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.
Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры
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.
История и архитектура
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.
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.
Результат, полученный с помощью объемной обработки
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).
DLP-проектор BenQ использует актуаторы
Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.
Акселерометры
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.
Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром
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.
Акселерометр InvenSense MPU-6500
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.
Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией
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.
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
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
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.
Видео по теме
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.