Co to jest akcelerometr i jak działa?

Początki akcelerometru

Akcelerometry, choć dziś powszechne w smartfonach, zegarkach i konsolach do gier, mają korzenie w badaniach nad nawigacją i stabilizacją. Pierwsze prototypy bazowały na mechanicznych rozwiązaniach, takich jak masy zawieszone na sprężynach, których ruch był rejestrowany.

Jednak przełom nastąpił wraz z rozwojem mikroelektroniki i technologii MEMS (Microelectromechanical Systems). Dzięki nim możliwe stało się tworzenie mikroskopijnych akcelerometrów, integrowanych bezpośrednio z układami scalonymi. To zminiaturyzowanie i spadek kosztów produkcji sprawiły, że przyspieszeniomierze znalazły zastosowanie w elektronice użytkowej.

Początkowo wykorzystywane były głównie w systemach stabilizacji obrazu w aparatach i kamerach. Z czasem jednak zrewolucjonizowały sposób, w jaki korzystamy z urządzeń mobilnych – umożliwiły interakcje oparte na gestach, korzystanie z krokomierza czy automatyczne obracanie ekranu.

Jak działa akcelerometr

Typowy akcelerometr działa na prostej, choć genialnej zasadzie pomiaru siły bezwładności. W uproszczeniu urządzenie to zawiera maleńką masę, która jest swobodnie zawieszona wewnątrz obudowy. Kiedy akcelerometr doświadcza przyspieszenia, masa ta, pod wpływem bezwładności, przemieszcza się względem obudowy. To przemieszczenie jest następnie mierzone za pomocą różnych metod, w zależności od typu akcelerometru.

W najpopularniejszych akcelerometrach MEMS przemieszczenie to zmienia pojemność elektryczną kondensatora, która jest następnie mierzona i przeliczana na wartość przyspieszenia. W ten sposób urządzenie jest w stanie wykryć nie tylko przyspieszenie liniowe (ruch w linii prostej), ale także zmiany położenia (pochylenie) względem osi.

Rodzaje akcelerometrów

Akcelerometry różnią się konstrukcją i zastosowaną technologią. Najczęściej spotykane rodzaje to:

• MEMS – mikroelektromechaniczne – małe, tanie, powszechne w smartfonach i mniejszych gadżetach;
• pojemnościowe – wykorzystujące zmianę pojemności kondensatora;
• piezorezystywne – wykorzystujące zmianę oporności materiału pod wpływem naprężeń;
• piezoelektryczne – wykorzystujące efekt piezoelektryczny;
• termiczne – mierzące ruch masy poprzez pomiar zmiany temperatury;
• mechaniczne – starsze, duże, wykorzystujące elementy mechaniczne.

Każdy z tych rodzajów ma swoje zalety i wady, a wybór odpowiedniego akcelerometru zależy od konkretnego zastosowania.

Akcelerometr a żyroskop

Akcelerometr i żyroskop to dwa kluczowe elementy współczesnych systemów inercyjnych, często spotykane w smartfonach, dronach czy systemach nawigacji. Choć oba mierzą ruch, robią to w zupełnie inny sposób. Akcelerometr mierzy przyspieszenie liniowe, czyli zmiany prędkości wzdłuż osi X, Y i Z. Dzięki niemu urządzenie wie, czy jest przechylane, potrząsane, czy porusza się w górę lub w dół.

Z kolei żyroskop mierzy prędkość kątową, czyli tempo obrotu wokół tych samych osi. Wykorzystuje się go, aby określić, jak szybko i w którym kierunku urządzenie się obraca. Współpraca tych dwóch sensorów, często w ramach jednego układu IMU (Inertial Measurement Unit), pozwala na precyzyjne śledzenie ruchu i orientacji obiektu w przestrzeni, co jest kluczowe dla wielu zaawansowanych funkcji.

Do czego służy akcelerometr w smartfonie

W smartfonach najczęściej stosuje się akcelerometry MEMS. Są to miniaturowe układy, w których masa umieszczona na sprężynkach porusza się w odpowiedzi na przyspieszenie. Ten ruch jest mierzony za pomocą zmian pojemności lub piezoelektryczności. Wynik pomiaru jest następnie przekazywany do procesora, który interpretuje go i wykorzystuje do różnych zadań:

