Что такое гироскоп и акселерометр

#Датчики_телефона #Датчики_планшета Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка.

Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики в телефонах, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения.

Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс. Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов.

Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.

Датчиками называются различные устройства, считывающие дополнительную информацию. Данные решения делают работу с телефоном, планшетом или другим гаджетом удобнее и добавляют устройству функциональности.

Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка.

Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения.

Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.

Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.

Основные датчики в смартфонах и планшетах

Акселерометр

(accelerometer, датчик ориентации, датчик ускорения) – самый простой датчик, который встречается в любом смартфоне или планшете. Служит, в основном, для регистрации поворота смартфона из портретной ориентации в ландшафтную. Часто, именно акселерометр называют G-Sensor.

Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению — когда и в какую сторону повернуть экран.

Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра – если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. Здесь на помощь приходит следующий датчик.

Что такое гироскоп и акселерометр Что такое гироскоп и акселерометр

Гироскоп

(gyroscope) – также служит для регистрации положения устройства в пространстве, но, в отличие от акселерометра, может регистрировать угол наклона по трем осям даже неподвижного устройства.

С помощью гироскопа в играх повышается точность, поскольку разработчикам будет доступна информация об отклонении устройства в градусах с погрешностью всего в 1-2 градуса. Многие считают, что даже недорогие смартфоны и планшеты оснащены гироскопом.

Однако наш эксперимент показал, что недорогие смартфоны и планшеты не могут похвастаться наличием гироскопа – только акселерометр. Вот несколько смартфонов и планшетов, где гироскоп обнаружить не удалось: Samsung Galaxy E5Что такое гироскоп и акселерометр Samsung Galaxy A5Что такое гироскоп и акселерометр Samsung Galaxy Tab 4 7.0Что такое гироскоп и акселерометр Prestigio MultiPad Ranger 8.0Что такое гироскоп и акселерометр

Гироскоп мы также не обнаружили в LG G3 Stylus, LG G3 S, Samsung Galaxy A5, Galaxy E5, ZTE Blade GF3, Sony Xperia M4 Aqua, Sony Xperia C4

А вот, где есть пресловутый датчик:

Samsung Galaxy S IIIЧто такое гироскоп и акселерометр Samsung Galaxy Note 3Что такое гироскоп и акселерометр OnePlus OneЧто такое гироскоп и акселерометр

Гироскоп мы также обнаружили в Samsung Galaxy S III DUOS, Galaxy S5 mini, LG NEXUS 5. И не стоит сомневаться, что гироскоп и солидный набор других датчиков содержится в ТОПовых решениях вроде Samsung Galaxy Note Edge, Galaxy S 6, Galaxy A7, Sony Xperia Z3+, LG G4 и других лучших современных смартфонах.

Удивительно, но в LG G4S и Asus FonePad 8 (про который мы уже писали — подробный обзор Asus FonePad 8) гироскопа в списке датчиков не видно, зато полно вспомогательных сенсоров:

LG G4SЧто такое гироскоп и акселерометр Asus FonePad 8

Справедливости ради, нужно отметить, что вспомогательные датчики, рассмотренные нами в самом конце статьи, могут нивелировать отсутствие гироскопического датчика, но, мы полагаем, не полностью.

Геомагнитный датчик

(geomagnetic field sensor, магнитометр) – датчик, реагирующий на магнитные поля земли. С его помощью можно определить стороны света, поэтому часто его называют электронный компас.

В частности, наличие такого датчика сильно поможет устройствам без модуля GPS определить местоположение (не без помощи WiFi и вышек сотовой связи, разумеется).

Магнитометр – один из ключевых датчиков, который совместно с акселерометром и гироскопом даёт возможность разработчикам использовать устройство на полную мощность.

Иногда, для еще большего повышения точности, добавляют дополнительные аппаратные датчики схожей, но упрощенной функциональности вроде Geomagnetic Rotation vector sensor. Естественно, магнетометр можно использовать по прямому назначению: в качестве металлоискателя, для поиска проводки в стенах, в качестве компаса — ищите в магазинах приложений нужное.

Некоторые приложения для смартфонов, использующие геомагнитный датчик

Датчик приближения

(proximity sensor) – датчик позволяет определить предмет перед собой и расстояние до него. Представляет собой инфракрасный излучатель и приёмник. Когда на приемник не поступает излучения – предмета нет, а когда поступает – предмет, от которого отражается луч, есть.

Этот датчик даёт возможность отключить дисплей, когда вы приблизили ухо к смартфону для совершения звонка. Продвинутые версии датчика используются в качестве датчика жестов (gesture sensor) – смартфон может распознать определенные жесты рук и совершить заданное действие.

В некоторых случаях, датчик приближения может быть использован для отключения дисплея при использовании чехла (дешёвая альтернатива датчику Холла).

Датчик освещенности

(light sensor, датчик света) – позволяет вычислить уровень внешней освещенности.

Смартфон или планшет с датчиком освещенности способен самостоятельно повышать или снижать уровень яркости подсветки экрана, что очень удобно, поскольку регулировать яркости по нескольку раз в день не самое приятное занятие.

В ТОПовых смартфонах и планшетах , может применяться продвинутая версия датчика освещенности – RGB сенсор, который способен уловить интенсивность основных цветов (красный, зеленый и синий) для дальнейшей настройки картинки на дисплее или для корректировки баланса для фотографирования.

