La maggior parte degli smartphone è sensibile all'inclinazione, ma quale dispositivo lo rende possibile? Inoltre, come funziona (e i sensori ad esso associati)?

Inoltre, poiché il funzionamento di questi sensori sembra, quasi certamente, basato sulla presenza di un campo gravitazionale esterno (ad esempio, quello della terra), ciò pone la seconda domanda: gli smartphone mantengono la loro sensibilità all'inclinazione a gravità zero (ipotetico) condizioni?

(Recentemente ho giocato a un gioco di simulatore di aeromobili sul mio telefono ... il fatto che l'aereo abbia risposto così bene all'inclinazione mi ha sorpreso, quindi la voglia di porre questa domanda)

extra:

Ci ho pensato un po ', quindi lo metterò anche qui. A tutti gli effetti, la mia domanda è finita dopo il secondo paragrafo, ma ciò che ho aggiunto dopo questo potrebbe aiutare a personalizzare una risposta che si adatta alla mia attuale comprensione della fisica.

Sono attualmente al liceo e, se ricordo bene, ci sono sei gradi di libertà per una particella in un sistema cartesiano 3D. Dalla mia esperienza con l'app del simulatore di aeromobili, gli smartphone sembrano rilevare il movimento in soli tre gradi di libertà: beccheggio, rollio e imbardata

Parlando di sensori sensibili all'inclinazione: il modo in cui suppongo che questi sensori / trasduttori funzionino, è rilevando i piccoli cambiamenti nell'energia potenziale gravitazionale (che può manifestarsi come movimento su piccola scala di alcuni minuscoli componenti del sensore) associato al cambiamento del telefono nell'orientamento spaziale.

Per come la vedo io, un tale sensore richiederebbe parti in movimento e non può essere semplicemente un altro chip su un circuito.

In queste circostanze, se avessi il compito di costruire un dispositivo sensibile all'inclinazione in grado di percepire minime variazioni dell'energia potenziale gravitazionale, probabilmente avrei bisogno di almeno 3 coppie di sensori (una coppia in ciascuno dei tre assi di coordinate). Inoltre, visto quanto il mio smartphone sembra essere molto sensibile all'inclinazione, dovrei costruire un dispositivo ridicolmente grande, con ogni sensore in una coppia posizionato a diversi metri di distanza per ottenere una sensibilità all'inclinazione paragonabile a quella del mio telefono.

Tuttavia, gli smartphone hanno dimensioni inferiori a quelle di un tipico sandwich, quindi avere "sensori in una coppia posizionati a diversi metri di distanza", oltre ad essere poco pratico, non è chiaramente il caso.

^ Mi sono arrabbiato per questo, in modo che tu possa avere un'idea della mia sincera perplessità nella domanda secondaria che segue:

Come mai questi sensori sono così sensibili, nonostante le loro piccole dimensioni?

Hai ragione, in un certo senso. Questi sensori necessitano di componenti mobili. Tuttavia, sono un chip sulla tua scheda.

I sensori di inclinazione (in realtà, gli accelerometri) e i giroscopi (e i sensori di pressione, ...) fanno parte di una famiglia chiamata MEMS: sistemi microelettromeccanici.

Utilizzando tecniche simili a quelle già utilizzate nella fabbricazione di circuiti integrati, possiamo realizzare piccoli dispositivi sorprendenti. Usiamo gli stessi processi di incisione di oggetti, deposito di nuovi strati, strutture in crescita, ecc.

Questi sono dispositivi incredibilmente piccoli. questo è un esempio di giroscopio:

collegamento al sito Web originale.

La maggior parte di questi funziona rilevando i cambiamenti nella capacità. Un giroscopio rileverebbe i cambiamenti dovuti alla rotazione (la cosa più grande nell'immagine si torcerebbe attorno all'asse centrale. Ciò avvicinerebbe i minuscoli denti che si intersecano più vicini e aumenterebbe la capacità. Gli accelerometri lavorano secondo un principio simile. Questi denti possono essere avvistato nell'angolo in basso a destra della seconda immagine.

Che dire della gravità zero?

Non cambierebbe molto in termini di funzionamento dei dispositivi. Vedi, gli accelerometri funzionano rilevando l'accelerazione. La chiave tuttavia è che la gravità è la stessa per loro - sembra solo che tu sia accelerato a 1G, sempre. Usano questa "costante" per farsi un'idea di "down". Ciò significa anche che mentre i chip funzioneranno bene in micro gravità, il tuo telefono non lo farebbe - sarà confuso in quanto non sembra esserci "down".

Aggiunta rapida per affrontare un (ottimo) punto sollevato dall'utente GreenAsJade: quando si guardano le definizioni comuni di giroscopi su fonti come Wikipedia , vengono spesso descritte come qualcosa sulla falsariga di un disco rotante. Le immagini sopra non sembrano avere parti rotanti. Cosa succede con quello?

Il modo in cui risolvono questo problema è sostituendo la rotazione con la vibrazione . L'oggetto a forma di disco nelle immagini qui è collegato solo con strutture molto sottili e flessibili all'asse centrale. Questo disco viene quindi fatto vibrare attorno al suo asse ad alta frequenza. Quando sposti l'intera struttura lungo un angolo, questo provocherà il disco e continuerà a resistere, simile a un giroscopio classico. Questo effetto è chiamato effetto Coriolis . Rilevando la quantità di inclinazione del disco rispetto al materiale solido circostante, può misurare la velocità con cui gira.

Il dispositivo sensoriale è un peso su una molla. È in effetti "movimento su piccola scala di alcuni minuscoli componenti del sensore", ed è anche "un altro chip su un circuito".

La parola chiave qui è MEMS . È possibile costruire piccole strutture di silicio e poi incidere al di sotto di esse, lasciando un pezzo fluttuante. Se il pezzo è lungo e sottile, si deformerà sotto gravità (o qualsiasi accelerazione) di una quantità proporzionale al modulo di Young. Il cambiamento di posizione influisce sulla capacità tra la parte mobile e le parti fisse attorno ad essa, che può essere misurata elettronicamente.

Generalmente hanno un solo accelerometro a tre assi. È possibile ottenere una migliore precisione aggiungendo giroscopi o un altro accelerometro separato da una distanza; Nintendo ha fatto questo con i componenti aggiuntivi di Wiimote.

Molti telefoni contengono anche un magnetometro, che ti dice vagamente dove il nord magnetico è relativo al telefono, anche se la calibrazione tende a essere negativa su questi.

Affrontare parti specifiche della domanda:

• Cosa rende gli smartphone sensibili all'inclinazione?

Accelerometri MEMS. Pacchetto di chip quadrati da pochi mm, quantità di $ 0,50 o inferiore.

• Manterranno questa abilità in condizioni di gravità zero?

Non esattamente. Non hanno più un comodo vettore di riferimento. Tuttavia, possono ancora rilevare l'accelerazione, quindi se hai una di quelle app "spada laser" e agitala attorno funzionerà ancora sulla ISS. Ma né tu né il telefono avete una chiara idea di "up".

(Il kit Raspberry Pi inviato lì ha un accelerometro e un mucchio di programmi scritti da scolari, quindi c'è quasi sicuramente un video che lo dimostra da qualche parte)

L'output grezzo di un accelerometro a 3 assi è un vettore di 3 valori misurati in m / s ^ 2. L'ampiezza di questo vettore sarà generalmente di circa 1 g, ma la direzione varia. Per un telefono fisso, punta verso il basso. Se lo sposti, il vettore di accelerazione cambierà direzione. Se lasci cadere il telefono, cioè cade in caduta libera come lo sarebbe un telefono su un'imbarcazione in orbita, la grandezza va quasi a zero. In questo modo la direzione del vettore oscilla selvaggiamente e diventa rumore.

L'uso di accelerometri come rilevatori di caduta per la sicurezza del disco rigido è stato reso popolare circa un decennio fa dai Macbook. Le persone hanno trovato altri usi per loro .

• Come funziona?

Risposto in modo più dettagliato da altre risposte.

Teoricamente, sì, un telefono o un tablet potrebbe funzionare altrettanto bene, ad esempio, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) come qui a terra.

Dividiamolo un po '.

Esistono due tipi di movimento che un dispositivo deve rilevare.

Moto lineare

Gli accelerometri autonomi usano la deviazione di una massa accoppiata a molla da un normale punto di riposo come misura della forza di accelerazione in quell'asse. Ovviamente sono necessari tre di questi per rilevare il movimento su qualsiasi asse.

Conoscendo e rintracciando quelle forze, è possibile "fare un conto morto" della velocità e della direzione di marcia del dispositivo dalla posizione originale di "accensione". Inserisci un orologio preciso e puoi anche capire la posizione corrente.

Sembra semplice, ma la matematica è in realtà piuttosto complessa e gli errori nel sistema causano una deriva nel tempo.

Rotazione

La rotazione ovviamente ruota attorno a qualsiasi asse.

Sensori di spin

La rotazione può essere misurata utilizzando un giroscopio o un sensore di rotazione. Questi dispositivi hanno di nuovo una massa liberamente accoppiata che è libera di ruotare o è guidata in un determinato asse. Quando il corpo del dispositivo ruota, la differenza tra le rotazioni indica la quantità di rotazione del dispositivo.

I sensori di spin e i giroscopi non si preoccupano della gravità, a parte forse alcune differenze di attrito.

Rotazione dell'accelerometro con riferimento alla gravità

Poiché gli accelerometri misurano la forza che agisce su una massa liberamente sospesa, quando quel sensore è verticale rispetto alla terra, ci sarà ovviamente una deflessione nella molla dovuta al peso della massa dovuta alla gravità. Questo offset viene rimosso matematicamente dal software per estrarre la parte di accelerazione.

Tuttavia, poiché gli accelerometri a tre assi produrranno offset diversi a seconda del loro orientamento, è possibile rilevare matematicamente lo spin dalla differenza negli offset.

Tuttavia, sebbene questo metodo funzioni, è soggetto a variazioni in G. Non funzionerebbe nello spazio. Sarebbe anche significativamente meno funzionale in un aereo in manovra. Anche una macchina che percorre una curva stretta a velocità potrebbe essere problematica.

Rilevazione rotazione accelerometro

È possibile, con due serie di accelerometri sufficientemente sensibili, rilevare lo spin dalla differenza di accelerazione tra accelerometri.

Poiché ogni accelerometro deve spostarsi rispetto all'altro, ci sarà una differenza di accelerazione in quell'asse tra ciascuno. Tali valori possono essere nuovamente utilizzati matematicamente per prevedere la rotazione.

In poche parole, se si può dire dagli accelerometri centrati su un'estremità del telefono che il punto centrale si è spostato su e l'altra estremità è ora su , il calcolo dei tre angoli è banale.X 2 , Y 2 , Z $X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

Questo metodo NON è influenzato dalla gravità.

Il tuo telefono o tablet funzionerà sulla ISS

Come puoi vedere da quanto sopra, dipende davvero dai metodi utilizzati dal tuo dispositivo.

Tecnicamente potrebbe essere costruito e programmato per farlo. Potrebbe essere necessario spegnerlo e riaccenderlo per ricalibrarlo, ma con i sistemi giusti installati dovrebbe funzionare correttamente. Almeno per giocare a quel "gioco di simulazione di aerei".

La deriva potrebbe essere un problema più grande sulla ISS. Poiché i telefoni nella normale G hanno la capacità di sapere in che modo "in basso" si trova in quel particolare momento, possono adattarsi nuovamente nel tempo. Un'unità basata sullo spazio avrebbe bisogno di un ripristino manuale occasionale per indicare la direzione "normale".

Tutti i commenti e le risposte sono fantastici per aiutarti a capire come è possibile. Ma ecco qualcosa che ti aiuterà a capire come viene attualizzato nei prodotti reali.

(fonte immagine)

Questo è un piccolo IC (3x3x1 mm!) Di InvenSense. Ha un accelerometro a tre assi (per il movimento laterale), un giroscopio a tre assi (per la rotazione) e un magnetometro a tre assi (come un ago della bussola). Ha un codice interno che farà tutta la matematica complicata. Non richiede quasi alcun potere. Tutto questo per $ 10 in singole quantità.

Questo è solo un esempio. Ci sono diverse aziende che producono prodotti simili. Alcuni sono più precisi di altri, alcuni sono più economici, la maggior parte non ha il magnetometro, ecc ...

Divertiti!

Questo è un raro caso sul sito di Elettronica in cui nessuna delle risposte ha risposto in modo chiaro e chiaro alla domanda!

I cellulari mantengono la capacità di rilevare l'inclinazione in condizioni di gravità zero?

La risposta è:

Conservano (a livello hardware) la capacità di rilevare l' inclinazione , ma non possono più rilevare l' inclinazione .

Ulteriore,

A livello di software per app, infatti, quasi tutti gli scrittori di software per app (molto probabilmente "tutti") non consentirebbero il caso angolare di gravità zero, quindi molto probabilmente le funzioni giroscopiche agiranno in modo impressionante nel complesso, in la maggior parte / tutte le app effettive.

Per quanto riguarda il funzionamento dei giroscopi / accels nei telefoni, puoi facilmente cercare su Google le API su queste due piattaforme ( esempio ).

Si noti tuttavia che tutti i sistemi operativi al momento della scrittura, in pratica avvolgono le funzioni giroscopio / accel di livello inferiore in una sorta di conveniente motion manager di livello superiore :

Accels / gyros, sono infatti raggruppati a livello di sistema operativo

Quindi in effetti ...

in pratica, per qualsiasi app appena scritta (ricordando che, diciamo, circa il 25% delle app nel negozio sono decadute / non aggiornate regolarmente), si ridurrebbe a come il team di Apple che ha scritto (nel loro caso) "Coremotion" ha gestito (se non del tutto!) Il caso dell'ambiente a gravità zero. (C'è una situazione simile per Android).

E inoltre, per i giochi in quanto tali ...

Oggi quasi tutti i giochi che raccogli e giochi su un telefono sono stati creati in Unity3D, piuttosto che come app nativa. (E di regola, se guardi il set di "app che usano l'accel / gyros", il 90% (di più?) Di questi sono solo giochi.) In effetti (su tutte le piattaforme) i software-writer sono in realtà utilizzando il livello di wrapper software di Unity .

Quindi, il comportamento reale nel caso estremo dell'orbita terrestre, dipenderebbe da quello che facevano quelle persone quando lo scrivevano.

Un punto confuso ...

questo non è stato chiarito. Quando scrivi software per telefoni, è assolutamente normale avere a che fare con "gravità zero" ... per brevi periodi di tempo: cioè quando il telefono è in caduta libera . Quindi, se stai realizzando una delle (centinaia di) app per skateboarder, sciatori o simili che misurano il tempo di attesa e così via, hai a che fare con questo ovviamente.

Gyros sono stati introdotti sui telefoni verso il 2010; gli accel erano fin dall'inizio.

Una società francese / italiana chiamata STMicroelectronics produce praticamente la maggior parte dei giroscopi per Apple e Samsung.

Per quanto riguarda gli accelerometri, la maggior parte dei telefoni ora ne ha un paio poiché funziona meglio in questo modo. Ho sentito che esiste una maggiore varietà di fornitori di accelerometri (Bosch, ecc.).

Puoi letteralmente acquistare giroscopi MEMS o accel , se per esempio stai realizzando un giocattolo elettronico che include una tale funzione.

• Come funzionano effettivamente gli accelerometri MEMS a livello di substrato
• Come funzionano i giroscopi MEMS

Solo per ripetere, la risposta rapida fondamentale alla domanda posta è

In "zero g", mantengono (a livello hardware) la capacità di rilevare l' inclinazione , ma non possono più rilevare l' inclinazione .

In termini di software,

1. quasi certamente "fallirebbe totalmente!" nel caso "sei in orbita". Dal momento che nessun ingegnere gane o app (lo so) sarebbe così DOC che coprire quel caso, ma non dimenticare ...

2. è assolutamente banale avere "gravità zero" .. durante brevi periodi di caduta libera (questo vale come una cosa comune se si sta realizzando una di quelle "app per sport d'azione").

Penso che potrebbero usare un interferometro sagnac negli smartphone. Un interferometro Sagnac è ​​un dispositivo che produce un modello di interferenza costante a riposo e il suo modello varia quando viene ruotato il setup.

Quindi quando vengono posizionati 3 interferometri di questo tipo, possiamo misurare la rotazione attorno a tutti e 3 gli assi.

Gli interferometri Sagnac sono disponibili in dimensioni molto piccole e comprendono fibre ottiche per incanalare la luce, una sorgente di luce (coerente) e un rivelatore.

Naturalmente dovrebbe essere calibrato prima dell'uso.