• Orientacja ekranu – kiedy obracasz telefon z pionowego do poziomego ułożenia, akcelerometr to wykrywa i automatycznie zmienia orientację wyświetlanych treści. Jest to też przydatne podczas robienia zdjęć czy nagrywania filmów. Dzięki temu urządzenie może poziomować zdjęcia i stabilizować nagrania.
• Gry – akcelerometr pozwala na sterowanie w grach poprzez przechylanie, skręcanie czy potrząsanie urządzeniem, co sprawia, że rozgrywka staje się bardziej intuicyjna i angażująca.
• Licznik kroków i aktywności – akcelerometr odgrywa też istotną rolę w aplikacjach fitness i monitorowaniu aktywności. Rejestruje kroki, co w połączeniu z innymi czujnikami (np. GPS) pozwala na dokładniejsze pomiary dystansu i spalonych kalorii.
• Reagowanie na potrząsanie – niektóre aplikacje korzystają z potrząsania telefonem jako gestu wywołującego akcję (np. odświeżenie strony, zmiana utworu).
• Uśpienie i budzenie ekranu – czujnik może wykryć podniesienie telefonu ze stołu, co powoduje automatyczne wybudzenie ekranu.
• Nawigacja – w połączeniu z GPS sensor pomaga w dokładniejszym śledzeniu ruchu i pozycji użytkownika, szczególnie w miejscach, gdzie sygnał GPS jest słaby.
• Wykrywanie wypadków – ostatnio ten czujnik jest coraz częściej wykorzystywany w funkcjach bezpieczeństwa, np. do wykrywania wypadków, upadków i automatycznego powiadamiania o nich służb ratunkowych.
• Wirtualna rzeczywistość (VR) i rozszerzona rzeczywistość (AR) – akcelerometr jest niezbędny do śledzenia ruchów głowy i orientacji w przestrzeni w aplikacjach VR i AR.

Jaką funkcję pełnią akcelerometry w smartwatchach, opaskach sportowych i smart ringach

Akcelerometry znajdują się także w urządzeniach noszonych, czyli w smartwatchach i smartbandach, a od niedawna również w smart ringach. Na podstawie analizy przyspieszeń urządzenia rozpoznają, czy użytkownik chodzi, biega, pływa, a nawet jeździ na rowerze.

Dzięki temu możliwe jest liczenie kroków, szacowanie przebytego dystansu, spalonych kalorii i monitorowanie czasu trwania aktywności. Akcelerometr w zegarku sportowym czy opasce pozwala również na detekcję, kiedy użytkownik pozostaje w bezruchu, co jest wykorzystywane do przypominania o konieczności wstania i rozruszania się.

Poza monitorowaniem aktywności fizycznej akcelerometry mają również inne zastosowania. Wykrywają one gesty, takie jak uniesienie nadgarstka w celu aktywacji ekranu, potrząśnięcie w celu odrzucenia połączenia czy obracanie nadgarstka podczas przewijania list. Ponadto, w niektórych przypadkach, w połączeniu z innymi sensorami akcelerometr może pomóc w analizie snu, określając, kiedy użytkownik zasypia, budzi się i jak często zmienia pozycję podczas snu. Dzięki tak dużemu zakresowi zastosowań akcelerometr jest kluczowym elementem inteligentnych zegarków, opasek i pierścieni.

• Smartwatche – mają zazwyczaj najbardziej zaawansowane implementacje akcelerometrów, ponieważ są większe i mają więcej miejsca na dodatkowe czujniki. Często ten czujnik współpracuje z żyroskopem i magnetometrem, co pozwala na bardziej precyzyjne monitorowanie ruchu i orientacji.
• Smartbandy – akcelerometry w opaskach sportowych są również istotne, choć mogą być nieco mniej precyzyjne niż w smartwatchach. Główny nacisk jest położony na monitorowanie aktywności i snu. Smartbandy są mniejsze i bardziej dyskretne, więc akcelerometr odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu ich funkcjonalności.
• Smart ringi – to stosunkowo nowa kategoria urządzeń. W smart ringu akcelerometr jest kluczowy, ponieważ ze względu na mały rozmiar jest on jednym z niewielu czujników, które można w nim umieścić. Ma za zadanie śledzić podstawowe parametry aktywności (kroki, sen) i gesty.

Akcelerometry są również w słuchawkach

Akcelerometry w słuchawkach, choć niewielkie, pełnią wiele istotnych funkcji, które znacząco wpływają na komfort i funkcjonalność użytkowania. Najczęściej spotykane są w modelach bezprzewodowych, zarówno dousznych, jak i nausznych, gdzie ich głównym zadaniem jest detekcja ruchu i gestów użytkownika.

Dzięki temu słuchawki mogą automatycznie pauzować odtwarzanie muzyki, gdy zostaną zdjęte z uszu, a także wznowić je po ponownym założeniu. To intuicyjne rozwiązanie znacząco ułatwia korzystanie z urządzenia w codziennym życiu, ułatwiając obsługę bez potrzeby użycia rąk.

Kolejną ważną funkcją akcelerometrów jest wsparcie dla sterowania gestami. Coraz więcej modeli słuchawek bezprzewodowych wykorzystuje ruchy głowy, potrząsanie lub stukanie w obudowę, aby kontrolować głośność, przełączać utwory lub odbierać połączenia. Akcelerometr precyzyjnie rejestruje te subtelne ruchy i przekształca je w polecenia dla urządzenia.