Такой датчик можно найти в Galaxy Note 3, например. А в Galaxy Note 4 функционал датчика света расширился до измерения не только в видимом диапазоне, ни в ультрафиолете. Таким ультрафиолетовым сенсором можно измерить уровень излучения и определить пригодное для загара время суток.

Заключение по основным датчикам

Итак, наличие у смартфона или планшета исключительно акселерометра говорит о том, что это устройство самого низкого ценового диапазона и умеет только «вращать экран». Это удел дешевых смартфонов и планшетов.

Конечно, есть вероятность, что производитель не дал вменяемой информации о типах используемых датчиков – в этом случае нужно начинать читать обзоры, в которых подробно изучается аппаратная начинка устройства с помощью приложения System Info for Android, к примеру.

Наличие у смартфона акселерометра, геомагнитного датчика, датчика приближения и освещенности, говорит о его достаточной оснащенности, но он все еще не очень хорош для управления квадракоптером или игр, где управление наклоном/поворотом возложено на перемещение смартфона пользователем. Эту проблему решает гироскоп – устройства с гироскопом точно отслеживают малейшие отклонения.

Наличие всех вышеперечисленных сенсоров, большого набора вспомогательных датчиков (рассмотрены в конце статьи) и большинства нижеперечисленных сенсоров свидетельствует в пользу того, что перед вами продвинутый аппарат, использование которого станет удовольствием, а его возможности превзойдут все ваши ожидания – это лучшие планшеты и смартфоны.

Датчики в дорогих смартфонах и планшетах

Датчик Холла

(Hall sensor) – улавливает магнитное поле, как магнитометр, но имеет простой принцип действия, то есть реагирует только на усиления поля, а не регистрирует напряженность по осям.

Применяется для использования обложек типа Smart Cover – позволяет отключать экран при приближении к нему встроенного в обложку магнита.

Этот сенсор указывается производителями редко, поэтому обращайте внимание на доступные аксессуары для смартфона или планшета – если среди них есть «умный чехол», то датчик Холла присутствует.

Барометр

(pressure sensor) – датчик, измеряющий атмосферное давление. Может применяться как по прямому назначению, так и в качестве помощника модулям GPS/ГЛОНАСС для ускорения определения местоположения устройства и высоты над уровнем моря (альтиметр).

Термометр

(ambient temperature sensor) – датчик температуры окружающей среды. Впервые появился у Galaxy S4 для улучшения работы приложения S-Health, но теперь применяется во множестве других дорогих смартфонов.

Датчик влажности

(гигрометр) – также впервые появился в Galaxy S4 в качестве расширения функционала S-Health.

Шагомер

(педометр, step detector) – говорящее название сенсора намекает, что он определяет шагнул человек или нет.

Это действительно отдельный сенсор, позволяющий точнее определить шаги и уменьшить нагрузку на акселерометр, который является шагомером в большинстве смартфонов без выделенного сенсора.

В помощь шагомеру иногда добавляются Step Counter sensor и, даже, pedestrian activity motion sensor – счетчик шагов и датчик активности пешехода (вероятно, оценивает темп ходьбы). Такой датчик есть, например, в LG Nexus 5 и Galaxy Note 3.

Сканер отпечатков пальцев

(fingerprint sensor, Touch ID) – сенсор, считывающий уникальный рисунок отпечатка пальца.

Странно видеть сканер отпечатков в статье про датчики – его лучше было бы отнести к разделу статьи про обеспечение безопасности устройства. Однако этот сенсор по праву может считаться одним из важнейших датчиков современного смартфона.

С его помощью можно не только обезопасить свой смартфон, но также применять для открытия определенных приложений или подтверждения платежа.

Сканер сетчатки глаза

(retina scanner) – считыватель уникальной сетчатки глаза, это первое место пьедестала обеспечения безопасности. Такой датчик уже давно на слуху, но его практической реализации в смартфонах или планшетах, пока что, замечено не было.

Датчик сердцебиения

(измеритель пульса, пульсометр) – впервые появился в Galaxy S5 для того, чтобы смартфон окончательно стал полноценным персональным тренером. Приложение S-Health стало получать больше данных о человеке до, во время и после тренировок и смогло давать более точные персональные рекомендации.

Датчик насыщения крови кислородом SpO2

– это совершенно уникальный датчик, который выводит смартфон в лигу медицинского оборудования. Появился в Galaxy Note 4 и совмещен с датчиком сердцебиения. Опять же, заточен под приложение S-Health, но может работать и с другими приложениями, если таковые появятся.

Дозиметр

— определяет дозу ионизирующего излучения или его мощность. Иными словами, можно измерить радиоактивный фон. Вживую, аппарат со встроенным дозиметром мы не встречали, но поговаривают, что в Японии есть смартфон Pantone 5, оснащенный этим датчиком. Мы не удивлены.

Вспомогательные датчики, которые можно встретить во многих смартфонах и планшетах

Иногда, для еще большего повышения точности, добавляют дополнительные аппаратные датчики схожей, но упрощенной функциональности (вы могли видеть их на представленных выше скриншотах).

