Гироскоп, что это в телефоне и как он используется. Отличие от акселерометра

Привет всем, уважаемые пользователи лучшего мобильного портала Trashbox. Сегодняшняя шестая по счёту статья из рубрики «Как это работает» посвящается гироскопу. Если вам не известно, что это такое - данная статья для вас. Давайте же узнаем, что такое гироскоп и как это работает. Самое интересное под катом .

Гироскоп (в переводе значит «вращение» или «смотреть») - устройство, имеющее способность измерения изменения углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. В настоящее время известно два типа гироскопов: механический и оптический. По режиму действия гироскопы делятся на: датчики угловой скорости и указатели направления. Однако, одно устройство может работать одновременно в разных режимах в зависимости от типа управления.

Что касается механических гироскопов, то из них больше всех известен роторный гироскоп - это твёрдое тело, которое быстро вращается и ось которого способна изменять ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом существенно превышает скорость поворота оси его вращения. Основным свойством данного гироскопа является способность сохранения в пространстве неизменного направления оси вращения при отсутствии какого-либо воздействия на неё внешних сил. Основная часть роторного гироскопа - быстро-вращающийся ротор, имеющий несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Принцип работы

Принцип работы гироскопа заключается в грузиках, которые вибрируют на плоскости с частотой скорости умноженной на перемещение. При повороте гироскопа возникает так называемое Кориолисово ускорение. Если вы пропускали физику в школе или не знаете, то у всех тел есть единое свойство - при вращении они сохраняют свою ориентацию относительно направления силы тяжести. По сути, гироскоп - это волчок, который вращается вокруг вертикальной оси, закреплённый в раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и в свою очередь закреплена в другой раме, которая может поворачиваться вокруг третьей оси. Таким образом, можно придти к выводу: как бы мы не поворачивали волчок, он всегда имеет возможность всё равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор считывает, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.

Гироскопы применяются в технике. Они используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. Что касается той самой системы стабилизации, то она бывает трёх типов: система силовой стабилизации (используется на двухстепенных гироскопах), система индикаторно-силовой стабилизации (также на двухстепенных гироскопах) и система индикаторной стабилизации (на трёхстепенных гироскопах).

А теперь поподробнее об этих трёх основных типах. Система силовой стабилизации: для стабилизации вокруг каждой оси требуется один гироскоп. Сама стабилизация осуществляется непосредственно гироскопом, а также двигателем разгрузки. В начале действует гироскопический момент, а потом уже подключается двигатель разгрузки. Система индикаторно-силовой стабилизации: для стабилизации также требуется один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент. И последняя - система индикаторной стабилизации: для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Использование гироскопа в мобильных устройствах

Давайте же затронем тему использования гироскопа в мобильных устройствах и игровых приставках. В настоящее время в большинстве смартфонов используется так называемый МЭМС-акселерометр. Будучи датчиком ускорения, в покойном состоянии он видит только один вектор - вектор всемирной силы тяготения, который всегда направлен к центру Земли. По разложениям вектора на чувствительные оси датчика без каких-либо затруднений вычисляется угловое положение устройства в пространстве. Также разложение вектора может показать, что датчик неспособен определить разворот устройства по углу курса, то есть поворот влево или вправо при поставленном на ребро смартфоне - проекция вектора на курс всегда равняется нулю. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo - Wii Remote для игровой приставки Wii, и в нём используется только трёхмерный акселерометр.

Кроме того, гироскоп стал применяться и в игровых контроллерах. Например, Sixaxis для SONY PlayStation третьего поколения и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих игровых контроллерах используются два дополняющих друг друга пространственных сенсора: гироскоп, а также акселерометр. Также в новейших контроллерах, кроме акселерометра, используется дополнительный пространственный сенсор - гироскоп. Если привести работу гироскопа в других вещах, то существуют игрушки на основе гироскопа. Самыми банальными примерами являются йо-йо и волчок или в народе его называют «юла». Волчки же отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.

В других сферах также есть применение гироскопу - их целый список. Гироскоп используется в приборах навигации в самолётах и космических аппаратах, в оружии (пуля при стрельбе закручивается, это придаёт ей гораздо большую устойчивость и повышает точность стрельбы), колёса велосипеда или подобного устройства работают как гироскопы - это не даёт ездоку упасть. Таким образом, любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом - он противодействует отклонению оси вращения.

Функциональные возможности современных мобильных телефонов давно вышли за рамки совершения звонков и обмена текстовыми сообщениями SMS. Смартфон сегодня это универсальный гаджет, начиненный всевозможными сенсорами. Имеются во многих моделях и специфические датчики, с помощью которых телефон может определять свое положение в пространстве. Примером таких чувствительных устройств являются гироскоп и акселерометр.

