Большинство смартфонов чувствительны к наклону, но какое устройство делает это возможным? Кроме того, как это (и связанные с ним датчики) работает?

Кроме того, поскольку работа этих датчиков, по всей вероятности, основана на наличии внешнего гравитационного поля (например, земного), возникает второй вопрос: сохраняют ли смартфоны свою чувствительность к наклону в условиях невесомости (гипотетически)? условия?

(Недавно играл в симулятор авиации на моем телефоне ... тот факт, что самолет так хорошо реагировал на наклон, застал меня врасплох; отсюда и желание задать этот вопрос)

Дополнительно:

Я сам кое-что об этом подумал, так что и здесь тоже. По сути, мой вопрос закончился после второго абзаца, но то, что я добавил после этого, может помочь адаптировать ответ, который соответствует моему нынешнему пониманию физики.

В настоящее время я учусь в средней школе, и если я правильно помню, в трехмерной декартовой системе для частицы существует шесть степеней свободы. Судя по моему опыту работы с приложением-симулятором самолета, смартфоны обнаруживают движение только при трех степенях свободы: тангаж, крен и рыскание

Говоря о чувствительных к наклону датчиках: я предполагаю, что эти датчики / преобразователи работают, обнаруживая незначительные изменения потенциальной энергии гравитации (которые могут проявляться как мелкомасштабное движение некоторых крошечных компонентов датчика), который связан с изменение телефона в пространственной ориентации.

На мой взгляд, такой датчик потребует движущихся частей и не может быть просто другой микросхемой на печатной плате.

В этих условиях, если бы мне было поручено создать устройство, чувствительное к наклону, которое воспринимает незначительные изменения потенциальной энергии гравитации, мне, вероятно, потребовалось бы по крайней мере 3 пары датчиков (по паре в каждой из трех координатных осей). Кроме того , видя , как очень чувствительный мой смартфон , как представляется, в наклоне, я должен был бы построить смехотворно большое устройство, при этом каждый датчик в паре размещены несколько метров друг от друга , чтобы достичь наклона чувствительность , сравнимую с моего телефона.

Тем не менее, смартфоны имеют размеры меньше, чем у обычного сэндвича, поэтому наличие «датчиков в паре, расположенных на расстоянии нескольких метров друг от друга», помимо непрактичности, явно не соответствует действительности.

^ Я разглагольствовал об этом, так что вы можете почувствовать мое искреннее недоумение в следующем подвопросе:

Почему эти датчики настолько чувствительны, несмотря на их небольшой размер?

Вы правы, в некотором смысле. Этим датчикам нужны движущиеся компоненты. Тем не менее, они являются чипом на вашей доске.

Датчики наклона (на самом деле, акселерометры) и гироскопы (и датчики давления, ...) являются частью семейства MEMS: микроэлектромеханические системы.

Используя методы, подобные уже используемым в производстве интегральных схем, мы можем создавать удивительные маленькие устройства. Мы используем те же процессы травления вещей, нанесения новых слоев, растущих структур и т. Д.

Это невероятно крошечные устройства. это пример гироскопа:

ссылка на оригинальный сайт.

Большинство из них работают, ощущая изменения в емкости. Гироскоп чувствовал бы изменения из-за вращения (большая вещь на картинке крутилась бы вокруг центральной оси. Это приблизит крошечные зубы, которые чередуются ближе друг к другу, и увеличит емкость. Акселерометры работают по аналогичному принципу. Эти зубы могут быть заметили в правом нижнем углу второго изображения.

Как насчет невесомости?

Это не сильно изменится с точки зрения функционирования устройств. Видите ли, акселерометры работают, ощущая ускорение. Ключевым моментом, однако, является то, что гравитация для них одинакова - просто кажется, что вы все время ускоряетесь на 1G. Они используют эту «константу», чтобы понять, где находится «вниз». Это также означает, что хотя микрогравитация микросхем будет нормально работать, ваш телефон не будет работать - он будет сбит с толку, так как кажется, что «вниз» нет.

Быстрое добавление к (очень хорошей) точке, которую поднимает пользователь GreenAsJade: когда вы смотрите на общие определения гироскопов в таких источниках, как Википедия, они часто описываются как нечто вроде вращающегося диска. На рисунках выше, похоже, нет вращающихся частей. Что с этим?

Они решают эту проблему путем замены вращения на вибрацию . Дискообразный объект на изображениях здесь только с очень тонкими и гибкими структурами связан с центральной осью. Этот диск затем заставляет вибрировать вокруг своей оси на высокой частоте. Когда вы перемещаете всю конструкцию вдоль угла, это заставляет диск постоянно сопротивляться этому - подобно классическому гироскопу. Этот эффект называется эффектом Кориолиса . Определяя величину наклона диска по сравнению с окружающим твердым материалом, он может измерить, насколько быстро он вращается.

Сенсорное устройство - это вес на пружине. Это действительно «мелкое движение некоторых крошечных компонентов датчика», а также «еще один чип на плате».