  • Orientation sensor — вспомогательный датчик ориентации;
  • Gravity sensor — указывает направление и величину силы тяжести;
  • Linear acceleration sensor — указывает ускорение вдоль каждой из трёх осей, не учитывая величину силы тяжести;
  • Rotation vector sensor — указывает на какой угол отклонилось устройство при вращении вокруг одной из трёх осей;
  • Game rotation vector sensor — то же самое, что Rotation vector, но без учета геомагнитного поля;
  • Motion detector sensor — датчик движений, определяет некоторые заданные движения, вроде встряхивания;
  • Gestures sensor — вспомогательный датчик определения жестикуляции;
  • Facing sensor — вспомогательный датчик отслеживания лица;
  • Double-Tap sensor — отслеживает только двойной клик по экрану. Применяется, в том числе, в смартфонах LG для разблокировки устройства с помощью экрана;
  • Screen orientation sensor — отслеживает только поворот экрана, а не всего устройства.

Наверняка существуют и другие датчики, но секреты их применения все равно знают только разработчики операционных систем и другого программного обеспечения.

Гироскоп или акселерометр?

После выхода iPhone 4 многие много внимания было уделено новому дисплею, корпусу и прочим важным вещам. И лишь мимоходом отметили замену акселерометров на гироскопы для улучшения управления в играх.

В своей статье для «Компьютерного обозрения» я отметил этот момент, в следствие чего даже консультировал одного из читателей.

Почему бы не уделить этому моменту внимание и не разобраться зачем одни датчики были заменены на другие и чем они собственно отличаются?

Начнем с того, что и акселерометры и гироскопы являются инерционными датчиками. Акселерометры (лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — приборы, предназначенные для имерения проекции кажущегося ускорения.

Простейшая модель акселлерометра

В данном случае русская Википедия дает на удивление неплохое определение. В случае с мобильными телефонами датчики реагировали на изменение вектора ускорения свободного падения и все последующие действия исходили из этого.

Что такое гироскоп и акселерометр

Условная схема определения положения устройства в пространстве с применением двух акселлерометров

Точность в результате была довольно низкой, так как угол поворота устройства в пространстве напрямую измерить таким образом невозможно, лишь примерно оценить. На практике это выражалось в задумчивости поворота экранов, ложных срабатываниях и т.д. Какие же преимущества дает гироскоп и чем он собственно отличается?

Определение на Вики настолько далеко от общего, что обратимся к первоисточнику.

Что такое гироскоп и акселерометр

Впервые определение гироскопу дал Леон Фуко, назвавший так свой прибор, с помощью которого он наблюдал суточное вращение Земли.

В Большой Советской Энциклопедии приводится следующее «Гироскоп — быстро вращающееся твердое тело, ось которого может изменять свое направление в пространстве».

В современных гироскопах могут происходить разнообразные физические процессы, не обязательно основанные на вращении твердого тела. Хотя и классические гироскопы все еще применяются.

Что такое гироскоп и акселерометр

Примеры гироскопов. Банальный волчок по своей природе является гироскопом.

Примером классического гироскопа является ротор в кардановом подвесе. При вращении ротора он будет сохранять неизменным свое положение в пространстве независимо от движения основания.

Таким образом можно измерять угол поворота основания, а соответственно и корабля/самолета etc.

Именно по гирокомпасам ходят суда и летают самолеты, не полагаясь на примерные показания магнитного компаса, особенно в полярных широтах, а данные о положении самолета в пространстве получаются с гировертикали и гирогоризонта.

Что такое гироскоп и акселерометр

Естественно, классический гироскоп не может применяться в электронике. Для этого используются вибрационные микромеханические гироскопы — датчики угловой скорости.

Чувствительный элемент таких приборов закреплен, при попытке его поворота возникает кориолисова сила, пропорциональная угловой скорости.

Не вдаваясь в подробности работы, которые вряд ли будут кому-то интересны скажем, что выходным сигналом ДУС является напряжение, пропорциональное угловой скорости. Такие датчики имеют небольшие габариты (около 10x10x2 мм) и могут быть легко интегрированы в печатную плату.

Мировым лидером в производстве таких датчиков является компания Analog Devices, датчик которой изображен на рисунке. Можно с большой долей вероятности утверждать, что именно датчики этой компании установлены в iPhone 4.

Преимущества очевидны. В любой момент времени можно знать положение телефона в пространстве. В играх для управления можно использовать не только поворот устройства, но и скорость поворота, что позволяет организовать более точное и реалистичное управление.

Надеюсь, этот небольшой экскурс в теорию и практику гироскопов вас не утомил, а лишь еще раз подчеркнул, что современный мобильный телефон крайне сложное устройство, в котором применяются технологии ранее доступные только авиационной и космической промышленности. А мы тем временем не брезгуем ими открывать пивные бутылки.

Изображения датчиков взяты с сайта представительства Analog Devices в СНГ и странах Балтии

Что такое гироскоп в смартфоне и зачем он нужен?

Что такое гироскоп и акселерометр

Множеством интересных функций и датчиков оснащены смартфоны и другие мобильные устройства. Одним из ведущих модулей является гиродатчик или гироскоп.

Диковинная новинка в девайсе, выполненная на основе микроэлектромеханической системы, сделала большой рывок в усовершенствование функционала и завоевала большую симпатию среди пользователей.

Происхождение слова «гироскоп» имеет давнюю историю. Оно расшифровывается как словосочетание «круг» и «смотрю».

Родоначальником древнегреческого изречения был французский физик Леон Фуко. В XIX веке он занимался исследованием суточного вращения Земли, и этот термин подошёл для нового устройства как нельзя кстати.

