Мы редко задумываемся о том, чем напичкан наш смартфон. Раньше мы использовали его только для звонков и SMS, теперь же смартфоны стали меньше и быстрее ноутбуков и компьютеров. Современные смартфоны богаты на самые разные сенсоры и умные датчики, которые помогают пользоваться нам самыми простыми функциями. Датчики и сенсоры очень чувствительны к внешним изменениям. Поворачиваете смартфон горизонтально, а экран ориентируется вместе с вами? Значит, стоит поблагодарить гироскоп, установленный в вашем устройстве. Кстати, благодаря гироскопу существует VR и все, что с этим связано. Рассказываем, как работает гироскоп, зачем он нужен, как его откалибровать на Android, чем отличается гироскоп от акселерометра.
Рассказываем, как работает гироскоп в смартфоне
Что такое гироскоп
Гироскоп — это устройство, которое помогает определить положение тела в пространстве. Изобретен он был достаточно давно, еще в 1817 году, а повсеместное применение находит до сих пор. Аналоговый гироскоп состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси ротора-волчка, которая меняет положение в пространстве, а скорость вращения волчка превышает скорость поворота оси его вращения. Из-за этого волчок сохраняет свое положение независимо от сил, действующих извне. Для точного определения положения в пространстве такие нехитрые приборы используются в самолетах, ракетах, квадрокоптерах, планшетах и смартфонах.
От детского волчка до полетов в космос
В основе многих научных открытий лежит наблюдение за простыми повседневными вещами. Так и один из важных приборов, применяющихся в составе современных устройств, – гироскоп – родился из старинной детской игрушки, известной как волчок. Сильно раскрученный волчок, удерживающий вертикальное положение даже при воздействии на него внешних сил, привлек внимание ученых. Изучая его свойства, люди науки задумывались о практическом применении эффекта. Волчком интересовались англичанин Исаак Ньютон, российский академик Леонард Эйлер, опубликовавший в 1765 году труд «Теория движения твердых тел», и другие ученые.
Первые механические гироскопы появились в начале XIX века. Но только в 1852 году французский физик Леон Фуко предложил использовать устройство для контроля изменения направления и дал ему название «гироскоп». Первый промышленный гироскоп был создан в конце XIX века − австрийский инженер Людвиг Обри придумал использовать его для стабилизации курса торпеды.
Следующим шагом в истории гироскопии стало создание лазерного гироскопа. Подготовка к его «рождению» заняла практически весь XX век, ведь для этого нужно было подтянуть квантовую физику и создать новые методы обработки материалов. Разработка лазерных гироскопов началась в 1970-х годах, а массовое применение пришлось на 2000-е. Сегодня мы находимся на этапе развития нового поколения гироскопов – волновых твердотельных и микромеханических.
В наше время гироскопы применяются в самых разных областях: для стабилизации фото- и видеокамер, в мобильных устройствах и игровых контроллерах, в огнестрельном оружии и робототехнике, в гироскутерах и квадрокоптерах, в системах навигации и управления в авиации, на кораблях и в космосе. Современные гироскопы на МЭМС-технологиях могут достигать миллиметровых размеров.
Как работает гироскоп в смартфоне
Так выглядит гироскоп смартфона
Гироскоп в смартфонах и других умных устройствах сильно отличается от обычных, хоть и выполняет ту же функцию. Механическая энергия в нем преобразуется в электрическую, что формируется в в алгоритм работы. В умных устройствах гироскоп представляет собой подвижные вещества, которые смещаются под наклоном, меняя электрическую емкость конденсаторов, связанную с процессором вашего смартфона. Самый просто вариант гироскопа выглядит как две подвижные единицы, которые меняют положение и посылают сигнал датчикам. При повороте устройства двигается и весь гироскоп, который посылает сигнал об изменившемся местоположении. Благодаря этому нехитрому устройству вы можете встряхивать смартфон и переворачивать, чтобы работали интересные фичи, встроенные в операционную систему вашего смартфона. Если вы планируете пользоваться устройством с VR, например, очками или шлемом, то гироскоп будет играть в этом важную роль, отслеживая повороты головы и направляя виртуальный взгляд именно туда, куда направлен ваш взор. Что еще интересного скрывает VR? Читайте наши материалы в Яндекс.Дзен — пишем то, о чем еще никто не знает!
Небольшая историческая справка
Изобретателем устройства считают астронома немецкого происхождения Иоганна Боненбергера. В начале ХIХ века приспособление было массивным. Чтобы читатель имел представление, прибор был устроен также, как и простой волчок.
Механизм, элементы которого могут крутиться вокруг 3-х осей, именуют гироскопом с 3-мя степенями свободы. Как работает простейший гироскоп:
- это устройство с устойчивой осью вращения;
- сила, воздействующая на ось, смещает ее в плоскости, расположенной перпендикулярно вектору силы.
В начале прошлого столетия гироскоп получил применение на монорельсовых дорогах. Российский изобретатель П. П. Шиловский решил использовать его в автомобилестроении. Воплотив намерения в жизнь, он создал гирокар — двухколесное авто. Уравновешивал машину гироскопический эффект. Механизм в этом транспортном средстве располагался точно посередине, имея возможность отклоняться в обе стороны на 25 градусов. Слева и справа подвешивали пару тяжелых маятников.
Ощутить максимальный гироскопический эффект можно, катаясь на велосипеде.
По принципу работы различают механический и оптический гироскоп. Механические устройства в оригинальной конструкции все реже применяются на практике. Вибрационные датчики — разновидность механических. Эта категория получила значительное распространение в высокотехнологичных портативных устройствах.
Чем гироскоп отличается от акселерометра
Акселерометр помогает в играх на смартфоне
Если вы любите иногда играть на смартфоне, то эти два датчика делают вашу жизнь гораздо проще. Они оба предназначены для того, чтобы определять положение гаджета в пространстве. Если гироскоп высчитывает угол наклона вашего смартфона относительно поверхности, передавая информацию в операционную систему, то акселерометр очень точно вычисляет ускорение. Именно поэтому наши смартфоны неплохо справляются с функцией шагомеров. Данные будут плюс-минус точными: можете попробовать сравнить их с данными ваших умных часов или фитнес-браслета, отличия будут незначительными. В современных смартфонах устанавливают и гироскоп, и акселерометр, что помогает избежать случайных поворотов экрана при его перемещении. Что еще интересного хотите узнать о смартфоне? Пишите нам в Telegram-чате!
Что еще почитать: Какую камеру наблюдения купить для дома
Новое время
На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.
Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.
На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.
Как проверить гироскоп в смартфоне
С помощью видео в 360 можно проверить работоспособность смартфона
Все современные смартфоны оборудованы этими датчиками. Но если вам интересен принцип их работы, то есть отличный способ.
- Откройте приложение YouTube
- Найдите в поиске любое видео, которое поддерживает просмотр в режиме 360 градусов
- Попробуйте покрутить телефон. Если изображение меняется относительно угла наклона, то гироскоп работает нормально
- Если ничего не меняется, проверьте, не выключена ли функция автоповорота экрана
- Проверить этот датчик можно и в играх с дополненной реальностью. Самый простой пример — игра Pokemon Go
Проверить наличие и работоспособность устройств можно также в приложении AIDA64. Устанавливаете приложение и получаете информацию в разделе «Датчики» обо всех установленных комплектующих в вашем смартфоне.
Вязкостное демпфирование.
Для гашения выходного момента силы относительно оси двухстепенного гироузла можно использовать вязкостное демпфирование. Кинематическая схема такого устройства представлена на рис. 5; она отличается от схемы на рис. 4 тем, что здесь нет противодействующей пружины, а вязкостный демпфер увеличен. Когда такое устройство поворачивается с постоянной угловой скоростью вокруг входной оси, выходной момент гироузла заставляет рамку прецессировать вокруг выходной оси. За вычетом эффектов инерционной реакции (с инерцией рамки связано в основном лишь некоторое запаздывание отклика) этот момент уравновешивается моментом сил вязкостного сопротивления, создаваемым демпфером. Момент демпфера пропорционален угловой скорости вращения рамки относительно корпуса, так что выходной момент гироузла тоже пропорционален этой угловой скорости. Поскольку этот выходной момент пропорционален входной угловой скорости (при малых выходных углах рамки), выходной угол рамки увеличивается по мере того, как корпус поворачивается вокруг входной оси. Стрелка, движущаяся по шкале (рис. 5), указывает угол поворота рамки. Показания пропорциональны интегралу угловой скорости вращения относительно входной оси в инерциальном пространстве, и поэтому устройство, схема которого представлена на рис. 5, называется интегрирующим двухстепенным гиродатчиком.
На рис. 6 изображен интегрирующий гиродатчик, ротор (гиромотор) которого заключен в герметично запаянный стакан, плавающий в демпфирующей жидкости. Сигнал угла поворота плавающей рамки относительно корпуса вырабатывается индукционным датчиком угла. Положение поплавкового гироузла в корпусе задает датчик момента в соответствии с поступающими на него электрическими сигналами. Интегрирующие гиродатчики обычно устанавливают на элементах, снабженных сервоприводом и управляемых выходными сигналами гироскопа. При таком расположении выходной сигнал датчика момента можно использовать как команду на поворот объекта в инерциальном пространстве. См. также
ГИРОКОМПАС.
Как откалибровать гироскоп на Android
Гироскоп — это самостоятельный датчик, который невозможно настроить самостоятельно. Он есть во всех смартфонах и включить/отключить его нельзя, он всегда работает. В этой ситуации возможно лишь настроить или откалибровать акселерометр. Например, включить или выключить функцию поворота экрана.
Функция «Автоповорот экрана» помогает избежать случайной смены ориентации экрана
Для калибровки акселерометра используется стороннее приложение Accelerometer Calibration. Мобильное устройство кладется на ровную поверхность, а когда показывающий равновесие шарик окажется в прицеле, надо нажать кнопку «Calibrate».
Гироскоп — это один из важнейших датчиков наряду с датчиком освещенности. Он помогает пользоваться навигацией, меняя положение телефона. Без него не работал бы автоповорот экрана,
Недостатки гиродатчика
Телефоны со свободным гироскопом обладают не только достоинствами. Минусом является высокая чувствительность гироскопа к движениям смартфона. Это затрудняет использование некоторых приложений. Например, пользователь передвинул телефон с чувствительным датчиком в процессе чтения. Это мгновенно изменит положение дисплея. Потребуется переместить аппарат в противоположном направлении, чтобы вернуть экран в исходное состояние.
