Katsoit videota YouTubessa muotokuvatilassa, eikä näytön kiinteistö riittänyt. Tämän ongelman ratkaisemiseksi teit sen, mitä kuka tahansa älypuhelinta käyttävä henkilö tekisi. Käännä puhelin kyljelleen.
Heti kun teit tämän, video valtasi koko näytön ja kaikki valikkovaihtoehdot olivat näkymättömiä, mutta mistä puhelimesi tiesi sen suunnasta?
No, korkean virkistystaajuuden näytön ja loistavan käyttöliittymän lisäksi puhelimessasi on useita antureita, jotka havaitsevat sen suunnan avaruudessa, mutta miten nämä anturit toimivat?
Luonnon perusvoimien ymmärtäminen
Vaikka voit tuntea tuulen kasvoillasi ja veden käsissäsi sateella, et voi tuntea luonnon perusvoimia.
Näihin voimiin kuuluvat gravitaatiovoima ja sähkömagneettinen voima. Vaikka nämä voimat ovat aineettomia, ne vaikuttavat kaikkeen mitä teemme. Itse asiassa älypuhelimesi näyttö havaitsee pienet muutokset sähkömagneettisissa voimissa havaitakseen sormesi. Ei vain tämä, vaan myös painosi määräytyy painovoiman takia.
Yksinkertaisesti sanottuna painovoima kohdistaa esineisiin voiman, joka saa ne kiihtymään 9,8 m/s^2 nopeudella. Tämän kiihtyvyyden ansiosta tavarat putoavat takaisin maahan, kun heität niitä.
Toisaalta sähkömagneettista voimaa ei voi tuntea painovoimana. Se sanoi, että jos asetat kompassin mihin tahansa päin maailmaa, se havaitsi maan magneettikentän kyseisellä alueella ja suuntautuisi pohjoisnavalle.
Vaikka sähkömagneettiset voimat ovat mahdollistaneet useita teknologisia edistysaskeleita, ne eivät kaikki ole hyvää elektromagneettinen säteily suurina annoksina voi olla vaarallista ihmiskeholle.
Anturitekniikan ymmärtäminen älypuhelimellasi
Älypuhelimesi anturit havaitsevat muutokset luonnonvoimissa ymmärtääkseen sen suunnan avaruudessa, mutta miten nämä anturit toimivat?
No, älypuhelimellasi on tuhansia antureita sen emolevyllä, mutta kolme pääanturityyppiä, joiden avulla puhelimesi voi havaita muutokset sen suunnassa.
Nämä suunnantunnistusanturit käyttävät mikroelektromekaanisia järjestelmiä (MEMS) luonnonvoimien mittaamiseen. Datan mittaamiseen MEMS-laitteet käyttävät piihin upotettuja mekaanisia osia sähköisen signaalin tuottamiseksi. Näiden signaalien avulla älypuhelimesi havaitsee muutokset siihen vaikuttavissa voimissa.
Alla on lyhyt kuvaus näiden antureiden toiminnasta.
- Kiihtyvyysanturi: Kuten nimestä voi päätellä, kiihtyvyysmittaria käytetään älypuhelimen kiihtyvyyden muutosten havaitsemiseen. Näiden muutosten havaitsemiseksi kiihtyvyysanturi käyttää inertialakia, jonka mukaan levossa oleva keho pysyy levossa, kunnes ulkoista voimaa ei kohdisteta. Tämän konseptin käyttämiseksi kiinteä massa ripustetaan jousimaisten rakenteiden väliin MEMS-anturissa. Siksi kiinteä massa pysyy paikallaan, kun puhelinta kiihdytetään sen jousia puristavan inertian vuoksi. Tämä jousipuristus tuottaa sähköisen signaalin, joka kertoo älypuhelimelle, että sitä kiihdytetään.