Гиродатчиками пользуются авиакомпании, судоходство, космонавтика. Компания Apple, производитель современных мобильных телефонов, первой взяла за основу данный функционал и внедрила его в iPhone 4.

Несмотря на то, что видео ниже на английском языке, демонстрация технологии от Стив Джобса понятна без перевода.

Теперь, для того чтобы ответить на входящие звонки или полистать страницы электронной книги, достаточно только встряхнуть телефон. За счёт устройства быстро просматриваются фотографии и другие изображения, меняется музыка.

Новое приложение у смартфона iPone под названием CoveFlow позволило использовать калькулятор. Теперь легко выполняются такие функции, как деление, умножение, сложение и вычитание.

При повороте телефона на 90° данная функция машинально переключается на развёрнутый функционал со множеством сложных математических действий.

Наряду с легкими функциями разработчики внедрили в устройство более сложные программные обеспечения.

Например, в некоторых операционных системах при помощи встряхивания телефона запускается обновление для Bluetooth или запускается специфичная программа по измерению углов наклона и уровня.

Гироскоп прекрасно учитывает скорость перемещения, и определяет местоположение человека на незнакомой местности.

С технической точки зрения, гироскоп довольно сложное устройство. При его разработке, за основу взяли принцип работы акселерометра, который представляет из себя колбу с пружиной и грузом внутри.

На одной стороне пружины закреплен груз, а вторая сторона пружины зафиксирована на демпфере для гашения колебания.

При встряхивании (ускорении) измерительного прибора, прикрепленная масса движется и приводит в напряжение пружину.

Что такое гироскоп и акселерометр

Такие колебания можно представить в виде данных. Если расположить три таких акселерометра перпендикулярно, то можно получить представление о том, как расположен предмет в пространстве.

Поскольку технически расположить такой громоздкий измерительный прибор в смартфоне невозможно, то принцип работы оставили тот же, но груз заменили инертной массой, который расположен в очень маленьком чипе.

При ускорении, меняется положение инертной массы и таки образом рассчитывается положение смартфона в пространстве.

Что такое гироскоп и акселерометр

С помощью GPS-навигации на дисплее появляется карта, которая фиксирует аналогичное направление объектов при любом повороте тела. Другими словами, если вы повернулись лицом к реке, то она автоматически отобразится на карте.

При развороте на 180 градусов к водоему мгновенно происходят аналогичные изменения на мониторе. С использованием этой функции упрощается ориентировка на местности. Особенно это важно людям, занимающимся активными видами отдыха.

Благодаря точному учёту скорости перемещения управление смартфоном становится более удобным и гармоничным. Зачастую используют гироскопы на Андроид любители компьютерных игр — геймеры. Уникальное устройство в девайсе молниеносно превращает картинки в реальность. Особенно правдоподобными становятся гонки, симуляторы, стрелялки, Pokemon Go.

Достаточно изменить положение смартфона и скорость поворота, то езда на виртуальном автомобиле покажется вам реальной. Герои на дисплее точно направят автомат, нацелят пушку, повернут руль, поднимут в воздух вертолёт, убьют врага. Карманные монстры не будут прыгать по виртуальной траве, а станут двигаться по настоящему миру в видимой области встроенной камеры.

Конечно, это далеко не весь перечень положительных характеристик, присущих Android смартфонам и iPhone. Перечислять приятные и удобные моменты можно бесконечно.

Однако не все пользователи оценили универсальные качества по достоинству. Одни предпочли отказаться от гироскопа в новом смартфоне, другие просто отключили его. И этому есть своё объяснение.

Среди многочисленных плюсов бывают малозаметные минусы.

  1. Из недостатков следует выделить установку отдельных приложений, реагирующих с незначительным опозданием на изменения положений в пространстве. Вроде бы сущий пустяк, но наличие этого сенсора доставляет определённые неудобства пользователю смартфона. Особенно заметны недостатки при чтении электронной книги лёжа. Читающий меняет позу, в это же время, связанный с устройством гиродатчик изменяет положение странички. Приходится в срочном порядке перенастраивать её ориентацию.
  2. Производители смартфонов на своих презентациях в большинстве случаев умалчивают о наличии важного датчика. При покупке новой модели присутствие гироскопа можно обнаружить в технических характеристиках гаджета в перечне датчиков. Есть и другие способы, например, установка клиента YouTube, позволяющая быстро установить функционал. Использование приложения AnTuTu Benchmark, Sensor Sense также устанавливает встроенный гиродатчик или его отсутствие.

Современный элемент смартфона работает на постоянной основе. Это самостоятельный датчик, не требующий калибровки. Его не нужно ни включать, ни отключать. Автоматика сделает эту работу за вас. В случае если устройство отсутствует, то вы не сможете играть в виртуальную реальность. Вам просто придётся купить новый телефон со встроенными функциями.

Что такое гироскоп в телефоне и для чего он нужен

Любой современный телефон оснащен несколькими датчиками. Как правило, это датчик освещенности, приближения, расстояния, магнитометрический датчик, термальный датчик ускорения, акселерометр (G-сенсор) и гироскоп (гиродатчик). Все они относятся к группе МЕМS – микроэлектромеханические системы.

Вовсе не обязательно, что весь этот набор присутствует в каждом смартфоне, но во многих. Попробуем детально рассмотреть, что такое гироскоп в телефоне и чем он отличается от акселерометра. Название произошло от двух древнегреческих слов, которые переводятся как «круг» и «смотрю». Бытует заблуждение, что гиродатчик – и есть акселерометр. Нет, это не так.

