Акселерометр: что это такое и как он работает

Когда вы поворачиваете смартфон, чтобы посмотреть видео, играете в гоночный симулятор или входите в крутой поворот за рулём, вам помогает акселерометр. Этот миниатюрный сенсор измеряет ускорение и позволяет системе понять, в каком положении находится устройство в пространстве.

Благодаря акселерометру смартфон автоматически разворачивает картинку горизонтально, а автомобильные системы стабилизации регулируют управление, чтобы избежать заноса. В этой статье разберёмся, как устроен акселерометр, как он работает и где применяется.

Содержание

• Что такое акселерометр
• Как работает акселерометр
• Как устроены акселерометры в смартфонах
• Где используют акселерометры
• Типы акселерометров
• Что в итоге

Что такое акселерометр

Акселерометр — это датчик, который измеряет ускорение, действующее на устройство. Проще говоря, он регистрирует, как быстро изменяется скорость объекта вдоль одной или нескольких осей. Ускорение в этом контексте — не только разгон, но и любое изменение скорости или направления движения.

В электронных устройствах акселерометр позволяет определять ориентацию экрана, отслеживать движение и вибрацию. Например, именно он подаёт смартфону сигнал о том, что изображение нужно развернуть, если вы перевернули устройство.

Производители выпускают акселерометры в виде готовых модулей, которые можно использовать в собственных проектах. Один из популярных вариантов — GY-61, компактный модуль, совместимый с Arduino. С его помощью можно, например, собрать контроллер для гоночного симулятора или шагомер.

Акселерометры помогают не только определить, в какую сторону ускоряется устройство, но и удерживать его в стабильном положении. Это важно, например, в камерах, дронах, игровых контроллерах и автомобильных подвесках — везде, где нужно компенсировать движение и удерживать равновесие.

Один из самых наглядных примеров такой стабилизации — рекламный ролик Mercedes-Benz. В нём человек держит птицу за тело и перемещает в пространстве, но голова курицы при этом всегда остаётся неподвижной. Это происходит благодаря встроенной биологической системе стабилизации: вестибулярному аппарату и мышечным рефлексам птицы.

В технике такую стабилизацию обеспечивают акселерометр и гироскоп. Они регистрируют изменение положения устройства и передают данные управляющему блоку, который, например, регулирует настройки подвески автомобиля или стабилизатора камеры.

Читайте также:

Что такое гироскоп и как он работает в смартфоне

Как работает акселерометр

Представьте герметичную колбу, внутри которой на пружине подвешен груз — так называемая сейсмическая масса. Если начать перемещать колбу в пространстве, груз будет смещаться вверх или вниз. Измерив силу натяжения пружины во время движения, можно будет вычислить силу ускорения устройства. Так работает простейший одноосный акселерометр — он фиксирует ускорение вдоль одной оси.

Если взять сразу три такие «колбы», расположив их вдоль взаимно перпендикулярных осей (X, Y и Z), можно измерять ускорение движения устройства в трёхмерном пространстве. Это уже приближается к конструкции реального акселерометра, используемого в электронике.

Представьте, что устройство поворачивают и ось Z теперь смотрит вверх. Тогда пружина вдоль этой оси растянется, поскольку сейсмическая масса будет «давить» вниз — под действием силы тяжести. В то же время пружина по оси X ослабнет. Эти изменения позволят датчику понять, что ориентация изменилась, и передать сигнал микроконтроллеру или процессору устройства.

Как устроены акселерометры в смартфонах и гаджетах

Классические акселерометры с пружиной и грузом слишком громоздкие — в смартфон такие не встроишь. Современные решения гораздо компактнее: вместо пружин и колб в них используют микроэлектромеханические системы — MEMS. Эти системы состоят из микроскопических структур прямо на кристалле чипа. Когда устройство двигается, структуры слегка деформируются и датчик фиксирует смещение.

В основе MEMS-акселерометра лежит микромеханическая структура из кремниевого корпуса и подвижный груз (сейсмическая масса). Груз подвешен на тонких балках, которые выполняют функцию пружин.

Во время движения устройства корпус остаётся неподвижным, а сейсмическая масса двигается в разные стороны относительно центра датчика.

У сейсмической массы также есть усики, которые расположены между неподвижными электродами. Вместе они образуют своеобразный конденсатор, который накапливает электрический заряд. Когда масса сдвигается под действием ускорения, расстояние между электродами меняется, что приводит к уменьшению или увеличению ёмкости конденсатора.

На плате MEMS-акселерометра находится микроконтроллер, который фиксирует изменения ёмкости конденсатора и преобразует их в аналоговые сигналы. С их помощью система вычисляет ускорение.

Где используют акселерометры

Инженеры используют акселерометры в разных устройствах — от привычных смартфонов до автомобилей и дронов. Рассмотрим самые наглядные способы применения датчика.

Смартфоны и планшеты. В этих устройствах датчик отслеживает положение устройства в пространстве. Например, когда вы поворачиваете смартфон, акселерометр понимает это и сообщает системе, что нужно сменить ориентацию интерфейса с вертикальной на горизонтальную. Ещё акселерометр используют в играх, например в автосимуляторах. Машиной в таких играх можно управлять, поворачивая смартфон.

Умные часы и фитнес-браслеты. В этих устройствах акселерометр фиксирует движения руки и вибрацию шагов во время прогулки или бега. Используя эти данные, система определяет, какое расстояние прошёл пользователь, с какой скоростью он двигался и часто ли ворочался во сне. В некоторых устройствах акселерометр отслеживает движения руки, чтобы включить экран, когда пользователь поднимает запястье.

Дроны (БПЛА). Акселерометр играет важную роль в стабилизации полёта дронов, помогая им сохранять идеальное равновесие при любой скорости. Датчик корректирует траекторию движения и делает движения более плавными. Благодаря этому фанаты аэрофотосъёмки получают чёткие снимки с дронов.

Ноутбуки. В некоторых моделях акселерометр используют для защиты жёсткого диска. При обнаружении резкого ускорения, например при падении, устройство отключает подачу энергии на жёсткий диск. Это помогает предотвратить повреждение данных.

Автомобили. В современных автомобилях акселерометр — часть систем безопасности. Например, акселерометр в системе контроля устойчивости (ESP) сравнивает фактическое движение машины с рекомендуемым и управляет тормозами для выравнивания траектории. Благодаря этому автомобиль не уходит с трассы при крутых поворотах.

Также акселерометр используют в системе управления подушками безопасности. Датчик фиксирует ускорение, например, во время резкого торможения и отдаёт команду для надувания подушек. Это позволяет подготовить водителя к удару, окружив его мягкими подушками.

Сервисы каршеринга применяют акселерометр в системе телеметрии. С её помощью компании выявляют пользователей с агрессивным стилем вождения. Например, тех, кто не снижает скорость в поворотах, часто перестраивается в плотном потоке автомобилей, резко стартует с места или тормозит. К таким пользователям применяют штрафные санкции, чтобы они не навредили себе, другим участникам движения и не разбили автомобиль компании.

Игровые контроллеры. Акселерометр позволяет отслеживать движения контроллера в пространстве, что делает геймплей более интересным и упрощает прицеливание при игре в шутеры. Датчики используют в Nintendo Joy-Con, Sony DualShock и DualSense, PlayStation VR Controller и других игровых устройствах.

Медицинские устройства. В медицине акселерометры применяют в реабилитационных системах, в устройствах для диагностики двигательных расстройств и в протезах — для отслеживания движений конечностей.

Авиация и космическая техника. В самолётах и космических аппаратах акселерометры фиксируют перегрузки, вибрацию и помогают в навигации.

Типы акселерометров

Акселерометры различаются по принципу работы, точности и сфере применения. Вот основные типы:

• Пьезоэлектрические акселерометры — датчики, которые создают электрические заряды под воздействием механической нагрузки. Сила зарядов позволяет определить величину ускорения.
• Пьезорезистивные акселерометры — измеряют изменения сопротивления материала при деформации под воздействием ускорения.
• MEMS-акселерометры — датчики на основе микроскопических механических и электронных компонентов, изготовленных из полупроводниковых материалов.
• Ёмкостные акселерометры — измеряют ускорение, фиксируя изменение ёмкости между неподвижными электродами.
• Оптические акселерометры — определяют ускорение по изменению характеристик светового потока в оптической системе.

Каждый тип акселерометра хорош для своей задачи — например, MEMS идеальны для использования в потребительской электронике, а оптические — для сверхточных измерений в космической отрасли и авиации.

Что в итоге

• Акселерометр — датчик для измерения ускорения, которое действует на устройство.
• Существует несколько типов акселерометров, но в современных устройствах чаще всего используют микроэлектромеханические (MEMS) датчики.
• Акселерометры есть во множестве гаджетов. Например, в смартфонах датчик адаптирует интерфейс под ориентацию экрана, а в автомобилях — удерживает траекторию движения в крутых поворотах.