Гироскоп или акселерометр?

После выхода iPhone 4 многие много внимания было уделено новому дисплею, корпусу и прочим важным вещам. И лишь мимоходом отметили замену акселерометров на гироскопы для улучшения управления в играх. В своей статье для «Компьютерного обозрения» я отметил этот момент, в следствие чего даже консультировал одного из читателей. Почему бы не уделить этому моменту внимание и не разобраться зачем одни датчики были заменены на другие и чем они собственно отличаются?

Начнем с того, что и акселерометры и гироскопы являются инерционными датчиками. Акселерометры (лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — приборы, предназначенные для имерения проекции кажущегося ускорения.

Простейшая модель акселлерометра

В данном случае русская Википедия дает на удивление неплохое определение. В случае с мобильными телефонами датчики реагировали на изменение вектора ускорения свободного падения и все последующие действия исходили из этого.

Условная схема определения положения устройства в пространстве с применением двух акселлерометров

Точность в результате была довольно низкой, так как угол поворота устройства в пространстве напрямую измерить таким образом невозможно, лишь примерно оценить. На практике это выражалось в задумчивости поворота экранов, ложных срабатываниях и т.д. Какие же преимущества дает гироскоп и чем он собственно отличается?

Определение на Вики настолько далеко от общего, что обратимся к первоисточнику.

Впервые определение гироскопу дал Леон Фуко, назвавший так свой прибор, с помощью которого он наблюдал суточное вращение Земли. В Большой Советской Энциклопедии приводится следующее «Гироскоп — быстро вращающееся твердое тело, ось которого может изменять свое направление в пространстве». В современных гироскопах могут происходить разнообразные физические процессы, не обязательно основанные на вращении твердого тела. Хотя и классические гироскопы все еще применяются.

Примеры гироскопов. Банальный волчок по своей природе является гироскопом.

Примером классического гироскопа является ротор в кардановом подвесе. При вращении ротора он будет сохранять неизменным свое положение в пространстве независимо от движения основания. Таким образом можно измерять угол поворота основания, а соответственно и корабля/самолета etc. Именно по гирокомпасам ходят суда и летают самолеты, не полагаясь на примерные показания магнитного компаса, особенно в полярных широтах, а данные о положении самолета в пространстве получаются с гировертикали и гирогоризонта.

Естественно, классический гироскоп не может применяться в электронике. Для этого используются вибрационные микромеханические гироскопы — датчики угловой скорости. Чувствительный элемент таких приборов закреплен, при попытке его поворота возникает кориолисова сила, пропорциональная угловой скорости. Не вдаваясь в подробности работы, которые вряд ли будут кому-то интересны скажем, что выходным сигналом ДУС является напряжение, пропорциональное угловой скорости. Такие датчики имеют небольшие габариты (около 10x10x2 мм) и могут быть легко интегрированы в печатную плату.

Мировым лидером в производстве таких датчиков является компания Analog Devices, датчик которой изображен на рисунке. Можно с большой долей вероятности утверждать, что именно датчики этой компании установлены в iPhone 4.

Преимущества очевидны. В любой момент времени можно знать положение телефона в пространстве. В играх для управления можно использовать не только поворот устройства, но и скорость поворота, что позволяет организовать более точное и реалистичное управление.

Надеюсь, этот небольшой экскурс в теорию и практику гироскопов вас не утомил, а лишь еще раз подчеркнул, что современный мобильный телефон крайне сложное устройство, в котором применяются технологии ранее доступные только авиационной и космической промышленности. А мы тем временем не брезгуем ими открывать пивные бутылки.

Изображения датчиков взяты с сайта представительства Analog Devices в СНГ и странах Балтии