Их функции, конечно, схожи, но приборы все-таки разные. Разберем почему.

Что такое гироскоп и акселерометр

Название произошло от двух древнегреческих слов, которые переводятся как «круг» и «смотрю». Бытует заблуждение, что гиродатчик – и есть акселерометр. Нет, это не так. Их функции, конечно, схожи, но приборы все-таки разные. Разберем почему.

Функции гироскопа в телефоне

Гиродатчик – сенсорный датчик, фиксирующий положение объекта в пространстве относительно трех плоскостей, а акселерометр – это прибор, который измеряет проекцию кажущегося ускорения.

Так, если акселерометр в телефоне отвечает, в основном, за поворот изображения дисплея, то гиродатчик – за мелкие движения в любой плоскости.

И конечно, если в мобильном устройстве присутствуют оба эти датчика, то чувствительность к самым мелким и быстрым движениям (наклонам, поворотам) намного увеличивается.

Что такое гироскоп в телефоне понятно, а для чего он нужен? Использование гиродатчика в смартфоне открыло перед пользователями совершенно новые и интересные возможности. И пионерами здесь стали владельцы iPhone.

Например, простым встряхиванием можно ответить на входящий звонок, листать картинки или страницы электронной книги, можно менять прослушиваемый трек на следующий, ставить паузу и запускать вновь.

При встряхивании iPhone открывается меню, в котором можно выбрать отмену последнего действия или возврат последнего отмененного.

Кто и как использует гироскоп в телефоне

Главный пользователь этого сенсора – это, конечно, геймер. Его наличие переводит процесс игры в другое качество. С ним можно управлять не только поворотами, но и скоростью поворотов. Любое движение героя на дисплее становится более точное, реалистичное.

Этот датчик совершенно необходим для гонок, стрелялок, симуляторов и т.д. Именно он помогает нацелить пушку, повернуть руль автомобиля или управлять вертолетом. С его помощью прыгают пингвины, злые акулы и другая живность.

И вообще, наличие этого сенсора делает пользование смартфоном намного приятнее и удобнее.

Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры

Наука и технологииСами того не подозревая, мы каждый день пользуемся акселерометрами, магнитометрами и микрофонами, которые имеются в наших мобильных устройствах. Но как же устроены эти миниатюрные датчики? Об этом читайте в нашем материале.

Что же такое МЭМС (MEMS)? Под этой аббревиатурой скрывается название «микроэлектромеханические системы» (Microelectromechanical systems). Они представляют собой миниатюрные устройства, содержащие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Само название МЭМС, скажем прямо, совсем не на слуху у пользователей. Однако каждый день мы пользуемся множеством девайсов, основанных на базе этих решений. Самым простым примером микроэлектромеханической системы может служить акселерометр, который используется во всех современных смартфонах, игровых консолях и жестких дисках. Однако существует множество других систем, применение которых отнюдь не ограничивается потребительской электроникой. Решения на основе МЭМС находят применение в автомобильной промышленности, военной отрасли, а также медицине.

Для начала немного истории. По большому счету, началом развития МЭМС можно считать 1954 год. Именно тогда был открыт пьезорезистивный эффект кремния и германия, который лег в основу первых датчиков давления и ускорения.

Через 20 лет — в 1974 году — компанией National Semiconductor впервые было налажено массовое производство датчиков давления.

А в 1990-х годах рынок микроэлектромеханических систем значительно вырос благодаря началу использования различных миниатюрных сенсоров в автомобильной электронике.

MEMS-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров. Составные части таких устройств имеют размеры от 1 до 100 мкм, а размеры готовых систем варьируются от 20 мкм до 1 мм.

Источник изображения

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.

В качестве материалов для производства МЭМС могут использоваться как и традиционный кремний, так и другие материалы: например, полимеры, металлы и керамика. Чаще всего механические системы изготавливаются из кремния. Его основные преимущества заключаются в физических свойствах.

Так, кремний очень надежен — он может работать в течение триллионов циклов операций и при этом не разрушаться. Что касается полимеров, то этот материал хорош тем, что его можно производить в больших количествах и, что самое важное, с множеством различных характеристик под конкретные задачи.

Ну а металлы (золото, медь, алюминий), в свою очередь, обеспечивают высокие показатели надежности, хоть и уступают по качеству своих физических свойств кремнию.

Стоит отдельно упомянуть и о таких материалах, как нитриды кремния, алюминия и титана. Благодаря своим свойствам они широко используются в микроэлектромеханических системах с пьезоэлектрической архитектурой.

Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов.

Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung — литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС.

Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы.

Источник изображения

Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического.

Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы «выращиваются» на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок.

И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.

В целом, все МЭМС можно разделить на две большие категории: сенсоры и актуаторы. Различаются они принципом своей работы.

Если задача сенсора состоит в преобразовании физических воздействий в электрические сигналы, то актуатор выполняет прямо противоположную работу, переводя сигнал в какие-либо действия.

Тот же акселерометр является сенсором, а в качестве примера устройства, использующего актуаторы, можно привести DLP-проектор (Digital Light Processing).

