
Разница между гироскопом и акселерометром
Многие из современных мобильных гаджетов — смартфонов и планшетов — оснащены гироскопами и акселерометрами. Что это за аппаратные компоненты?
Что такое гироскоп?
Гироскоп, встраиваемый в мобильный гаджет, это небольшое устройство, способное определять собственный (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) угол наклона относительно земной поверхности и передавать соответствующие координаты в то или иное приложение. Например — в игру, установленную на смартфоне либо планшете или иной вид ПО. Использование приложениями данных с гироскопа дает возможность пользователю эффективно управлять интерфейсом девайса или, например, игровыми персонажами.
Гироскопы — это девайсы, которые находят самое широкое применение не только в индустрии мобильных решений, но и в иных сегментах рынка электронных устройств, а также в автомобильной, аэрокосмической промышленности. Принцип их работы вне зависимости от сферы применения одинаковый — они используются для определения положения объекта относительно земной поверхности.
Что такое акселерометр?
Акселерометр в мобильном гаджете — это устройство, позволяющее измерять собственное (а значит, и того девайса, на котором оно размещено) ускорение. Даже если длина «разгона» составляет миллиметры. Как и гироскоп, акселерометр, инсталлированный на смартфоне или планшете, может передавать сведения об ускорении в игру или приложение. При этом соответствующий сигнал призван выполнять, в принципе, ту же функцию, что и в случае с задействованием гироскопа — он помогает программе, работающей на гаджете, определить свое положение относительно земной поверхности.
Вместе с тем у акселерометра есть одно важное преимущество — измерение ускорения позволяет устройству весьма точно вычислять расстояние, на которое оно перемещено в пространстве. Поэтому мобильный гаджет с акселерометром можно использовать, к примеру, как шагомер.
Способность акселерометра измерять ускорение исключительно полезна для работы систем защиты некоторых электронных устройств от последствий падения или неудачной «перепасовки» одним пользователем другому. Подобные системы могут устанавливаться на жестких дисках ноутбуков: если они обнаруживают, что винчестер куда-то летит, то временно блокируют его записывающую головку — самый хрупкий элемент. Если жесткий диск все же упадет, то сохранится шанс на то, что его кластеры останутся в целости.
Сравнение
Главное отличие гироскопа от акселерометра — в принципах работы данных аппаратных компонентов. Первый вычисляет свой угол наклона относительно земли, второй подсчитывает собственное ускорение — но, опять же, относительно земной поверхности. На практике обе функции могут в ряде случаев заменять друг друга или же удачно дополнять. Поэтому многие мобильные девайсы оснащаются как акселерометром, так и гироскопом.
Вместе с тем у акселерометра есть ряд возможностей, недоступных для гироскопа. В частности — формирование сигналов, позволяющих определить расстояние, пройденное пользователем мобильного устройства.
Определив то, в чем разница между гироскопом и акселерометром, зафиксируем ее ключевые критерии в таблице.
Разбираемся что такое акселерометр и гироскоп
Положение в пространстве, направление движения и ускорение — наверное одни из тех факторов, которые попросту нужно знать логической части множества контролирующих устройств. Речь идет не только о специфичной самолетной, вертолетной или морской технике, изменение ориентации которой важно в навигации и пилотировании.
Применяются датчики определяющие перечисленные факторы и в быту. К примеру, в смартфонах, фитнес-браслетах, планшетах, ноутбуках, экранах TV или мониторах. Для первых трех — технология положения используется в нише создания шагомеров или в качестве управляющей функциями аппарата опции. Доступно и позиционирование с участием детектора отображаемых элементов мобильного устройства. Остальные перечисленные, довольствуются определением текущей ориентации выводящего изображение экрана. В случае ее изменения, соответственно будет подстроен и формат — книжный (широкий) или альбомный (узкий) тип подачи картинки на текущий дисплей.
Есть еще одна ниша в быту, где властвуют аппараты, определяющие ускорение и положение в пространстве. Речь идет об игровых контроллерах, которые, на современных приставках, осуществляют действие не только от нажатия на кнопку, но и по вибрации джойстика или его наклона.
