Что такое акселерометр
Акселерометр — это прибор для измерения ускорения, который работает как датчик изменения положения устройства в пространстве. Акселерометр определяет направление, степень, скорость отклонения устройства и отвечает за разворот картинки на экране смартфона или включает экран фитнес-браслета при повороте запястья. Благодаря этому устройству гаджет распознает, сколько его хозяин прошел шагов или занимается ли он сейчас спортом.
Акселерометры измеряют ускорение, что на практике означает изменение скорости или направления. Это могут быть удары и вибрации, резкое увеличение или уменьшение скорости, силы, которые могут указывать на слишком быстрый поворот.
Существует множество типов акселерометров. Самыми простыми являются одноосевые, которые могут обнаруживать изменения скорости в одном измерении. Например, одноосевый акселерометр, установленный в локомотиве, может обнаруживать изменения скорости поезда. При этом акселерометры в телефоне или планшете измеряют скорости по трем осям направления. Таким образом, трехосевой акселерометр в смартфонах может предоставлять информацию о движении объекта в пространстве.
Акселерометры присутствуют во всех современных смартфонах и «умных» гаджетах. Первый такой прибор появился в телефоне Nokia 5500, который вышел в 2006 году. Он выполнял роль шагомера в спортивном режиме. Однако акселерометры стали стандартом в iPhone. Начиная с модели iPhone 4, он используется вместе с гироскопом, где измеряется сопротивление силе поворота. Это обеспечивает большую точность измерений.
Как работает акселерометр
Датчик механического акселерометра содержит элемент инертной массы или грузик, который удерживается пружинами (от одной до трех, в зависимости от количества осей). Пружины фиксируются на неподвижной детали. Они измеряют движение элемента относительно устройства. Чем больше прогиб пружин, тем больше отклонение и, следовательно, тем выше регистрируемое ускорение. При этом скорость (например, при тренировке) высчитывается исходя из изменений этого ускорения во времени с учетом сил гравитации.
Однако электронный акселерометр в смартфоне вместо инертной массы использует набор проводников, которые движутся под воздействием ускорения и изменяют напряженность поля вокруг себя. По этому показателю можно определить, в какую сторону сдвинулись проводники, а также — какое движение вызвало этот сдвиг.
Акселерометр не способен точно измерять угол поворота устройства в пространстве, а оценивает его примерно. В этом случае экран смартфона при повороте телефона может перевернуться не сразу. Однако установка акселерометра вместе с гироскопом, который определяет угол и скорость поворота устройства, решает эту проблему.
Датчик акселерометра может перестать работать по многим причинам: падение устройства, сильные удары, попадание в корпус воды, а также неправильная конфигурация. В последнем случае его можно настроить самостоятельно с помощью специальных приложений. Эта опция доступна на Android-устройствах, а iOS-устройства следует перезагрузить.
У современных моделей акселерометров погрешность измерений составляет 3–10%, а у более простых она близка к 30%. Так, если носить смартфон на шнурке на шее, то погрешность будет выше, а если положить в карман — ниже. При этом положение устройства в пространстве никакой роли не играет. Кроме того, точность измерений зависит от рельефа местности — чем ровнее поверхность, тем ближе показатели к реальным. Свою роль играет и температура — в сильную жару данные могут искажаться. Наконец, на подсчеты акселерометра влияет то, разговаривает ли человек по телефону во время ходьбы.
Кстати, в условиях невесомости показания любого акселерометра будут равны нулю. Это связано с тем, что ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и равно гравитационному ускорению, а кажущегося ускорения, которое измеряет датчик, просто не существует.
Именно поэтому в iPad, которые отправляли на МКС, отключали функцию автоповорота экранов.
Для чего нужен акселерометр
Акселерометры встраивают не только в мобильные устройства. Их применяют в целом ряде отраслей промышленности. Акселерометры наряду с гироскопами являются важнейшими компонентами систем навигации и управления самолетов, ракет и других летательных аппаратов, а также морского транспорта. Они помогают ориентироваться и рассчитывать координаты объектов благодаря их ускорению там, где нет внешних ориентиров. Кроме того, акселерометры задействуют для проверки систем устойчивости при воздействии вибрации в строительстве и на предприятиях.
Также акселерометры встраивают в системы управления жестких дисков компьютеров, чтобы при падениях или ударах они активировали механизм защиты от повреждений. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.
Акселерометрами оснащается вся современная бытовая техника, даже стиральные машины, утюги и тепловентиляторы. Например, в утюгах датчик при падении отключает питание, чтобы не допустить возникновения пожара.
В устройствах управления игровых приставок акселерометры используются для управления в играх без использования кнопок с помощью контроллеров.
Акселерометр в смартфоне
В настройках смартфона акселерометр по умолчанию выключен. Обычно он обозначается как «Поворот экрана». Однако датчик обеспечивает не только автоматическую смену ориентации экрана при повороте. Он отвечает за реализацию целого ряда функций:
-
отслеживание физической активности (подсчет шагов);
-
определение положения владельца в пространстве с помощью навигационных приложений (Google Карты и так далее);
-
реагирование на жесты для выполнения команд, например, отключения музыки (постукивание, встряхивание корпуса, его переворот экраном вниз);
-
управление игровым процессом при помощи наклонов.
Акселерометр в фитнес-браслете
Акселерометр присутствует во всех фитнес-браслетах и «умных» часах. Он также обеспечивает работу нескольких функций:
-
подсчет шагов;
-
мониторинг сна (благодаря распознаванию движения руки);
-
работу функции «Умный будильник» (будит владельца гаджета в фазе быстрого сна);
-
включение экрана при вращении кисти руки.
Акселерометр в планшете
Датчик акселерометра фиксирует положение планшета в пространстве и включает поворот экрана. Кроме того, он:
-
контролирует масштабирование страниц в браузере при наклоне корпуса;
-
реагирует на встряхивания и удары (отмена действия, смена обоев и так далее);
-
реагирует на сильные удары и активирует автопарковку головок жесткого диска, чтобы защитить его от повреждений.
Акселерометр в видеорегистраторе
Акселерометр применяется системах видеорегистраторов автомобилей для сбора данных. Эти системы могут включать в себя многоосевые акселерометры для измерения скорости, ускорения и замедления машины, а также гироскопы для определения вращения и ориентации.
Акселерометр позволяет:
-
определить, насколько быстро ехал водитель и двигался ли он, если случилось столкновение;
-
сохранить запись на карте памяти видеорегистратора при ударах и экстренно активировать ее при изменении поведения автомобиля;
-
в сочетании с машинным зрением и искусственным интеллектом — обнаружить рискованное поведение, например, отсутствие торможения на знаке остановки.
Акселерометр в наушниках
Первая гарнитура с акселерометром была выпущена компанией Jawbone в 2011 году. С тех пор датчик стали встраивать в продвинутые модели наушников. Он позволяет:
-
реагировать на движения (встряхивание, постукивание), чтобы отвечать на вызовы, переключать их и завершать;
-
автоматически убавлять громкость звука, если пользователь снимает гарнитуру;
-
активировать шумоподавление во время разговора, распознавая голосовые вибрации.
В AirPods Max и Pro система пространственного аудио с акселерометром и гироскопом отслеживает движения головы и перемещения сопряженного устройства, чтобы положение звука всегда было привязано к экрану, даже если пользователь отвернулся.
Акселерометр в медицине
Акселерометры используются в различных медицинских устройствах. Их встраивают в носимые устройства, которые распознают падения и обычно используются пожилыми людьми. Датчик считывает изменение положения тела, а устройство автоматически отправляет сообщение в экстренные службы.
Кроме того, акселерометры встраивают в системы распознавания положения медицинских датчиков на теле человека. Это требуется, чтобы устройства были установлены правильно и выдавали корректные показатели. Так, исследование 2014 года показало, что датчики захвата передвижений у больных рассеянным склерозом или остеоартритом лучше всего размещать на лодыжках, так как они точнее фиксируют действия.
В последние годы для медицинского применения одобрили ряд устройств на основе акселерометров для имплантов, в том числе кардио- и нейростимуляторов, которые обеспечивают лучший мониторинг состояния пациентов.
Кроме того, в перспективе акселерометры можно будет встраивать в «умную» ткань медизделий. Исследование с участием пациентов с варикозом, которые носят компрессионные чулки, показало, что акселерометры довольно точно предсказывают время износа изделий.
Исследования показывают, что пока использовать обычные фитнес-браслеты с целью медицинского мониторинга довольно сложно. Хотя самые популярные показатели активности у потребительских и медицинских устройств практически совпадают, но более сложные данные выглядят неточными. Так, показатели шагометра часов Fitbit и специализированного устройства ActivPAL оказались схожи, но достоверность мониторинга ЭКГ в Apple Watch Series 4 вызвала вопросы. Однако исследователи предполагают, что в будущем фитнес-браслеты и умные часы станут частью общей экосистемы мониторинга пациентов в качестве автономных или «мультисенсорных» устройств.