- Gyroskooppi: Gyroskooppi tarkkailee älypuhelimesi pyörimisvoimia. Tämä kierto mittaa älypuhelimeen vaikuttavaa Coriolis-voimaa arvioidakseen, kuinka paljon se on pyörinyt painopisteensä ympäri. Yksinkertaisesti sanottuna Coriolis-voima vaikuttaa mihin tahansa kehoon pyörivän esineen sisällä sen pyörimisen vuoksi. Gyroskooppi käyttää kiihtyvyysmittarin kaltaista rakennetta, mutta sitä on muokattu havaitsemaan muutokset älypuhelimen pyöriessä.
- Magnetometri: Maan ytimessä virtaavien virtojen vuoksi magneettikenttä nielaisee sen. Näiden kenttien havaitseminen auttaa älypuhelinta ymmärtämään suuntansa Maan magneettikentän todellisen pohjoisen suhteen. Älypuhelimet on varustettu kolmiakselisella Hall-anturilla näiden muutosten havaitsemiseksi. Tämä anturi käyttää Faradayn sähkömagneettisen induktion lakeja magneettikenttien havaitsemiseen. Tämän lain mukaan virtaa kuljettava johdin synnyttää sähkömotorisen voiman, kun sen ympärillä oleva magneettikenttä muuttuu. Näistä jännitteen muutoksista johtuen antureilla voidaan havaita sen suuntaus suhteessa Maan magneettinapoihin.
Nyt kun meillä on perusymmärrys älypuhelimiemme antureista, voimme tarkastella, kuinka ne yhdessä tunnistavat älypuhelimesi sijainnin.
Kuinka puhelimesi tietää, milloin näyttöä tulee kääntää?
Kuten aiemmin selitettiin, kiihtyvyysanturi pystyy havaitsemaan kiihtyvyyden muutokset, mutta pelkästään näitä tietoja ei voida käyttää älypuhelimen suunnan havaitsemiseen. Syynä on se, että painovoimat vaikuttavat aina kiihtyvyysanturiin, ja anturin on vaikea havaita, milloin kiihtyvyyden muutosten on tarkoitus pyörittää älypuhelinta.
Älypuhelimet käyttävät anturifuusiota tämän ongelman ratkaisemiseksi, mikä mahdollistaa eri antureiden kommunikoinnin toistensa kanssa. Puhelimen suunnan havaitsemiseksi kiihtyvyysanturi on yhteydessä gyroskoopin ja magnetometrin kanssa.
Siksi, kun puhelin pyörii, kiihtyvyysanturi havaitsee kiihtyvyyden muutokset ja kommunikoi sitten gyroskoopin kanssa. Tämän viestinnän ansiosta älypuhelin voi ymmärtää, onko kiihtyvyyden muutokset tarkoitettu pyörimiseen.
Gyroskooppi on kuitenkin herkkä virheille, koska se ei voi ottaa huomioon älypuhelimeen vaikuttavia painovoimat. Siksi tarvitaan kolmas anturi, joka havaitsee älypuhelimen suunnan muutokset. Tämä anturi ei ole mikään muu kuin laitteesi magnetometri.
Tätä magnetometriä käytetään älypuhelimen sijainnin muutosten havaitsemiseen suhteessa Maan magneettikenttään. Näitä tietoja sekä kiihtyvyysmittarin ja gyroskoopin tietoja käytetään päätettäessä, onko näytön oltava pysty- vai vaakatilassa.
Onko anturiteknologia tulevaisuutta?
Kiihtyvyysanturi, gyroskooppi ja magnetometri havaitsevat muutokset luonnon perusvoimissa käyttämällä inertia- ja sähkömagneettisen induktion lakeja.
Älypuhelimet käyttävät näitä peruslakeja mahdollistaakseen ominaisuudet, kuten autorotation ja optisen kuvanvakauksen. Älypuhelimet tarjoavat nyt kuitenkin innovatiivisia ominaisuuksia yhdistämällä eri antureilta saatuja tietoja.
Eräs esimerkki tästä on Apple-laitteiden törmäystunnistuksen vapauttaminen, jonka avulla näiden antureiden tiedot voivat havaita onnettomuuden ja varoittaa hätäpalveluja.