Что такое гироскоп и для чего используется в смартфонах. Что такое гироскоп? Гироскоп в телефоне - что это

Гироскоп - один из многих современных датчиков, без которых сложно представить работу смартфона.

Область применения этого датчика в телефоне достаточно обширна. Полноценный гироскоп визуально напоминает юлу внутри нескольких обручей. Ввиду габаритов такая конструкция не может быть установлена в гаджете, поэтому ее заменили на датчик, основанный на микроэлектромеханической системе.

Что такое гироскоп?

Гироскоп в современном телефоне - датчик, который позволяет автоматически менять ориентацию экрана в зависимости от положения смартфона.

Впервые гироскоп был установлен в iPhone 4, благодаря чему устройство обрело новый полезный функционал. С датчиком пользователи получили возможность, например, перелистывать страницы и переключать треки в плеере встряхиванием смартфона.

Для включения датчика на устройствах с операционной системой Android 4.0 KitKat и выше достаточно выкатить шторку уведомлений и активировать опцию автоповорота экрана.

Акселерометр и гироскоп

Как правило, современные телефоны оснащены этими датчиками в паре. Принцип их работы хоть и похож, но не дублируется. измеряет ускорение объекта при перемещении, в то время как гироскоп измеряет угол отклонения аппарата относительно разных плоскостей.

Функции гироскопа в смартфонах

Гироскоп вывел игровой процесс на новый уровень. Вращая устройство в пространстве, пользователь может управлять автомобилем, вести игровой поединок, искать персонажей и многое другое.

Если говорить о стандартных приложениях, наиболее показательными преимущества гироскопа выглядят, например, в приложении калькулятор. В портретной ориентации пользователю доступны стандартные действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Повернув телефон на 90 градусов, можно получить большой выбор тригонометрических функций на все случаи жизни.

Разумеется, с автоматической работы датчика гораздо удобнее смотреть видео в YouTube и листать фотографии. Еще датчик можно использовать, чтобы сделать из телефона строительный уровень - д ля этого нужно скачать специальное приложение.

По сути, недостатков у гироскопа нет. Конечно, иногда появляется дискомфорт при просмотре картинок или чтении, когдапри изменении позы человека и устройства возможны нежеланные изменения ориентации экрана. Решение простое - отключить автоповорот в настройках.

Современные смартфоны оснащены множеством датчиков, которые не только садят аккумулятор, но и постоянно отслеживают состояние телефона и делают пользование им значительно удобнее. Сегодня мы разберёмся с таким датчиком, как гироскоп в телефоне, что это , зачем он нужен и где пригождается.

Немного истории

Самым примитивным примером гироскопа может стать детский волчок или юла. Именно они наглядно визуализируют принцип действия датчика.

Общественности прибор был впервые представлен немецким учёным в области математики и астрономии И. Боненбергером. Хотя в некоторых научных документах указано, что на самом деле изобретение было сделано тремя годами раньше.

Первая компания, которая применила датчик в своём устройстве, Apple. Именно iPhone первыми смогли похвастаться подобным оснащением. Сегодня почти каждый имеет гироскоп. Уточнить его наличие можно в технической документации к устройству. Как правило, в характеристиках устройства в разделе датчиков находится полная информация о наличии приборов. Если по каким-то причинам кажется, что информация недостоверная можно установить дополнительный софт, например, Sensor Box for Android. Программа показывает .

Гироскоп в телефоне, что это?

Фактически это специальный чип, расположенный внутри устройства. Чтобы его увидеть придётся разобрать смартфон, так как он скрыт от глаз пользователей. Он распознает и анализирует положение гаджета в окружающем пространстве и вычисляет углы его размещения.

Помимо смартфонов, подобные датчики успешно зарекомендовали себя и в других сферах деятельности человека: авиация, судоходство, космонавтика. Также можно встретить подобные датчики в некоторых приборах и бытовой технике.

Функции гироскопа в смартфоне

Внедрение технологии позволило реализовать новые возможности для мобильных устройств. Разберёмся что именно берёт на себя гироскоп и какие функции выполняет в современных гаджетах.

Технология помогает ориентироваться на местности с большей точностью. Исходя из описанных функций, гироскоп удобная и нужная в смартфоне вещь.

