A maioria dos smartphones é sensível à inclinação, mas que dispositivo torna isso possível? Além disso, como funciona (e os sensores associados) funcionam?

Além disso, como o funcionamento desses sensores parece, quase certamente, baseado na presença de um campo gravitacional externo (por exemplo, o da Terra), isso gera a segunda pergunta: os smartphones mantêm sua sensibilidade à inclinação sob gravidade zero (hipotética) condições?

(Recentemente joguei um jogo de simulador de aeronave no meu telefone ... o fato de o avião ter respondido tão bem à inclinação me surpreendeu; daí o desejo de fazer esta pergunta)

Extras:

Eu mesmo pensei nisso, então também vou colocar isso aqui. Para todos os efeitos, minha pergunta terminou após o segundo parágrafo, mas o que eu adicionei depois disso pode ajudar a adaptar uma resposta que se encaixa no meu entendimento atual da física.

Atualmente, estou no ensino médio e, se bem me lembro, há seis graus de liberdade para uma partícula em um sistema cartesiano 3D. Pela minha experiência com o aplicativo de simulador de aeronave, os smartphones parecem detectar movimento em apenas três graus de liberdade: inclinação, rotação e guinada

Falando em sensores sensíveis à inclinação: A maneira como presumo que esses sensores / transdutores funcionam é detectando as pequenas alterações na energia potencial gravitacional (que podem se manifestar como movimentos em pequena escala de alguns componentes minúsculos do sensor) associados ao mudança do telefone na orientação espacial.

Do meu ponto de vista, esse sensor exigiria partes móveis e não pode ser simplesmente outro chip em uma placa de circuito.

Nessas circunstâncias, se eu tivesse a tarefa de construir um dispositivo sensível à inclinação que perceba pequenas alterações na energia potencial gravitacional, provavelmente exigiria pelo menos três pares de sensores (um par em cada um dos três eixos de coordenadas). Além disso, ver como muito sensível meu smartphone parece ser a de inclinação, eu teria que construir um ridiculamente grande dispositivo, com cada sensor em um par colocado vários metros de distância para alcançar tilt-sensibilidade comparável à de meu telefone.

No entanto, os smartphones têm dimensões menores que as de um sanduíche típico, portanto, "sensores em um par colocados a vários metros de distância", além de impraticáveis, claramente não é o caso.

^ Falei sobre isso, para que você possa sentir minha genuína perplexidade na sub-pergunta a seguir:

Como esses sensores são tão sensíveis, apesar do tamanho pequeno?

Você está certo, em certo sentido. Esses sensores precisam de componentes móveis. No entanto, eles são um chip na sua placa.

Os sensores de inclinação (na verdade, acelerômetros) e giroscópios (e sensores de pressão ...) fazem parte de uma família chamada MEMS: sistemas micro-eletromecânicos.

Usando técnicas semelhantes às já comuns na fabricação de circuitos integrados, podemos criar pequenos dispositivos incríveis. Usamos os mesmos processos de gravação de coisas, depósito de novas camadas, estruturas em crescimento, etc.

Estes são dispositivos incrivelmente pequenos. este é um exemplo de um giroscópio:

link para o site original.

A maioria deles funciona detectando mudanças na capacitância. Um giroscópio sentiria as mudanças devido à rotação (a coisa mais importante na imagem seria torcer em torno do eixo central. Isso aproximará os dentes minúsculos que são intercalados e aumentará a capacitância. Os acelerômetros funcionam sob um princípio semelhante. localizado no canto inferior direito da segunda imagem.

E quanto à gravidade zero?

Não mudaria muito em termos de funcionamento dos dispositivos. Veja bem, os acelerômetros funcionam sentindo a aceleração. A chave, porém, é que a gravidade é a mesma para eles - parece que você está sendo acelerado a 1G o tempo todo. Eles usam essa "constante" para ter uma idéia de onde está "baixo". Isso também significa que, embora os chips funcionem bem em microgravidade, o telefone não funcionará - ficará confuso, pois parece não haver "inatividade".