W kontekście zaawansowanych słuchawek akcelerometry odgrywają swoją rolę w systemach redukcji hałasu (ANC) i trybach transparentności. Dzięki pomiarowi wibracji i ruchów są w stanie pomóc w lepszym dostosowaniu działania ANC do aktualnej sytuacji, minimalizując hałas otoczenia lub – wręcz przeciwnie – przepuszczając go, gdy chcemy być świadomi tego, co dzieje się wokół nas. W ten sposób akcelerometry przyczyniają się do podniesienia jakości dźwięku i zapewnienia komfortu w różnych warunkach.

Akcelerometry w grach i wirtualnej rzeczywistości

W kontekście gier akcelerometr najczęściej wykrywa przyspieszenie spowodowane ruchem urządzenia (np. przechylenie, potrząsanie, ruchy w lewo i w prawo). Działa na zasadzie pomiaru sił bezwładności działających na masę wewnątrz czujnika. Dane z akcelerometru są następnie przetwarzane, aby umożliwić grze reagowanie na ruch gracza.

Zastosowanie akcelerometrów w różnych urządzeniach gamingowych.

Kontrolery konsolowe

• Pionierem wykorzystania akcelerometrów w grach na dużą skalę była konsola Nintendo Wii. Wiilot, czyli charakterystyczny kontroler, zawierał akcelerometr, który pozwalał na sterowanie grami poprzez machanie, obracanie i przechylanie. To wprowadziło zupełnie nowy poziom immersji i interakcji, otwierając drogę grom sportowym i imprezowym, w których ruch gracza przekładał się bezpośrednio na akcję na ekranie.
  
• Kontrolery do PlayStation DualShock/DualSense oraz Xbox Wireless Controller również wykorzystują akcelerometry, choć w mniejszym stopniu niż Wii. Umożliwiają one precyzyjne sterowanie w wybranych grach, np. przechylanie pojazdów w grach wyścigowych lub aktywowanie specjalnych umiejętności w grach akcji.
  

Konsole przenośne

• Tak zwane Joy-Cony, czyli kontrolery do konsoli Nintendo Switch, mają sensory, które umożliwiają wykorzystanie ich w grach w podobny sposób jak Wiilot. To pozwala na granie w gry ruchowe zarówno w trybie stacjonarnym, jak i przenośnym.
• Akcelerometry mogą być wykorzystywane również w innych konsolach przenośnych, jak Lenovo Legion Go czy Asus ROG Ally, a nawet w niektórych grach na konsole retro.

Urządzenia i gogle VR (wirtualnej rzeczywistości)

• W goglach VR akcelerometry, w połączeniu z żyroskopami i magnetometrami, są kluczowe do śledzenia ruchu głowy i kontrolerów w trzech wymiarach. To pozwala na precyzyjne oddanie ruchów gracza w wirtualnym świecie i zapewnia immersyjne doświadczenie.

Akcelerometry w aparatach fotograficznych i kamerach

Akcelerometry w aparatach fotograficznych, choć mogą się wydawać na pierwszy rzut oka nieoczywiste, pełnią kilka istotnych funkcji, które znacząco wpływają na komfort pracy z aparatem i jakość wykonywanych zdjęć. Oto kilka przykładów zastosowań akcelerometrów w aparatach fotograficznych:

• Automatyczne obracanie zdjęć – najbardziej powszechne zastosowanie akcelerometru. Aparat na podstawie odczytów z akcelerometru wie, w jakiej orientacji zostało wykonane zdjęcie i automatycznie obraca je tak, aby było wyświetlane poprawnie na ekranie aparatu i komputerze.
• Stabilizacja obrazu – wraz z żyroskopem akcelerometr jest kluczowym elementem systemu stabilizacji obrazu. Pozwala na wykrywanie i kompensowanie drgań aparatu podczas robienia zdjęcia lub filmowania. Dzięki temu fotografie są ostrzejsze, a filmy mniej rozmazane.
• Kamery sportowe – niektóre kamery sportowe, zwłaszcza te z wbudowanym gimbalem, wykorzystują akcelerometr w jeszcze bardziej zaawansowany sposób, aby zapewnić jeszcze płynniejsze i bardziej stabilne nagrania. Kamery 360 również korzystają ze stabilizacji, aby zminimalizować drgania obrazu podczas nagrywania sferycznych filmów.
• Poziomica elektroniczna – niektóre aparaty wykorzystują akcelerometr do wyświetlania poziomicy na ekranie. Pomaga to w uchwyceniu właściwej kompozycji i w utrzymaniu idealnego poziomego horyzontu podczas robienia zdjęć krajobrazów i architektury.
• Automatyczny HDR – akcelerometr może być wykorzystany do określenia, czy aparat jest ustawiony na statywie. W takim przypadku algorytm HDR może działać w bardziej agresywny sposób, wykorzystując dłuższe czasy naświetlania i niższe ISO.
• Wykrywanie wstrząsów – podczas upadku lub wstrząsu aparat może na podstawie odczytów z akcelerometru zareagować i zablokować obiektyw, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzenia.
• Tryby fotografowania – akcelerometry mogą być używane do aktywacji specjalnych trybów fotografowania, np. trybu sportowego, gdy urządzenie wykryje szybki ruch.