Есть, конечно, и некоторые нюансы, портящие впечатление от пользования датчиком. Ряд приложений могут потерять часть быстродействия и медленнее реагировать на команды пользователя при включённом гироскопе. Также может наблюдаться ненужный отклик датчика, например, когда владелец смартфона лёжа читает книгу и переворачивается на другой бок. Но это погрешности незначительны и устраняются путём временного отключения датчика.

Многие, отвечая на вопрос, гироскоп в телефоне, что это , искренне полагают, будто он и акселерометр - это либо идентичные устройства, либо вовсе разные названия одной технологии. На самом деле оба этих суждения ложны. Эти датчики фиксируют положение смартфона в пространстве, но в разных плоскостях. Акселерометр призван отследить повороты, гироскоп же имеет значительно больше возможностей:

• не только повороты, но и перемещение устройства в пространстве;
• определение сторон света, то есть функции компаса;
• скорость перемещения в пространстве.

То есть гироскоп фиксирует перемещения прибора сразу в трёх плоскостях. Отсюда и большие возможности смартфонов, оснащённых датчиком. А если устройство совмещает оба прибора, то это делает его ещё более функциональным.

Где чаще используется

Итак, мы немного разобрались с вопросом, что такое гироскоп в телефоне . Теперь постараемся наглядно привести примеры его наиболее частого использования.

По статистике, на практике устройство, оснащённое гироскопом, приходится по душе любителям поиграть в мобильные игры. Гироскоп меняет принцип игры в лучшую сторону. Помимо того, что картинка получается более качественной, а сам процесс игры интерактивным и захватывающим. Если раньше для смены положения персонажа приходилось водить пальцами по экрану и нажимать на определённые зоны, то сейчас достаточно повернуть в пространстве сам гаджет, датчик захватит положение и интерпретирует его в игре. В зависимости от угла поворота смартфона сменяется и угол поворота персонажа. В итоге получается почти виртуальная реальность. В шутерах гироскоп очень удобен для прицела. Также датчик активно используется в различных симуляторах.

Ещё одна категория пользователей, которая не обошла датчик стороной – представители усложнённых профессий, в которых требуется точный расчёт и измерения. Например, автослесарь может определить расположение детали, просто приложив к ней телефон. В строительной отрасли таким же образом отслеживаются несущие конструкции на предмет ровного расположения. При этом информация о градусе наклона выводится прямо на экран смартфона и отличается удивительной точностью.

В качестве вывода, хочется отметить, что гироскоп – очень удобное и практичное изобретение. Благодаря ему мобильные устройства имеют значительно больше доступных возможностей, которые облегчают и упрощают их использование. Телефон, оснащённый датчиком способен выступать в качестве измерительного прибора, навигатора, компаса и т. д. Также позволяет выполнять частичное управление системой, не касаясь экрана, особенно удобно последнее в период зимы, когда не очень хочется снимать варежки, чтобы ответить на звонок или сменить текущую мелодию. Кроме того, производители постоянно сокращают энергозатратность датчика, что позволяет использовать его без заметного расхода заряда аккумулятора.

Обычно мозг у него отключается, и сразу хочется купить себе такие же. Я и сами таким был, потому мне знакомо это чувство)

Мало кто задумывается и про , и про . Хочется всего и сразу!

Но постойте, что если ваш телефон не подходит?

Как протестировать смартфон на совместимость с VR?

Прежде чем бежать на алиэкспресс, или в ближайший магазин, давайте убедимся, что с телефоном у нас всё хорошо.

Про параметры телефона смотрите эту . Если очень кратко – то для хорошего опыта VR нужен экран от FHD и гироскоп. Но часто так бывает, что вроде бы в телефоне всё это есть, но после покупки шлема ничего не пашет… так давайте протестируем телефон заранее!

Итак, для начала установите . Это официальное приложение от Гугла, служащее для демонстрации возможностей технологии + .

Если после установки вы увидели волка – то всё ок. Почти. У вас экран должен быть разбит на две части. При этом, если вертеть телефоном по сторонам – то картинка там же должна ездить. Значит, с гироскопом у вас всё ок. покрутитесь с телефоном на 360 градусов вокруг себя – волк уедет в сторону, и вы должны полноценно перемещаться в этой реальности.

Протестируйте наклоны телефона – картинка так же должна наклоняться. Если всё это есть, значит, вам почти повезло.

Иногда с карбордом бывают косяки, и он заводится не у всех. Тогда пробуем другие приложения.

