Что такое гироскоп и как он работает в смартфоне

Гироскоп — это устройство, которое измеряет скорость и направление наклона любого объекта, на котором оно установлено. Это может быть смартфон, самолёт и любая другая техника.

Из этой статьи вы узнаете:

• как устроен гироскоп;
• где его используют;
• как он работает в смартфоне;
• зачем он нужен в телефоне;
• как проверить его наличие и работоспособность.

Как устроен гироскоп

Чтобы разобраться в устройстве современных гироскопов, посмотрим на его предшественников — детский волчок и карданов подвес.

Раскрученный волчок долго сохраняет вертикальное положение, опираясь на свой острый кончик. Даже если его подтолкнуть, то ничего не изменится — вращение сохранится.

Это возможно благодаря принципу сохранения углового момента. Звучит он так: любое вращающееся тело стремится сохранить свою ориентацию в пространстве, то есть держится вертикально. Но волчок не может вращаться вечно. Когда он замедлится, его ось под действием силы тяжести наклонится, и он упадёт.

Волчок — это самый простой гироскоп, способный сохранять устойчивое вертикальное положение при вращении и реагировать на изменение угла наклона своей собственной оси.

Результат его эволюции — первый «настоящий» гироскоп, изобретённый в XVI веке итальянским математиком и физиком Джероламо Кардано.

Устройство — карданов подвес — состоит из вращающегося ротора, похожего на волчок, закреплённого во внутренней раме, которая может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Она, в свою очередь, закреплена на наружной раме, которая крепится к корпусу гироскопа и вращается по вертикальной оси.

При этом, как бы ни поворачивался корпус, ось вращающегося ротора сохраняет вертикальное положение. И по изменению угла между нею и рамами можно оценить угол наклона всего устройства.

Карданов подвес — это основа гироскопов, использующихся в промышленности и транспорте. Например, в самолётах для определения их наклона относительно поверхности Земли во время полёта.

Где применяют гироскопы

Гироскопы устанавливают почти в любой современной технике — от «умного» пылесоса и смартфона до промышленных роботов и самолётов. Датчики определяют их положение в пространстве, автоматизируют управление и другие действия.

Смартфоны, планшеты и другие гаджеты. Гироскопы используют для управления ориентацией экрана, перелистывания контента, повышения точности навигации и других задач. О них мы подробнее поговорим дальше.

Самолёты, вертолёты и беспилотники. Гироскопы отслеживают углы наклона летательных средств и повышают точность навигации в полёте. Это полезно при плохой видимости или при использовании автопилота.

Робототехника. В промышленных роботах, например погрузчиках, гироскопы устанавливают на подвижные части устройства. Благодаря этому оператор оценивает их расположение в пространстве, повышая точность манипуляций.

Горнодобывающая и нефтегазовая промышленность. Без гироскопа здесь не обойтись. Датчик, вместе с акселерометром, контролирует направление и угол наклона бура. От этого зависит точность и скорость бурения.

Как гироскоп работает в смартфоне

Гироскоп в телефоне работает на принципах, схожих с кардановым подвесом. Но вместо устройства с двумя рамами и ротором используется микроэлектромеханическая система (MEMS) размером в несколько миллиметров.

Главная часть такой системы — подвижные и неподвижные элементы, на которых размещаются электроды. Они могут двигаться только в противоположных направлениях друг относительно друга. Когда мы поворачиваем устройство, на эти элементы начинает действовать сила Кориолиса, направленная перпендикулярно движению, и расстояние между ними увеличивается или уменьшается.

Это меняет ёмкость конденсатора и уровень напряжения, создавая электрический сигнал. Микроэлектромеханическая система распознаёт и интерпретирует его, определяя положение смартфона в пространстве, а точнее степень его наклона.

Первым смартфоном с гироскопом стал iPhone 4, выпущенный компанией Apple в 2010 году. Кроме гироскопа, в модель добавили акселерометр и магнитометр. Эти сенсоры обеспечили точное отслеживание движений гаджета и его ориентации в пространстве. Сейчас гироскоп стал неотъемлемой частью любого современного смартфона и других гаджетов. Например, планшетов или «умных» часов.

Зачем гироскоп в телефоне

Автоматическое изменение ориентации экрана. Это удобно при просмотре контента. Включили видео, повернули телефон горизонтально, и оно заняло весь экран. Менять ориентацию дисплея можно вручную, но гироскоп автоматизирует это.

Повышение точности навигации в мобильных картах. Например, 2GIS, «Яндекс Карты» и другие приложения показывают направление нашего взгляда на карте, когда мы поворачиваемся с телефоном в руках. Это возможно благодаря совместной работе гироскопа и акселерометра.

Управление в приложениях с виртуальной реальностью и мобильных играх. Гироскоп отслеживает вращения и наклоны смартфона для автоматизации действий. Например, в симуляторе автогонок игрок может поворачивать автомобиль, просто наклоняя гаджет в руках, а не нажимая на экран или кнопки.

Встряхивание для быстрого запуска приложений и действий. Добавляет новую функциональность смартфону, например автоматизирует перелистывание страниц в книгах, переключение музыки и так далее.

В некоторых ситуациях гироскоп мешает. Если вы пользуетесь смартфоном лёжа, то экран может поворачиваться сам по себе. В этом случае нужно зайти в настройки телефона и отключить его автоповорот.

Как проверить наличие и работоспособность гироскопа

Все современные смартфоны оснащены гироскопом. Найти модель без него сложно. Но иногда они могут не работать. Чтобы проверить гироскоп, есть несколько способов.

Откройте приложение или сайт YouTube и наберите в поисковой строке 360 video. Запустите любое из видео. Если вы можете управлять направлением виртуальной камеры, поворачивая телефон, то гироскоп на смартфоне работает. Если нет, то датчика в гаджете нет или он сломан. Не забудьте включить функцию автоматического поворота экрана перед этой проверкой!

Установите специальные приложения. Например, Gyroscope Test. При его запуске откроется окно с обнаруженными физическими датчиками: гироскопом, акселерометром и магнитометром.

На этом экране можно узнать подробную информацию о датчиках, нажав DETAILS или протестировать их работу, выбрав TEST.

Sensor Box — ещё одно приложение для проверки гироскопа в смартфоне. В отличие от Gyroscope Test, оно выводит не только список датчиков, но и информацию, которую они собирают и передают для обработки. Это может быть полезно для разработчиков и инженеров.

Если у вас iPhone, то используйте приложения-аналоги: Sensors Toolbox или AIDA64.

Что запомнить

Коротко пробежимся по тому, о чём рассказали в статье:

• Гироскоп — это датчик, который определяет, как сильно и в какую сторону наклонён какой-либо предмет в пространстве. Например, телефон или самолёт.
• В современных смартфонах всегда установлен гироскоп. Информация от него используется в мобильных приложениях: играх и программах с виртуальной реальностью, картах города, шагомерах и других.
• Проверить работоспособность гироскопа в телефоне можно с помощью приложений Gyroscope Test или Sensor Box для Android и Sensors Toolbox или AIDA64 для iOS.