Что делает смартфоны чувствительными к наклону? Сохранят ли они эту способность в условиях невесомости?

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

Кроме того, поскольку работа этих датчиков кажется почти наверняка основанной на наличии внешнего гравитационного поля (например, земного), возникает второй вопрос: сохраняют ли смартфоны свою чувствительность к наклону под нулевой гравитацией (гипотетические) условия?

(Недавно я играл в симулятор самолета на моем телефоне ... тот факт, что самолет так хорошо реагировал на опрокидывание, меня ошеломил, следовательно, желание задать этот вопрос)


Дополнительно:

Я подумал об этом сам, поэтому я тоже буду это делать. Во всех смыслах и целях 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 в старшей школе, и если я правильно помню, существуют степени six для частицы в 3D-картезианской системе. Из моего опыта работы с симулятором самолета смартфоны, кажется, обнаруживают движение только в трех степенях свободы: шаг, рулон и рыскание

 введите описание изображения здесь>> </a> </p>

<p> Говоря о чувствительных к наклону датчиках: Как я полагаю,  эти датчики /преобразователи работают, путем обнаружения минутных изменений в энергии гравитационного потенциала (которые  могут  проявляться как мелкомасштабное движение некоторых крошечных компонентов датчика), что связано с изменением пространственной ориентации телефона. </p>

<p> Как я вижу, такой датчик потребует  moving  частей и не может просто быть другим чипом на монтажной плате. </p>

<p> В этих обстоятельствах, если бы мне было поручено создать чувствительное к наклону устройство, которое воспринимает мельчайшие изменения в потенциальной энергии гравитации, мне, вероятно, потребуется, по меньшей мере, 3 пары датчиков (пара в каждой из трех координатных осей). Кроме того, видя, насколько чувствителен мой смартфон  very , мне нужно было нарисовать смехотворно большое устройство, причем каждый датчик в паре находился на расстоянии нескольких метров друг от друга, чтобы достичь чувствительности к наклону, сравнимой с тем, что моего телефона. </p>

<p> Однако смартфоны имеют размеры меньше, чем у типичного сэндвича, поэтому наличие «датчиков в паре, расположенных на расстоянии нескольких метров друг от друга», помимо непрактичности, явно не так. </p>

<p> ^ Я разошлась по этому поводу, чтобы вы могли почувствовать мою неподдельную недоумение в следующем вопросе: </p>

<p> <strong> Почему эти датчики  так  чувствительны, несмотря на их небольшой размер? </strong> </p></div>
				<div class= sensor cellphone motion sensing

59 голосов | спросил paracetamol 11 Maypm17 2017, 16:57:28

6 ответов


94

Вы правы, в некотором смысле. Эти датчики нуждаются в движущихся компонентах. Тем не менее, это чип на вашем борту.

Тильцензоры (на самом деле, акселерометры) и гироскопы (и датчики давления ...) являются частью семейства MEMS: Микроэлектромеханические системы.

Используя аналогичные методы, которые уже распространены в производстве интегральных схем, мы можем создавать удивительные устройства. Мы используем те же процессы травления вещей, осаждая новые слои, растущие структуры и т. Д.

Это невероятно крошечные устройства. это пример гироскопа:

 введите описание изображения здесь>> </a> </p>

<p> <a href=  введите описание изображения здесь>> </a> </p>

<p> <a href= ссылка на исходный веб-сайт.

Большинство из них работают, измеряя изменения в емкости. Гироскоп почувствовал бы изменения из-за вращения (большая вещь на картинке будет крутиться вокруг центральной оси, что приведет к крошечным зубам, которые чередуются ближе друг к другу и увеличивают емкость. Акселерометры работают по аналогичному принципу. замеченный в правом углу второго изображения.

Как насчет нулевой гравитации?

Это не изменилось бы с точки зрения функционирования устройств. Видите ли, акселерометры работают, измеряя ускорение. Ключ, однако, заключается в том, что сила тяжести одинакова для них - это просто ощущение, что вы все ускоряетесь на скорости 1G. Они используют эту «постоянную», чтобы понять, где «вниз». Это также означает, что, хотя чипы будут функционировать просто в микрогравитации, ваш телефон не будет - он будет запутан, так как кажется, что нет «вниз».

Быстрое дополнение к адресу (очень хорошая) точка, которую пользователь GreenAsJade вызывает: . Когда вы смотрите на общий эффектом Кориолиса . Чувствуя величину наклона диска по сравнению с окружающим твердым материалом, он может измерять, насколько быстро он вращается.

ответил Joren Vaes 11 Maypm17 2017, 17:11:15
15

Сенсорное устройство представляет собой вес на пружине. Это действительно «мелкомасштабное движение некоторых крошечных компонентов датчика», а также «еще один чип на печатной плате».

