Hầu hết các điện thoại thông minh đều nhạy cảm với độ nghiêng, nhưng thiết bị nào làm cho điều này có thể? Ngoài ra, nó (và các cảm biến liên quan đến nó) hoạt động như thế nào?

Ngoài ra, do hoạt động của các cảm biến này dường như, gần như chắc chắn, dựa trên sự hiện diện của trường hấp dẫn bên ngoài (ví dụ, trái đất), điều này đặt ra câu hỏi thứ hai: Liệu điện thoại thông minh có giữ được độ nhạy nghiêng của chúng dưới trọng lực không (giả thuyết) điều kiện?

(Gần đây đã chơi một trò chơi giả lập máy bay trên điện thoại của tôi ... thực tế là chiếc máy bay phản ứng rất tốt với việc nghiêng khiến tôi ngạc nhiên; do đó thôi thúc hỏi câu hỏi này)

Ngoài ra:

Tôi tự suy nghĩ về điều này, vì vậy tôi cũng sẽ đưa nó lên đây. Đối với tất cả ý định và mục đích, câu hỏi của tôi đã kết thúc sau đoạn thứ hai, nhưng những gì tôi đã thêm sau này có thể giúp điều chỉnh một câu trả lời phù hợp với sự hiểu biết hiện tại của tôi về vật lý.

Tôi hiện đang học trung học và nếu tôi nhớ lại một cách chính xác, có sáu bậc tự do cho một hạt trong hệ thống Cartesian 3D. Từ kinh nghiệm của tôi với ứng dụng giả lập máy bay, điện thoại thông minh dường như phát hiện chuyển động chỉ trong ba bậc tự do: cao độ, lăn và ngáp

Nói về cảm biến độ nghiêng: Cách tôi giả sử các cảm biến / đầu dò này hoạt động, là bằng cách phát hiện những thay đổi nhỏ trong năng lượng hấp dẫn ( có thể biểu hiện là chuyển động quy mô nhỏ của một số thành phần nhỏ của cảm biến) có liên quan đến thay đổi điện thoại trong định hướng không gian.

Theo cách tôi nhìn thấy, một cảm biến như vậy sẽ yêu cầu các bộ phận chuyển động , và không thể đơn giản là một con chip khác trên bảng mạch.

Trong những trường hợp này, nếu tôi được giao nhiệm vụ chế tạo một thiết bị nhạy cảm nghiêng, nhận thấy sự thay đổi phút của năng lượng hấp dẫn, tôi có thể sẽ cần ít nhất 3 cặp cảm biến (một cặp trong ba trục tọa độ). Ngoài ra, khi thấy điện thoại thông minh của tôi rất nhạy cảm với độ nghiêng, tôi phải chế tạo một thiết bị lớn đến mức lố bịch, với mỗi cảm biến được đặt cách nhau vài mét để đạt được độ nhạy nghiêng tương đương với điện thoại của tôi.

Tuy nhiên, điện thoại thông minh có kích thước nhỏ hơn so với bánh sandwich thông thường, do đó, việc có "cảm biến trong một cặp đặt cách nhau vài mét", ngoài việc không thực tế, rõ ràng không phải là trường hợp.

^ Tôi đã ca ngợi về điều này, để bạn có thể cảm nhận được sự lúng túng thực sự của tôi trong câu hỏi phụ sau:

Làm thế nào mà những cảm biến này rất nhạy cảm, mặc dù kích thước nhỏ của chúng?

Bạn đúng, theo một nghĩa nào đó. Những cảm biến này cần các thành phần di chuyển. Tuy nhiên, chúng là một con chip trên bảng của bạn.

Tiltsensors (thực ra là gia tốc kế) và con quay hồi chuyển (và áp suất, ...) là một phần của một gia đình gọi là MEMS: Hệ thống cơ điện tử.

Sử dụng các kỹ thuật tương tự như đã phổ biến trong chế tạo mạch tích hợp, chúng ta có thể tạo ra các thiết bị nhỏ tuyệt vời. Chúng tôi sử dụng các quy trình tương tự để khắc đi mọi thứ, lắng đọng các lớp mới, các cấu trúc đang phát triển, v.v.