Источник изображения

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Самым распространенным МЭМС-устройством является акселерометр. Как уже говорилось выше, сфера его использования чрезвычайно обширна. Она охватывает мобильные телефоны, ноутбуки, игровые приставки, а также более серьезные устройства, такие как автомобили. Само предназначение акселерометра заключается в измерении кажущегося ускорения.

В случае с мобильными телефонами он используется для многих целей. Например, для смены ориентации экрана. Или же выполнения каких-либо функций при «встряхивании» устройства. Кроме этого, не стоит забывать и об играх — они, пожалуй, составляют основную сферу применения акселерометров.

Нынче уже сложно представить «продвинутую» игрушку, в которой не было бы реализовано управление посредством наклона телефона. Одним словом, акселерометр стал неотъемлемой частью смартфонов. Кстати, впервые он был установлен в мобильный телефон Nokia 5500. Благодаря акселерометру телефон можно было использовать как шагомер.

Любители утренних пробежек были в восторге! Но, конечно, только после выхода Apple iPhone акселерометры достигли пика популярности. Да и в целом интерес к MEMS начал расти вместе с развитием платформ iOS и Android.

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках.

Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы.

Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Источник изображения

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

В целом самым большим и перспективным рынком для акселерометров и других МЭМС является автомобильная промышленность. Дело в том, что в отличие от рынка мобильных и игровых устройств, где акселерометры используются в развлекательных целях, в автомобилях на работе акселерометра основываются буквально все системы безопасности.

С их помощью работают система развертывания подушек безопасности, антиблокировочная система тормозов, система стабилизации, адаптивный круиз-контроль, адаптивная подвеска, система Traction Control — и это далеко не полный список! Учитывая, что производители автомобилей уделяют особое внимание безопасности, количество применяемых акселерометров и других МЭМС будет лишь расти.

Источник изображения

Но несмотря на то, что рамки использования акселерометра довольно четко определены, разработчики продолжают думать над тем, в каких еще целях можно применять это устройство.

Например, ученые из Национального института геофизики и вулканологии Италии Антонио Д’Аллесандро (Antonino D'Alessandro) и Джузеппе Д’Анна (Giuseppe D'Anna) предложили использовать акселерометр мобильного телефона как датчик землетрясений.

Очень интересно! Исследования проводились с акселерометром iPhone, и результаты сравнивались с показаниями полноценного датчика землетрясений компании Kinemetrics. Как оказалось, мобильный гаджет способен улавливать сильные землетрясения силой более 5 баллов по шкале Рихтера, но только если он находится вблизи эпицентра подземных толчков.

Результаты не настолько впечатляют, однако ученые уверены: чувствительность акселерометров будет только расти, и в будущем они смогут определять и менее сильные землетрясения.

Остается лишь вопрос: зачем акселерометру телефона измерять силу подземных толчков, когда есть датчики землетрясения? Все дело в том, что ученые ставят своей целью создание в будущем целой сети из смартфонов в сейсмически активных районах. В теории, при землетрясениях данные со смартфонов будут поступать в аналитический центр, что позволит определять наиболее пострадавшие от стихии районы и правильно координировать спасательные операции. Идея более чем интересная и, главное, действительно востребованная в некоторых уголках мира, однако сейчас сложно представить, как она будет реализована на практике.

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе.

Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение.

Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Самым распространенным типом акселерометров являются пьезоэлектрические системы. Так же как и в конденсаторных акселерометрах, в их основе лежит грузик, который давлением воздействует на пьезокристалл. Под давлением он вырабатывает электрический ток, что позволяет рассчитать искомое ускорение, зная параметры всей системы.

Существует и еще один тип акселерометров, который в корне отличается от конденсаторного и пьезоэлектрического. Такие акселерометры называются термальными.

Их архитектура предусматривает использование пузырька воздуха. При ускорении пузырек отклоняется от своего начального положения, и это фиксируется датчиками.

Зная, на сколько сместился пузырек при движении, можно рассчитать величину ускорения.

Еще одним интересным датчиком, часто используемым вместе с акселерометром, является гироскоп. Его основное предназначение заключается в измерении угловых скоростей относительно одной или нескольких осей. Собственно, комбинация акселерометра и гироскопа позволяет отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.

Первым из мобильных устройств, обладающих гироскопом, стал Apple iPhone 4, после чего наличие этой МЭМС стало чуть ли не обязательным требованиям для любого смартфона.

Функциональность гироскопа пользователи смогли оценивать во многих мобильных играх, где вместо одного из двух виртуальных джойстиков появилась кнопка выстрела.

Ну а целиться уже приходилось путем позиционирования смартфона в пространстве, что стало возможно как раз благодаря наличию гироскопа.

Источник изображения

Кроме мобильных устройств, гироскопы присутствуют в контроллерах для игровых приставок PlayStation, Xbox и Wii, где они функционируют вместе с акселерометрами. Также эти системы используются в камерах в целях оптической стабилизации для получения качественных снимков.

Архитектура гироскопов во многом схожа с таковой у акселерометров. Многие из этих устройств имеют конденсаторную структуру. Такой дизайн, например, использует в своих продуктах компания STMicroelectronics.

В основе их гироскопа лежит механический элемент, работающий по принципу камертона и использующий эффект Кориолиса для преобразования угловой скорости в перемещение чувствительной структуры.

Немного поясним этот процесс.

Две подвижные массы находятся в постоянном движении, причем в противоположных направлениях, которые обозначены на рисунке синим цветом. При изменении угловой скорости начинает действовать сила Кориолиса, обозначенная желтым цветом.