Встречаются акселерометры и в автомобильных регистраторах. Они включают запись событий в моменты резких остановок, экстренного торможения или изменения положения кузова. Последнее актуально для тех случаев, когда машина вылетает с дороги, обо что-то ударяется, а также переворачивается на бок или крышу.
В любом варианте использования, для аппаратов, определяющих положение, применяют два вида сенсоров — акселерометр или гироскоп. Каждый из которых, обладает своими плюсами и минусами. В настоящее время, сама механика каждого из перечисленных датчиков, упакована внутрь небольших микросхем. Хотя, в своей основе, — принцип их действия остается неизменным еще с XIX века. Именно тогда, давно известные физические свойства, относящиеся к механизмам, определяющим положение в пространстве, получили свое официальное наименование.
Редко, но встречаются случаи, участия обоих типов сенсоров — гироскопа и акселерометра в схеме одного устройства. Чаще используется какой-либо один из них, так как он, почти в полном объеме, выполняет функции другого. Хотя есть и небольшие различия, делающие применение аналогичного по возможностям датчика, но работающего на других физических основах, — в некоторых случаях невозможным.
Гироскоп
Изобретение устройства приписывается Иоанну Бонненбергеру, как первому человеку, описавшему механический гироскоп. Но, еще задолго до него, люди обращали внимание на поведение обычного волчка (юлы) — вращаясь, он всегда сохраняет одно положение, вне зависимости от действия сторонних сил. То есть, единовременный наклон плоскости, на которой находится крутящийся маховик не оказывает на его положение никакого влияния. В основе работы механического гироскопа заложен тот же принцип. Ротор, закреплен в корпусе на две подвижные рамы, позволяющие изменять его положение в пространстве по всем осям ординат. Вращаясь, он будет сохранять свой изначальный наклон, вне зависимости от угла смещения основы, на которой закреплена конструкция. Обусловлен этот фактор действием кориолисовой силы.
Чем выше оборот маховика и его вес, тем более устойчив гироскоп к внешним факторам изменения положения. С другой стороны, тем больше его размер. Современные устройства настоящего типа миниатюрны и представляют собой относительно небольшую микросхему с гранями менее сантиметра длинной. Наклон в таких приборах выявляется уже не положением маховика в подвижной раме, а местонахождением миниатюрного вибрирующего грузика по трем осям. Описанная система более надежна, чем ее классический вариант. Кроме того, результирующий чувствительный прибор очень мал. Впервые, для рынка мобильных устройств, гироскоп в составе МЭМС микросхемы стал доступен в смартфоне Apple iPhone 4s.
Акселерометр
Изначальным датчиком, определяющим положение в пространстве для устройств, был акселерометр, еще называемый G-сенсором. В состоянии покоя, он позволяет приблизительно, вычислить угол наклона детектора относительно вектора силы тяготения земли. Но основная функция устройства — определение ускорения движения.
В своей конструкции, акселерометр представлен грузом, закрепленным на подвижном основании и установленным вдоль пути возможного перемещения. При ускорении маятник будет смещаться на расстояние, зависящее от силы воздействия.
Практическое применение прибора с одним определяемым вектором направления — бессмысленно. Обычно используют датчики акселерометров с тремя линиями чувствительности воздействия, упакованные, как, и в случае гироскопов внутрь МЭСМ микросхем.
Рассматривая детектор со стороны внутренних электрических принципов работы, можно заметить, что чаще встречаются сенсоры ускорения емкостного или пьезоэлектрического действия.
Недостатки и преимущества
Гироскоп и акселерометр похожи по возможностям, тем не менее, отличаются определяемой характеристикой. В первом случае — положение, для второго — направление воздействия силы. Поэтому функциональность их востребована немного в разных жизненных областях. Рассмотрим их возможности, в разрезе плюсов и минусов.
Акселерометр
- Быстрое определение изменения действия вектора силы. Хорош в качестве датчика ускорения.
- Проще конструктивно и дешевле гироскопа.
- Положение относительно земли определяет неточно. Сильно зависит от воздействия гравитации. Дает показания, требующие введения коэффициента поправки в зависимости от текущего места и воздействия внешних факторов.
- Чувствителен к сторонней вибрации.
- Не может производить измерение угла наклона при ускорении. Требует для получения данных момент покоя.
Наиболее часто используется в обыденной жизни для автомобильных регистраторов, систем безопасности хрупкого оборудования, мобильных телефонов и планшетов, игровых контроллеров, фитнес-браслетов. Популярен за счет низкой цены, малого размера и надежности.
Гироскоп
- Точен в определении углов наклона по всем трем осям XYZ, или как их еще называют — крена, тангажа и рысканья.
- Нулевое направление, от которого и выполняются измерения, не зависит от притяжения земли и может быть любым.
- Практически не подвержен влиянию внешних факторов или сторонних сил. К примеру, работа устройства полностью, или по большей части, игнорирует вектор и состояние окружающего магнитного поля.
- Не может определять ускорение.
- Сложность конструкции увеличивает конечную стоимость устройства.
- Время определения смены положения выше, чем в случае акселерометра.
Для гироскопов характерной нишей применения становятся системы равновесия транспортных средств, включая водные, воздушные и космические. Ими же оснащают качественные мобильные аппараты и всю электронику контролирующую изначальное положение в пространстве механизмов или производственных линий.
Как определить установленный тип датчика для мобильного устройства
В смартфоне или планшете определить, какой именно сенсор установлен — гироскоп или акселерометр очень просто, даже без использования специфичных программ. Достаточно включить «поворот экрана» и потрясти устройство вверх-вниз, влево-вправо, не переворачивая его в действительности. Если экран сменит ориентацию, значит детектором выступает акселерометр. Если нет — гироскоп. Все дело именно в отличии определяемых сил. Если ускорение без покоя в случае акселерометра – процессор устройства «решит», что произошел поворот. Гироскопу тряска безразлична.
Точно помогут определить вид детектора и его модель специальные программы. К примеру, Sensor Box For Android, AnTuTu Benchmark, AIDA64.
Использование акселерометра или гироскопа с микроконтроллерами
Отдельно стоит упомянуть датчики положения, используемые в DIY- проектах. Речь идет об их вариантах, разработанных для совместного использования с Arduino или Raspberry PI.
С помощью подобных сенсоров и контролера можно определять текущее положение роботов или подвижной техники в пространстве. Доступно и вычисление текущей скорости. Для чего берется за основу импульсы изначального ускорения и характеристики торможения. Далее математически вычисляется текущее значение параметра. Причем крайний вариант применения не требует установки механической связи с подвижными частями подвески аппарата. В некоторых случаях, настоящее действие может быть затруднено к исполнению.
Резюмируя
Датчики положения для техники делятся на акселерометры и гироскопы. Первые определяют ускорение, воздействующее на сенсор, вторые его угол наклона в пространстве. Акселерометры можно использовать и в качестве гироскопа, вычисляя текущий поворот детектора относительно вектора земного притяжения. К сожалению, точность настоящих измерений будет низкой и сильно зависеть от сторонних факторов. Включая то, что для определения текущего положения датчика ускорения — под углом, стоя или лежа, требуется чтобы он находился в состоянии покоя. Для гироскопов последнее не критично.
Что такое гироскоп в смартфоне, для чего нужен и отличие от акселерометра
Для каждого современного смартфона обычным делом является оснащение различными датчиками. К примеру, в смартфонах датчики отвечают за освещенность, приближение, магнитометрию, ускорение, приближение, измерение расстояния. Кроме того, смартфоны оснащаются акселерометрами и гироскопами. Вот о последнем мы и поговорим, поскольку многих интересует – что такое гироскоп, который зачастую работает в тандеме с акселерометром, а также – как им пользоваться?
Примечательно, что гироскоп был изобретен еще в середине XIX столетия французским ученым Леоном Фуко. С помощью изобретенного им гироскопа Фуко проводил наблюдения суточного вращения Земли. Что касается современных гироскопов, они применяются не только для того, чтобы определить вращение тела. Их основное предназначение – определить угол отклонения определенного тела по отношению к плоскости. Очень часто в смартфонах гироскоп работает в паре с акселерометром, благодаря чему можно отслеживать и фиксировать движение, причем в данном случае это касается трехмерного пространства.