Ключевое слово здесь - MEMS . Можно построить небольшие кремниевые структуры, а затем вытравить их, оставив свободно плавающую часть. Если кусок длинный и тонкий, он будет деформироваться под действием силы тяжести (или любого ускорения) на величину, пропорциональную модулю Юнга. Изменение положения влияет на емкость между подвижной частью и неподвижными частями вокруг нее, которая может быть измерена электронным способом.

Как правило, они имеют только один трехосный акселерометр. Лучшая точность может быть достигнута добавлением гироскопов или другого акселерометра, разделенного расстоянием; Nintendo сделала это с помощью дополнений Wiimote.

Многие телефоны также содержат магнитометр, который неопределенно указывает, где магнитный север относительно телефона, хотя калибровка на них, как правило, плохая.

Решение конкретных частей вопроса:

• Что делает смартфоны чувствительными к наклону?

MEMS акселерометры. Пакет с квадратной стружкой толщиной несколько мм, не более 0,50 долл. США.

• Сохранят ли они эту способность в условиях невесомости?

Не совсем. Они больше не имеют удобный опорный вектор. Тем не менее, они по-прежнему могут определять ускорение, поэтому, если у вас есть одно из этих приложений «светового меча» и его можно развернуть, оно все равно будет работать на МКС. Но ни у вас, ни у телефона нет четкого представления о «вверх».

(Присланный туда комплект Raspberry Pi имеет акселерометр и кучу программ, написанных школьниками, так что почти наверняка есть где-нибудь видео, демонстрирующее это)

Необработанный выходной сигнал 3-осевого акселерометра представляет собой вектор из 3 значений, измеренных в м / с ^ 2. Величина этого вектора обычно составляет около 1 г, но направление меняется. Для стационарного телефона он будет указывать вниз. Если вы переместите его, вектор ускорения изменит направление. Если вы уроните телефон, то есть он войдет в свободное падение так же, как и телефон на орбитальном корабле, тогда величина будет приближаться к нулю. Это заставляет направление вектора дико колебаться и превращаться в шум.

Использование акселерометров в качестве детекторов капель для безопасности жесткого диска было популяризировано около десяти лет назад Macbooks. Люди нашли для них другое применение .

• как это работает?

Ответил более подробно другими ответами.

Теоретически, да, телефон или планшет могут работать на Международной космической станции (МКС) так же хорошо, как и здесь, на земле.

Давайте разберемся с этим немного.

Существует два типа движения, которые устройство должно обнаруживать.

Линейное движение

Автономные акселерометры используют отклонение подпружиненной массы от нормальной точки покоя в качестве меры ускорения на этой оси. Очевидно, вам нужно три из них, чтобы обнаружить движение по любой оси.

Зная и отслеживая эти силы, вы можете «подсчитать» скорость и направление движения устройства от его первоначального местоположения при включении. Фактор точных часов, и вы также можете определить текущее положение.

Это звучит просто, но математика на самом деле довольно сложна, и ошибки в системе со временем вызывают смещение.

вращение

Вращение, очевидно, вращается вокруг любой оси.

Датчики вращения

Вращение можно измерить с помощью гироскопа или датчика вращения. Эти устройства снова имеют слабосвязанную массу, которая может свободно вращаться или приводиться в движение по определенной оси. Когда корпус вашего устройства вращается, разница между вращениями говорит вам, насколько вращается устройство.

Спиновые датчики и гироскопы не заботятся о гравитации, кроме, возможно, некоторых различий трения.

Вращение акселерометра с гравитационной привязкой

Поскольку акселерометры измеряют силу, действующую на свободно подвешенную массу, когда этот датчик расположен вертикально относительно земли, пружина, конечно, будет отклоняться из-за веса массы из-за силы тяжести. Это смещение математически удаляется программным обеспечением для извлечения ускоряющей части.

Однако, поскольку трехосные акселерометры будут производить разные смещения в зависимости от их ориентации, можно математически определить вращение по разности смещений.

Однако, хотя этот метод работает, он подвержен отклонениям в G. Он не будет работать в пространстве. Это также было бы значительно менее функционально в маневрирующем самолете. Даже автомобиль, движущийся по крутому повороту на скорости, может быть проблематичным.

Акселерометр Спин Детекция

С помощью двух наборов достаточно чувствительных акселерометров можно обнаружить вращение по разнице в ускорении между акселерометрами.

Поскольку каждый акселерометр должен двигаться относительно другого, будет ускорение на этой оси между каждым. Эти значения могут снова использоваться математически для прогнозирования вращения.

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

Этот метод НЕ зависит от силы тяжести.

Будет ли ваш телефон или планшет работать на МКС

Как видно из вышесказанного, все зависит от того, какие методы использует ваше устройство.

Технически это можно построить и запрограммировать для этого. Возможно, вам придется выключить его и снова включить, чтобы откалибровать, но с правильными системами он должен работать нормально. По крайней мере, для того, чтобы играть в эту "игру-симулятор самолета".

Дрейф может быть более серьезной проблемой на МКС. Так как телефоны в обычном G имеют возможность узнать, какой путь «вниз» находится в данный конкретный момент, они могут со временем перенастроиться. Космическому устройству потребуется случайный ручной сброс, чтобы указать «нормальное» направление.

Все комментарии и ответы великолепны, чтобы помочь вам понять, как это возможно. Но вот кое-что, что поможет вам понять, как это актуализируется в реальных продуктах.

(источник изображения)

Это крошечная микросхема (3x3x1 мм!) От InvenSense. Он имеет трехосевой акселерометр (для бокового перемещения), трехосный гироскоп (для вращения) и трехосный магнитометр (как стрелка компаса). Он имеет внутренний код, который будет выполнять всю сложную математику. Это не требует почти никакой силы. Все это за 10 долларов США в единичных количествах.

Это только пример. Есть несколько компаний, производящих похожие продукты. Некоторые из них более точные, другие дешевле, большинство не имеют магнитометра и т. Д.

Веселиться!

Это редкий случай на сайте Электроники, где ни один из ответов четко и четко не ответил на вопрос!

Сохраняют ли мобильные телефоны способность обнаруживать наклон в условиях невесомости?

Ответ:

Они сохраняют (на аппаратном уровне) способность обнаруживать наклон , но больше не могут обнаруживать наклон .

В дальнейшем,

На уровне прикладного программного обеспечения, фактически, почти все (весьма вероятно, «все») разработчики прикладного программного обеспечения не допускали бы углового случая невесомости, поэтому весьма вероятно, что функции гироскопического акцепта в целом будут действовать совершенно неэффективно. большинство / все актуальные приложения.

Относительно того, как гироскопы / акселеры работают в телефонах, вы можете легко настроить Google API для них на двух платформах ( пример ).

Однако обратите внимание, что на момент написания всех ОС на практике функции гироскопа / ускорения нижнего уровня оборачиваются в своего рода удобный менеджер движений более высокого уровня :

Аксели / гироскопы, на самом деле обернуты вместе на уровне ОС

Так ведь ...

на практике, для любого довольно недавно написанного приложения (помня, что, скажем, около 25% приложений в магазине разрушаются / не обновляются регулярно), все сводится к тому, как команда в Apple написала (в их случае) «Coremotion» рассматривал (если вообще!) Случай среды невесомости. (Там аналогичная ситуация для Android).

И далее, для игр как таковых ...

Сегодня практически любая игра, в которую вы играете и играете на телефоне, была создана в Unity3D, а не как собственное приложение. (И, как правило, если вы посмотрите на набор «приложений, использующих аксел / гироскопы», 90% (больше?) Из них - просто игры.) Так что на самом деле (на всех платформах) разработчики программного обеспечения на самом деле используя уровень программных оболочек Unity .

Следовательно, фактическое поведение в крайнем угловом случае земной орбиты будет зависеть от того, что эти люди сделали, когда писали это.

Один запутанный момент ...

это не было разъяснено. Когда вы пишете программное обеспечение для телефонов, это совершенно обычное дело - иметь дело с «невесомостью» ... в течение коротких периодов времени, то есть когда телефон находится в свободном падении . Поэтому, если вы создаете одно из (100-х) приложений для скейтбордистов, лыжников и т. П., Которое измеряет время зависания и т. Д., Вы, конечно, справитесь с этим.

Гироскопы были представлены в телефонах около 2010 года; аксели были в них с самого начала.

Французский / Итальянская компания называется STMicroelectronics в значительной степени делает большинство из гироскопов как для яблока и самсунг.

Что касается акселерометров, у большинства телефонов теперь есть пара из них, так как это работает лучше таким образом. Я слышал, что существует множество поставщиков акселерометров (Bosch и т. Д.).

Вы можете буквально купить гироскопы MEMS или акселеры , если, например, вы делаете электронную игрушку, которая включает в себя такую ​​функцию.

• Как MEMS акселерометры на самом деле работают на уровне подложки
• Как работают MEMS гироскопы

Повторяю, основной быстрый ответ на поставленный вопрос:

В «zero g» они сохраняют (на аппаратном уровне) способность обнаруживать наклон , но больше не могут обнаруживать наклон .

С точки зрения программного обеспечения,

1. это почти наверняка "полностью провалится!" в странном случае "ты на орбите". Поскольку ни один гейн или инженер приложений (я знаю) не был бы настолько ОКР, чтобы покрыть этот случай, но не забывайте ...

2. это совершенно обычное явление - «невесомость» .. в течение коротких периодов свободного падения (это применимо как обычное дело, если вы создаете одно из этих «приложений для спортивных игр»).

Я думаю, что они могли бы использовать интерферометр Саньяка в смартфонах. Интерферометр Саньяка - это устройство, которое генерирует постоянную интерференционную картину, находясь в состоянии покоя, и ее схема изменяется при повороте установки.

Поэтому, когда 3 таких интерферометра установлены, мы можем измерить вращение вокруг всех 3 осей.

Интерферометры Саньяка бывают очень небольших размеров и состоят из оптических волокон для направления света, источника света (когерент) и детектора.

Конечно это должно быть откалибровано перед использованием.