Как телефон чувствует, что его перевернули, наклонили и встряхнули

Внутри телефона спрятаны микроскопические весы и волчок размером с песчинку — они и подсказывают экрану, где сейчас низ.

Акселерометр чувствует ускорение и постоянное притяжение Земли, гироскоп ловит вращение, а вместе они подсказывают телефону его положение и движение в пространстве.

Машины внутри чипа

Датчики движения сделаны по технологии MEMS — микроэлектромеханические системы. Это крошечные механические конструкции, вытравленные в кремнии вместе с электроникой: подвижные грузики, пружинки и гребёнки размером в доли миллиметра. По сути, внутри чипа есть настоящие движущиеся детали, просто невидимые глазу.

Звучит фантастично, но именно благодаря микроскопическим размерам эти механизмы дёшевы, прочны и помещаются в каждый смартфон, наушник и игровой джойстик.

Акселерометр: микровесы

Акселерометр измеряет ускорение. Внутри него — маленький грузик на гибких кремниевых пружинках. Когда телефон ускоряется, грузик по инерции чуть отстаёт и смещается относительно корпуса. Это смещение меняет ёмкость между грузиком и неподвижными электродами рядом — и по изменению ёмкости электроника вычисляет, насколько и в какую сторону действует ускорение.

Главный фокус: акселерометр чувствует не только движение, но и постоянное притяжение Земли. Лежащий неподвижно телефон всё равно ощущает силу тяжести, тянущую грузик вниз. По тому, на какую из трёх осей (вперёд-назад, влево-вправо, вверх-вниз) приходится это притяжение, телефон и понимает, как он повёрнут — где низ.

Поэтому экран и крутится

Держите телефон вертикально — гравитация давит вдоль длинной оси, система показывает портрет. Повернули набок — притяжение перешло на другую ось, и интерфейс разворачивается в альбом. А положили на стол экраном вверх — вся сила пошла на ось «вверх-вниз», поэтому автоповорот замирает: телефон не знает, какой край сделать верхним.

ось Z (низ) -> портрет
ось X (низ) -> альбом
плашмя     -> ориентация неясна, поворот замер

Гироскоп: микроволчок

У акселерометра есть слабость: он плохо чувствует именно вращение вокруг вертикали и путается, когда телефон одновременно двигают и поворачивают. Здесь подключается гироскоп — он измеряет угловую скорость, то есть как быстро устройство поворачивается.

В MEMS-гироскопе крошечная масса постоянно колеблется. Когда устройство поворачивают, на эту колеблющуюся массу действует так называемая сила Кориолиса — она слегка отклоняет колебания вбок. Величину отклонения снова считывают через изменение ёмкости. Так гироскоп узнаёт скорость и ось вращения, не опираясь на гравитацию.

Зачем их объединять

Акселерометр точно знает «где низ» в покое, но шумит при тряске. Гироскоп прекрасно ловит быстрые повороты, но со временем накапливает ошибку (дрейф) и сам по себе «уплывает». Поэтому телефон сливает их показания: гироскоп даёт мгновенную реакцию на поворот, акселерометр периодически возвращает истину про вертикаль, исправляя дрейф.

Третий участник — компас

К паре часто добавляют магнитометр — датчик магнитного поля Земли. Он работает как компас и подсказывает, куда направлен телефон относительно севера. Без него игры с поворотом головы и карты «куда я смотрю» были бы невозможны: акселерометр и гироскоп знают наклон и вращение, но не знают абсолютного направления на местности.

Вместе эти три датчика образуют инерциальный блок. Их данные объединяет специальный фильтр, выдающий устойчивую картину: как телефон ориентирован и как движется прямо сейчас.

Почему датчик такой крошечный и дешёвый

Раньше точные акселерометры и гироскопы были громоздкими и стоили целое состояние — их ставили в самолёты и ракеты. Прорыв случился, когда механику научились вытравливать прямо в кремнии теми же методами, что и микросхемы: травлением, напылением, фотолитографией. Получилось делать тысячи микромеханизмов на одной пластине разом, как чипы. Поэтому датчик, который раньше занимал ящик и весил килограммы, теперь меньше рисового зёрнышка и стоит дешевле чашки кофе — и его не жалко поставить даже в наушник или в зубную щётку.

Где это пригождается

Список длиннее, чем кажется. Шагомер считает шаги по характерным толчкам акселерометра при ходьбе. Стабилизация видео по гироскопу компенсирует дрожь рук. Игры с рулём поворачивают машину наклоном телефона. Дополненная реальность удерживает виртуальные объекты на месте, пока вы ходите вокруг. Жест «поднять, чтобы разбудить» ловит характерный наклон. Даже подушка безопасности в автомобиле срабатывает по такому же MEMS-акселерометру, только погрубее и понадёжнее.

Итог

То, что телефон «чувствует» себя в пространстве, — заслуга микроскопических машин из кремния. Акселерометр взвешивает притяжение и движение, гироскоп считает повороты, магнитометр указывает на север, а умный фильтр сводит их в единую картину. Целый навигационный блок, который раньше занимал ящик в самолёте, теперь умещается в уголке смартфона и стоит копейки.