Đây là những thiết bị cực kỳ nhỏ. đây là một ví dụ về con quay hồi chuyển:

liên kết đến trang web gốc.

Hầu hết những công việc này bằng cách cảm nhận những thay đổi trong điện dung. Một con quay hồi chuyển sẽ cảm nhận được những thay đổi do xoay (điều lớn trong hình sẽ xoay quanh trục trung tâm. Điều này sẽ mang những chiếc răng nhỏ được đặt xen kẽ lại gần nhau hơn và tăng điện dung. Gia tốc kế hoạt động theo nguyên tắc tương tự. phát hiện ở góc bên phải của hình ảnh thứ hai.

Thế còn không trọng lực?

Nó sẽ không thay đổi nhiều về chức năng của các thiết bị. Bạn thấy đấy, gia tốc kế hoạt động bằng cách cảm nhận gia tốc. Tuy nhiên, điều quan trọng là trọng lực là như nhau đối với họ - nó chỉ có cảm giác như bạn đang được tăng tốc ở mức 1G, mọi lúc. Họ sử dụng "hằng số" này để có được một ý tưởng trong đó "xuống". Điều này cũng có nghĩa là trong khi các chip sẽ hoạt động tốt ở trọng lực vi mô, điện thoại của bạn sẽ không - nó sẽ bị nhầm lẫn vì dường như không có "xuống".

Ngoài ra để giải quyết một điểm (rất tốt) mà người dùng GreenAsJade đưa ra: Khi bạn xem các định nghĩa phổ biến của con quay trên các nguồn như wikipedia, chúng thường được mô tả như một cái gì đó dọc theo đường của đĩa quay. Những hình ảnh trên dường như không có bất kỳ phần quay. Có chuyện gì thế?

Cách họ giải quyết điều này là bằng cách thay thế vòng quay bằng độ rung . Đối tượng hình đĩa trong các hình ảnh ở đây chỉ được kết nối với các cấu trúc rất mỏng và linh hoạt với trục trung tâm. Đĩa này sau đó được tạo ra để rung xung quanh trục của nó ở tần số cao. Khi bạn di chuyển toàn bộ cấu trúc dọc theo một góc, điều này sẽ khiến đĩa cố gắng và liên tục chống lại điều này - tương tự như một con quay hồi chuyển cổ điển. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Coriolis . Bằng cách cảm nhận độ nghiêng của đĩa so với vật liệu rắn xung quanh, nó có thể đo được tốc độ quay của nó.

Các thiết bị cảm giác là một trọng lượng trên một mùa xuân. Nó thực sự là "chuyển động quy mô nhỏ của một số thành phần nhỏ của cảm biến" và đó cũng là "một con chip khác trên bảng mạch".

Từ khóa ở đây là MEMS . Có thể xây dựng các cấu trúc silicon nhỏ và sau đó khắc bên dưới chúng, để lại một mảnh nổi tự do. Nếu mảnh dài và mảnh, nó sẽ biến dạng dưới trọng lực (hoặc bất kỳ gia tốc nào) theo tỷ lệ thuận với mô đun Young của nó. Sự thay đổi vị trí ảnh hưởng đến điện dung giữa phần chuyển động và phần tĩnh xung quanh nó, có thể được đo bằng điện tử.

Nói chung họ chỉ có một gia tốc kế ba trục. Độ chính xác tốt hơn có thể đạt được bằng cách thêm con quay hoặc gia tốc kế khác cách nhau một khoảng cách; Nintendo đã làm điều này với các tiện ích bổ sung Wiimote.

Nhiều điện thoại cũng chứa một từ kế, điều này cho bạn biết một cách mơ hồ rằng từ bắc có liên quan đến điện thoại, mặc dù hiệu chuẩn có xu hướng xấu trên những điều này.

Giải quyết các phần cụ thể của câu hỏi:

• Điều gì làm cho điện thoại thông minh nghiêng nhạy cảm?

Gia tốc kế MEMS. Gói chip vuông ít mm, số lượng $ 0,5 trở xuống.

• Họ sẽ giữ lại khả năng này trong điều kiện không trọng lực?

