Większość smartfonów jest wrażliwych na pochylenie, ale jakie urządzenie to umożliwia? Dodatkowo, jak to działa (i powiązane z nim czujniki)?

Ponadto, ponieważ działanie tych czujników wydaje się, prawie na pewno, oparte na obecności zewnętrznego pola grawitacyjnego (na przykład ziemskiego), rodzi się drugie pytanie: czy smartfony zachowują swoją czułość na pochylenie przy zerowej grawitacji (hipotetyczny) warunki?

(Niedawno grałem w symulator samolotu na moim telefonie ... fakt, że samolot tak dobrze zareagował na przechylenie, zaskoczył mnie; stąd chęć zadania tego pytania)

Dodatki:

Zastanowiłem się nad tym sam, więc też to tutaj przedstawię. Ze wszystkich powodów moje pytanie zakończyło się po drugim akapicie, ale to, co dodałem po tym, może pomóc w dostosowaniu odpowiedzi, która pasuje do mojego obecnego rozumienia fizyki.

Jestem obecnie w liceum i jeśli dobrze pamiętam, cząstka w układzie kartezjańskim 3D ma sześć stopni swobody. Z mojego doświadczenia z aplikacją symulatora samolotu smartfony wydają się wykrywać ruch tylko w trzech stopniach swobody: pochylenie, przechylenie i odchylenie

Mówiąc o czujnikach wrażliwych na pochylenie: zakładam, że czujniki / przetworniki działają, wykrywając niewielkie zmiany w potencjalnej energii grawitacyjnej (która może objawiać się jako ruch na małą skalę niektórych drobnych elementów czujnika), który jest związany z zmiana orientacji przestrzennej telefonu.

Z mojego punktu widzenia taki czujnik wymagałby ruchomych części i nie mógłby po prostu być innym układem na płytce drukowanej.

W tych okolicznościach, gdybym miał za zadanie zbudować urządzenie wrażliwe na przechylenie, które dostrzega niewielkie zmiany energii potencjalnej grawitacji, prawdopodobnie potrzebowałbym co najmniej 3 par czujników (pary w każdej z trzech osi współrzędnych). Widząc również, jak bardzo wrażliwy jest mój telefon na przechylanie, musiałbym zbudować absurdalnie duże urządzenie, z każdym czujnikiem w parze umieszczonym kilka metrów od siebie, aby osiągnąć czułość przechyłu porównywalną z moim telefonem.

Jednak smartfony mają wymiary mniejsze niż typowa kanapka, więc posiadanie „czujników w parze rozmieszczonych kilka metrów od siebie”, oprócz tego, że jest niepraktyczne, wyraźnie nie jest prawdą.

^ Zacząłem narzekać na to, abyście mogli poczuć moją prawdziwą zakłopotanie w poniższym pytaniu:

Dlaczego te czujniki są tak wrażliwe, pomimo ich niewielkich rozmiarów?

W pewnym sensie masz rację. Te czujniki wymagają ruchomych elementów. Są jednak chipem na twojej planszy.

Czujniki przechyłu (właściwie akcelerometry) i żyroskopy (i czujniki ciśnienia ...) należą do rodziny o nazwie MEMS: systemy mikroelektromechaniczne.

Korzystając z podobnych technik, które są już powszechne w produkcji układów scalonych, możemy tworzyć niesamowite małe urządzenia. Stosujemy te same procesy wytrawiania rzeczy, osadzania nowych warstw, rosnących struktur itp.

To są niezwykle małe urządzenia. to jest przykład żyroskopu:

link do oryginalnej strony internetowej.

Większość z nich działa, wykrywając zmiany pojemności. Żyroskop wyczuje zmiany spowodowane obrotem (duża rzecz na zdjęciu skręciłaby się wokół osi środkowej. Spowoduje to zbliżenie do siebie małych zębów, które są przeplatane i zwiększenie pojemności. Akcelerometry działają na podobnej zasadzie. Zęby te mogą być zauważony w prawym dolnym rogu drugiego obrazu.

Co z zerową grawitacją?

Nie zmieniłoby się to bardzo pod względem funkcjonowania urządzeń. Widzisz, akcelerometry działają poprzez wykrywanie przyspieszenia. Kluczem jest jednak to, że grawitacja jest dla nich taka sama - wydaje się, że cały czas przyspieszacie do 1G. Używają tej „stałej”, aby dowiedzieć się, gdzie jest „dół”. Oznacza to również, że chociaż chipy będą działały dobrze w mikro-grawitacji, twój telefon nie będzie - będzie zdezorientowany, ponieważ wydaje się, że nie ma „down”.

Szybki dodatek do poruszenia (bardzo dobrego) punktu, który porusza użytkownik GreenAsJade: Kiedy patrzysz na popularne definicje żyroskopów w źródłach takich jak wikipedia , są one często opisywane jako coś w rodzaju wirującego dysku. Powyższe zdjęcia nie wydają się mieć żadnych wirujących części. O co chodzi?

Sposób ich rozwiązania Jest zastępując obrót z wibracjami . Obiekt w kształcie dysku na zdjęciach tutaj jest połączony tylko z bardzo cienkimi i elastycznymi strukturami z osią środkową. Dysk ten następnie wibruje wokół swojej osi z wysoką częstotliwością. Gdy przesuniesz całą strukturę pod kątem, spowoduje to, że dysk będzie próbował się temu przeciwstawić - podobnie jak klasyczny żyroskop. Ten efekt nazywa się efektem Coriolisa . Dzięki pomiarowi nachylenia tarczy w porównaniu z otaczającym materiałem stałym, można zmierzyć szybkość wirowania.

Urządzenie sensoryczne jest ciężarem na sprężynie. Jest to rzeczywiście „niewielki ruch niektórych drobnych elementów czujnika”, a także „kolejny układ na płytce drukowanej”.

Kluczowym słowem jest tutaj MEMS . Możliwe jest budowanie małych struktur krzemowych, a następnie wytrawianie pod nimi, pozostawiając swobodnie pływający element. Jeśli kawałek jest długi i cienki, odkształci się pod wpływem grawitacji (lub dowolnego przyspieszenia) o wartość proporcjonalną do modułu Younga. Zmiana położenia wpływa na pojemność między częścią ruchomą a częściami stacjonarnymi wokół niej, którą można zmierzyć elektronicznie.

Na ogół mają tylko jeden trójosiowy akcelerometr. Lepszą precyzję można osiągnąć, dodając żyroskopy lub inny akcelerometr oddzielony odległością; Nintendo zrobiło to z dodatkami Wiimote.

Wiele telefonów również zawierać magnetometr, który mówi ci niejasno gdzie północ magnetyczna jest w stosunku do telefonu, chociaż kalibracja wydaje się być zły na nich.

Odpowiedź na określone części pytania:

• Co sprawia, że ​​smartfony są wrażliwe na przechylenie?

Akcelerometry MEMS. Kilka mm kwadratowych chipów, 0,50 USD lub mniej.

• Czy zachowają tę zdolność w warunkach zerowej grawitacji?

Nie dokładnie. Nie mają już wygodnego wektora odniesienia. Jednak nadal mogą wykrywać przyspieszenie, więc jeśli masz jedną z tych aplikacji „miecza świetlnego” i machasz nią, nadal będzie działać na ISS. Ale ani ty, ani telefon nie masz jasnego pojęcia o „up”.

(Wysłany tam zestaw Raspberry Pi ma akcelerometr i kilka programów napisanych przez dzieci w wieku szkolnym, więc prawie na pewno gdzieś wideo to pokazuje)

Surowy wynik 3-osiowego akcelerometru jest wektorem 3 wartości mierzonych wm / s ^ 2. Wielkość tego wektora będzie zwykle wynosić około 1 g, ale kierunek jest różny. W przypadku telefonu stacjonarnego będzie on skierowany w dół. Jeśli go przeniesiesz, wektor przyspieszenia zmieni kierunek. Jeśli upuścisz telefon, tzn. Spadnie on tak samo, jak telefon na orbitującej jednostce, wówczas wielkość spadnie do zera. To powoduje, że kierunek wektora gwałtownie się waha i zmienia się w hałas.

Zastosowanie akcelerometrów jako detektorów kropel dla bezpieczeństwa dysku twardego zostało spopularyzowane około dziesięć lat temu przez Macbooki. Ludzie znaleźli dla nich inne zastosowania .

• jak to działa?

Odpowiedzi udzielone bardziej szczegółowo przez inne odpowiedzi.

Teoretycznie tak, telefon lub tablet może działać równie dobrze w przypadku Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), jak tutaj na ziemi.

Rozbijmy to trochę.

Istnieją dwa rodzaje ruchu, które urządzenie musi wykryć.

Ruch liniowy

Niezależne akcelerometry wykorzystują odchylenie masy sprzężonej ze sprężyną od normalnego punktu spoczynkowego jako miarę siły przyspieszenia w tej osi. Oczywiście potrzebujesz trzech z nich, aby wykryć ruch w dowolnej osi.

Znając i śledząc te siły, możesz „liczyć się” z prędkością i kierunkiem podróży urządzenia z jego pierwotnej lokalizacji po włączeniu. Podaj dokładny zegar, a także możesz obliczyć aktualną pozycję.

Brzmi prosto, ale matematyka jest w rzeczywistości dość złożona, a błędy w systemie powodują z czasem dryf.

Obrót

Obrót jest oczywiście wirowaniem wokół dowolnej osi.

Czujniki wirowania

Obrót można zmierzyć za pomocą żyroskopu lub czujnika wirowania. Urządzenia te ponownie mają luźno sprzężoną masę, która może się swobodnie obracać lub jest napędzana w określonej osi. Gdy korpus urządzenia się obraca, różnica między obrotami informuje o tym, jak bardzo urządzenie się obraca.

Czujniki spinowe i żyroskopy nie dbają o grawitację, inne niż być może pewne różnice tarcia.

Obrót akcelerometru przywołany grawitacyjnie

Ponieważ akcelerometry mierzą siłę działającą na luźno zawieszoną masę, gdy czujnik jest ustawiony pionowo względem ziemi, sprężyna będzie oczywiście odchylona z powodu ciężaru masy spowodowanego grawitacją. To przesunięcie jest matematycznie usuwane przez oprogramowanie w celu wyodrębnienia części przyspieszenia.

Ponieważ jednak trzyosiowe przyspieszeniomierze wytwarzają różne przesunięcia w zależności od ich orientacji, możliwe jest matematyczne wykrycie spinu na podstawie różnicy w przesunięciach.

Jednak, chociaż ta metoda działa, podlega ona wariacjom w G. Nie działałaby w przestrzeni kosmicznej. Byłby również znacznie mniej funkcjonalny w samolocie manewrowym. Problemem może być nawet samochód jadący po zakręcie z dużą prędkością.

Wykrywanie wirowania akcelerometru

Dzięki dwóm zestawom wystarczająco czułych akcelerometrów możliwe jest wykrycie spinu na podstawie różnicy przyspieszenia między akcelerometrami.

Ponieważ każdy akcelerometr musi poruszać się względem siebie, między nimi będzie występować różnica w przyspieszeniu. Wartości te można ponownie zastosować matematycznie do przewidywania spinu.

$X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

Na tę metodę NIE ma wpływu grawitacja.

Czy Twój telefon lub tablet będzie działał na ISS

Jak widać z powyższego, tak naprawdę zależy to od metod używanych przez urządzenie.

Technicznie można to zbudować i zaprogramować, aby to zrobić. Może być konieczne wyłączenie i ponowne włączenie zasilania w celu ponownej kalibracji, ale przy odpowiednich systemach powinno działać dobrze. Przynajmniej do grania w tę „grę symulacyjną samolotu”.

Drift może być większym problemem na ISS. Ponieważ telefony w normalnym G mają zdolność rozpoznawania, w którym momencie „obniżenie” jest w danym momencie, mogą one zmieniać się z czasem. Jednostka kosmiczna wymagałaby sporadycznego ręcznego resetowania, aby wskazać „normalny” kierunek.

Wszystkie komentarze i odpowiedzi są świetne, aby pomóc Ci zrozumieć, jak to możliwe. Ale oto coś, co pomoże Ci zrozumieć, w jaki sposób jest aktualizowany w rzeczywistych produktach.

(Źródło obrazu)

To maleńki układ scalony (3x3x1 mm!) Firmy InvenSense. Ma trójosiowy akcelerometr (do ruchu bocznego), trzyosiowy żyroskop (do obrotu) i trójosiowy magnetometr (jak igła kompasu). Ma wewnętrzny kod, który wykona całą skomplikowaną matematykę. Nie wymaga prawie żadnej mocy. Wszystko to za 10 USD w pojedynczych ilościach.

To tylko przykład. Istnieje kilka firm wytwarzających podobne produkty. Niektóre są dokładniejsze niż inne, niektóre są tańsze, większość nie ma magnetometru itp.

Baw się dobrze!

Jest to rzadki przypadek na stronie elektronicznej, gdzie żadna z odpowiedzi nie odpowiedziała jasno i jednoznacznie na pytanie!

Czy telefony komórkowe zachowują zdolność wykrywania przechyłu w warunkach zerowej grawitacji?

Odpowiedź to:

Zachowują (na poziomie sprzętowym) zdolność wykrywania przechyłu , ale nie mogą już wykryć przechyłu .

Dalej,

Na poziomie oprogramowania aplikacji prawie wszyscy (bardzo prawdopodobne „wszyscy”) twórcy oprogramowania nie dopuszczają przypadkowego przypadku zerowej grawitacji, więc bardzo prawdopodobne jest, że funkcje żyroskopowe działałyby bardzo ogólnie, większość / wszystkie aktualne aplikacje.

Jeśli chodzi o to, jak działają żyroskopy / accele w telefonach, możesz łatwo wyszukiwać interfejsy API dla nich na dwóch platformach ( przykład ).

Należy jednak pamiętać, że wszystkie systemy operacyjne w momencie pisania, w praktyce zawijają funkcje żyroskopu / przyspieszania niższego poziomu w pewien wygodny menedżer ruchu wyższego poziomu :

Accels / żyroskopy są w rzeczywistości opakowane razem na poziomie systemu operacyjnego

Więc w rzeczywistości ...

w praktyce w przypadku każdej nowo napisanej aplikacji (pamiętając, że powiedzmy, że około 25% aplikacji w sklepie jest rozkładanych / nie aktualizowanych regularnie), sprowadzałoby się to do tego, jak napisał zespół Apple (w ich przypadku) „Coremotion” obsługiwał (jeśli w ogóle!) Przypadek środowiska zerowej grawitacji. (Podobna sytuacja jest w przypadku Androida).

Co więcej, dla gier jako takich ...

Dzisiaj prawie każda gra, którą wybierasz i grasz na telefonie, została stworzona w Unity3D, a nie jako aplikacja natywna. (Z reguły, jeśli spojrzysz na zestaw „aplikacji korzystających z accel / gyros”, 90% (więcej?) To tylko gry.) W rzeczywistości (na wszystkich platformach) twórcy oprogramowania są w rzeczywistości korzystanie z poziomu opakowań oprogramowania Unity .

Stąd faktyczne zachowanie w skrajnym przypadku na orbicie Ziemi zależałoby od tego, co zrobili ci ludzie, pisząc to.

Jeden mylący punkt ...

to nie zostało wyjaśnione. Pisząc oprogramowanie do telefonów, bardzo często spotykamy się z „zerową grawitacją” ... przez krótki czas: to znaczy, kiedy telefon jest w stanie swobodnego spadania . Więc jeśli tworzysz jedną z (setek) aplikacji dla deskorolkarzy, narciarzy itp., Która mierzy czas oczekiwania i tak dalej, radzisz sobie z tym oczywiście.

Gyros zostały wprowadzone do telefonów około 2010 roku; accels były w nich od samego początku.

Firma francuski / włoski zwany STMicroelectronics dość dużo sprawia, że większość z żyroskopów zarówno jabłkiem i Samsung.

Jeśli chodzi o akcelerometry, większość telefonów ma teraz kilka takich, ponieważ działa to lepiej. Słyszałem, że istnieje większa różnorodność dostawców akcelerometrów (Bosch itp.).

Możesz dosłownie kupić żyroskopy MEMS lub akumulatory , jeśli na przykład robisz zabawkę elektroniczną, która ma taką funkcję.

• Jak akcelerometry MEMS faktycznie działają na poziomie podłoża
• Jak działają żyroskopy MEMS

Powtarzam, podstawową szybką odpowiedzią na postawione pytanie jest

W „zero g” zachowują (na poziomie sprzętowym) zdolność wykrywania przechyłu , ale nie mogą już wykryć przechyłu .

Jeśli chodzi o oprogramowanie,

1. prawie na pewno „całkowicie zawiodłoby!” w dziwnej sprawie „jesteś na orbicie”. Ponieważ żaden gane ani inżynier aplikacji (wiem) nie byłby tak obsesyjny na punkcie tej sprawy, ale nie zapomnij ...

2. to jest bardzo powszechne, aby mieć „zerową grawitację” .. podczas krótkich okresów swobodnego spadania (dotyczy to zwykle sytuacji, gdy tworzysz jedną z tych „aplikacji do sportów akcji”).

Myślę, że mogą używać interferometru Sagnac w smartfonach. Interferometr Sagnaca to urządzenie, które wytwarza stały wzór interferencji w spoczynku, a jego wzór zmienia się, gdy zestaw jest obracany.

Kiedy więc zostaną umieszczone 3 takie interferometry, możemy zmierzyć obrót wokół wszystkich 3 osi.

Interferometry Sagnac występują w bardzo małych rozmiarach i składają się z włókien optycznych do kierowania światła, źródła światła (koheranta) i detektora.

Oczywiście należy go skalibrować przed użyciem.