Что такое гироскоп и для чего он нужен, принцип работы

Начнем с того, что гироскоп – это механическое или электромеханическое устройство, способное определять собственный угол наклона относительно земной поверхности. Если сравнивать его с другими подобными устройствами, изобретен он был относительно поздно, а именно в 1817 году. Основной элемент конструкции гироскопа представляет собой вращающийся вокруг вертикальной оси ротор-волчок, причем его ось может изменять положение в пространстве, а скорость вращения волчка значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Благодаря этому волчок всегда сохраняет свое положение независимо от действующих на него извне сил, в чём и заключается весь принцип работы гироскопа.

Первоначально это нехитрое устройство использовалось в качестве учебного пособия. Практическое применение ему нашли только спустя 60 лет, когда инженер Обри додумался устанавливать его в торпеды для стабилизации их курса. Сегодня это полезное изобретение, будучи многократно усовершенствованным, широко применяется в самых разных механизмах. Для точного определения положения в пространстве гироскопы используются в морских судах, самолетах, космических аппаратах, ракетах, симуляторах, радиоуправляемых устройствах вроде квадрокоптеров и, конечно же, в смартфонах.

Как устроен гироскоп в смартфоне, отличие гироскопа от акселерометра

Естественно, гироскоп в смартфоне существенно отличается в плане конструкции от классических гироскопов, хотя и служит той же цели. Механическая энергия в нём преобразуется в электрическую, формирующую последовательность битов – бинарный код, лежащий в основе всех компьютерных программных систем. Никаких вращающихся волчков в гироскопах электронных устройств, разумеется, нет, они слишком малы для этого. Вместо них используется подвижные массы вещества, смещение которых вызывает изменение электрической емкости конденсаторов, регистрируемое микропроцессором.

Вместо конденсаторов могут использоваться вырабатывающие ток пьезокристаллы, особенно часто встречающиеся в определяющих положение в пространстве датчиках другого типа – акселерометрах. Конструктивно акселерометры очень похожи на гироскопы, в них также имеется подвижный элемент – специальный грузик, смещение которого при наклоне устройства оказывает воздействие на пьезокристалл. Таким образом, скорость и давление преобразуются в электрический сигнал, обрабатываемый соответствующим образом микропроцессором. Итак, некоторое представление о том, что это такое гироскоп в смартфоне вы, надеемся, получили.

И вот еще пару моментов. И гироскопы, и акселерометры являются инерционными МЭМС-датчиками, отличаясь, однако, принципом получения данных. Если гироскоп определяет только угол наклона по отношению к земной поверхности, то акселерометр может измерять линейное ускорение, то есть перемещение по горизонтали относительно земли. На практике в смартфонах и прочих устройствах нередко устанавливаются оба датчика, которые прекрасно дополняют друг друга. Теперь давайте посмотрим, как узнать есть ли гироскоп в телефоне.

Как проверить наличие гироскопа в телефоне

Мы уже знаем, для чего нужен гироскоп в смартфоне, но как проверить его наличие на том или ином мобильном устройстве. Гироскоп используется всеми приложениями, регистрирующими наклон устройства – навигационными и строительными программами, 3D-играми, средствами просмотра 3D-панорамного контента, поворачивающим экран встроенным ПО и так далее. Но поддержка этих функций еще не означает, что указанный датчик в телефоне есть, ведь выше мы уже отмечали, что отчасти его может заменить акселерометр.

Если вы хотите узнать, интегрирован ли гироскоп в гаджет или нет, зайдите на официальный сайт производителя устройства, найдите там вашу модель и изучите ее технические характеристики. Есть и более быстрый способ получить нужную информацию. Установите на смартфон бесплатное приложение-бенчмарк AnTuTu Bеnchmаrk , в разделе «Мое устройство» оно выводит список всех датчиков, среди которых будут данные и о гироскопе. Если напротив пункта «Гироскоп» вместо его названия указано «Не поддерживается», значит, датчик на устройстве отсутствует.

В качестве альтернативы можно воспользоваться другим приложением – Sеnsor Sеnse. В отличие от AnTuTu Bеnchmаrk, кроме списка датчиков оно еще выводит все их показания. Ставим программу и смотрим, есть ли в списке гироскоп. Если нет, то нет его и на устройстве.

Стоит также обратить внимание еще на один замечательный программный инструмент – AIDA64 , предоставляющий полный набор сведений о конфигурации устройства. Какие сенсоры есть на борту можно просмотреть на вкладке «Датчики». Если в списке будет значиться гироскоп, можно быть уверенным, что в телефоне он установлен.

Включение/отключение и калибровка гироскопа на Андроиде

Как правило, гироскоп в телефонах является самостоятельным датчиком, с программными настройками никак не связанным. Гироскоп либо есть, и он всегда включен, либо его нет, но тогда и ни о каком включении/отключении датчика не может быть и речи. Правда, пользователи часто спрашивают, как включить гироскоп на Андроиде, но этот вопрос исходит из недопонимания принципа его взаимодействия с программной частью устройства. Можно включить и отключить функции акселерометра, например, автоповорот экрана, но это опять же никак напрямую не связано с гироскопом.

То же самое касается калибровки гироскопа, отрегулировать программно можно лишь акселерометр. Встроенными средствами самой ОС это сделать вряд ли получится, для этих целей нужно использовать специальные утилиты вроде Accelerometer Calibration Free. Тут всё очень просто – мобильное устройство укладывается на ровную поверхность, а когда показывающий равновесие красный шарик окажется ровно в центре «прицела», нажимается кнопка «Calibrate».

В общем, если в сети вам попадется информация на тему как откалибровать гироскоп на Андроид, знайте, что речь идет о настройке акселерометра.

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические , лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Рассмотрим самый распространенный пример - механический роторный гироскоп . По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса , которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Как часто вы задаётесь вопросом, из чего состоят те устройства, которые помогают вам справляться с повседневными делами, служат окном в мир социальных сетей и забавных видео на YouTube, являются вашими постоянными спутниками и верными помощниками? Да-да, речь именно о смартфонах, планшетах и прочих гаджетах, которые прочно вошли в наши жизни. А ведь если вдуматься, то об их внутреннем устройстве большинство пользователей даже не подозревают. Будем это исправлять, рассказывая понемногу о тех модулях, из которых и состоят наши девайсы. И сегодня мы поговорим о том, что такое гироскоп в , смартфоне или ноутбуке.

Взгляд в прошлое

Для начала немного истории. Принцип действия гироскопа впервые был предложен в 1817 году немецким астрономом и математиком Иоанном Боненбергером, который назвал его «ротационной машиной» и использовал для наглядной демонстрации принципов, согласно которым Земля вращается вокруг своей оси. Позже, в 1852 году, конструкция была усовершенствована французским учёным Жаном Фуко, который и продемонстрировал её впервые под именем «гироскоп». Своё практическое применение гироскоп впервые нашёл в 1880-х как часть стабилизационной системы наведения торпед.

Так что же это такое? Не будем пытаться описывать устройство первых гироскопов, сейчас их существует много разновидностей - от механических до лазерных. Скажем только, что это датчик, который определяет положение объекта в пространстве, и не только положение, но и скорость его изменения. Сейчас многие, вероятно, подумают, что речь идёт об акселерометре. На самом деле нет, это разные приборы, хотя они часто и эксплуатируются в паре. Акселерометр фактически, если отвлечься от скучных научных определений, измеряет угол поворота объекта относительно плоскости планеты. Гироскоп же намного точнее, и утилизация их в паре даёт гораздо более точное определение положения объекта в пространстве.

Как это используется и зачем оно нужно в моих гаджетах?

Используется гироскоп очень по-разному. Здесь, наверное, целесообразно ещё раз оглянуться назад - дело в том, что гироскопы начали применяться в электронных устройствах достаточно давно, задолго до первых смартфонов и планшетов. Изначально они устанавливались в ноутбуки бизнес-класса или защищённые промышленные модели. В общем, туда, где сохранность устройства или , критически важна. Благодаря своей возможности определять скорость изменения положения гаджета в пространстве, гироскоп успевал в случае, например, падения ноутбука отдать команду электронике, чтоб та запарковала считывающие головки чувствительного к встряскам жёсткого диска. Таким образом, сохранялась работоспособность девайса и находящихся на нём данных.

В мобильных же устройствах (смартфонах, планшетах) жёсткие диски применялись крайне редко, здесь отдавали предпочтение флеш-памяти, которая переносит такие потрясения лучше. Поэтому на первых порах в мобильных гаджетах использовали уже упоминавшийся акселерометр. В самом деле, зачем ставить более дорогой модуль там, где можно получить необходимые функции более ? Этот подход применялся в силу сложившихся сценариев утилизации устройств - акселерометр в основном отвечал за поворот экрана при смене ориентации гаджета в пространстве. Так продолжалось до момента, когда всем известная компания из Купертино (речь, конечно, об Apple) не представила свой очередной смартфон. На презентации iPhone 4 Стив Джобс сделал особый акцент на том, что в новом смартфоне компании установлен именно гироскоп.

Сейчас, вероятно, проще перечислять гаджеты без этого очень полезного датчика (и в основном это будут разные бюджетные модели), чем те, в которых он занимает своё почётное место.

Гироскоп нашёл своё применение во многих сценариях использования мобильных девайсов:

• Начнём с самого очевидного - мобильный гейминг с приходом гироскопа получил абсолютно новый уровень пользовательского опыта. Согласитесь, намного приятнее , используя планшет в качестве руля. А ведь именно благодаря гироскопу гаджет так точно отзывается на малейшие движения ваших рук, давая ощущения полного контроля над машиной. То же можно сказать про всевозможные авиасимуляторы и про другие игры, где управление построено не на привычных «тапах» по экрану, а на использовании поворота или встряхивания устройства.
• Взаимодействие с программным обеспечением. Гироскоп позволяет настолько точно измерять положение вашего планшета или смартфона в пространстве, что, установив специальное ПО, можно использовать его как строительный уровень или отвес, или измерять угол наклона объектов. Во многих приложениях стали внедрять управление поворотом гаджета или встряхиванием, пионерами здесь были Apple с тем самым iPhone 4, в котором встряхиванием устройства можно было управлять . Ещё один очевидный пример - калькулятор. Всем привычно, что при смене ориентации девайса на альбомную он становится инженерным. Догадываетесь, какой модуль за это отвечает?
• В навигационных системах самолётов и иного транспорта гироскопы применяются уже давно. Нынче это обычное дело и в мобильном помощнике - когда вы поворачиваете за угол, карта на дисплее вашего планшета также разворачивается, чтоб вы всегда видели перед собой правильное направление пути.

Можно придумать ещё много сценариев использования гироскопа, это лишь самые очевидные, те, которые мы эксплуатируем каждый день, не задумываясь, что именно помогает нам совершать все эти полезные действия.

Что делать, если гироскоп не работает

Конечно, иногда бывает и такое, что датчик не работает или работает, но не очень корректно. В данном случае советуем произвести калибровку гироскопа - это часто можно сделать при помощи встроенных возможностей девайса, если нет, то в магазинах приложений найдётся много утилит, призванных помочь вам в этом. Возможно, что вы и сами просто отключили модуль - распространённая ситуация, когда хочется почитать, лёжа в кровати, а текст упорно разворачивается в альбомную ориентацию. Согласитесь, неудобно. Потому многие и отключают модуль, и, как это часто бывает, потом забывают включить его снова. Но если и модуль включен, и калибровка не помогла - что ж, самое время посетить сервисный центр.

Современные смартфоны оснащены огромным количеством функций, за работу которых отвечает ряд датчиков.

Нередко об их назначении владельцы даже не догадываются. К числу таких датчиков относится гироскоп в телефоне: что это такое, не знают даже многие «продвинутые» пользователи, поэтому не лишним будет детально изучить это устройство.

Принцип действия оборудования

Гироскоп представляет собой волчок, вращающийся вокруг оси. Благодаря способности демонстрировать устойчивое положение во время движения, он используется для определения положения в пространстве и изменения угловой скорости. Существует несколько разновидностей: они различаются между собой по принципу действия (оптические или механические) и количеству степеней свободы. Если говорить о моделях, которые устанавливаются в смартфоны, то это обычно вибрационные гиродатчики. В этом устройстве есть две массы, которые перемещаются в противоположные стороны. В тот момент, когда появляется угловая скорость, на массу воздействует сила Кориолиса, вектор которой направлен перпендикулярно движению массы. В результате воздействия этой силы происходит смещение, что приводит к изменению расстояния между подвижными и неподвижными электронами и, как следствие, к смене емкости конденсатора. Эти электронные сигналы впоследствии обрабатываются процессором.

Наличие гиродатчика в смартфоне – это не просто прихоть, такой аппарат открывает перед обладателем гаджета множество дополнительных возможностей:

• прием вызовов простым встряхиванием аппарата,
• стабилизация камеры во время съемок,
• управление приложениями при помощи поворотов устройства,
• ориентация положения головы в виртуальной реальности.

В каких телефонах есть гироскоп?

Воспользоваться перечисленными выше преимуществами могут далеко не все владельцы смартфонов, так как гиродатчики установлены не везде. Самый надежный способ узнать, есть ли гироскоп в телефоне – спросить об этом у продавца-консультанта или прочитать паспорт к изделию. Если говорить о брендах, то впервые гиродатчик был установлен на iPhone 4. Поскольку новинка пришлась покупателям по вкусу, все последующие модели от Apple также получили это оборудование.