Другие тестовые приложения

Если в карборде всё ок (и если не ок — тоже), поставьте, например, . Тут экран так же будет разделен на две части. Поверните экран так, чтобы центр его смотрел на рычаг справа – тележка поедет, и вы так же сможете крутить головой по сторонам. Если это работает, всё ок.

Вообще, можете установить хоть , но во многих из них для того, чтоб тележка поехала – нужен гироскоп.

Как протестировать шлем в магазине

Большая часть подобных очков покупается на Алиэкспресс и ему подобных сайтах, но если совсем не терпится, то можете дойти до М-видео или DNS и протестировать там . Он дорогой, но даст вам представление об этом всём. Так же это будет полезно, если у вас не слишком большое разрешение экрана – вы сможете увидеть, какую примерно картинку в шлеме вы получите в итоге. Только не вздумайте его сразу же покупать!

Ставите те же горки, или, например, – тоже неплохие горки, тут даже не надо ничего запускать. Они едут сами. А далее, в магазине просите показать шлем, вставляете туда телефон, и смотрите, как это всё работает.

Кстати, зернистость проверить можно и проще. Сходите купите лупу за 10 рублей и посмотрите ей на экран своего телефона. Если пикселей не видно, значит, всё ок. а вот если видно – то в шлеме они будут еще больше…готовы ли вы наблюдать кирпичную кладку?

Более глубокое тестирование вашего телефона

Для тех, кто разобрался с обычными приложениями, и хочет стримить с компа – читайте заметки про и про . И то, и другое, можно протестировать вообще не имея шлема. Хотя, там всё весьма заморочено)

Более того, если вы покупаете шлем именно для стрима с ПК – лучше сначала настройте всё без шлема , иначе вас потом вполне может ждать разочарование, когда что-то не заработает, или заработает не так, как вы хотите или ожидали.

Известные проблемы при тестировании смартфона для VR

Если всё вышеперечисленное у вас заработало, то можете радоваться – скорее всего опыт в ВР у вас будет позитивным. Но что делать, если что-то пошло не так?

• Нет картинки в карборде . А так же в других приложениях она есть через раз. Так бывает. Увы, скорее всего, дело в прошивке вашего телефона или в видеопроцессоре. Придется смириться с тем, что не все приложения будут у вас работать, как надо…
• Картинка в карборде и других приложениях не движется . Печаль-беда, скорее всего, в вашем телефоне нет гироскопа. Что можно делать без гироскопа – читайте в конце статьи. Решение – только смена телефона.
• В приложениях работают только наклоны, но поворачиваться нельзя . Увы, но снова нет гироскопа, а повороты реализуются за счет акселерометра, который у вас есть, но это мало поможет делу…то есть, поворачиваться вы не сможете, только ходить и смотреть вперед.
• Слишком большая зернистость картинки в том же Хомидо . У вас слишком низкое разрешение экрана. Так же – менять телефон.

Что делать, если в телефоне нет гироскопа

Это – самая частая проблема. К сожалению, до сих пор нет универсального решения. Народ извращается, прикручивает всякие аэромыши и тому подобное. Схемки разные заказывают. Но – это не слишком удобно, и я пока не видел, чтоб кто-то смог внешними силами сымитировать родной гироскоп телефона. Так что общее решение – менять телефон.

Но! Вы всё равно можете частично приобщиться к миру VR.

Как минимум, вам всё равно будет доступен и 3д роликов, а так же, те приложения, где гироскоп не обязателен, а желателен. Я вынес их в . В основном это разного рода горки и аркады.

Так же вы сможете в VR, (если у вас в нем есть значок карборда), и смотреть обычные фильмы. А еще вы, возможно, сможете стримить игры с ПК, но поворачиваться в них не сможете – только играть на «большом экране». Но, как я уже говорил – лучше протестировать это заранее…

ГИРОСКОП
навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия).

В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен. Именно так французский физик Ж. Фуко (1819-1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха.
Применение. Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.
См. также МАХОВИК . Основные области применения гироскопов - судоходство, авиация и космонавтика (см. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ). Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование - навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания. Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Гироскопический эффект создается той же самой центробежной силой, которая действует на юлу, вращающуюся, например, на столе. В точке опоры юлы о стол возникают сила и момент, под действием которых ось вращения юлы отклоняется от вертикали, а центробежная сила вращающейся массы, препятствуя изменению ориентации плоскости вращения, вынуждает юлу вращаться и вокруг вертикали, сохраняя тем самым заданную ориентацию в пространстве. Таким вращением, называемым прецессией, ротор гироскопа отвечает на приложенный момент силы относительно оси, перпендикулярной оси его собственного вращения. Вклад масс ротора в этот эффект пропорционален квадрату расстояния до оси вращения, поскольку чем больше радиус, тем больше, во-первых, линейное ускорение и, во-вторых, плечо центробежной силы. Влияние массы и ее распределения в роторе характеризуется его "моментом инерции", т.е. результатом суммирования произведений всех составляющих его масс на квадрат расстояния до оси вращения. Полный же гироскопический эффект вращающегося ротора определяется его "кинетическим моментом", т.е. произведением угловой скорости (в радианах в секунду) на момент инерции относительно оси собственного вращения ротора. Кинетический момент - векторная величина, имеющая не только численное значение, но и направление. На рис. 1 кинетический момент представлен стрелкой (длина которой пропорциональна величине момента), направленной вдоль оси вращения в соответствии с "правилом буравчика": туда, куда подается буравчик, если его поворачивать в направлении вращения ротора. Прецессия и момент силы тоже характеризуются векторными величинами. Направление вектора угловой скорости прецессии и вектора момента силы связано правилом буравчика с соответствующим направлением вращения.
См. также ВЕКТОР .
ГИРОСКОП С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ
На рис. 1 дана упрощенная кинематическая схема гироскопа с тремя степенями свободы (тремя осями вращения), причем направления вращения на ней показаны изогнутыми стрелками. Кинетический момент представлен жирной прямой стрелкой, направленной вдоль оси собственного вращения ротора. Момент силы прикладывается нажатием пальца так, что он имеет составляющую, перпендикулярную оси собственного вращения ротора (вторую силу пары создают вертикальные полуоси, закрепленные в оправе, которая связана с основанием). Согласно законам Ньютона, такой момент силы должен создавать кинетический момент, совпадающий с ним по направлению и пропорциональный его величине. Поскольку же кинетический момент (связанный с собственным вращением ротора) фиксирован по величине (заданием постоянной угловой скорости посредством, скажем, электродвигателя), это требование законов Ньютона может быть выполнено только за счет поворота оси вращения (в сторону вектора внешнего момента силы), приводящего к увеличению проекции кинетического момента на эту ось. Этот поворот и есть прецессия, о которой говорилось ранее. Скорость прецессии возрастает с увеличением внешнего момента силы и убывает с увеличением кинетического момента ротора.
Гироскопический указатель курса. На рис. 2 показан пример применения трехстепенного гироскопа в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создается и поддерживается струей сжатого воздуха, направленной на рифленую поверхность обода. Внутренняя и наружная рамки карданова подвеса обеспечивают полную свободу вращения оси собственного вращения ротора. По шкале азимута, прикрепленной к наружной рамке, можно ввести любое значение азимута, выровняв ось собственного вращения ротора с основанием прибора. Трение в подшипниках столь незначительно, что после того как это значение азимута введено, ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве, и, пользуясь стрелкой, скрепленной с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолета. Показания поворота не обнаруживают никаких отклонений, если не считать эффектов дрейфа, связанных с несовершенствами механизма, и не требуют связи с внешними (например, наземными) средствами навигации.

ДВУХСТЕПЕННЫЙ ГИРОСКОП
Во многих гироскопических приборах используется упрощенный, двухстепенный вариант гироскопа, в котором наружная рамка трехстепенного гироскопа устранена, а полуоси внутренней закрепляются непосредственно в стенках корпуса, жестко связанного с движущимся объектом. Если в таком устройстве единственная рамка ничем не ограничена, то момент внешней силы относительно оси, связанной с корпусом и перпендикулярной оси рамки, заставит ось собственного вращения ротора непрерывно прецессировать в сторону от этого первоначального направления. Прецессия будет продолжаться до тех пор, пока ось собственного вращения не окажется параллельной направлению момента силы, т.е. в положении, при котором гироскопический эффект отсутствует. На практике такая возможность исключается благодаря тому, что задаются условия, при которых поворот рамки относительно корпуса не выходит за пределы малого угла. Если прецессия ограничивается только инерционной реакцией рамки с ротором, то угол поворота рамки в любой момент времени определяется проинтегрированным ускоряющим моментом. Поскольку момент инерции рамки обычно сравнительно мал, она слишком быстро реагирует на вынужденное вращение. Имеются два способа устранить этот недостаток.
Противодействующая пружина и вязкостный демпфер. Датчик угловой скорости. Прецессию оси вращения ротора в направлении вектора момента силы, направленного вдоль оси, перпендикулярной оси рамки, можно ограничить пружиной и демпфером, воздействующими на ось рамки. Кинематическая схема двухстепенного гироскопа с противодействующей пружиной представлена на рис. 3. Ось вращающегося ротора закреплена в рамке перпендикулярно оси вращения последней относительно корпуса. Входной осью гироскопа называется направление, связанное с основанием, перпендикулярное оси рамки и оси собственного вращения ротора при недеформированной пружине.

Момент внешней силы относительно опорной оси вращения ротора, приложенный к основанию в тот момент времени, когда основание не вращается в инерциальном пространстве и, следовательно, ось вращения ротора совпадает со своим опорным направлением, заставляет ось вращения ротора прецессировать в сторону входной оси, так что угол отклонения рамки начинает увеличиваться. Это эквивалентно приложению момента силы к противодействующей пружине, в чем состоит важная функция ротора, который в ответ на возникновение входного момента силы создает момент силы относительно выходной оси (рис. 3). При постоянной входной угловой скорости выходной момент силы гироскопа продолжает деформировать пружину, пока создаваемый ею момент силы, воздействующий на рамку, не заставит ось вращения ротора прецессировать вокруг входной оси. Когда скорость такой прецессии, вызванной моментом, создаваемым пружиной, сравняется с входной угловой скоростью, достигается равновесие и угол рамки перестает изменяться. Таким образом, угол отклонения рамки гироскопа (рис. 3), указываемый стрелкой на шкале, позволяет судить о направлении и угловой скорости поворота движущегося объекта. На рис. 4 показаны основные элементы указателя (датчика) угловой скорости, ставшего в настоящее время одним из самых обычных авиакосмических приборов.

Вязкостное демпфирование. Для гашения выходного момента силы относительно оси двухстепенного гироузла можно использовать вязкостное демпфирование. Кинематическая схема такого устройства представлена на рис. 5; она отличается от схемы на рис. 4 тем, что здесь нет противодействующей пружины, а вязкостный демпфер увеличен. Когда такое устройство поворачивается с постоянной угловой скоростью вокруг входной оси, выходной момент гироузла заставляет рамку прецессировать вокруг выходной оси. За вычетом эффектов инерционной реакции (с инерцией рамки связано в основном лишь некоторое запаздывание отклика) этот момент уравновешивается моментом сил вязкостного сопротивления, создаваемым демпфером. Момент демпфера пропорционален угловой скорости вращения рамки относительно корпуса, так что выходной момент гироузла тоже пропорционален этой угловой скорости. Поскольку этот выходной момент пропорционален входной угловой скорости (при малых выходных углах рамки), выходной угол рамки увеличивается по мере того, как корпус поворачивается вокруг входной оси. Стрелка, движущаяся по шкале (рис. 5), указывает угол поворота рамки. Показания пропорциональны интегралу угловой скорости вращения относительно входной оси в инерциальном пространстве, и поэтому устройство, схема которого представлена на рис. 5, называется интегрирующим двухстепенным гиродатчиком.

На рис. 6 изображен интегрирующий гиродатчик, ротор (гиромотор) которого заключен в герметично запаянный стакан, плавающий в демпфирующей жидкости. Сигнал угла поворота плавающей рамки относительно корпуса вырабатывается индукционным датчиком угла. Положение поплавкового гироузла в корпусе задает датчик момента в соответствии с поступающими на него электрическими сигналами. Интегрирующие гиродатчики обычно устанавливают на элементах, снабженных сервоприводом и управляемых выходными сигналами гироскопа. При таком расположении выходной сигнал датчика момента можно использовать как команду на поворот объекта в инерциальном пространстве.
См. также ГИРОКОМПАС .

ЛИТЕРАТУРА
Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытания гироскопов. М., 1972 Бабаева Н.Ф. Гироскопы. Л., 1973 Поплавский М.А. Теория гироскопов. Киев, 1986

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .