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¿Qué hace que los smartphones sean sensibles a la inclinación? ¿Mantendrán esta capacidad en condiciones de gravedad cero?

La mayoría de los smartphones son sensibles a la inclinación, pero ¿qué dispositivo lo hace posible? Además, ¿cómo funciona (y los sensores asociados)?

Además, dado que el funcionamiento de estos sensores parece basarse, casi con toda seguridad, en la presencia de un campo gravitatorio externo (por ejemplo, el de la Tierra), esto plantea la segunda pregunta: ¿Conservan los smartphones su sensibilidad a la inclinación en condiciones de gravedad cero (hipotéticas)?

(Hace poco jugué a un juego de simulador de aviones en mi teléfono... el hecho de que el avión respondiera tan bien a la inclinación me sorprendió; de ahí el impulso de hacer esta pregunta)


Extras:

Yo también le he dado vueltas a esto, así que también lo pondré aquí. A todos los efectos, mi pregunta terminó después del segundo párrafo, pero lo que he añadido después de esto podría ayudar a adaptar una respuesta que se ajuste a mi comprensión actual de la física.

Actualmente estoy en el instituto, y si no recuerdo mal, hay seis grados de libertad de una partícula en un sistema cartesiano 3D. Según mi experiencia con la aplicación del simulador de aviones, los smartphones parecen detectar el movimiento sólo en tres grados de libertad: cabeceo, balanceo y guiñada

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Hablando de sensores sensibles a la inclinación: La forma en que suponga que Estos sensores/transductores funcionan detectando los diminutos cambios en la energía potencial gravitatoria (que puede se manifiesta como un movimiento a pequeña escala de algunos componentes diminutos del sensor) que se asocia con el cambio de orientación espacial del teléfono.

Tal y como yo lo veo, un sensor de este tipo requeriría moviendo partes, y no puede ser simplemente otro chip en una placa de circuito.

En estas circunstancias, si se me encargara la construcción de un dispositivo sensible a la inclinación que percibiera cambios minúsculos en la energía potencial gravitatoria, probablemente necesitaría al menos 3 pares de sensores (un par en cada uno de los tres ejes de coordenadas). Además, viendo cómo muy sensible a la inclinación de mi smartphone, tendría que construir un dispositivo ridículamente grande, con cada sensor de un par colocado a varios metros de distancia para lograr una sensibilidad a la inclinación comparable a la de mi teléfono.

Sin embargo, los teléfonos inteligentes tienen unas dimensiones más pequeñas que las de un típico bocadillo, por lo que tener "sensores en un par colocados a varios metros de distancia", además de ser poco práctico, está claro que no es el caso.

^ Me puse a despotricar sobre esto, para que te hagas una idea de mi auténtica perplejidad en la subpregunta que sigue:

¿Cómo es que estos sensores son así que sensibles, a pesar de su pequeño tamaño?

97voto

brian Puntos 1

Tienes razón, en cierto sentido. Estos sensores necesitan componentes móviles. Sin embargo, son un chip en su placa.

Los sensores de inclinación (en realidad, los acelerómetros) y los giroscopios (y los sensores de presión, ...) forman parte de una familia llamada MEMS: Sistemas microelectromecánicos.

Utilizando técnicas similares a las que ya son habituales en la fabricación de circuitos integrados, podemos hacer pequeños y sorprendentes dispositivos. Utilizamos los mismos procesos de grabado, deposición de nuevas capas, crecimiento de estructuras, etc.

Son dispositivos increíblemente pequeños. Éste es un ejemplo de giroscopio:

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enlace al sitio web original.

La mayoría de ellos funcionan detectando cambios en la capacitancia. Un giroscopio detectaría los cambios debidos a la rotación (la cosa grande de la imagen giraría alrededor del eje central. Esto hará que los diminutos dientes que se intercalan se acerquen y aumenten la capacitancia. Los acelerómetros funcionan bajo un principio similar. Estos dientes pueden verse en la esquina inferior derecha de la segunda imagen.

¿Y la gravedad cero?