Adição rápida para abordar um ponto (muito bom) que o usuário GreenAsJade menciona: Quando você olha as definições comuns de giroscópios em fontes como a wikipedia, elas geralmente são descritas como algo semelhante ao disco giratório. As imagens acima parecem não ter partes giratórias. O que há com isso?

A maneira como eles resolvem isso é substituindo a rotação por vibração . O objeto em forma de disco nas figuras aqui é conectado apenas com estruturas muito finas e flexíveis ao eixo central. Este disco é então feito para vibrar em torno de seu eixo em alta frequência. Quando você move toda a estrutura em um ângulo, isso faz com que o disco tente resistir continuamente a isso - semelhante a um giroscópio clássico. Esse efeito é chamado de efeito Coriolis . Ao detectar a quantidade de inclinação do disco em comparação com o material sólido ao redor, ele pode medir a rapidez com que está girando.

O dispositivo sensorial é um peso em uma mola. É de fato "movimento em pequena escala de alguns componentes minúsculos do sensor" e também "outro chip em uma placa de circuito".

A palavra-chave aqui é MEMS . É possível construir pequenas estruturas de silicone e depois gravar sob elas, deixando uma peça flutuando livremente. Se a peça for longa e fina, ela se deforma sob gravidade (ou qualquer aceleração) em uma quantidade proporcional ao módulo de Young. A mudança de posição afeta a capacitância entre a parte móvel e as partes estacionárias ao seu redor, que podem ser medidas eletronicamente.

Geralmente eles têm apenas um acelerômetro de três eixos. É possível obter melhor precisão adicionando giroscópios ou outro acelerômetro separado por uma distância; A Nintendo fez isso com os complementos do Wiimote.

Muitos telefones também contêm um magnetômetro, que indica vagamente onde o norte magnético é relativo ao telefone, embora a calibração tenda a ser ruim.

Abordando partes específicas da pergunta:

• O que torna os smartphones sensíveis à inclinação?

Acelerômetros MEMS. Pacote de chips quadrados de poucos mm, US $ 0,50 ou menos em quantidade.

• Eles manterão essa capacidade em condições de gravidade zero?

Não exatamente. Eles não têm mais um vetor de referência conveniente. No entanto, eles ainda podem detectar a aceleração, portanto, se você tiver um desses aplicativos "sabre de luz" e o acenar, ainda funcionará na ISS. Mas nem você nem o telefone têm uma ideia clara de "up".

(O kit Raspberry Pi enviado para lá tem um acelerômetro e vários programas escritos por crianças em idade escolar, portanto, quase certamente há um vídeo demonstrando isso em algum lugar)

A saída bruta de um acelerômetro de 3 eixos é um vetor de 3 valores medidos em m / s ^ 2. A magnitude desse vetor geralmente será de cerca de 1g, mas a direção varia. Para um telefone fixo, ele apontará para baixo. Se você o mover, o vetor de aceleração mudará de direção. Se você soltar o telefone, ou seja, ele cair em queda livre, o mesmo que seria um telefone em uma nave em órbita, então a magnitude será próxima de zero. Isso faz com que a direção do vetor balance violentamente e se torne ruído.

O uso de acelerômetros como detectores de queda para segurança do disco rígido foi popularizado há cerca de uma década pelos Macbooks. As pessoas encontraram outros usos para eles .

• como funciona?

Respondida com mais detalhes por outras respostas.

Teoricamente, sim, um telefone ou tablet poderia funcionar tão bem quanto, por exemplo, a Estação Espacial Internacional (ISS), como funciona aqui no solo.

Vamos detalhar um pouco.

Existem dois tipos de movimento que um dispositivo precisa detectar.

Movimento linear

Acelerômetros independentes usam o desvio de uma massa acoplada a uma mola em relação a um ponto de repouso normal como uma medida da força de aceleração naquele eixo. Obviamente, você precisa de três deles para detectar movimento em qualquer eixo.

Conhecendo e acompanhando essas forças, você pode "calcular" a velocidade e a direção da viagem do dispositivo a partir do local original de "inicialização". Fatore um relógio preciso e você também pode descobrir a posição atual.

Parece simples, mas a matemática é realmente bastante complexa e os erros no sistema causam um desvio ao longo do tempo.

Rotação

A rotação obviamente gira sobre qualquer eixo.

Sensores de rotação

A rotação pode ser medida usando um giroscópio ou um sensor de rotação. Esses dispositivos têm novamente uma massa fracamente acoplada que é livre para girar ou é acionada em um eixo específico. Quando o corpo do seu dispositivo gira, a diferença entre as rotações indica o quanto o dispositivo está girando.

Sensores de rotação e giroscópios não se preocupam com a gravidade, exceto algumas diferenças de atrito.

Rotação do acelerômetro com referência à gravidade

Como os acelerômetros medem a força que age sobre uma massa frouxamente suspensa, quando esse sensor é vertical em relação à terra, é claro que haverá uma deflexão na primavera devido ao peso da massa devido à gravidade. Esse deslocamento é matematicamente removido pelo software para extrair a parte da aceleração.

No entanto, como os acelerômetros de três eixos produzirão compensações diferentes, dependendo de sua orientação, é possível detectar matematicamente a rotação da diferença entre as compensações.

No entanto, embora esse método funcione, ele está sujeito a variações em G. Ele não funcionaria no espaço. Também seria significativamente menos funcional em uma aeronave de manobra. Mesmo um carro que contorna uma curva fechada a alta velocidade pode ser problemático.

Detecção de rotação do acelerômetro

É possível, com dois conjuntos de acelerômetros suficientemente sensíveis, detectar o spin a partir da diferença de aceleração entre acelerômetros.

Como cada acelerômetro deve se mover em relação ao outro, haverá uma diferença na aceleração nesse eixo entre cada um. Esses valores podem ser novamente utilizados matematicamente para prever a rotação.

Simplificando, se você puder dizer pelos acelerômetros centralizados em uma extremidade do telefone que o ponto central mudou para e a outra extremidade agora está em , calcular os três ângulos é trivial.X 2 , Y 2 , Z $X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

Este método NÃO é afetado pela gravidade.

SEU telefone ou tablet funcionará na ISS

Como você pode ver acima, depende realmente de quais métodos o seu dispositivo usa.

Tecnicamente, ele poderia ser construído e programado para isso. Pode ser necessário desligá-lo e ligá-lo novamente para recalibrá-lo, mas com os sistemas certos, ele deve funcionar bem. Pelo menos por jogar esse "jogo de simulação de aeronave".

O desvio pode ser um problema maior na ISS. Como os telefones no G normal têm a capacidade de saber qual o caminho "inativo" nesse momento específico, eles podem se reajustar com o tempo. Uma unidade baseada em espaço precisaria de uma redefinição manual ocasional para indicar a direção "normal".

Todos os comentários e respostas são ótimos para ajudar você a entender como é possível. Mas, aqui está algo que o ajudará a entender como é atualizado em produtos reais.

(fonte da imagem)

Este é um pequeno IC (3x3x1 mm!) Da InvenSense. Possui um acelerômetro de três eixos (para movimento lateral), um giroscópio de três eixos (para rotação) e um magnetômetro de três eixos (como uma agulha de bússola). Possui código interno que fará toda a matemática complicada. Leva quase nenhum poder. Tudo isso por US $ 10 em quantidades únicas.

Este é apenas um exemplo. Existem várias empresas que fabricam produtos similares. Alguns são mais precisos que outros, outros são mais baratos, a maioria não possui magnetômetro, etc.

Diverta-se!

Este é um caso raro no site de eletrônicos, em que nenhuma das respostas respondeu com clareza e clareza à pergunta!

Os celulares mantêm a capacidade de detectar inclinação em condições de gravidade zero?

A resposta é:

Eles mantêm (no nível do hardware) a capacidade de detectar a inclinação , mas não podem mais detectar a inclinação .

Mais distante,

No nível do software de aplicativo, de fato, quase todos (muito provavelmente "todos") os criadores de software de aplicativo não permitiriam o caso de gravidade zero, então é muito provável que as funções de giro-aceleração funcionassem de maneira geral, em geral. a maioria / todos os aplicativos reais.

Quanto ao funcionamento dos giroscópios / celulares nos telefones, você pode facilmente pesquisar no Google as APIs nas duas plataformas ( exemplo ).

Observe, no entanto, que todos os SOs, na prática, envolvem as funções gyro / accel de nível inferior em algum tipo de gerenciador de movimento de nível superior conveniente :

Accels / giroscópios, na verdade, são agrupados no nível do SO

Então, de fato ...

na prática, para qualquer aplicativo recém-escrito (lembrando que, digamos, cerca de 25% dos aplicativos na loja são deteriorados / não são atualizados regularmente), seria como a equipe da Apple que escrevia (no caso deles) "Coremotion" tratou (se é que existe!) O caso do ambiente de gravidade zero. (Existe uma situação semelhante para o Android).

E mais, para jogos como tais ...

Hoje, quase qualquer jogo que você escolhe e joga em um telefone foi criado no Unity3D, e não como um aplicativo nativo. (Como regra geral, se você observar o conjunto de "aplicativos que usam o accel / gyros", 90% (mais?) Deles são apenas jogos.) Então, de fato (em todas as plataformas), os criadores de software são realmente nível de wrappers de software do Unity .

Portanto, o comportamento real no caso extremo da órbita terrestre dependeria do que essas pessoas fizeram ao escrever isso.

Um ponto confuso ...

isso não foi esclarecido. Quando você está escrevendo software para telefones, é totalmente comum ter que lidar com a "gravidade zero" ... por curtos períodos de tempo: ou seja, quando o telefone está em queda livre . Portanto, se você estiver criando um dos (100s) aplicativos para skatistas, esquiadores ou similares que mede o tempo de espera e assim por diante, lida com isso como uma questão de disciplina.

Os giroscópios foram apresentados aos telefones em 2010; Acels estavam neles desde o início.

Uma empresa francesa / italiana chamada STMicroelectronics compõe praticamente a maioria dos giroscópios da Apple e da Samsung.

Em relação aos acelerômetros, a maioria dos telefones agora possui alguns, uma vez que funciona melhor dessa maneira. Ouvi dizer que há mais variedade de fornecedores de acelerômetros (Bosch, etc).

Você pode literalmente comprar giroscópios ou acessórios MEMS , se, por exemplo, estiver criando um brinquedo eletrônico que inclua esse recurso.

• Como os acelerômetros MEMS realmente funcionam no nível do substrato
• Como funcionam os giroscópios MEMS

Só para repetir, a resposta rápida fundamental para a pergunta colocada é

Em "zero g", eles mantêm (no nível do hardware) a capacidade de detectar a inclinação , mas não conseguem mais detectar a inclinação .

Em termos de software,

1. quase certamente "falharia totalmente!" no maluco "você está em órbita". Como nenhum engenheiro de aplicações ou aplicativos (eu sei) seria tão obsessivo-compulsivo a ponto de cobrir esse caso, mas não se esqueça ...

2. é totalmente comum ter "gravidade zero". durante curtos períodos de queda livre (isso se aplica como assunto comum se você estiver criando um desses "aplicativos de esportes de ação").

Eu acho que eles podem usar um interferômetro sagnac em smartphones. Um interferômetro Sagnac é um dispositivo que produz um padrão de interferência constante enquanto está em repouso e seu padrão varia quando a configuração é girada.

Portanto, quando três desses interferômetros são colocados, podemos medir a rotação em todos os três eixos.

Os interferômetros Sagnac são fornecidos em tamanhos muito pequenos e são compostos por fibras ópticas para canalizar a luz, uma fonte de luz (coerente) e um detector.

Obviamente, ele deve ser calibrado antes do uso.