Интересно, что первый смартфон, в спецификациях которого фигурировал гироскоп, стал «яблочный» гаджет iPhone 4. А, поскольку очень часто компания Apple выступает в роли законодателя моды, многие производители мобильных аппаратов подхватили идею и стали также оснащать свои смартфоны гироскопом. Справедливости ради стоит заметить, что применение гироскопа является не просто трендом, когда практическая польза вызывает сомнение. Применение гироскопа на самом деле привнесло пару совершенно новых и интересных возможностей. Как уже было сказано, в смартфонах гироскоп как правило применяется вместе с акселерометром, благодаря чему устройство становится более чувствительным к изменению положения, к примеру, это касается наклона, поворота и прочих даже самых незначительных движений. Такое оснащение с определенным программным обеспечением может обеспечить защиту смартфона во время его падения или удара.
Рентген гироскопа в iPhone 4
Кроме того, чтобы можно было полноценно взаимодействовать с гарнитурой виртуальной реальности гироскоп является просто незаменимой вещью, поскольку с его помощью происходит определение движения смартфона во всех направлениях. Иными словами, для того, чтобы нормально взаимодействовать с виртуальной реальностью, необходимо точное определение человека в пространстве, для чего собственно и нужен гироскоп. И, несмотря на то, что на сегодняшний день даже недорогие аппараты оснащена акселерометром, но для работы с приложениями виртуальной реальности его датчиков недостаточно по причине многих погрешностей и невозможности определения поворотов и движения в горизонтальной плоскости. Для наиболее эффективного погружения в виртуальную реальность требуется как акселерометр, так и гироскоп.
По своей сути, гироскоп в смартфоне является микроэлектромеханическим преобразователем угловых скоростей в электрический сигнал. Иными словами, в способность гироскопа входит расчет изменения угла наклона по отношению к оси в процессе поворота смартфона. Гироскоп относится к такому типу микроэлектромеханических систем (МЭМС), в которых присутствует как механическая, так и электронная часть. Размер такого чипа в среднем достигает нескольких миллиметров или даже меньше.
Между тем, современные мобильные аппараты оснащены гироскопом в основном для того, чтобы улучшить качество игры. Чтобы играть в гонку или другую игру на смартфоне уже не нужны виртуальные джойстики. Управление автомобилем или вертолетом можно осуществлять, просто изменяя положение смартфона в пространстве – наклоняя его вправо или влево, на себя или от себя, а также вперед или назад, держа его горизонтально. Гироскоп также умеет определять скорость, с которой аппарат перемещается. К примеру, для того, чтобы управлять игрой, можно воспользоваться не только поворотом смартфона, но и скоростью поворота. Благодаря этому не только играть, но и управлять смартфоном в целом можно более точно и удобно.
Вдобавок ко всему, гироскоп в смартфоне можно использовать для того, чтобы определить текущее местоположение на местности. С помощью смартфона, в оснащение которого входит гироскоп удобно определять направленность движения. В частности, это можно сделать с помощью GPS-навигации, когда карту можно повернуть в нужную сторону. Это можно сделать, просто повернувшись со смартфоном в руках в нужную сторону по отношению к искомому объекту, например, населенному пункту – карта также повернется в нужную вам сторону. Познавательную статью о том, какая разница между GPS и A-GPS вы найдете на нашем портале.
Чем отличается акселерометр от гироскопа
Между тем, раз уж мы упомянули об акселерометре, не вдаваясь в лишние подробности, коротко отметим, в чем заключается основное отличие акселерометра от гироскопа. Если коснуться основных отличий акселерометра и гироскопа, то стоит упомянуть о принципе их работы. В случае с гироскопом происходит вычисление угла наклона по отношению к земле, в то время как в возможности акселерометра входит подсчет собственного ускорения, также – относительно к земле. Как показывает практика, оба этих аппаратных компонента могут служить как поодиночке – хотя в некоторых случаях недостаточно эффективно – так и дополнять друг друга. Поэтому на сегодня подавляющее большинство смартфонов получают в оснащение как гироскоп, так и акселерометр.
В заключение стоит отметить, что некоторые пользователи предпочитают отключить гироскоп на смартфоне. Обусловлено это тем, что многие программы могут реагировать на изменение положение в пространстве с некоторым запозданием. Например, при просмотре картинок или фотографий, ориентация страницы может меняться при малейшем изменении положения тела, что может нервировать.