No cambiaría mucho el funcionamiento de los dispositivos. Verás, los acelerómetros funcionan detectando la aceleración. La clave, sin embargo, es que la gravedad es la misma para ellos: sólo se siente como si estuvieras siendo acelerado hacia arriba a 1G, todo el tiempo. Utilizan esta "constante" para hacerse una idea de dónde está "abajo". Esto también significa que, aunque los chips funcionarán bien en microgravedad, tu teléfono no lo hará, ya que se confundirá porque parece que no hay "abajo".

Una adición rápida para abordar un punto (muy bueno) que el usuario GreenAsJade trae a colación: Cuando se mira el común definiciones de giroscopios en fuentes como wikipedia se describen a menudo como algo parecido a un disco giratorio. Las imágenes de arriba no parecen tener ninguna parte giratoria. ¿Qué pasa con eso?

La forma en que resuelven esto es sustituyendo el rotación con vibración . El objeto en forma de disco que aparece en las imágenes sólo está conectado con estructuras muy finas y flexibles al eje central. Este disco se hace vibrar alrededor de su eje a alta frecuencia. Cuando se mueve toda la estructura a lo largo de un ángulo, esto hará que el disco trate de resistirse continuamente a esto - similar a un giroscopio clásico. Este efecto se denomina Efecto Coriolis . Al detectar la inclinación del disco en comparación con el material sólido que lo rodea, puede medir la velocidad a la que gira.

17voto

jns Puntos 449

El dispositivo sensorial es un peso sobre un muelle. De hecho, es "un movimiento a pequeña escala de algunos componentes diminutos del sensor", y también es "otro chip en una placa de circuito".

La palabra clave aquí es MEMS . Es posible construir pequeñas estructuras de silicona y luego grabar debajo de ellas, dejando una pieza que flota libremente. Si la pieza es larga y delgada, se deformará bajo la gravedad (o cualquier aceleración) en una cantidad proporcional a su módulo de Young. El cambio de posición afecta a la capacitancia entre la pieza móvil y las piezas fijas que la rodean, lo que puede medirse electrónicamente.

Por lo general, sólo tienen un acelerómetro de tres ejes. Se puede conseguir una mayor precisión añadiendo giroscopios u otro acelerómetro separado por una distancia; Nintendo lo hizo con los complementos del Wiimote.

Muchos teléfonos también contienen un magnetómetro, que te dice vagamente dónde está el norte magnético en relación con el teléfono, aunque la calibración tiende a ser mala en estos.

Abordar partes específicas de la pregunta:

  • ¿Qué hace que los smartphones sean sensibles a la inclinación?

Acelerómetros MEMS. Paquete de chip cuadrado de pocos mm, 0,50 dólares o menos en cantidad.

  • ¿Mantendrán esta capacidad en condiciones de gravedad cero?

No exactamente. Ya no tienen un vector de referencia conveniente. Sin embargo, aún pueden detectar la aceleración, así que si tienes una de esas aplicaciones de "sable de luz" y la agitas, seguirá funcionando en la ISS. Pero ni tú ni el teléfono tenéis una idea clara de "arriba".

(El kit de Raspberry Pi que se ha enviado tiene un acelerómetro y un montón de programas escritos por escolares, así que casi seguro que hay un vídeo de demostración en alguna parte)

La salida bruta de un acelerómetro de 3 ejes es un vector de 3 valores medidos en m/s^2. La magnitud de este vector suele ser de aproximadamente 1g, pero la dirección varía. Si el teléfono está parado, apuntará hacia abajo. Si lo mueves, el vector de aceleración cambiará de dirección. Si lo mueves, el vector de aceleración cambiará de dirección. soltar el teléfono, es decir, entra en caída libre igual que lo haría un teléfono en una nave en órbita, entonces la magnitud pasa a ser casi nula. Esto hace que la dirección del vector oscile salvajemente y se convierta en ruido.

El uso de acelerómetros como detectores de caídas para la seguridad de los discos duros se popularizó hace una década con los Macbooks. La gente encontraron otros usos para ellos .

  • ¿cómo funciona?

Contestado con más detalle por otras respuestas.

10voto

Callum Rogers Puntos 6769

En teoría, sí, un teléfono o una tableta podrían funcionar igual de bien, por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional (ISS) que aquí en tierra.

Vamos a desglosar esto un poco.

Hay dos tipos de movimiento que un dispositivo debe detectar.

Movimiento lineal

Los acelerómetros autónomos utilizan la desviación de una masa acoplada a un muelle desde un punto de reposo normal como medida de la fuerza de aceleración en ese eje. Obviamente, se necesitan tres de ellos para detectar el movimiento en cualquier eje.

Conociendo y rastreando esas fuerzas, se puede "rematar" la velocidad y la dirección de desplazamiento del dispositivo desde su ubicación original de "encendido". Si se cuenta con un reloj preciso, también se puede calcular la posición actual.

Parece sencillo, pero en realidad las matemáticas son bastante complejas y los errores en el sistema provocan una desviación en el tiempo.

Rotación

La rotación es, obviamente, el giro alrededor de cualquier eje.

Sensores de giro

La rotación puede medirse con un giroscopio o un sensor de giro. Estos dispositivos también tienen una masa poco acoplada que es libre de girar, o es impulsada, en un eje determinado. Cuando el cuerpo del dispositivo gira, la diferencia entre las rotaciones le indica cuánto está girando el dispositivo.

Los sensores de giro y los giroscopios no se preocupan por la gravedad, salvo quizás por algunas diferencias de fricción.

Rotación del acelerómetro con referencia a la gravedad

Dado que los acelerómetros miden la fuerza que actúa sobre una masa suspendida, cuando ese sensor está en posición vertical con respecto a la tierra, habrá, por supuesto, una desviación en el muelle debido al peso de la masa por efecto de la gravedad. Esta desviación es eliminada matemáticamente por el software para extraer la parte de la aceleración.

Sin embargo, dado que los acelerómetros de tres ejes producirán diferentes desplazamientos en función de su orientación, es posible detectar matemáticamente el giro a partir de la diferencia de los desplazamientos.

Sin embargo, aunque este método funciona, está sujeto a las variaciones de G. No funcionaría en el espacio. También sería significativamente menos funcional en un avión de maniobras. Incluso un coche que tome una curva cerrada a gran velocidad podría ser problemático.

Detección de giro del acelerómetro

Es posible, con dos conjuntos de acelerómetros suficientemente sensibles, detectar el giro a partir de la diferencia de aceleración entre los acelerómetros.

Como cada acelerómetro tiene que moverse con respecto al otro, habrá una diferencia de aceleración en ese eje entre cada uno. Esos valores pueden utilizarse de nuevo matemáticamente para predecir el giro.

En pocas palabras, si se puede saber por los acelerómetros centrados en un extremo del teléfono que el punto central se ha movido a \$X_1,Y_1, Z_1\$ y el otro extremo está ahora en \$X_2,Y_2, Z_2\$ El cálculo de los tres ángulos es trivial.

Este método NO se ve afectado por la gravedad.

¿Funcionará su teléfono o tableta en la ISS?

Como puedes ver en lo anterior, realmente depende de los métodos que utilice tu dispositivo.

Técnicamente se podría construir, y programar, para hacerlo. Es posible que haya que apagarlo y volver a encenderlo para recalibrarlo, pero con los sistemas adecuados debería funcionar bien. Al menos para jugar a ese "juego de simulación de aviones".

Sin embargo, la deriva puede ser un problema mayor en la ISS. Como los teléfonos en G normal tienen la capacidad de saber en qué dirección está "abajo" en ese momento concreto, pueden reajustarse con el tiempo. Una unidad basada en el espacio necesitaría un reajuste manual ocasional para indicar la dirección "normal".

10voto

bitsmack Puntos 5415

Todos los comentarios y respuestas son geniales para ayudar a entender cómo es posible. Pero, aquí hay algo que te ayudará a entender cómo se actualiza en productos reales.

Orientation (fuente de la imagen)

Este es un diminuto CI (3x3x1 mm) de InvenSense. Tiene un acelerómetro de tres ejes (para el movimiento lateral), un giroscopio de tres ejes (para la rotación) y un magnetómetro de tres ejes (como la aguja de una brújula). Dispone de un código interno que realiza todas las operaciones matemáticas complicadas. Consume muy poca energía.

Esto es sólo un ejemplo. Hay varias empresas que fabrican productos similares. Algunos son más precisos que otros, otros son más baratos, la mayoría no tienen el magnetómetro, etc...

8voto

Lea Harrelson Puntos 51

¡Este es un caso raro en el sitio de Electrónica en el que, ninguna de las respuestas respondía clara y nítidamente a la pregunta!

¿Conservan los teléfonos móviles la capacidad de detectar la inclinación en condiciones de gravedad cero?

La respuesta es:

Conservan (a nivel de hardware) la capacidad de detectar basculante pero ya no pueden detectar inclinación .

Además,

A nivel de software de aplicaciones, de hecho, casi todos (muy probablemente "todos") los escritores de software de aplicaciones no permitirían el caso de gravedad cero, por lo que muy probablemente las funciones de giro-aceleración actuarían de forma extraña en general, en la mayoría/todas las aplicaciones reales.

En cuanto a cómo funcionan los giroscopios/aceleradores en los teléfonos, puedes buscar fácilmente en Google las APIs para estos en las dos plataformas ( ejemplo ).

Tenga en cuenta, sin embargo, que todos los sistemas operativos, en la práctica, envuelven las funciones de giroscopio/aceleración de nivel inferior en algún tipo de nivel superior conveniente director de la moción:

Accels/gyros, están de hecho envueltos en el nivel del sistema operativo

Así que de hecho...

en la práctica, para cualquier aplicación bastante nueva (recordando que, digamos, alrededor del 25% de las aplicaciones en la tienda están deterioradas / no se actualizan regularmente), se reduciría a cómo el equipo de Apple que escribió (en su caso) "Coremotion" manejó (¡si es que lo hizo!) el caso del entorno de gravedad cero. (Hay una situación similar para Android).

Y además, para los juegos como tal...

Hoy en día, casi todos los juegos que se cogen y se juegan en un teléfono han sido creados en Unity3D, en lugar de como una aplicación nativa. (Y por regla general, si miras el conjunto de "apps que usan el accel/gyros", el 90% (¿más?) de ellas son sólo juegos). Así que de hecho (en todas las plataformas) los escritores de software están usando Nivel de envolturas de software de Unity .

Por lo tanto, el comportamiento real en el caso extremo de la órbita terrestre, dependería de lo que esos la gente lo hizo al escribir eso.

Un punto confuso...

que no se ha aclarado. Cuando se escribe software para teléfonos, es totalmente común tener que lidiar con la "gravedad cero" ... durante cortos periodos de tiempo: es decir, cuando el teléfono está en caída libre . Así que si estás haciendo una de las (cientos de) aplicaciones para patinadores, esquiadores o similares que miden el tiempo de suspensión, etc., te ocupas de esto como algo natural.

Los giroscopios se introdujeron en los teléfonos alrededor de 2010; los aceles estaban en ellos desde el principio.

A La empresa francesa/italiana STMicroelectronics hace la mayoría de los giroscopios tanto para apple como para samsung.

En cuanto a los acelerómetros, la mayoría de los teléfonos ahora tienen un par de ellos ya que funciona mejor así. He oído que hay más variedad de proveedores de acelerómetros (Bosch, etc).

Puedes literalmente comprar giroscopios MEMS o accels Si, por ejemplo, está fabricando un juguete electrónico que incluya dicha función.

Sólo para repetir, la respuesta rápida fundamental a la pregunta planteada es

En "g cero", conservan (a nivel de hardware) la capacidad de detectar basculante pero ya no pueden detectar inclinación .

En cuanto al software,

  1. sería, casi con toda seguridad, "totalmente fallido" en el extraño caso de "estás en órbita". Ya que ningún gane o ingeniero de aplicaciones (que yo sepa) sería tan OCD como para cubrir ese caso, pero no olvides...

  2. es totalmente habitual tener "gravedad cero" .. durante cortos periodos de caída libre (esto se aplica como una cuestión habitual si estás haciendo una de esas "aplicaciones de deportes de acción").

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