Множество современных устройств и гаджетов имеют встроенные в них гироскопы и акселерометры. Смартфоны, видео- и фотокамеры, планшеты, ридеры и т. д. - практически везде встречаются данные приспособления, хотя их присутствие вовсе не заметно, если взглянуть на прибор снаружи. Гироскоп по-другому именуют гиродатчиком, а акселерометр — G-сенсором. Работая в паре, данные устройства превосходно дополняют друг друга, обеспечивая удобство пользования и гибкость функций гаджета.
Акселерометр
Акселерометр в простейшем виде — это закрепленный на пружинке грузик, установленный в собственном корпусе. При встряхивании или повороте корпуса, грузик перемещается внутри него по инерции. И поскольку при ускорении в соответствующем направлении грузик движется, он неизбежно натягивает за собой и пружинку, колебания которой могут быть приняты в расчет для определения направления и ускорения изменения положения всего корпуса.
Так, три пружинки с грузиками, установленные вдоль трех пространственных осей, позволяют получить полное представление о направлении и величине ускорения относительно земли того предмета, к которому они прикреплены.
В смартфоне, например, вся эта конструкция размещена внутри маленькой микросхемы, и все движения «грузиков» происходят внутри нее. Однако в результате становится возможным определение ускорения всего смартфона в пространстве.
Гироскоп
Гироскоп действует совсем иначе. Волчок, закреплен на оси в первой рамке, и вращается с высокой скоростью. Первая рамка имеет свободу вращения, будучи закреплена на оси (перпендикулярной оси волчка) внутри второй рамки. Третья рамка несет на себе ось вращения для второй рамки (перпендикулярную осям вращения волчка и первой рамки).
В итоге, как ни поворачивай такую конструкцию, волчок будет стремиться сохранить вертикальное положение, хотя кольца и будут поворачиваться.
Для более точного определения параметров перемещения предмета в пространстве, гироскоп обычно работает совместно с акселерометром, позволяя получить полное представление о физическом движении корпуса того или иного гаджета.
В классических гироскопах использовался массивный вращающийся ротор в кардановом подвесе, но современные устройства (например, в смартфонах) заменяют его на микроскопические вибрирующие элементы. Эти MEMS-датчики фиксируют смещения, вызванные силой Кориолиса, и преобразуют их в электрические сигналы, определяя угловую скорость.
Эта функциональность становится ключевой для таких задач, как управление в играх через наклон устройства, стабилизация изображения в камерах и позиционирование виртуальных объектов в приложениях дополненной реальности.
Функционирование
Так, акселерометр измеряет проекцию результирующего кажущегося ускорения и позволяет определить угол наклона устройства по отношению к земле, а программа может на основе полученных данных повернуть, например, изображение на экране устройства, в котором этот акселерометр установлен.
Поверните ридер из вертикального положения - на бок, и ориентация страницы на дисплее тут же изменится на альбомную.
Текущую ориентацию устройства в пространстве определяет гиродатчик. Программа реагирует на перемещение, и способна быстро отследить тот момент, когда устройство, например, падает. Ноутбук опрокидывается — внутри активируется система фиксации жесткого диска.
Играя раньше в компьютерные игры, человек мог осуществлять управление игровым процессом при помощи джойстика, мыши или клавиатуры. Сегодня же можно играть в гонки на смартфоне, и просто двигая, встряхивая или наклоняя его в разных направлениях, полностью управлять игровым процессом — вести виртуальный автомобиль.
На данный момент придумано множество интерактивных игр с учетом возможностей управления, открывшихся благодаря паре акселерометра и гироскопа. Игры стали более увлекательными, так как получаются почти реальными.
Акселерометр с гироскопом всюду управляют ориентацией изображения на экране. Стоит наклонить смартфон — ориентация станет альбомной (удобной для просмотра видео), а верни его в вертикальное положение — снова превратится в стандартную, удобную для чтения с веб-страниц.
Аналогичным образом автоматически настраивается вид в приложениях — вид плеера изменяется, становится видно обложку прослушиваемого альбома, когда ориентация экрана горизонтальна, но в вертикальном положении остаются лишь основные кнопки управления проигрыванием музыки.
В GPS-навигаторах карта поворачивается на экране подобно стрелке компаса, когда вы то и дело сворачиваете, перемещаясь по местности с ним в руках, но стрелка, указывающая направление, остается направленной в соответствии с положением в пространстве ваших рук.
Шагомер — еще одно простое, но полезное, применение акселерометра. Вы можете задать индивидуальные настройки, и узнаете не только количество сделанных шагов, но сможете прикинуть и приблизительное расстояние, которое пробежали или прошли.
Разумеется, используя устройство с гироскопом и акселерометром необходимо учитывать тот факт, что данные датчики реагируют не только на осознанно сделанные движения, но и на случайные.
Порой это вредно, например вы ложитесь с ридером на диван, желая почитать книгу, ворочаетесь при этом немного, а он, будучи чувствительным, реагирует на случайное движение и поворачивает страницу, переводя ее в альбомный вид.
В таких ситуациях будет очень полезна возможность настройки чувствительности датчика, когда задается угол наклона устройства, при котором датчик понимает, точно ли нужно развернуть ориентацию или это просто неловкое движение.
Гироскоп и акселерометр с Arduino
Для работы с гироскопом и акселерометром на Arduino чаще всего используют модули вроде GY-521 (MPU6050) или BMI160, содержащие оба датчика в одном корпусе. Эти устройства измеряют угловую скорость (гироскоп) и линейное ускорение (акселерометр), что позволяет отслеживать положение и движение объекта в пространстве.
Модуль MPU6050 включает трёхосевые MEMS-датчики, 16-битный аналого-цифровой преобразователь и встроенный цифровой процессор (DMP), обеспечивающий обработку данных непосредственно на чипе.
BMI160, в свою очередь, поддерживает интерфейсы I2C и SPI, демонстрируя высокую точность измерений угловой скорости и линейного ускорения.
Калибровка этих датчиков выступает обязательным этапом для компенсации погрешностей, возникающих из-за температурных дрейфов и механических смещений элементов конструкции.
Данные с гироскопа и акселерометра применяются для стабилизации сервоприводов и беспилотных летательных аппаратов, управления роботами посредством наклона модуля, а также отслеживания движений в системах дополненной реальности.
В проектах с сервоприводами угол наклона MPU6050 преобразуется в управляющие сигналы, формируя системы обратной связи, а визуализация данных осуществляется через монитор последовательного порта Arduino IDE или специализированные графопостроители.
Шумы сигнала устраняются программными методами, такими как фильтр Калмана, а ошибки соединения требуют проверки корректности подключения по интерфейсу I2C и правильности адресации устройства.
Андрей Повный
