Oglądałeś film na YouTube w trybie portretowym, a ekran nie był wystarczający. Aby rozwiązać ten problem, zrobiłeś to, co zrobiłaby każda osoba ze smartfonem. Odwróć telefon na bok.
Gdy tylko to zrobiłeś, wideo pochłonęło cały ekran, a wszystkie opcje menu były niewidoczne, ale skąd Twój telefon wiedział o swojej orientacji?
Cóż, oprócz ekranu o wysokiej częstotliwości odświeżania i świetnego interfejsu użytkownika, Twój telefon ma kilka czujników, które wykrywają jego orientację w przestrzeni, ale jak działają te czujniki?
Zrozumienie podstawowych sił natury
Chociaż podczas deszczu czujesz wiatr na twarzy i wodę na dłoniach, ale nie możesz poczuć podstawowych sił natury.
Siły te obejmują siłę grawitacyjną i siłę elektromagnetyczną. Mimo że te siły są niematerialne, wpływają na wszystko, co robimy. W rzeczywistości ekran smartfona wykrywa niewielkie zmiany sił elektromagnetycznych, aby wykryć palec. Nie tylko to, ale także masa ciała jest określana przez siły grawitacji.
Mówiąc najprościej, grawitacja przykłada siłę do obiektów, powodując ich przyspieszenie z prędkością 9,8 m/s^2. Z powodu tego przyspieszenia rzeczy spadają na ziemię, gdy je rzucasz.
Z drugiej strony siła elektromagnetyczna nie może być odczuwana jak siły grawitacji. To powiedziawszy, gdybyś umieścił kompas w dowolnym miejscu na świecie, wykryłby on pole magnetyczne Ziemi w tym obszarze i ustawiłby się na biegunie północnym.
Chociaż siły elektromagnetyczne umożliwiły kilka postępów technologicznych, nie wszystkie są na dobre i promieniowanie elektromagnetyczne w dużych dawkach może być niebezpieczny dla organizmu człowieka.
Zrozumienie technologii czujników w smartfonie
Czujniki w smartfonie wykrywają zmiany sił natury, aby zrozumieć jej orientację w przestrzeni, ale jak działają te czujniki?
Cóż, twój smartfon ma tysiące czujników na płycie głównej, ale trzy główne typy czujników, które umożliwiają wykrywanie zmian orientacji telefonu.
Te czujniki wykrywające orientację wykorzystują systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) do pomiaru sił natury. Do pomiaru danych urządzenia MEMS wykorzystują części mechaniczne osadzone w krzemie do generowania sygnału elektrycznego. Korzystając z tych sygnałów, smartfon wykrywa zmiany działających na niego sił.
Poniżej znajduje się krótkie wyjaśnienie działania tych czujników.
- Akcelerometr: Jak sama nazwa wskazuje, akcelerometr służy do wykrywania zmian przyspieszenia w smartfonie. Aby wykryć te zmiany, akcelerometr wykorzystuje prawo bezwładności, które mówi, że ciało w spoczynku pozostaje w spoczynku, dopóki nie zostanie przyłożona siła zewnętrzna. Aby wykorzystać tę koncepcję, nieruchoma masa jest zawieszona między strukturami podobnymi do sprężyn w czujniku MEMS. Dlatego nieruchoma masa pozostaje na swoim miejscu, gdy telefon jest przyspieszany dzięki swojej bezwładności ściskającej sprężyny. Ucisk sprężynowy generuje sygnał elektryczny informujący smartfon, że jest przyspieszany.
- Żyroskop: Żyroskop monitoruje siły obrotowe na smartfonie. Ten obrót mierzy siłę Coriolisa działającą na smartfon, aby oszacować, jak bardzo obrócił się on wokół środka ciężkości. Mówiąc najprościej, siła Coriolisa działa na dowolne ciało wewnątrz obracającego się obiektu z powodu jego obrotu. Żyroskop ma konstrukcję podobną do akcelerometru, ale jest zmodyfikowany, aby wykrywać zmiany, gdy smartfon się obraca.
- Magnetometr: Ze względu na prądy płynące w jądrze Ziemi otacza ją pole magnetyczne. Wykrywanie tych pól pomaga smartfonowi zrozumieć jego orientację na prawdziwej północy pola magnetycznego Ziemi. Smartfony są wyposażone w trójosiowy czujnik Halla, który wykrywa te zmiany. Czujnik ten wykorzystuje prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya do wykrywania pól magnetycznych. Zgodnie z tym prawem przewodnik przewodzący prąd generuje siłę elektromotoryczną, gdy zmienia się otaczające go pole magnetyczne. Dzięki tym zmianom napięcia czujniki mogą być wykorzystane do wykrywania jego orientacji względem biegunów magnetycznych Ziemi.
Teraz, gdy mamy podstawową wiedzę na temat czujników w naszych smartfonach, możemy przyjrzeć się, jak współpracują ze sobą, aby wykryć położenie smartfona.
Skąd Twój telefon wie, kiedy obrócić ekran?
Jak wyjaśniono wcześniej, akcelerometr może wykrywać zmiany przyspieszenia, ale same te dane nie mogą być wykorzystywane do wykrywania orientacji smartfona. Powodem jest to, że na akcelerometr zawsze działają siły grawitacji, a czujnikowi trudno jest wykryć, kiedy zmiany przyspieszenia mają na celu obrót smartfona.
Smartfony wykorzystują fuzję czujników, aby rozwiązać ten problem, co pozwala różnym czujnikom komunikować się ze sobą. Aby wykryć orientację telefonu, akcelerometr komunikuje się z żyroskopem i magnetometrem.
Dlatego, gdy telefon się obraca, akcelerometr wykrywa zmiany przyspieszenia, a następnie komunikuje się z żyroskopem. Dzięki tej komunikacji smartfon może zrozumieć, czy zmiany przyspieszenia są przeznaczone do obrotu.
To powiedziawszy, żyroskop jest podatny na błędy, ponieważ nie może uwzględniać sił grawitacji działających na smartfon. Dlatego potrzebny jest trzeci czujnik do wykrywania zmian w orientacji smartfona. Ten czujnik to nic innego jak magnetometr na twoim urządzeniu.
Ten magnetometr służy do wykrywania zmian położenia smartfona w odniesieniu do pola magnetycznego Ziemi. Te dane, wraz z danymi z akcelerometru i żyroskopu, służą do określenia, czy ekran ma być ustawiony w trybie pionowym czy poziomym.
Czy technologia czujników to przyszłość?
Akcelerometr, żyroskop i magnetometr wykrywają zmiany podstawowych sił natury, wykorzystując prawa bezwładności i indukcji elektromagnetycznej.
Smartfony wykorzystują te podstawowe prawa, aby umożliwić funkcje takie jak autorotacja i optyczna stabilizacja obrazu. To powiedziawszy, smartfony oferują teraz innowacyjne funkcje, łącząc dane z różnych czujników.
Doskonałym tego przykładem jest udostępnienie funkcji wykrywania awarii na urządzeniach Apple, która umożliwia danym z tych czujników wykrywanie wypadku i ostrzeganie służb ratunkowych.