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

Обычно они имеют только один трехосный акселерометр. Лучшая точность может быть достигнута путем добавления гироскопов или другого акселерометра, разделенного расстоянием; Nintendo сделала это с дополнениями Wiimote.

Многие телефоны также содержат магнитометр, который говорит вам смутно, где магнитный север относительно телефона, хотя калибровка имеет тенденцию быть плохим на них.

Обращение к конкретным частям вопроса:

  • Что делает смартфоны чувствительными к наклону?

MEMS-акселерометры. Малый квадратный чип-пакет размером $ 0,50 или менее.

  • Сохранят ли они эту способность в условиях отсутствия гравитации?

Не совсем. Они больше не имеют удобный опорный вектор. Тем не менее, они все еще могут обнаружить ускорение, поэтому, если у вас есть один из этих приложений «световых мечей» и волновать его, он все равно будет работать на МКС. Но ни у вас, ни у телефона нет четкого представления о «вверх».

(У набора малины Pi есть акселерометр и множество программ, написанных школьниками, поэтому почти наверняка есть видео, демонстрирующее это где-то)

Сырой выход 3-осевого акселерометра представляет собой вектор из трех значений, измеренных в м /с ^ 2. Величина этого вектора будет обычно составлять около 1 г, но направление меняется. Для стационарного телефона он будет указывать вниз. Если вы переместите его, вектор ускорения изменит направление. Если вы отбрасываете телефон, то есть он переходит в свободное падение, как и на телефоне на орбитальном судне, тогда величина приближается к нулю. Это диктует направление векторного колебания и превращается в шум.

Использование акселерометров в качестве детектора падения для безопасности жесткого диска было популяризировано около десятилетия назад Macbooks. Люди нашли для них другие виды использования .

  • Как это работает?

Ответы более подробно на другие ответы.

ответил pjc50 11 Maypm17 2017, 17:08:48
10

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

Давайте немного сломаем это.

Существует два типа движения, которые необходимо обнаружить устройству.

Линейное движение

Автономные акселерометры используют отклонение пружинной массы от нормальной точки покоя как меру силы ускорения на этой оси. Очевидно, вам нужно три из них, чтобы обнаружить движение на любой оси.

Зная и отслеживая эти силы, вы можете «смириться» с скоростью и направлением движения устройства от его первоначального местоположения «включения питания». Фактор в точных часах, и вы также можете определить текущую позицию.

Это звучит просто, но математика на самом деле довольно сложная, и ошибки в системе вызывают дрейф с течением времени.

<сильный> Вращение

Вращение, очевидно, вращается вокруг любой оси.

Спиновые датчики

Вращение можно измерить с помощью гироскопа или датчика вращения. Эти устройства снова имеют свободно связанную массу, которая может вращаться или вращаться на определенной оси. Когда тело вашего устройства вращается, разница между вращениями показывает вам, сколько устройство вращается.

Спиновые датчики и гироскопы не заботятся о гравитации, другие, возможно, некоторые отклонения от трения.

Гравитационное вращение акселерометра

Так как акселерометры измеряют силу, действующую на слабо взвешенную массу, когда этот датчик вертикален относительно земли, то, конечно, будет отклонение пружины из-за веса массы из-за силы тяжести. Это смещение математически удаляется программным обеспечением для извлечения части ускорения.

Однако, поскольку трехосевые акселерометры будут производить разные смещения в зависимости от их ориентации, можно математически определить спин из разности смещений.

Однако, хотя этот метод работает, он подвержен отклонениям в G. Он не будет работать в космосе. Это также будет значительно менее функциональным в маневрирующем самолете. Даже автомобиль, крутящийся по крутому повороту со скоростью, может быть проблематичным.

Обнаружение спина акселерометра

Возможно, с двумя наборами достаточно чувствительных акселерометров, чтобы обнаружить вращение от разницы в ускорении между акселерометрами.

Поскольку каждый акселерометр должен двигаться относительно другого, будет разница в ускорении на этой оси между ними. Эти значения могут снова использоваться математически для прогнозирования вращения.

Проще говоря, если вы можете сказать с акселерометров с центром на одном конце телефона, что центральная точка переместилась в \ $ X_1, Y_1, Z_1 \ $, а другой конец теперь находится в \ $ X_2, Y_2, Z_2 \ $, вычисление трех углов тривиально.

Этот метод не зависит от силы тяжести.

Будет ли работать ваш телефон или планшет на МКС

Как вы можете видеть из вышесказанного, это действительно зависит от того, какие методы использует ваше устройство.

Технически он может быть построен и запрограммирован для этого. Возможно, вам придется закрыть его и снова включить его, чтобы перекалибровать его, но с правильными системами на месте он должен работать нормально. По крайней мере, для игры в эту «симулятор игры».

Дрифт может быть более серьезной проблемой на МКС. Так как телефоны в обычном G имеют возможность знать, какой путь «вниз» в этот конкретный момент, они могут повторно настраиваться с течением времени. Для устройства с пространственным разделением потребуется случайный ручной сброс, чтобы указать «нормальное» направление.

ответил Trevor_G 11 Maypm17 2017, 18:50:27
8

Все комментарии и ответы помогут вам понять, как это возможно. Но здесь , что поможет вам понять, как он актуализируется в реальных продуктах.

 Ориентация (источник изображения)

Это крошечный IC (3x3x1 мм!) от InvenSense. Он имеет трехосный акселерометр (для бокового движения), трехосный гироскоп (для вращения) и трехосный магнитометр (например, стрелка компаса). Он имеет внутренний код, который будет выполнять всю сложную математику. Силы почти не нужны. Все это за 10 долларов США в одном количестве.

Это только пример. Есть несколько компаний, производящих аналогичные продукты. Некоторые из них более точны, чем другие, некоторые из них дешевле, большинство из них не имеют магнитометра и т. Д.

Удачи!

ответил bitsmack 13 Mayam17 2017, 02:51:38
6

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

  

У мобильных телефонов сохраняется возможность обнаружения наклона в условиях отсутствия силы тяжести?

Ответ:

Они сохраняют (на аппаратном уровне) возможность обнаружения наклона , но они больше не могут обнаружить наклон .

Далее

На уровне программного обеспечения для приложений фактически практически все (очень вероятно «все») приложения-программисты не разрешали бы угол с нулевой гравитацией, поэтому очень вероятно, что функции гироскопа будет действовать неуклюже в целом, в большинстве /всех реальных приложениях.

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

Обратите внимание, однако, что все ОС, начиная с записи, на практике переносят функции гироскопа /ускорения нижнего уровня в какой-то удобный диспетчер движения более высокого уровня :

Accels /gyros, на самом деле завернуты вместе на уровне OS

Так на самом деле ...

на практике для любого достаточно недавно написанного приложения (помня, что, скажем, около 25% приложений в магазине разлагаются /не обновляются регулярно), это сводится к тому, как команда в Apple , которые писали (в их случае) «Коремотион» обрабатывали (если вообще!) случай окружающей среды с невесомостью. (Аналогичная ситуация для Android).

И далее, для игр как таковых ...

Сегодня почти любая игра, которую вы выбираете и играете на телефоне, была создана в Unity3D, а не как родное приложение. (И, как правило, если вы посмотрите на набор «приложений, которые используют ускорение /гироскопы», из них 90% (более?) - это 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 краевом случае земной орбиты будет зависеть от того, что те делали при написании этого.

Одна запутанная точка ...

, который не был выяснен. Когда вы пишете программное обеспечение для телефонов, это абсолютно обычное дело, чтобы иметь дело с " невесомость " ... на короткие промежутки времени: то есть , когда телефон находится в свободном падении . Поэтому, если вы делаете одно из (100) приложений для скейтбордеров, лыжников и т. П., Которые измеряют время зависания и т. Д., Вы справляетесь с этим, как само собой разумеющееся.

Гироскопы были представлены на телефоны около 2010 года; с самого начала они находились в них.

A Французская /итальянская компания STMicroelectronics в значительной степени делает большую часть гироскопов как для Apple, так и для Samsung.

Что касается акселерометров, большинство телефонов теперь имеют пару из них, так как они работают лучше. Я слышал, что существует множество поставщиков акселерометров (Bosch и т. Д.).

Вы можете буквально купить MEMS гироскопы или акцессы , если, например, вы создаете электронную игрушку, которая включает такую ​​функцию.

Чтобы повторить, фундаментальный быстрый ответ на поставленный вопрос:

В «нулевом g» они сохраняют (на аппаратном уровне) возможность обнаружения наклона , но они больше не могут обнаружить tilt .

В терминах программного обеспечения

  1. это почти наверняка «полностью потерпит неудачу»! в случайном «вы находитесь на орбите». Поскольку ни один разработчик gane или app (я знаю) не был бы таким OCD, чтобы охватить этот случай, но не забывайте ...

  2. Это абсолютно обычное явление, когда у вас есть «невесомость» .. в короткие периоды свободного падения (это относится к обычному вопросу, если вы делаете одно из этих «приложений для занятий спортом»).

ответил Fattie 14 Maypm17 2017, 15:23:49
1

Я думаю, что они могут использовать интерферометр саньяка в смартфонах. Интерферрометр Саньяка - это устройство, которое создает постоянную интерференционную картину, находясь в состоянии покоя, и ее характер изменяется при повороте установки.

Итак, когда помещено 3 таких интерферометра, мы можем измерить вращение вокруг всех трех осей.

Интерферометры Саньяка имеют очень малые размеры и включают в себя оптические волокна для пропускания света, источника света (когерентного) и детектора.

Конечно, его следует откалибровать перед использованием.

ответил user_sp 12 Maypm17 2017, 20:01:02

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132