При этом направление силы Кориолиса перпендикулярно направлению движения масс. Сила Кориолиса вызывает смещение масс, пропорциональное величине угловой скорости. Поскольку система имеет конденсаторную структуру, то любое смещение вызывает изменение электрической емкости.

И таким образом угловая скорость преобразуется в электрический параметр. Тут же стоит отметить, что благодаря использованию специальных камертонов гироскопы STMicroelectronics нечувствительны к случайной вибрации.

При таком нежелательном воздействии на подвижные массы они обе будут смещаться в одном направлении, тем самым не изменяя емкости конденсатора.

Еще одной интересной микроэлектромеханической системой является магнитометр. Он, как и обычный магнитный компас, отслеживает ориентацию устройства в пространстве относительно магнитных полюсов Земли. Полученная же информация используется в основном в картографических и навигационных приложениях.

В дополнение к магнитометру часто используется МЭМС-барометр. Впервые барометр появился в устройстве Samsung Galaxy Nexus, вышедшем в 2011 году. Опять же, его функциональность ничем не отличается от традиционного — он измеряет атмосферное давление в текущем местоположении устройства.

При этом барометр уменьшает время подключения к системе GPS. Сама же суть работы сенсора заключается в сравнении внешнего атмосферного давления по отношению к вакуумной камере внутри самого датчика.

Это позволяет определять местоположение пользователя с точностью до 50 см по высоте и значительно расширяет возможности навигации пользователя, поскольку также позволяет определить местоположение по вертикали.

К примеру, мобильный телефон с барометром поможет определить ваш маршрут на любом этаже торгового центра, с чем не справляется система GPS, указывая лишь местоположение на плоскости.

Источник изображения

Однако для ориентирования внутри зданий необходимо специальное программное обеспечение. Разработкой такого ПО занимается финская компания IndoorAtlas. Главная идея ориентирования внутри зданий заключается в том, что любое помещение имеет свой уникальный геомагнитный рисунок благодаря различиям в интерьере и архитектурных формах.

Стоит отметить, что ни металлические конструкции внутри помещений, ни электропроводка не мешают правильной работе программы. Одноименное приложение IndoorAtlas на основе геомагнитной составляющей генерирует карту помещения и запоминает ее для дальнейшего использования. Само собой, для полноценного функционирования сервиса необходимо предварительно сгенерировать множество карт.

Эта задача лежит на плечах самих пользователей, и на ее решение, безусловно, уйдет немало времени. По словам разработчиков, на составление геомагнитной карты магазина может уйти до двух часов! Прямо скажем, далеко не каждый захочет потратить столько времени даже в таких полезных целях.

Помимо этого, вызывала вопросы точность позиционирования, однако инженеры IndoorAtlas утверждают: «вы сможете определить свое местоположение с точностью до 2 метров». Неплохо.

Источник изображения

Акселерометр

Схема простейшего акселерометра. Груз закреплён на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменяя показания прибора

Акселеро́метр (лат. accelero — ускоряю и др.-греч. μετρέω «измеряю») — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Отклонение массы от её первоначального положения при наличии кажущегося ускорения несёт информацию о величине этого ускорения.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять проекции кажущегося ускорения на одну, две и три оси.

Некоторые акселерометры также имеют встроенные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершённые системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.

Применение

Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения (если известны величина и направление гравитационного ускорения в данной точке пространства), так и для косвенных[1] измерений проекции гравитационного ускорения (при неподвижности акселерометра в гравитационном поле). Первое свойство используется для создания инерциальных навигационных систем, где полученные с помощью акселерометров измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Таким образом, акселерометры, наравне с гироскопами, являются неотъемлемыми компонентами систем навигации и управления самолётов, ракет и других летательных аппаратов, кораблей и подводных лодок. Второе свойство позволяет использовать акселерометры как для измерения уклонов, то есть в качестве инклинометров, так и в гравиметрии.

Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

Акселерометры используют в системах управления жестких дисков компьютеров для активации механизма защиты от повреждений (которые могут быть получены в результате ударов и падений): реагируя на внезапное изменение ускорения, система отдаёт команду на парковку головок жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.

Акселерометры, встроенные в автомобильные видеорегистраторы, различают тревожные события, такие как резкое торможение, ускорение, столкновение, резкие повороты и вращение. Эти события записываются видеорегистраторами в отдельный файл, помечаются специальным маркером и защищаются от случайного стирания и перезаписи.

В устройствах управления игровых приставок акселерометр, совместно с гироскопом[уточнить], используются для управления в играх без использования кнопок — путём поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, акселерометр присутствует в игровых контроллерах Wii Remote и PlayStation Move.

Кроме того, цифровые акселерометры нашли широкое применение в мобильных устройствах, например, телефонах, планшетных компьютерах и т. п. Благодаря акселерометрам осуществляется управление положением изображения на мониторе мобильного устройства и отслеживание его ориентации относительно направления постоянно действующей силы гравитации Земли[2].

Акселерометр в условиях невесомости

В условиях невесомости истинное ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и потому в точности равно гравитационному ускорению.

Таким образом, кажущееся ускорение отсутствует и показания любого акселерометра равны нулю. Все системы, использующие акселерометр как датчик наклона, прекращают функционировать.