Akcelerometry są niezbędne w przypadku dronów

Akcelerometry w dronach pełnią kluczową funkcję w utrzymaniu stabilności i kontroli lotu. Mierzą przyspieszenie liniowe, czyli zmiany prędkości wzdłuż trzech osi: góra-dół, przód-tył i lewo-prawo. Informacje te są niezwykle ważne dla systemu kontroli lotu drona, który na ich podstawie dostosowuje moc silników i sterowanie, aby utrzymać pozycję, stabilność i wykonywać polecenia pilota. Oto kilka przykładów tego, jak te czujniki są wykorzystywane:

• Stabilizacja lotu – akcelerometry mierzą przyspieszenie w trzech osiach (X, Y, Z), co umożliwia dronowi utrzymanie stabilności w powietrzu. Dzięki temu dron może automatycznie korygować swoje położenie, aby pozostać w miejscu lub lecieć stabilnie, nawet przy silnym wietrze.
• Bezpieczne lądowanie i start – przy starcie i lądowaniu akcelerometry pomagają w wykrywaniu powierzchni ziemi, umożliwiając dronowi miękkie lądowanie i bezpieczne startowanie, co minimalizuje ryzyko uszkodzenia sprzętu.
• Tryby lotu – wiele dronów ma tryby lotu, takie jak „Headless Mode” czy „Altitude Hold”, które wykorzystują dane z akcelerometrów do uproszczenia sterowania, niezależnie od orientacji drona.
• Zapobieganie przewróceniu – akcelerometry mogą wykryć, kiedy dron jest przechylony zbyt mocno i jest bliski przewrócenia się, co pozwala na automatyczną korektę lotu.
  

• Stabilizacja obrazu – podobnie jak w aparatach fotograficznych akcelerometry w dronach pomagają w stabilizacji obrazu. Dzięki nim kamera może kompensować ruchy drona, co prowadzi do stabilniejszych zdjęć i filmów, nawet przy lotach w trudnych warunkach pogodowych.
  
• Horyzontowanie i kadrowanie – akcelerometry umożliwiają automatyczne poziomowanie kamery, co jest kluczowe dla uzyskania prostych horyzontów na zdjęciach. Niektóre drony mogą również automatycznie kadrować obraz, aby śledzić poruszające się obiekty.
  
• Inteligentne tryby fotografowania – tryby takie jak „Follow Me” czy „Orbit” używają akcelerometrów w połączeniu z innymi sensorami, aby dynamicznie dostosować pozycję kamery w stosunku do obiektu, tworząc bardziej dramatyczne i profesjonalne ujęcia.
  
• Autofocus i ustawienia ekspozycji – w przypadku dronów z bardziej zaawansowanymi kamerami akcelerometry mogą współpracować z systemem autofocus, aby szybciej i dokładniej ustawiać ostrość na ruchomych obiektach oraz dostosowywać ustawienia ekspozycji w zależności od ruchu drona.
  
• Kompensacja drgań – dzięki akcelerometrom systemy drona mogą przewidzieć i skompensować drgania silników lub wibracje powodowane przez turbulencje, co jest szczególnie ważne przy nagrywaniu wideo w wysokiej rozdzielczości.

Akcelerometry – wielka rola małego czujnika

Akcelerometr, choć na pierwszy rzut oka może się wydawać prostym czujnikiem, jest fundamentem wielu technologii, które na co dzień ułatwiają nam życie i dostarczają rozrywki. Od prostego obracania ekranu w smartfonie po zaawansowane systemy stabilizacji w dronach – wszechstronność akcelerometrów jest imponująca. Ich ewolucja, od mechanicznych urządzeń po mikroskopijne elementy MEMS, pozwoliła na umieszczenie ich w niemal każdym urządzeniu elektronicznym.

Lecz akcelerometry to niejedyna technologia, która zrewolucjonizowała nasze codzienne doświadczenia z elektroniką. Tak jak czujniki przyspieszenia, które mierzą ruch, tak sieć komórkowa otwiera przed nami świat łączności i dostęp do nieograniczonych zasobów informacji. W artykule o technologii cellular zgłębiamy tajniki tego fascynującego rozwiązania, które, podobnie jak akcelerometry, stało się fundamentem współczesnych smartfonów i wielu innych urządzeń.