Không chính xác. Họ không còn có một vector tham chiếu thuận tiện. Tuy nhiên, chúng vẫn có thể phát hiện gia tốc, vì vậy nếu bạn có một trong những ứng dụng "lightaber" đó và vẫy nó xung quanh thì nó vẫn hoạt động trên ISS. Nhưng cả bạn và điện thoại đều không có ý tưởng rõ ràng về "lên".

(Bộ Raspberry Pi được gửi lên đó có một máy đo gia tốc và một loạt các chương trình được viết bởi các học sinh, vì vậy gần như chắc chắn có một video chứng minh điều này ở đâu đó)

Đầu ra thô của gia tốc kế 3 trục là một vectơ gồm 3 giá trị được đo bằng m / s ^ 2. Độ lớn của vectơ này thường sẽ vào khoảng 1g, nhưng hướng khác nhau. Đối với một điện thoại cố định, nó sẽ chỉ xuống dưới. Nếu bạn di chuyển nó thì vectơ gia tốc sẽ thay đổi hướng. Nếu bạn làm rơi điện thoại, tức là điện thoại rơi vào tình trạng rơi tự do giống như điện thoại trên máy bay quay quanh, thì cường độ sẽ giảm xuống gần bằng không. Điều này làm cho hướng của vectơ dao động dữ dội và chuyển sang tiếng ồn.

Việc sử dụng gia tốc kế làm máy dò thả để đảm bảo an toàn cho đĩa cứng đã được phổ biến khoảng một thập kỷ trước bởi Macbook. Mọi người tìm thấy những cách sử dụng khác cho họ .

• làm thế nào nó hoạt động?

Trả lời chi tiết hơn bằng các câu trả lời khác.

Về mặt lý thuyết, vâng, một chiếc điện thoại hoặc máy tính bảng có thể hoạt động tốt như nói Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) giống như ở đây trên mặt đất.

Hãy phá vỡ điều này một chút.

Có hai loại chuyển động mà một thiết bị cần phát hiện.

Chuyển động tuyến tính

Gia tốc kế khép kín sử dụng độ lệch của khối kết hợp lò xo so với điểm nghỉ bình thường như một thước đo lực gia tốc trong trục đó. Rõ ràng bạn cần ba trong số này để phát hiện chuyển động ở bất kỳ trục nào.

Biết và theo dõi các lực lượng đó, bạn có thể "xác định được" tốc độ và hướng di chuyển của thiết bị từ vị trí "bật nguồn" ban đầu. Yếu tố trong một chiếc đồng hồ chính xác, và bạn cũng có thể tìm ra vị trí hiện tại.

Nghe có vẻ đơn giản, nhưng toán học thực sự khá phức tạp và lỗi trong hệ thống gây ra sự trôi dạt theo thời gian.

Vòng xoay

Xoay rõ ràng là quay về bất kỳ trục.

Cảm biến spin

Xoay có thể được đo bằng con quay hồi chuyển hoặc cảm biến quay. Các thiết bị này một lần nữa có khối lượng ghép lỏng lẻo, có thể tự do xoay hoặc được điều khiển trong một trục cụ thể. Khi thân thiết bị của bạn quay, sự khác biệt giữa các lần quay cho bạn biết thiết bị đang quay bao nhiêu.

Cảm biến spin và con quay hồi chuyển không quan tâm đến trọng lực, khác có lẽ là một số khác biệt ma sát.

Trọng lực tham chiếu Xoay gia tốc kế

Vì gia tốc kế đo lực tác dụng lên một khối lơ lửng lỏng lẻo, khi cảm biến đó thẳng đứng so với trái đất, dĩ nhiên sẽ có độ lệch trong lò xo do trọng lượng của khối lượng do trọng lực. Phần bù này được phần mềm loại bỏ về mặt toán học để trích xuất phần tăng tốc.

Tuy nhiên, vì gia tốc kế ba trục sẽ tạo ra các độ lệch khác nhau tùy thuộc vào hướng của chúng, nên có thể phát hiện toán học spin từ sự khác biệt trong độ lệch.

Tuy nhiên, mặc dù phương pháp này hoạt động, nó có thể bị thay đổi trong G. Nó sẽ không hoạt động trong không gian. Nó cũng sẽ ít chức năng hơn đáng kể trong một máy bay cơ động. Ngay cả một chiếc xe đi vòng quanh uốn cong chặt chẽ ở tốc độ có thể là vấn đề.

Phát hiện gia tốc kế

Có thể, với hai bộ gia tốc kế đủ nhạy, để phát hiện spin từ sự khác biệt về gia tốc giữa các gia tốc kế.

Vì mỗi gia tốc kế phải di chuyển so với nhau, sẽ có sự khác biệt về gia tốc ở trục đó giữa mỗi gia tốc. Những giá trị đó một lần nữa có thể được sử dụng một cách toán học để dự đoán spin.

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

Phương pháp này KHÔNG bị ảnh hưởng bởi trọng lực.

Điện thoại hoặc máy tính bảng của bạn sẽ hoạt động trên ISS

Như bạn có thể thấy ở trên, nó thực sự phụ thuộc vào phương thức mà thiết bị của bạn sử dụng.

Về mặt kỹ thuật, nó có thể được xây dựng và lập trình để làm như vậy. Bạn có thể cần phải tắt nó và cấp nguồn lại để hiệu chỉnh lại, nhưng với các hệ thống phù hợp, nó sẽ hoạt động tốt. Ít nhất là để chơi "trò chơi mô phỏng máy bay" đó.

Sự trôi dạt có thể là một vấn đề lớn hơn trên ISS. Vì điện thoại ở G bình thường có khả năng biết đường "xuống" tại thời điểm cụ thể đó, nên chúng có thể điều chỉnh lại theo thời gian. Một đơn vị dựa trên không gian sẽ cần thiết lập lại thủ công thường xuyên để chỉ ra hướng "bình thường".

Tất cả các ý kiến ​​và câu trả lời là tuyệt vời để giúp bạn hiểu làm thế nào nó có thể. Nhưng, đây là thứ sẽ giúp bạn hiểu cách nó được hiện thực hóa trong các sản phẩm thực.

(nguồn hình ảnh)

Đây là một IC nhỏ (3x3x1 mm!) Của InvenSense. Nó có gia tốc kế ba trục (đối với chuyển động bên), con quay hồi chuyển ba trục (để quay) và từ kế ba trục (như kim la bàn). Nó có mã nội bộ sẽ làm tất cả các phép toán phức tạp. Nó gần như không có sức mạnh. Tất cả điều này với giá $ 10 với số lượng duy nhất.

Đây chỉ là một ví dụ. Có một số công ty làm các sản phẩm tương tự. Một số chính xác hơn những cái khác, một số rẻ hơn, hầu hết không có từ kế, v.v ...

Chúc vui vẻ!

Đây là một trường hợp hiếm hoi trên trang Điện tử, trong đó, không có câu trả lời rõ ràng và rõ ràng nào trả lời câu hỏi!

Điện thoại di động có giữ được khả năng phát hiện độ nghiêng trong điều kiện không trọng lực không?

Câu trả lời là:

Chúng giữ lại (ở mức độ phần cứng) khả năng phát hiện độ nghiêng , nhưng chúng không còn có thể phát hiện độ nghiêng .

Thêm nữa,

Trên thực tế, ở cấp độ phần mềm ứng dụng, hầu như tất cả (rất có thể là "tất cả") người viết phần mềm ứng dụng sẽ không cho phép trường hợp góc không trọng lực, do đó rất có thể các chức năng của con quay hồi chuyển sẽ hoạt động tổng thể, trong hầu hết / tất cả các ứng dụng thực tế.

Về cách thức con quay / điểm nhấn hoạt động trong điện thoại, bạn có thể dễ dàng google các API cho những cái này trên hai nền tảng ( ví dụ ).

Tuy nhiên, xin lưu ý rằng tất cả các hệ điều hành khi viết, trong thực tế đều bao bọc các chức năng con quay / accel cấp thấp hơn trong một số loại trình quản lý chuyển động cấp cao thuận tiện hơn :

Accels / gyros, trên thực tế được kết hợp với nhau ở cấp độ HĐH

Vì vậy, trên thực tế ...

trong thực tế, đối với bất kỳ ứng dụng nào mới được viết (hãy nhớ rằng, giả sử, khoảng 25% ứng dụng trong cửa hàng bị phân rã / không được cập nhật thường xuyên), nó sẽ thuộc về cách nhóm của Apple đã viết (trong trường hợp của họ) "Coremotion" đã xử lý (nếu có!) Trường hợp môi trường không trọng lực. (Có một tình huống tương tự cho Android).

Và hơn nữa, đối với các trò chơi như vậy ...

Ngày nay, hầu như bất kỳ trò chơi nào bạn chọn và chơi trên điện thoại đều được tạo trong Unity3D, thay vì dưới dạng ứng dụng gốc. (Và như một quy luật, nếu bạn nhìn vào bộ "ứng dụng sử dụng accel / con quay", 90% (hơn?) Trong số chúng chỉ là trò chơi.) Thực tế (trên tất cả các nền tảng), người viết phần mềm thực sự là sử dụng trình bao bọc phần mềm của Unity .

Do đó, hành vi thực tế trong trường hợp góc cực của quỹ đạo trái đất, sẽ phụ thuộc vào những gì những người đó đã làm khi viết điều đó.

Một điểm khó hiểu ...

Điều đó đã không được làm rõ. Khi bạn đang viết phần mềm cho điện thoại, việc xử lý "không trọng lực" là điều hoàn toàn phổ biến ... trong khoảng thời gian ngắn: đó là khi điện thoại rơi tự do . Vì vậy, nếu bạn đang tạo một trong (100) ứng dụng cho người trượt ván, người trượt tuyết hoặc tương tự như đo thời gian treo, v.v., bạn sẽ giải quyết vấn đề này như một vấn đề tất nhiên.

Gyros được giới thiệu cho điện thoại khoảng năm 2010; accels đã ở trong họ từ đầu.

Một công ty của Pháp / Ý có tên STMicroelectronics đã tạo ra hầu hết các con quay cho cả apple và samsung.

Về gia tốc kế, hầu hết các điện thoại hiện nay đều có một vài trong số chúng vì nó hoạt động tốt hơn theo cách đó. Tôi đã nghe nói rằng có nhiều nhà cung cấp gia tốc kế hơn (Bosch, v.v.).

Theo nghĩa đen, bạn có thể mua con quay MEMS hoặc accels , ví dụ như bạn đang làm một món đồ chơi điện tử có tính năng như vậy.

• Làm thế nào gia tốc MEMS thực sự hoạt động ở mức cơ chất
• Con quay MEMS hoạt động như thế nào

Chỉ cần lặp lại, câu trả lời nhanh cơ bản cho câu hỏi được đặt ra là

Trong "zero g", chúng giữ lại (ở mức phần cứng) khả năng phát hiện độ nghiêng , nhưng chúng không còn có thể phát hiện độ nghiêng .

Về phần mềm,

1. gần như chắc chắn, "hoàn toàn thất bại!" trong trường hợp "bạn đang ở trên quỹ đạo". Vì không có kỹ sư ứng dụng hay kỹ sư ứng dụng nào (tôi biết) sẽ là OCD để giải quyết vụ việc đó, nhưng đừng quên ...

2. nó hoàn toàn phổ biến để có "không trọng lực" .. trong thời gian rơi tự do ngắn (điều này áp dụng như một vấn đề phổ biến nếu bạn tạo một trong những "ứng dụng thể thao hành động" đó).

Tôi nghĩ rằng họ có thể sử dụng giao thoa kế sagnac trong điện thoại thông minh. Giao thoa kế Sagnac là một thiết bị tạo ra mẫu nhiễu không đổi trong khi ở trạng thái nghỉ và mẫu của nó thay đổi khi thiết lập được xoay.

Vì vậy, khi đặt 3 giao thoa kế như vậy, chúng ta có thể đo góc quay của cả 3 trục.

Giao thoa kế Sagnac có kích thước rất nhỏ và nó bao gồm các sợi quang tới ánh sáng kênh, nguồn sáng (kết hợp) và máy dò.

Tất nhiên nó cần được hiệu chỉnh trước khi sử dụng.