Например, планшетный компьютер не изменяет положение изображения при повороте корпуса[3] .

Параметры

Основными параметрами акселерометра являются:

  • Масштабный коэффициент — коэффициент пропорциональности для линейной зависимости между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом).
  • Рабочий диапазон частот.
  • Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
  • Смещение нуля — разность между показаниями прибора и проекцией гравитационного ускорения на ось чувствительности при нулевом кажущемся ускорении.
  • Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
  • Нелинейность — отклонение зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением от линейной при изменении кажущегося ускорения.

Погрешности

На величину выходного сигнала акселерометра в основном влияют:

  • температура окружающей среды и места крепления акселерометра (температурные погрешности);
  • внешние магнитные поля (погрешности от магнитного поля);
  • вибрация и угловые колебания основания (вибрационные погрешности);
  • частотные характеристики акселерометра (частотные погрешности);
  • гистерезис показаний (одна из составляющих нелинейности).

Примечания

  1. ↑ через силу реакции опоры
  2. ↑ Датчики для навігації (недоступная ссылка)
  3. ↑ The worlds first iPad in zero gravity

Ссылки

  • Интерпретация измерений оптического акселерометра

Гироскоп и батарейка шпионят за вами Как хакеры узнают информацию о пользователях с помощью неочевидных функций телефона — Meduza

Пользователи смартфонов, опасающиеся хакеров и спецслужб, как правило, обращают внимание на работу камер, микрофонов и службы геолокации в их мобильных устройствах. Однако в телефонах есть и другие датчики и элементы, которые могут пригодиться взломщикам. «Медуза» рассказывает, как граждан могут прослушивать через гироскоп, узнавать их пароль с помощью акселерометра и устанавливать местоположение пользователя по разряжающейся батарейке.

Гироскоп можно использовать как «жучок» для прослушки. Конечно, в любом телефоне есть обычный микрофон, но получить к нему доступ для злоумышленника непростая задача. В 2014 году американские и израильские исследователи показали, что гироскопы (датчики ориентации в пространстве) можно превратить в своеобразный микрофон.

Они настолько чувствительны, что способны фиксировать звук человеческого голоса. Данные с гироскопа позволяют достаточно точно идентифицировать голоса отдельных людей в комнате или восстановить отдельные слова. При этом показатели гироскопа доступны практически любому установленному на телефон приложению.

Это значит, что злоумышленнику для прослушки достаточно внедрить в телефон жертвы вредоносное приложение, которое передаст ему данные с нужных датчиков. 

Акселерометр поможет узнать ваш пароль, который вы набираете на компьютере. Представьте, что вы набираете текст на клавиатуре (не сенсорной, а обычной), а телефон положили рядом на стол. Акселерометр телефона (датчик ускорения) способен уловить вибрации от нажатия клавиш.

Гироскоп может «очистить» эти данные от шумов. С помощью специальной программы можно проанализировать вибрации и установить, к каким клавишам они относятся.

Программа попарно сравнивает вибрации и понимает, какая клавиша расположена дальше от телефона, а какая ближе к нему, — и таким образом «восстанавливает» всю или большую часть клавиатуры. 

Таким способом злоумышленник может в том числе выяснить ваш пароль — например, от почтового ящика. Правда, если пароль состоит не просто из отдельного слова, а из случайной комбинации букв, у хакера, скорее всего, ничего не получится.

Но если это какое-то слово или фраза, метод вполне может сработать — в 2011 году такой эксперимент поставили американские исследователи на iPhone 4.

В 2015-м французский студент использовал аналогичный метод для считывания пин-кода — информация была собрана умными часами Sony SmartWatch 3, которые лежали рядом с клавиатурой. 

Батарейка может выдать ваше местоположение. Приложение злоумышленника может обойтись без доступа к данным GPS на вашем телефоне — ему достаточно отслеживать уровень разряда батарейки. Скорость, с которой разряжается телефон, сильно зависит от удаленности сотовых вышек и наличия естественных или искусственных преград вроде гор или зданий.

В 2015 году исследователи выяснили, что эта корреляция достаточно сильная, чтобы отфильтровать другие причины расхода заряда батарейки (вроде приема звонков, фотосъемки или запуска приложений).

Но для того чтобы точно определить перемещения жертвы, злоумышленнику необходимо заранее подробно изучить местность — пройти с телефоном той же модели максимальное количество разных путей.

Батарейка способна помочь сайтам следить за вами.

Браузеры передают сайтам, на которые заходит пользователь, много разной информации: об установленных плагинах, используемых операционной системой, часовом поясе, языке, системных шрифтах, разрешении дисплея.

С помощью этих данных можно довольно точно идентифицировать человека. Существуют даже специальные сервисы для проверки уникальности вашего набора оставляемых браузером «отпечатков». 

В 2015 году французские и бельгийские ученые выяснили, что даже если владелец телефона сначала посетит сайт, а потом разлогинится, удалит все идентификаторы («куки») и будет использовать приватный режим в браузере, его выдаст батарейка.

Чтобы сайты знали, когда загружать облегченные версии веб-страниц, мобильные браузеры сообщают им уровень заряда батарейки телефона и время, через которое он полностью разрядится. Этих сведений оказалось достаточно, чтобы на короткое время точно идентифицировать посетителей.

В 2016-м американские исследователи обнаружили, что некоторые сайты используют в том числе и эту технику для идентификации своих пользователей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector