Sensor — что это в телефоне, для чего нужен G-Sensor в смартфонах

Датчик, который первым широкого используют в телефонах, – это акселерометр, или, как его еще называют, G—сенсор. Он используется, чтобы определять измерение ускорения гаждета в разных направлениях. Естественно, данное ускорение наблюдается тогда, когда смартфон поворачивают или перемещают. Поэтому если гаджет не двигается, то его положение не определить.

Что такое G-Sensor в смартфонах?

В данных устройствах прибор используется, чтобы определять его положение в пространстве, как шагомер, и для автоповорота экрана. Это значит, что, повернув смартфон, изображение развернется таким образом, чтобы это было удобно пользователю. В некоторых устройствах функции такого сенсора пошли еще дальше:

• Встряхнув гаджет при проигрывании музыки, трек поменяется;
• Устройство можно использовать для измерения пройденного расстояния;
• Выпускается много игр, где управление объектом осуществляется наклоном гаджета или его поворотом;
• В смартфонах такой датчик еще используется, чтобы масштабировать информацию при просмотре картинок или чтении электронных книг;
• Для определения и демонстрации смены положения пользователя в пространстве вместе с навигационными приложениями, такими как Google Карты и другими.

Для чего нужен G-Sensor?

Этот датчик разработали для того, чтобы эксплуатация смартфона была комфортнее. Ведущие спортивный образ жизни могут пользоваться акселерометром, чтобы фиксировать свои результаты, затем анализировать их.

G—сенсор вывел игры на мобильных телефонах на более высокий уровень. Теперь игрой можно управлять, наклоняя и изменяя положение смартфона. Датчик реагирует даже на минимальные изменения угла наклона.

Как проверить наличие данного сенсора в смартфоне?

Если у вас iPhone, то сделать это проще всего. У моделей 4 версии и выше этот датчик присутствует. Но если вы используете гаджет на Android, то все сложнее, ведь устройств и производителей с этой операционной системой намного больше. Проверить можно следующими способами:

• Ознакомившись с инструкцией или техническими характеристиками гаджета на сайте;
• Протестировать устройство приложением или утилитами Aida64 и AnTuTu или использовать программу Sensor Kinetics, тестирующую работоспособность каждого датчика устройства.

Несмотря на размер, этот датчик придает смартфонам еще больше возможностей, поэтому он устанавливается практически во все мобильные устройства.

Что такое G-Sensor в телефоне и для чего он нужен

Рейтинг 3/5 (5 голосов)

G сенсор — что такое?

Последнее обновление: 22/10/2019

G-сенсор – не заменимый датчик, признанный многими водителями транспорта во всем мире. Датчик устанавливается в большинство видеорегистраторов и считается важной характеристикой. Из статьи вы узнаете, что собой представляет G сенсор, а так же сферу применения.

Что такое G сенсор

Датчик представляет собой компактную микросхему, совмещенную с акселерометром. Благодаря сенсору устройство определяет текущее положение в пространстве, ускорение и торможение. Обычно G сенсором снабжаются автомобильные видеорегистраторы, реже игровые приставки, смартфоны и жесткие диски. Так же датчик используется в летательных аппаратах, кораблях и некоторых устройствах обычной промышленности.

Для чего используется G сенсор

Сенсор срабатывает в случае перегрузки, например, при резком торможении или ударе. А вот способы реализации в каждом отдельном устройстве отличается, на что влияет непосредственно производитель.

В большинстве видеорегистраторов при срабатывании сенсора запись автоматически помещается в отдельную папку, защищенную от перезаписи. А всё потому, что запись видео идет непрерывно по кругу. Как только место на карте памяти заканчивается, устройстве перезаписывает ранее снятое видео. При этом производители обычно позволяют настроить чувствительность датчика, а так же продолжительность записи после срабатывания. Такая мера необходима для исключения срабатывания на каждой дорожной кочке.

Другое применение G-сенсора – автоматическое включение регистратора. Такая функция пригодится пользователям, что забывают включить устройство. При резком торможении датчик срабатывает и подает сигнал регистратору для включения. Благодаря этому часто удается зафиксировать момент аварии или другого порожнего происшествия.

Датчик так же активен, когда автомобиль не двигается, а припаркован на стоянке или обочине. Если другой автомобиль врежется или зацепит машину, что часто бывает на парковках, регистратор так же активируется и начнет записывать происходящее в поле зрения объектива. Часто благодаря такой функции удается зафиксировать номер скрывшегося автомобиля.

Помимо видеорегистраторов датчик устанавливается в контроллеры игровых приставок, что позволяет расширить управление в некоторых играх. В ноутбуках, нетбуках и жестких дисках G-сенсор выполняет защитную меру. В момент фиксации ускорения в пространстве, датчик паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить потерю важной информации.

Вывод

Теперь вы знаете, что такое G-сенсор, а так же какие функции выполняет. Наличие датчика позволяет реализовать некоторые функции, что применимы в различной электронике. В игровых приставках – один из вариантов управления, в компактной электронике – механизм для защиты и фиксации видео. Причем благодаря датчику в автомобильном регистраторе, записанная своевременно запись часто помогает решить спор в дорожно-транспортном происшествии.

А какие вы знаете устройства с G-сенсором? Напишите в комментариях, насколько полезно присутствие датчика.

Post Views:
13

Датчики современных смартфонов — android.mobile-review.com

26 сентября 2019

Владимир Нимин

Facebook

Twitter

Вконтакте

Продолжаем разбираться в устройстве смартфона. В прошлый раз смотрели экраны, а сегодня поговорим про датчики.

Акселерометр, также называют G-сенсор. Официальное определение гласит, что это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения. А если простым языком, то акселерометр помогает смартфону определить положение в пространстве, а также расстояние перемещения. Основные функции акселерометра:

• Автоповорот ориентации экрана;
• Также акселерометр можно настроить так, чтоб он реагировал на жесты и действия. Например, потрясти смартфон или перевернуть экраном вниз, чтоб заглушить вызов;
• Ещё акселерометр помогает считать шаги и помогает ориентироваться на картах (Google Maps и прочих)

Акселерометр – это громоздкое устройство, внутри которого находится инертная масса, реагирующая на все перемещения. Такой вариант для смартфона не подходил, поэтому придумали чип, имеющий кристаллическую структуру, пьезоэлектрический элемент и сенсор ёмкостного сопротивления. Когда смартфон перемещается/вращается, то пьезоэлектрический элемент выдаёт разряды, а сенсор их интерпретирует, таким образом определяя положение и скорость.

Акселерометр – базовый датчик, который есть в любом, даже самом дешевом, смартфоне. Хотя это на удивление технически сложный продукт. В смартфонах акселерометр понимает движения по 3 осям. Третья нужна для 3D позиционирования. К слову, акселерометр есть и во всех современных автомобилях, но там он обычно двухосевой (ибо автомобиль не крутится в воздухе). 

Не все акселерометры одинаковые. Их делают из разных материалов. Соответственно, некоторые более чувствительные, некоторые менее.

Гироскоп – это один самых классных датчиков, о полезности которого для смартфонов долгое время никто не подозревал, пока на сцену не вышел Стив Джобс и не объяснил, как оно должно быть. Посмотрите презентацию этой шикарной функции, и как зал взорвался от восторга. 

Не следует путать гироскоп и акселерометр. Эти датчики частично дублируют и дополняют друг друга. Гироскоп также служит для отслеживания положения устройства в пространстве, но он делает это путем определения собственного угла наклона относительно земной поверхности. Это очень важно, так как это означает, что в условиях нулевой гравитации, вы не сможете поиграть в Asphalt 9, используя в качестве управления наклоны устройства. Будьте внимательны!

Гироскоп (в отличие от акселерометра) не может измерять проделанное расстояние, зато гораздо точнее определяет положение в пространстве. Для понимания посмотрите, пожалуйста, видео со Стивом Джобсом выше. Начиная с времени 1:10 Джобс показывает, как определяет положение объекта в пространстве акселерометр и как гироскоп. 

Обычно в современных смартфонах оба датчика работают в тандеме. Гироскоп важен для игр, дополненной реальности, а также ряда других приложений. Нередко в дешевых смартфонах производитель предпочитает экономить на гироскопе. 

Датчик приближения (proximity sensor). Как видно из названия, это датчик, который помогает определить наличие перед ним объекта. Самый простой пример – это отключение экрана, когда смартфон подносят к уху. Также датчик приближения исключает фантомные включения экрана, когда смартфон находится в сумке или кармане. Такой датчик может сам или в комбинации с фронтальной камерой отслеживать движения рукой над экраном для выполнения каких-либо функций. Например, пролистывание странички в браузере и тому подобное. Существует множество технологий датчика приближения. Он может работать по типу радара, сонара, эффекта Доплера, есть инфракрасный датчик приближения, а иногда ставят и фотоэлемент. 

Базовый датчик приближения, отключающий экран при поднесении к уху, есть, кажется, уже во всех смартфонах. Но продвинутость датчика можно оценить по наличию дополнительных функций.

Датчик освещения – здесь всё просто и понятно. Такой датчик помогает автоматически выставить яркость экрана. Датчик освещения уже считается базовым датчиком, но в дешевых смартфонах на нем могут сэкономить. И тогда придется каждый раз выставлять яркость вручную. 

Современный датчик освещения обычно работает в комбинации с ИИ смартфона. Например, если датчик выставил определенную яркость, а вы его вручную поправили, то смартфон возьмёт на заметку и в следующий раз самостоятельно сделает экран поярче. Соответственно, всегда давайте датчику освещения освоится и подстроиться под ваши привычки прежде, чем осуждать его работу.

Датчик Холла – один из самых таинственных датчиков в смартфоне, ибо мало кто знает, зачем он нужен. Датчик, основанный на, так называемом, эффекте Холла, фиксирует магнитное поле и измеряет его напряженность. Говоря языком физики: электроны в проводнике всегда перпендекулярны (угол 90 градусов) направлению магнитного поля. Плотность электронов на разных сторонах проводника будет отличаться, возникает разность потенциалов, которую и фиксирует датчик Холла. 

Но в смартфонах используется упрощенный датчик Холла, фиксирующий только наличие магнитного поля. 

Обычно датчик Холла нужен для дополнительных аксессуаров. Например, именно он включает экран iPad, когда пользователь снимает магнитный чехол. Кстати, в этой функции датчик приближения вполне может подменить датчик Холла.

Также датчик Холла работает в паре с компасом, делая работу последнего более точной. 

Компас (магнитомер) – это очень важный датчик, даже если вы не занимаетесь спортивным ориентированием. Именно компас отвечает за то, что на Google Maps пользователь видит не просто точку, а стрелочку, указывающую в какую-сторону вы смотрите. 

Когда компас откалиброван, то отображение направления узкое. Чтобы откалибровать компас, откройте карты Google и крутите смартфон «восьмеркой»:

Барометр – обычно наличием подобного датчика могут похвастаться только флагманы. Барометр ассистирует GPS и помогает определить высоту. Наличие такого датчика полезно, так как на Google Maps уже появляются схемы зданий, и барометр определит на каком этаже вы находитесь. Также барометр используется в приложениях, определяющих физическую активность. Суть такая же: определить, сколько этажей вы прошли. 

Датчик влажности – когда-то такой датчик был в Samsung Galaxy Note 4, а потом Samsung от него отказались. Роль очевидная. Датчик определяет уровень влажности. 

Датчик сердцебиения/датчик кислорода в крови – ещё один фирменный датчик от Samsung, но он есть и во многих фитнес-браслетах. Работает совместно с LED-вспышкой. Прикладываете палец, LED светит вам свозь палец, а датчик измеряет, как отражаются световые волны. Волны отражаются по-разному в зависимости от пульса: кровеносные сосуды, то сужаются, то расширяются. По этому же принципу работает и функция определения кислорода в крови. 

GPS – глобальная система позиционирования. По сути, это даже не датчик, а наличие у смартфона возможности коммуницировать со спутниками благодаря или отдельному, или мульти-чипу, поддерживающему сразу несколько систем. Сейчас у каждой развитой страны, есть своя система спутников. ГЛОНАСС в России, Galileo в Европе, BDS (или BeiDou) в Китае, QZSS (или Quasi-Zenith Satellite System) в Японии. Можно скачать программу GPS Test, которая покажет, какие спутники видит ваш смартфон. Например, на скриншоте ниже отображаются флаги GPS, ГЛОНАСС и Galileo.

GPS прекрасная технология, но медленная (пока там все спутники найдешь и опросишь) и потребляющая много энергии и хорошо работающая на открытой местности, поэтому была придумана ещё A-GPS (Assisted GPS). Принцип основан на том, что пока GPS ищет спутники, смартфон успевает опросить сотовые вышки, Wi-Fi сети, Bluetooth устройства на предмет местонахождения. Таким образом существенно увеличивается время «холодного» старта, а также снижается расход энергии.

Двухдиапазонный GPS. Поддержка этой опции появилась в устройствах начbfz с Android 7 и старше. iPhone так не умеет. 

Обычно спутники посылают два сигнала: грубый и точный. Если говорить про GPS, то это каналы L1 и L5, а у Галилео это E1 и Е5. L1 – это грубый канал. В городе любой сигнал достигает до спутника не только напрямую, но и отражаясь от сторонних объектов (например, зданий), то есть к спутнику прилетает сразу несколько сигналов. Соответственно, и возвращается он также не один, и образуется примерная область нахождения, где все вернувшиеся сигналы пересекаются. Ещё есть точный канал L5. Этот канал гораздо меньше подвержен искажением, так как работает по принципу: Первый достигший спутника сигнал и есть верный (ведь он идет по самому короткому пути, а не через отражения), а остальные можно игнорировать. 

Раньше L5 принадлежал только военным и спец объектам, но теперь спутников в небе стало много, и L5-спутников хватит на всех, поэтому было решено поделиться.

Вместо заключения

Счётчик Гейгера – самый неожиданный датчик, правда? Это японская тема. И насколько есть информация в интернете, такой датчик был только в телефоне Sharp Pantone 5, который вышел после аварии на атомной станции Фукусима-1. 

Современный смартфон должен иметь на борту: акселерометр, гироскоп, датчик приближения и освещения. Также обязательно наличие компаса. Если без гироскопа можно обойтись, то точка на карте без направления раздражает. A-GPS уже есть во всех смартфонах. Отлично если GPS будет работать в двух диапазонах. Шикарно, если будет барометр. 

сенсор — полезная информация об электронике

Большинство видеорегистраторов КАРКАМ оснащены датчиком удара или, другими словами, G-сенсором. Функция призвана защищать водителя в момент его отсутствия в транспортном средстве. Датчик способен регистрировать любые значительные события, изменяющие траекторию движения автомобиля: торможение, разгон, поворот, вращение. Как и датчик движения, G-сенсор используется только в режиме парковки. Поэтому изменением траектории будет считаться любое происшествие, выводящее автомобиль из состояния покоя.

Если данное условие не выполняется и датчик удара работает при движении автомобиля, пользы от него не будет. Дело в том, что активация сенсора ведет за собой начало видеосъемки. Файл, созданный «по велению» G-сенсора, автоматически помечается как защищенный от стирания или перезаписи при циклическом фиксировании. Поэтому, в случае работы датчика во время движения, память Вашего видеорегистратора будет забиваться нестираемыми файлами.

Зафиксированный момент аварии сохраняется в отдельную, специально отведенную папку в памяти видеорегистратора. Таким образом, G-сенсор поможет зафиксировать важную информацию и, в случае обращения с претензией, предоставить запись в качестве доказательства.

Датчик движения может настраиваться согласно пожеланиям автовладельца. Вы сможете выставить чувствительность сенсора, выбрав нужное значение в меню. Помимо этого функция позволяет делать запись событий, происходящих до и после столкновения. Продолжительность промежутков записи равна 5 секундам. Имея запись моментов «до» и «после», Вы сможете объективно оценить ситуацию и установить причину аварии.

Данные, полученные из записи по G-сенсору, могут использоваться в качестве доказательства Вашей невиновности и увеличат шансы на победу над злоумышленником в разы. Показания датчика удара доступны для просмотра не только на компьютере, но и непосредственно на видеорегистраторе. Такая оперативность поможет разрешить спорный вопрос как можно быстрее.

Что такое G-сенсор 🚩 Электроника

Принцип работы

Сам акселерометр представляет собой небольшой модуль или устройство, которое измеряет ускорение предмета, приобретаемое при смещении аппарата относительно нулевой оси. Технически G-сенсор измеряет проекцию суммы всех сил, приложенных к корпусу устройства, кроме силы тяжести. Проще говоря датчик позволяет измерять уровень наклона телефона, в соответствии с которым программное обеспечение аппарата определяет местоположение устройства в пространстве и реализует необходимые для использования функции.

G-сенсор и электроника

Благодаря G-сенсору в мобильной электронике реализуется ряд полезных функций. У мобильных телефонов и планшетов G-сенсор дает возможность активировать функцию поворота экрана из вертикального режима в горизонтальный для более удобного управления устройством двумя руками. В автомобильных видеорегистраторах G-сенсор фиксирует резкие торможения, разгон, повороты и заносы. При возникновении экстренной ситуации видеорегистратор начинает запись видео, чтобы выполнить свою функцию и зафиксировать факт аварии. В игровых приставках акселерометр используется для осуществления управления игровым процессом с применением поворотов контроллера. Данная возможность позволяет улучшить игровой процесс и сделать его более активным и интересным.

При этом от пользователя контроллера с G-сенсором не требуется нажатия дополнительных кнопок для произведения действий игровым героем.

Носители информации

Акселерометры широко используются при производстве жестких дисков, на которых хранится информация. G-сенсор позволяет активировать специальный механизм защиты устройства от повреждений. При изменении положения носителя в пространстве происходит активация системы парковки головок жесткого диска, что позволяет предотвратить потерю важных данных при падении. Как только жесткий диск прекращает падение, считывающие головки носителя автоматически устанавливаются в свою первоначальную позицию.

Также G-сенсоры используются в устройстве инклинометров, которые используются для измерения угла наклона необходимых объектов в строительстве конструкций, буровых скважин, архитектурных сооружений и т.п.

Системы навигации

Акселерометр является одной из важных составляющих систем навигации. При помощи устройства можно получить необходимые координаты и скорость перемещения объекта. G-сенсоры используются не только в обычных системах GPS, но и применяются при установке навигации в самолетах, ракетах и других летательных аппаратах. Геолокация с использованием акселерометра применяется на кораблях и подводных лодках.

Для чего нужен акселерометр в смартфоне

Большинство современных смартфонов оснащается акселерометром. Однако не все знают, что это такое и зачем акселерометр устанавливают в телефон.

Акселерометр для смартфона

Большинство современных смартфонов оснащается акселерометром. Однако не все знают, что это такое и зачем акселерометр устанавливают в телефон.

Акселерометр или G-сенсор – это датчик, определяющий угол наклона электронного устройства по отношению к земной поверхности. На основании данных от датчика программное обеспечение понимает положение смартфона, и поворачивает изображение на дисплее. Иными словами, именно акселерометр способствует автоматическому повороту экрана в альбомную ориентацию при повороте телефона.

Также этот датчик фиксирует ускорение перемещения устройства в пространстве, одновременно сопоставив три пространственные координаты. Можно сказать, что сенсор измеряет разницу между проекциями абсолютного и гравитационного ускорения.

На сегодняшний день акселерометры устанавливаются во многих смартфоны. Ведь именно этот сенсор дает возможность пользоваться такими приложениями, как шагомер, или менять положение экрана автоматически с учетом положения самого гаджета. В рамках игры G-сенсор позволяет осуществлять управление без кнопок.

Зачем нужен G-сенсор в смартфоне?

Как мы уже говорили выше, в мобильных телефонах нового поколения акселерометры используются очень часто. Этот сенсор позволяет устанавливать и использовать различные приложения. Если датчика в смартфоне нет, его функциональные возможности значительно сокращаются.

Акселерометр в смартфоне позволяет использовать:

1. 
   Шагомеры или другие подобные сервисы. Благодаря возможности измерять положение устройства в пространстве, а также его ускорение, сенсор обеспечивает корректную работу шагомера. Это незаменимый помощник для поклонников пробежек или прогулок. Нет необходимости покупать отдельный фитнес-трекер, поскольку в телефон можно установить приложение и использовать его в конкретных целях.

   
   

2. 
   Игры. Благодаря G-сенсору процесс игры становится настоящим удовольствием, ведь датчик мгновенно реагирует на минимальную смену положения телефона. Можно отказаться от классической консольной системы управления, поскольку корректировать положение можно путем изменения положения телефона в пространстве.

3. 
   Удобный интерфейс. При смене положения смартфона датчик сразу повернет интерфейс устройства в нужное положение. Эксплуатация устройства максимально удобная и комфортная. Особенно удобен автоповорот экрана при просмотре видео или фильмов.

Как калибруется G-сенсор?

Калибровка представляет собой перечень операций по определению соотношения значений некоторых величин, полученных при помощи акселерометра или любого другого измерительного прибора, и эталонных величин. Полученная разница и позволяет выполнить калибровку устройства. Зачем выполнять калибровку? Все просто. Только точная настройка сенсора гарантирует его корректную работу, что в свою очередь обеспечит корректную работу приложений и отдельных функций устройства.

Калибровка выполняется при помощи специальных приложений, которые можно скачать в интернете. Установите на свой телефон соответствующее приложение. Затем положите устройство на идеально ровную поверхность. Если чехол для смартфона имеет какие-то выступающие элементы, на время калибровки сенсора его лучше снять.

Теперь зайдите в меню приложений и найдите вкладку «калибровка G-сенсора». Через некоторое время приложение выведет на экран смартфона сообщение о том, что сенсор полностью откалиброван.

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

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

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

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

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

Зачем нужен G-сенсор?

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

Загрузка…

Что такое G-сенсор и где он применяется

Обычно, когда мы слышим G-сенсор, вы подумаете, что в телефоне есть функция автоповорота. Что такое G-сенсор и где он применяется?

Что такое G-сенсор

Датчик силы тяжести — это то, что он может воспринимать изменение ускоряющей силы. А ускоряющая сила — это сила, которая вызывает ускоренное движение, такое как тряска, падение, подъем и другие движения. Все это может быть передано в электронный сигнал с помощью G-сенсора, а затем обработано микропроцессором.Позже все заранее разработанные функции завершены. Например, MP3 может изменять песни в соответствии с направлениями встряхивания.

Используя эту технологию на мобильном телефоне, он может создавать соответствующие программные приложения на основе действий пользователя. Например, игры будут иметь разные действия, такие как разные встряхивания, как и MEMS (микроэлектромеханическая система) Wii.

Применение G-сенсора

● Датчик силы тяжести может измерить угол ускорения силы тяжести и рассчитать угол наклона устройства по отношению к горизонтальной плоскости.Анализируя динамическое ускорение, вы можете проанализировать, как движется устройство. Но вначале вы обнаружите, что измерение угла наклона и ускорения света не кажется очень полезным. Но нынешние инженеры придумали много способов получить больше полезной информации.

● Датчики ускорения могут помочь бионическим роботам понять среду, в которой они находятся в настоящее время. Лезет ли он на подъем или спускается, независимо от того, падает ли он. Или для летающего робота это также важно для контроля положения.Хороший программист может использовать акселерометр, чтобы ответить на все вышеперечисленные вопросы.

● Датчики силы тяжести могут использоваться для анализа вибрации двигателя.

● До выхода на рынок бытовой электроники датчики силы тяжести широко использовались в автомобильной электронике, в основном в системах контроля кузова, системах безопасности и навигации. Типичные области применения, такие как подушки безопасности, антиблокировочная тормозная система ABS, электронная программа стабилизации (ESP), система подвески с электронным управлением и т. Д.

● Инерциальная GPS-навигация: отсутствует сигнал GPS, когда автомобиль движется по туннелям или высоким зданиям, он может продолжать навигацию с помощью гироскопа.

● Игра с отслеживанием движения: предоставляет разработчикам приложений больше творческого пространства. Разработчик может управлять игрой через обнаружение действий (мобильные действия находятся в трехмерной области). Например, возьмите телефон за руль, экран телефона как летающий истребитель, пока вы поднимаете и опускаете его, план может делать те же движения.

Приложение в телефоне

G-сенсор — это устройство, впервые разработанное Apple, и теперь оно используется на iPhone и iPod-nano4. Простой момент заключается в том, что вы изначально кладете телефон в руку вертикально, вы поворачиваете его на 90 градусов, пересекаете его, его страница автоматически реагирует на ваш фокус, то есть страница также повернута на 90 градусов очень гуманизирована .

.

Что такое датчик? Различные типы датчиков с приложениями

Различные типы датчиков с приложениями

Введение в датчики

В мире полно датчиков. В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с автоматизацией во всех сферах деятельности. Автоматизация включает в себя включение света и вентиляторов с помощью мобильных телефонов, управление телевизором с помощью мобильных приложений, регулировку температуры в помещении, датчики дыма и т. Д. Все это осуществляется с помощью датчиков.В наши дни любой продукт на базе встроенной системы имеет встроенные датчики.

Существует множество приложений, таких как камера видеонаблюдения с мобильным управлением, приложения для мониторинга и прогнозирования погоды и т. Д. Датчики играют очень важную роль в мониторинге и обнаружении в здравоохранении. Поэтому, прежде чем создавать датчик, использующий приложение, мы должны понять, что именно делает датчик и сколько типов датчиков доступно.

Что такое датчик?

Датчик определяется как устройство или модуль, который помогает обнаруживать любые изменения физических величин, таких как давление, сила или электрическая величина, такая как ток или любая другая форма энергии .После наблюдения за изменениями датчик отправляет обнаруженный ввод на микроконтроллер или микропроцессор.

Наконец, датчик выдает читаемый выходной сигнал, который может быть оптическим, электрическим или любым другим сигналом, который соответствует изменению входного сигнала. В любой системе измерения датчики играют главную роль. Фактически, датчики — это первый элемент в блок-схеме системы измерения, который вступает в прямой контакт с переменными для получения достоверных выходных данных. Теперь вы знаете Что на самом деле означает датчик ? дайте нам знать о некоторых его типах и их применениях, как показано ниже.

Классификация датчиков

1. Активные и пассивные датчики
2. Аналоговые и цифровые датчики

Активные датчики:

Активные датчики — это типы датчиков, которые выдают выходной сигнал с помощью внешнего источника возбуждения. Собственные физические свойства датчика меняются в зависимости от приложенного внешнего воздействия. Поэтому их также называют самогенерирующимися датчиками.

Примеры: LVDT и тензодатчик.

Пассивные датчики:

Пассивные датчики — это тип датчиков, которые выдают выходной сигнал без помощи внешнего источника возбуждения. Им не нужны дополнительные стимулы или напряжение.

Пример: термопара, которая генерирует значение напряжения, соответствующее приложенному теплу. Не требует внешнего источника питания.

Аналоговые и цифровые датчики

Различные типы цифровых и аналоговых датчиков перечислены ниже один за другим с указанием их приложений.

Различные типы датчиков

Существуют различные типы датчиков, используемые для измерения физических свойств, таких как сердцебиение и пульс, скорость, теплопередача, температура и т. Д. Типы датчиков перечислены ниже, и мы обсудим обычные типы один за другим подробно с использованием и приложениями.

Щелкните изображение, чтобы увеличить

Типы датчиков

Аналоговые датчики

Датчик, вырабатывающий непрерывный сигнал по времени с аналоговым выходом, называется аналоговыми датчиками.Генерируемый аналоговый выход пропорционален измеренному или входному сигналу, подаваемому в систему. Как правило, на выходе создается аналоговое напряжение в диапазоне от 0 до 5 В или ток. Различные физические параметры, такие как температура, напряжение, давление, смещение и т. Д., Являются примерами непрерывных сигналов.

Примеры: акселерометры, датчики скорости, датчики давления, световые датчики, датчики температуры.

ИК-датчик (инфракрасный датчик)

Когда мы смотрим на электромагнитный спектр, инфракрасная область делится на три области: ближняя инфракрасная, средняя инфракрасная и дальняя инфракрасная области.Инфракрасный спектр имеет более высокий частотный диапазон, чем микроволновый, и меньшую частоту, чем видимый свет. Инфракрасный датчик используется для испускания и обнаружения ИК-излучения. По этому принципу ИК-датчик может использоваться как детектор препятствий. Есть два типа ИК-датчиков: активные и пассивные ИК-датчики.

Пассивный ИК-датчик: Когда датчик не использует какой-либо ИК-источник для обнаружения энергии, излучаемой препятствиями, он действует как пассивный ИК-датчик. Такие примеры, как термопара, пироэлектрический детектор и болометры, относятся к пассивным датчикам.

Активный ИК-датчик: Когда есть два компонента, которые действуют как ИК-источник и ИК-детектор, они называются активным датчиком. Светодиод или лазерный диод действуют как источник ИК-излучения. Фотодиод или фототранзисторы действуют как ИК-детектор.

Связанное сообщение: Схема, работа и применение инфракрасного датчика движения PIR

Датчики температуры и термопары

Как уже говорилось, аналоговый датчик выдает сигналы, которые непрерывно меняются во времени.Выходное значение датчика будет очень маленьким в диапазоне микровольт или милливольт. По этой причине для усиления требуются схемы формирования сигнала. Аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи используются для преобразования полученного аналогового сигнала в цифровое значение.

Датчик температуры определяет температуру и измеряет ее изменения. Другими типами датчиков температуры являются термопары, термисторы, резистивные температурные устройства (RTD) и микросхемы датчиков температуры (LM35) и т. Д.

Датчик приближения

Датчик приближения — это тип бесконтактного датчика, который используется для обнаружения объектов. Он не имеет физического контакта с объектом. Объект, расстояние до которого необходимо измерить, называется целью. В датчике приближения используется инфракрасный свет или электромагнитное излучение. Существуют различные типы датчиков приближения, такие как индуктивные, емкостные, ультразвуковые и т. Д. Приложения: обнаружение объектов для измерения скорости, идентификация вращения, обнаружение материала, датчик парковки заднего хода, подсчет объектов.

Ультразвуковой датчик

Ультразвуковые датчики используются для измерения расстояния или времени прохождения с помощью ультразвуковых волн. Источник будет использоваться для излучения ультразвуковой волны. После того, как волна попадает в цель, волны отражаются, и детектор улавливает сигнал. Время прохождения между прошедшей волной и отраженной волной измеряется с помощью ультразвукового датчика. В оптических датчиках используются два разных элемента — передатчик и приемник. В то время как ультразвуковой датчик использует один элемент для передачи и приема.

Акселерометры и датчик гироскопа

Акселерометр — это тип датчика, который используется для обнаружения изменений положения, скорости и вибрации путем определения движения. Он может быть аналогового или цифрового типа. В аналоговом акселерометре, в зависимости от величины ускорения, приложенного к акселерометру, вырабатывается непрерывный аналоговый сигнал напряжения.

Датчик гироскопа для определения и определения ориентации с помощью силы тяжести Земли i.е. он измеряет угловую скорость. Основное различие между акселерометрами и датчиками гироскопа заключается в том, что гироскоп может определять вращение, а акселерометр — нет. Другими словами, гироскоп измеряет любое вращение и не подвержен влиянию ускорения, а акселерометр не может отличить вращение от ускорения и не может работать, когда находится в центре вращения.

Датчик давления

Датчик давления работает при подаче входного напряжения и значения давления.Он выдает аналоговое выходное напряжение.

Датчик Холла

Датчик, работающий по принципу магнитного эффекта, называется датчиком Холла. Магнитное поле является входом, а электрический сигнал — выходом. Для активации датчика Холла применяется внешнее магнитное поле. Все магниты имеют две важные характеристики, а именно: плотность потока и полярность. Плотность магнитного потока всегда присутствует вокруг объекта. Следовательно, выходной сигнал датчика Холла будет функцией плотности потока.

Приложения: Одно из основных применений магнитных датчиков — в автомобильных системах для определения положения, расстояния и скорости. Например, угловое положение коленчатого вала для угла зажигания свечей зажигания, положение автомобильных сидений и ремней безопасности для управления подушкой безопасности или определение скорости вращения колес для антиблокировочной тормозной системы (ABS). Датчики на эффекте Холла используются для определения положения по GPS, определения скорости и управления двигателем.

Датчик веса

Датчик веса используется для измерения веса.Вход — сила или давление, выход — значение электрического напряжения. Весоизмерительный датчик косвенным методом измеряет вес объекта. Существует несколько типов весоизмерительных ячеек, а именно весоизмерительные ячейки с балкой, одноточечные весоизмерительные ячейки и тензодатчики сжатия.

Весоизмерительный датчик с балкой: Используется в промышленных приложениях , таких как машины, взвешивание резервуаров, медицинское оборудование

Тензодатчик с одной точкой: Они используются для низких приложений измерения веса таких как сборщики мусора и оборудование

Датчик давления сжатия: Используется для приложений измерения большого веса , таких как медицинское устройство, для управления насосом.

Применение аналоговых датчиков

Для обнаружения скрытых следов, неоднородностей в металлах, композитах, пластмассах, керамике, а также для определения уровня воды.

Цифровые датчики

Когда данные преобразуются и передаются в цифровом виде, они называются цифровыми датчиками. Цифровые датчики — это те, которые выдают дискретные выходные сигналы. Дискретные сигналы не будут непрерывными во времени и могут быть представлены в «битах» для последовательной передачи и в «байтах» для параллельной передачи.Величина измерения будет представлена ​​в цифровом формате. Цифровой выход может быть в виде логической 1 или логического 0 (ВКЛ или ВЫКЛ). Цифровой датчик состоит из датчика, кабеля и передатчика. Измеренный сигнал преобразуется в цифровой сигнал внутри самого датчика без каких-либо внешних компонентов. Кабель используется для передачи на большие расстояния.

Датчик освещенности

Цифровой светодиод или оптический детектор, используемый для генерации цифрового сигнала для измерения скорости вращения вала.К вращающемуся валу прикреплен диск. Вращающийся вал имеет прозрачные прорези по окружности. Когда вал вращается с определенной скоростью, вместе с ним вращается и диск. Датчик проходит через каждую прорезь на валу, что создает выходной импульс в виде логической 1 или логического 0. Выходные данные отображаются на ЖК-дисплее после прохождения через счетчик / регистр.

Цифровой акселерометр

Цифровой акселерометр генерирует выходной сигнал прямоугольной формы переменной частоты. Метод получения прямоугольной волны — широтно-импульсная модуляция (ШИМ).На выходе из сигнала ШИМ ширина импульса прямо пропорциональна значению ускорения.

Другие типы цифровых датчиков: Цифровые датчики температуры, энкодеры и т. Д.

Применение цифровых датчиков

1. Обнаружение утечек в газовых трубах и кабелях с помощью датчика давления
2. Контроль давления в шинах
3. Контроль воздушного потока
4. Уровень измерения
5. Ингаляторы (медицинское устройство)

Применение датчиков в реальном времени

Применение ИК-датчика:

Радиационные термометры: Работает благодаря наличию ИК-датчика.Температура объекта измеряется с помощью радиационных термометров.

Устройства ИК-изображения: ИК-датчики используются для отображения объектов. Они используются в камерах термографии, которые используются в качестве неинвазивной техники визуализации.

ИК-пульт для телевизора: В наши дни ИК-пульты для телевизора используются дома и в кинотеатрах. Они используют инфракрасный свет в качестве источника для общения. Пульт от ТВ состоит из кнопок и печатной платы. Печатная плата состоит из электрической цепи, которая используется для считывания или обнаружения нажатой кнопки.Как только кнопка нажата, сигнал передается в форме кода Морзе. Транзисторы используются для усиления сигнала. Наконец, он достигает ИК-светодиода. Конец печатной платы будет подключен к ИК-светодиоду. Датчик размещается на приемном конце телевизора. ИК-светодиод излучает ИК-свет, и датчик его распознает.

Внутри автомобиля — приложения датчика рулевого управления: В автомобиле датчики рулевого управления очень важны. Они измеряют угол поворота рулевого колеса и помогают в навигации.Эти датчики играют роль в системе электронного рулевого управления и рулевого управления с электроусилителем.

Внутри смартфона — Сенсорные приложения: В современном мире смартфон есть у каждого человека. Мобильные технологии содержат множество датчиков и средств автоматизации. Различные типы датчиков, такие как отпечатки пальцев, магнитометр, гироскоп, акселерометр, барометр, термометр, датчик приближения, монитор сердечного ритма, датчики света и многие другие.

Об авторе: Видья.M

— Бакалавр технологий (B.Tech) в области электроники и приборостроения, 2011 г. — Магистр технологий (M.Tech) в области биомедицинской инженерии, 2014 г. — В настоящее время работает доцентом, Департамент КИПиА, Индия.

Вы также можете прочитать:

.

Использование сенсоров смартфонов для локализации в BAN

1. Введение

В настоящее время смартфоны открыты и программируются и оснащены все большим количеством мощных встроенных датчиков, таких как акселерометр, цифровой компас, гироскоп, GPS и камера, многие из который, можно использовать для локализации. В типичном BAN датчики определения местоположения измеряют определенные характеристики, связанные с местонахождением телефона, чтобы разместить его на карте [1]. Эти датчики либо предоставляют нам информацию о расстоянии от контрольных точек, чтобы помочь нам вычислить абсолютное местоположение, например, мощность принимаемого сигнала (RSS), время прибытия (TOA), угол прихода (AOA) радиочастотных сигналов), либо они предоставляют нам информацию о скорости и направлении движения от датчиков движения для расчета смещения или относительного местоположения объекта.Одно из фундаментальных различий между этими двумя методами заключается в том, что для абсолютной локализации требуется инфраструктура опорных точек, а относительная локализация позиционирует объект относительно его предыдущего местоположения. На рисунке 1 показаны два примера результатов локализации с использованием систем абсолютного и относительного позиционирования [2] на квадратном маршруте в типичном офисном здании. На рисунке 1b показаны результаты абсолютной локализации Wi-Fi. Предполагаемые местоположения (точки) случайным образом распределяются по траектории движения (сплошная линия) объекта.На рисунке 1b показаны результаты локализации с помощью устройства Inertia Motion Unit (IMU), измеряющего скорость и направление движения. Предполагаемый путь движения следует по прямой, но из-за ошибок в угле и скорости перемещений оценка местоположения постепенно отклоняется от фактического пути. Гибридные алгоритмы могут объединять результаты двух классов датчиков для достижения более надежной навигации. Эти алгоритмы используют абсолютную локализацию для уменьшения дрейфа IMU и используют результат IMU для сглаживания оценок местоположения для абсолютного местоположения.

Рисунок 1.

Результаты локализации с двумя классами определения местоположения в квадратном коридоре маршрута офиса (а) абсолютная локализация с использованием RSS точек доступа Wi-Fi (б) относительная локализация с использованием устройств IMU.

Самые популярные системы абсолютного позиционирования, такие как система глобального позиционирования (GPS) и система позиционирования Wi-Fi (WPS), распознают особенности радиочастотных сигналов для измерения расстояния между объектом и контрольными точками. 26 спутников, используемых в качестве опорных точек для инфраструктуры GPS, используются для определения местоположения, в то время как WPS использует сигналы Wi-Fi и сотового телефона для определения местоположения.Поскольку абсолютная радиочастотная локализация является наиболее фундаментальным и наиболее сложным элементом позиционирования, крайне важно иметь глубокое понимание поведения ранжирования на основе RSS и TOA в различных средах, что хорошо обсуждается в большом количестве существующей литературы. [3].

С другой стороны, типичным приложением для относительного позиционирования являются инерциальные навигационные системы (INS). INS использует компьютер, датчики движения (акселерометры), датчики вращения (гироскопы) и иногда магнитные датчики (магнитометры) для непрерывного расчета путем точного расчета положения, ориентации и скорости (направления и скорости движения) движущегося объекта. объект без необходимости внешних ссылок.С развитием технологий для относительного позиционирования можно использовать и другие методы. Скорость движения можно измерить по количеству оборотов колеса (спидометр), доплеровскому спектру принятого радиосигнала, количеству шагов, которые пешеход проходит (счетчик шагов), или сходству между последовательными снимками, сделанными камерой.

В последнее время Интернет вещей (IOT) становится новой модой и открывает новые возможности для локализации BAN. Внутри зданий развернуто большое количество датчиков Интернета вещей, каждый из которых может передавать друг другу информацию о местоположении и обмениваться ею.Поскольку смартфон может взаимодействовать как с устройствами на базе Wi-Fi, так и с Bluetooth, его роль в локализации BAN становится все более важной.

В этой главе мы представляем способ, которым система смартфона визуализирует местоположение. Мы также проиллюстрируем все датчики локализации на платформе смартфона и обсудим характеристики каждого из них. Приведены примеры, показывающие, как эти датчики применяются в системе локализации, а также исследуется их точность.

2.Системы координат для визуализации местоположения

Чтобы разместить местоположение на карте, нам нужна система координат для визуализации информации о местоположении. Для глобального определения местоположения нам нужно обратиться к глобальным трехмерным координатам земли. Наиболее распространенные трехмерные координаты Земли (рис. 2) — это географические полярные координаты, которые обычно называют долготой, широтой и высотой θϕρ. Долгота выражает угловое отклонение с востока на запад на поверхности земли в градусах, а широта — это угловое отклонение с севера на юг в градусах.Высота показывает расстояние от центра земли и обычно указывается относительно высоты уровня моря. В приложениях для летательных аппаратов высота называется высотой.

Рисунок 2.

3D система полярных координат Земли с указанием высоты, долготы и широты.

Наземные навигационные системы для открытых и закрытых территорий отслеживают движения транспортных средств или роботов на двухмерных картах, таких как план этажа здания или двухмерная карта улиц городского района в районе, высота которого существенно не меняется.Даже в многоэтажных 3D-приложениях мы используем 2D-карту с номером этажа (представителем высоты). Декартовы координаты предоставляют лучший инструмент для визуального отслеживания для большинства популярных приложений в помещениях и в городах. Поэтому мы обычно преобразуем долготу, широту и высоту в декартову форму, используя:

X = ρ × coslat × coslonY = ρ × coslat × sinlonZ = ρ × sinlatE1

При абсолютном позиционировании, определение местоположения GPS или WPS в полярных координатах. или в декартовой системе координат, представляет точку в координатах мирового трехмерного кадра.При относительном позиционировании мы представляем скорость и направление как векторы в каждом месте. Акселерометры и гироскопы — это механические устройства, используемые для измерения дифференциальных векторов ускорения и вращения. Мы интегрируем дифференциальное ускорение, чтобы определить мгновенный вектор скорости, и мы интегрируем векторы вращения, чтобы определить направление движения.

В универсальной декартовой системе координат, показанной на рисунке 3a, вектор ускорения или скорости по оси X определяет вектор, касательный к земле в текущем местоположении измерительного датчика, указывающий на восток.Вектор по оси Y проходит по касательной к земле в текущем местоположении измерительного датчика и указывает на магнитный север. Вектор по оси Z указывает на небо перпендикулярно земле в месте расположения измерительного датчика. Однако, как показано на рисунке 3b, измерительные датчики — это устройства MEM, установленные в устройстве, таком как смартфон, и их координаты определяются относительно экрана устройства, а не универсальной земной координаты. Когда устройство удерживается в ориентации по умолчанию, ось X горизонтальна и указывает на правую сторону устройства, ось Y вертикальна и указывает на верхнюю часть устройства, а ось Z указывает на за пределами экрана.В этой системе координаты за экраном имеют отрицательные Z-значения.

Рис. 3.

(a) Опорная ось и (b) ось смартфона.

3. Датчики и платформы для гибкой локализации

Возможная локализация основана на полезной нагрузке датчика местоположения платформы, которую мы хотим локализовать. Типичные смартфоны оснащены наборами микросхем GPS, Wi-Fi, сотового телефона и iBeacon (Bluetooth с низким энергопотреблением) на основе RF, которые поддерживают множество гибких возможностей локализации RF для различных сред и требований к точности.Кроме того, они несут ряд других датчиков, которые можно использовать для улучшения позиционирования устройства с помощью традиционных радиочастотных сигналов. В таблице 1 показаны типичные датчики, доступные в устройстве Android, и их функции, если они используются для локализации. В дополнение к традиционным датчикам, таким как гироскоп, магнитометр, акселерометр и барометр, существуют датчики окружающего света, температуры и влажности, а также уровней силы тяжести, близости и подсчета шагов. Датчики могут быть полезны для приложений локализации для повышения точности локализации RF.Мы можем использовать данные, собранные этими датчиками, для трехмерной локализации, расчета скорости и направления движения и определения условий эксплуатации. Алгоритмы позиционирования используют радиочастотную информацию о местоположении и движении, полученную от различных датчиков. Эти датчики работают по-разному в разных средах. Например, GPS, который предоставляет очень надежную информацию для наружной навигации, не работает глубоко внутри помещений. Следовательно, в дополнение к алгоритму определения местоположения нам нужен алгоритм для обнаружения окружающей среды, чтобы различать внутреннюю и внешнюю среду.Данные со всех датчиков доступны инженеру по позиционированию в качестве ресурса для разработки различных алгоритмов для достижения требований к точности в условиях эксплуатации.

Подробное описание этих датчиков определения местоположения представлено в следующих разделах, а также показано, насколько точными они могут быть при обнаружении объектов.

3.1. Датчик акселерометра

Датчик акселерометра, измеряющий ускорение (дифференциальную скорость изменения скорости), приложенное к устройству, в метрах в секунду в квадрате м / с2 в местных декартовых координатах устройства (рис. 3b).На рис. 4а показана основная концепция акселерометра. Груз висит между двумя пружинами в ящике, и для расчета ускорения в направлении движения измеряется смещение груза из-за внешних сил, перемещающих ящик. Правая часть рисунка 4c показывает, как мы можем измерить трехмерное ускорение пластины, несущей три коробки акселерометра, размещенных в ортогональных направлениях.

Рисунок 4.

(a) Базовая концепция внутри акселерометра (b) основная концепция гироскопа и (c) пример расчета ускорения и вращения.

Концептуально акселерометр измеряет силы, приложенные к датчику в разных направлениях, и с использованием второго уравнения Ньютона вычисляет ускорение путем деления силы на массу датчика. Когда устройство IMU стоит на столе параллельно поверхности земли, акселерометр устройства должен показывать величину g = 9,81 м / с2, силу тяжести земли. Когда устройство IMU находится в свободном падении и, следовательно, ускоряется по направлению к земле со скоростью 9,81 м / с2, его акселерометр должен показывать величину 0 м / с2.

Чтобы измерить реальное ускорение устройства, также называемое линейным ускорением, необходимо исключить влияние силы тяжести. Применение фильтра высоких частот к результатам показаний акселерометра устраняет медленные изменения показаний, вызванные гравитацией, и обнаруживает быстрые изменения, вызываемые движениями устройства. И наоборот, использование фильтра нижних частот изолирует силу тяжести и устраняет быстрые изменения ускорения, вызванные движениями устройства.

3.2. Датчик гироскопа

Датчик гироскопа измеряет дифференциальный момент вращения вокруг локальной оси x, y, z устройства в декартовых координатах в радианах в секунду. На рис. 4b показана основная концепция гироскопа. Цилиндрическая масса висит вокруг центрального вала, как колесо, когда мы меняем прямые колеса и измеряем угловое смещение колеса. Система координат такая же, как и для датчика ускорения. В правой части рисунка 4c показано, как мы можем измерить вращение в 3D вокруг каждой из трех осей устройства, разместив три гироскопа в ортогональных направлениях.Выходные данные гироскопа интегрируются по времени, чтобы вычислить вращение, описывающее изменение углов во времени.

Вращение против часовой стрелки положительное. То есть наблюдатель, смотрящий из некоторого положительного положения по оси x, y или z на устройство, расположенное в исходной точке, сообщит о положительном вращении, если устройство будет вращаться против часовой стрелки. Если мы назовем угловую скорость вокруг оси x как ψ, угловую скорость вокруг оси y как θ, а угловую скорость вокруг оси z как ϕ (рисунок 5a).Преобразование Эйлера преобразует показания акселерометра at из координат устройства в универсальную координату:

aXtaYtaZt = cosθcosψsinϕsinθcosψ − cosϕsinψcosϕsinθcosψ + sinϕsinψcosθsinψsinϕsinθsinψ + sinϕsinψcosθsinψsinϕsinθsinψ + cosϕcosθsinψsinϕsinθsinψ + cosϕcosθsinψsinϕsinθsinψ , тангаж и рыскание (b) типичное устройство IMU с локальными координатами устройства.

На рисунке 5b показано типичное устройство IMU с координатами устройства и точки привязки к земле.Чтобы найти местоположение из приведенного выше уравнения, нам нужно взять двойной интеграл. Первый интеграл обеспечивает скорость в каждом направлении, а второй интеграл дает расстояние, пройденное устройством в каждом направлении. Поскольку смартфоны оснащены всеми упомянутыми выше датчиками, мы можем рассматривать их как своего рода интеллектуальный IMU, и таким же образом можно определять движение.

На практике шум и смещение гироскопа вносят некоторые ошибки, которые необходимо компенсировать.Обычно это делается с использованием информации от других датчиков. Гироскоп не может быть эмулирован на основе магнитометров и акселерометров, так как это приведет к снижению локальной согласованности и отзывчивости. Он должен быть основан на обычном чипе гироскопа. Самые последние системы относятся к типу привязного типа, в котором выходные сигналы датчиков IMU принимаются напрямую и обрабатываются для вычисления ориентации и смещения транспортного средства.

Простой лабораторный эксперимент, передвигающий устройство IMU, показанное на рисунке 6a, вперед, а затем поворот вправо.Устройство IMU — относительно дорогое устройство, купленное в середине 2000 г. примерно за 3500 [4, 5]. На рисунках 6b и c показаны трехмерные показания гироскопа и акселерометра устройства. Гироскоп считывает тангаж, рыскание и крен в радианах в секунду. Единственное вращение с этим сценарием движения — вокруг оси z, так как угол рыскания, а также тангаж и крен остаются равными нулю. Ускорение считывается только в координатах x и y, потому что у нас нет вертикального движения. Эти значения меняются взлетами и падениями.На рисунках 7a и b показаны результаты первого и второго интегралов результатов после применения уравнения Эйлера, объединяющего результаты акселерометра и гироскопа (уравнение 2). Две цифры представляют скорость и пройденное расстояние, записанные ноутбуком. Линейная скорость, которая является квадратным корнем из суммы квадратов скоростей по осям x и y, должна оставаться относительно постоянной, представляя скорость движения. На рисунке 7в показана траектория движения устройства, предсказанная по результатам показаний датчиков IMU.Результаты аналогичны результатам на Рисунке 1b, который был получен с другого блока IMU.

Рис. 6.

(а) Сценарий движения ИДУ, (б) показания углового перемещения гироскопа и (в) показания акселерометра.

Рисунок 7.

(a) Интеграл вращающегося движения (b) двойной интеграл, представляющий движения по осям X и Y (c) траектория движения.

3.3. Магнитометр

Магнитометр — это датчик магнитного поля, измеряющий окружающее магнитное поле вдоль трех локальных осей x, y и z устройства датчиков в микротеслах (мкТл).Современные магнитометры MEMS измеряют ток, наведенный в катушке из-за изменений магнитного поля в окружающей среде. На рисунке 8а показана основная концепция современных магнитометров. Сила индуцированного тока в катушке используется в качестве меры силы магнитного поля. На рисунке 8b показано, как можно измерить трехмерное магнитное поле с помощью устройства. Поскольку магнитометры измеряют силу и направление магнитного поля, они также полезны для измерения направления для определения местоположения и отслеживания.В следующих разделах мы объясним, как создать электронный компас на основе показаний магнитометра MEMS внутри смартфона.

3.4. Датчик силы тяжести

Вместо фильтрации высоких частот мы фильтруем низкие частоты измерений с акселерометра, мы измеряем силу тяжести в координатах устройства. Величина этого вектора составляет 9,81 м / с2, а его значения в 3D (x, y, z) отражают влияние силы тяжести на каждую из трех осей. Это значения, которые мы должны вычесть из компонентов вектора ускорения, чтобы определить линейное ускорение.Значение вектора гравитации в координатах устройства используется для поворота экрана смартфона и планшетов параллельно глазу человека, читающего экран. Принимая во внимание координаты устройства, показанные на рисунке 3b, если сила тяжести по оси y является самым большим компонентом, устройство находится в верхнем положении и используется экран с меньшим верхом. Когда ось x находится наверху, устройство находится в боковом положении и используется экран с длинным верхом. Когда устройство стоит на полу, по оси Z находится наибольшее значение, и экран можно выключить.Результаты измерений гироскопа и магнитометра часто используются в дополнение к результатам измерения силы тяжести, полученным с помощью акселерометра. Когда устройство находится в состоянии покоя, выходной сигнал датчика силы тяжести должен быть идентичен выходному сигналу акселерометра.

Рис. 8.

(а) Основная концепция магнитометра и (б) реализация трехмерного магнитометра.

3.5. Датчик счетчика шагов

Счетчик шагов подсчитывает количество шагов, сделанных пешеходом с интеллектуальным устройством, например смартфоном или браслетом для мониторинга состояния здоровья.Это целое число, и оно сбрасывается в ноль при перезагрузке системы. Метка времени события устанавливается на время, когда был сделан последний шаг для этого события. Очевидное применение этого датчика — приложения для отслеживания фитнеса, но он также полезен для геолокации в помещении с помощью интеллектуальных устройств.

Мы можем реализовать счетчик шагов, используя измерения акселерометра. На рисунке 9 показаны сотни образцов величины измерений акселерометра для телефона Android. Учитывая уравнение.7.2, величина ускорения at = axt2 + ayt2 + azt2 − g. На рис. 2а показана картина изменения ускорения между шагами пешехода, несущего в руках устройство с акселерометром. На каждом шаге пешеход сначала увеличивает наращивание туловища (неся руки и устройство), используя опорную ногу, а затем он / она снижает скорость, применяя отрицательное ускорение, чтобы приземлиться на другую ногу. В результате изменения величины измерений акселерометра следуют зигзагообразной схеме на каждом этапе.Мы можем определить количество шагов, посчитав зигзаги, и это можно сделать либо путем обнаружения пика, либо путем обнаружения пересечения нуля. С помощью алгоритма обнаружения пиков мы обнаруживаем все пики выше порогового значения и выбираем самый высокий в временном окне, связанном со временем для одного шага (рис. 9a). Для пересечения нуля мы находим пересечение между линией, представляющей среднее ускорение, и восходящей (или падающей) частями графика (рис. 9b).

Рис. 9.

(a) Подсчет шагов с использованием обнаружения пика и (b) подсчет шагов с использованием перехода через нуль.

Используя счетчик шагов и отметки времени, связанные с каждым шагом, можно определить среднюю скорость и средний размер шага, и с помощью этого мы можем оценить линейное расстояние, пройденное пешеходом, несущим устройство с акселерометром. Чтобы определить местоположение пешехода на 2D-карте в помещении или на улице, нам также необходимо измерить повороты. Вращение можно измерить с помощью гироскопа или компаса.

На рис. 10 показаны результаты примерной системы относительной локализации с использованием счетчика шагов и гироскопа типичного смартфона на третьем этаже лаборатории Атуотер-Кент в Вустерском политехническом институте.Схема коридоров этого этажа здания и план экстерьера здания показаны на правом рисунке. Пользователь со смартфоном входит в пол справа и идет прямо, а затем по центральным коридорам, прежде чем вернуться в исходное положение. Пользователь держит смартфон перед торсом параллельно земле. В этом положении ось Z смартфона направлена ​​к потолку, и устройство вращается только вокруг этой оси. На рисунке 10а показаны результаты показаний гироскопа в трех измерениях.Есть четыре скачка вращения вокруг оси z (азимут или рыскание), связанных с четырьмя 900 поворотами на пути движения устройства. Красная линия на рисунке 10b показывает предполагаемый путь движения, когда результаты подсчета шагов дополняются показаниями гироскопа. Наблюдается типичная возрастающая картина отклонения оценки местоположения от фактического пути движения. Этот тип шаблона ошибок возникает из-за использования скорости и направления движения для относительной локализации и аналогичен шаблону ошибок [6, 7, 8].

Рис. 10.

(a) Результаты измерения трехмерного гироскопа и (b) определение местоположения с использованием подсчета шагов и гироскопа.

3.6. Электронный компас

Компас — один из старейших механических магнитометров, которые исторически использовались для навигации. Если мы положим компас параллельно поверхности земли, направление магнита компаса будет указывать на магнитный север. В результате, вращая компас так, чтобы он указывал в определенном направлении, мы измеряем угол этого направления по отношению к магнитному северу.Этот угол дает нам направление для относительной навигации. Компас использует электромагнитное поле земли для определения угла поворота устройства. Земля действует как большой дипольный магнит с силовыми линиями магнитного поля, берущими свое начало от южного магнитного полюса (около южного географического полюса) и заканчивающегося северным магнитным полюсом, расположенным около географического северного полюса (рис. 11a). Компас имеет небольшой магнит в центре, который совмещен с северным магнитным полюсом во всех точках на поверхности земли.Угол между направлением компаса (магнитный север) и географическим севером называется углом магнитного склонения (рис. 11b). Величина угла декантации изменяется как в месте, так и во времени. Если мы знаем направление географического севера в месте, мы можем выровнять по нему компас и измерить угол склонения как угол между направлением магнита компаса и направлением геометрического севера. На восточном побережье США угол наклона может достигать -22 ° (22 ° з.д.), а на западном побережье он может достигать 22 ° (22.° E).

Рис. 11.

(a) Магнитное поле Земли и северный / южный полюса и (b) традиционный компас и угол направления.

Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) имеет общедоступный веб-калькулятор для расчета угла магнитного склонения вокруг земного шара. Используя этот веб-сайт, мы читаем −14 ° 35′W 22 декабря 2017 года в Ньютоне, Массачусетс, в месте с высотой 130 футов и долготой, широтой (42 ° 20′8 ″ N, 71 ° 12′14 ″ W ). Результаты показывают, что точность значений находится в пределах 22 дюймов, а расчетное значение уменьшается на 4’E каждый год.

Все популярные смартфоны на рынке имеют приложение компаса с электронной эмуляцией. Эти приложения обычно имитируют компас, используя результаты магнитометра, обычно доступного как часть чипа IMU смартфона. На рисунке 11a показана типичная реализация электронного компаса на iPhone, когда устройство направлено вверх (ось z устройства и координаты точки привязки к земле совмещены). Масштабированная круглая форма в верхней части рисунка позволяет визуализировать угол между северной осью (осью Y) Земли и устройством, имитируя внешний вид компаса.Измерения магнитометра Hx и Hy (рисунок 12b) определяют направление направления по компасу в градусах с использованием:

θ = 90 − arctanHxHy × 180π; Hy> 0270 − arctanHxHy × 180π; Hy <0180 °; Hy = 0, Hx. <00 °; Hy = 0, Hx> 0E3

Рис. 12.

(a) Приложение электронного компаса в смартфоне и (b) направление по компасу и координаты Земли.

По мере того, как мы поворачиваем устройство вокруг оси z, кладя устройство на стол, значение угла изменяется. Для показаний 346 ° (-14 °), показанных на рисунке 12a, направление устройства указывает на географический север в Ньютоне, Массачусетс, который имеет угол склонения примерно 14 °.

3,7. Барометр

Барометр — это датчик давления, измеряющий атмосферное давление в гПа (миллибар). Барометр используется для оценки перепада высот и, следовательно, количества операций этажа внутри многоэтажного здания. Связь между давлением воздуха и высотой определяется по формуле [9]:

h≈ − R × T0g × M × lnpp0E4

Используя уравнение. (4) и параметры в таблице 2, мы можем рассчитать высоту по атмосферному давлению. На рисунке 13 показаны результаты измерений барометра смартфона в типичном 3-этажном офисном здании.Рисунок 13a получен на основе результатов, полученных при подъеме лифта на три этажа здания, а на рисунке 13b показаны результаты подъема на один этаж здания по лестнице. Оба рисунка демонстрируют постепенное изменение показаний барометра во время подъема и спуска между этажами независимо от скорости и характера движения. Диапазон изменения измерений в лифтовом эксперименте для подъема на три этажа примерно в три раза больше, чем у измерений, полученных при подъеме на один этаж по лестнице.Эти наблюдения демонстрируют, что барометр можно использовать для измерения изменения высоты внутри зданий. На рисунке 14 показаны результаты измерений барометра со смартфона, когда пользователь переносит устройство на четыре этажа типичного офисного здания в два разных времени одного дня. Схема измерения на разных этажах явно различается, что позволяет нам различать этаж эксплуатации. Однако результаты барометра искажаются аддитивным гауссовским шумом, смещением, и он чувствителен к времени измерения [10, 11].Методы смягчения этих эффектов и более точной оценки номера этажа в офисном здании обсуждаются в [9].

Таблица 1.

Типичные датчики в смартфоне Android.

9015

0

Таблица 2.

Параметры, используемые для расчета зависимости между высотой h и давлением, p.

Рис. 13.

Измерение барометрического давления в типичном 3-этажном здании (а) на трех этажах здания и (б) на подъеме по лестницам.

Рисунок 14.

Барометрические показания в разное время.

.Акселерометр

и гироскоп: в чем разница?

Для определения положения и ориентации объекта используется множество различных сенсорных устройств. Наиболее распространенными из этих датчиков являются гироскоп и акселерометр. Хотя они похожи по назначению, они измеряют разные вещи. При объединении в одно устройство они могут создать очень мощный массив информации.

Что такое гироскоп?

Гироскоп — это устройство, которое использует гравитацию Земли для определения ориентации.Его конструкция состоит из свободно вращающегося диска, называемого ротором, установленного на оси вращения в центре большего и более устойчивого колеса. Когда ось поворачивается, ротор остается неподвижным, указывая на центральное гравитационное притяжение и, таким образом, направление «вниз».

«Один типичный тип гироскопа состоит из подвешивания относительно массивного ротора внутри трех колец, называемых карданом», — говорится в учебном пособии Университета штата Джорджия. «Установка каждого из этих роторов на высококачественные опорные поверхности гарантирует, что очень маленький крутящий момент может быть приложен к внутреннему ротору.«

Гироскопы были впервые изобретены и названы в 19 веке французским физиком Жан-Бернаром-Леоном Фуко. Согласно Британской энциклопедии, только в 1908 году немецкий изобретатель Х. Аншютц-Кемпфе разработал первый работоспособный гирокомпас. создан для использования в подводных аппаратах. Затем, в 1909 году, он был использован для создания первого автопилота.

Что такое акселерометр?

Акселерометр — это компактное устройство, предназначенное для измерения негравитационного ускорения.Когда объект, в который он встроен, переходит из состояния покоя в любую скорость, акселерометр рассчитан на то, чтобы реагировать на вибрации, связанные с таким движением. В нем используются микроскопические кристаллы, которые подвергаются нагрузке при возникновении вибрации, и из-за этого напряжения генерируется напряжение, которое позволяет считывать любое ускорение. Акселерометры — важные компоненты устройств, которые отслеживают физическую форму и другие измерения при количественном измерении самодвижения.

Первый акселерометр был назван машиной Атвуда и был изобретен английским физиком Джорджем Этвудом в 1783 году, согласно книге Вилле Каякари «Практические МЭМС».

Использование гироскопа или акселерометра

Основное различие между двумя устройствами простое: одно может определять вращение, а другое — нет. В некотором смысле акселерометр может определять ориентацию неподвижного объекта относительно поверхности Земли. При ускорении в определенном направлении акселерометр не может отличить это от ускорения, обеспечиваемого гравитационным притяжением Земли. Если принять во внимание этот недостаток при использовании в самолете, акселерометр быстро потеряет большую часть своей привлекательности.

Гироскоп сохраняет свой уровень эффективности за счет возможности измерения скорости вращения вокруг определенной оси. При измерении скорости вращения вокруг оси крена самолета он определяет фактическое значение, пока объект не стабилизируется. Используя ключевые принципы углового момента, гироскоп помогает указать ориентацию. Для сравнения, акселерометр измеряет линейное ускорение на основе вибрации.

Типичный двухкоординатный акселерометр показывает пользователям направление силы тяжести в самолете, смартфоне, автомобиле или другом устройстве.Для сравнения, гироскоп предназначен для определения углового положения на основе принципа жесткости пространства. Приложения каждого устройства довольно сильно различаются, несмотря на схожее предназначение. Гироскоп, например, используется в навигации на беспилотных летательных аппаратах, компасах и больших лодках, что в конечном итоге способствует стабильности в навигации. Акселерометры также широко используются в сфере инженерии, машиностроения, мониторинга оборудования, мониторинга зданий и сооружений, навигации, транспорта и даже бытовой электроники.

Появление акселерометра на рынке бытовой электроники с появлением таких широко распространенных устройств, как iPhone, использующих его для встроенного приложения компаса, способствовало его общей популярности во всех сферах программного обеспечения. Определение ориентации экрана, работа в качестве компаса и отмена действий простым встряхиванием смартфона — это несколько основных функций, которые зависят от наличия акселерометра. В последние годы его применение среди бытовой электроники теперь распространяется и на персональные ноутбуки.

Используемые датчики

Использование в реальных условиях лучше всего иллюстрирует различия между этими датчиками. Акселерометры используются для определения ускорения, хотя трехосевой акселерометр может определять ориентацию платформы относительно поверхности Земли. Однако как только платформа начинает двигаться, интерпретировать ее показания становится сложнее. Например, при свободном падении акселерометр покажет нулевое ускорение. В самолете, выполняющем поворот под углом крена 60 градусов, трехосевой акселерометр регистрировал бы вертикальное ускорение 2G, полностью игнорируя наклон.В конечном счете, акселерометр не может использоваться в одиночку, чтобы помочь в правильной ориентации самолета.

Акселерометры вместо этого находят применение во множестве бытовых электронных устройств. Например, среди первых смартфонов, которые использовали его, был iPhone 3GS от Apple с введением таких функций, как приложение компаса и встряхивание для отмены, согласно Wired.

Гироскоп будет использоваться в самолете для помощи в определении скорости вращения вокруг оси крена самолета. Когда самолет катится, гироскоп будет измерять ненулевые значения, пока платформа не выровняется, после чего он будет считывать нулевое значение, чтобы указать направление «вниз».»Лучшим примером считывания показаний гироскопа является индикатор высоты на типичных самолетах. Он представлен круглым дисплеем с экраном, разделенным пополам, причем верхняя половина имеет синий цвет для обозначения неба, а нижняя — красного цвета для обозначения Когда самолет кренится для поворота, ориентация дисплея смещается вместе с креном, чтобы учесть фактическое направление земли

Предполагаемое использование каждого устройства в конечном итоге влияет на его практичность на каждой используемой платформе.Многие устройства выигрывают от наличия обоих датчиков, хотя многие полагаются на использование только одного. В зависимости от типа информации, которую вам нужно собрать — ускорения или ориентации — каждое устройство даст разные результаты.

Дополнительная информация от Алины Брэдфорд, автора Live Science.

Дополнительные ресурсы

.