La plupart des smartphones sont sensibles au basculement, mais quel appareil le permet? De plus, comment fonctionne-t-il (et les capteurs qui lui sont associés)?

De plus, étant donné que le fonctionnement de ces capteurs semble, presque certainement, basé sur la présence d'un champ gravitationnel externe (par exemple, celui de la Terre), ceci soulève la deuxième question: les smartphones conservent-ils leur sensibilité à l'inclinaison sous l'effet de la pesanteur (hypothétique) conditions?

(J'ai récemment joué à un jeu de simulateur d'avion sur mon téléphone ... le fait que l'avion ait si bien réagi au basculement m'a pris de court; d'où l'envie de poser cette question)

Suppléments:

J'ai moi-même réfléchi à la question, donc je vais la poser ici aussi. À toutes fins pratiques, ma question a pris fin après le deuxième paragraphe, mais ce que j'ai ajouté après cela pourrait aider à personnaliser une réponse qui corresponde à ma compréhension actuelle de la physique.

Je suis actuellement au lycée, et si je me souviens bien, il existe six degrés de liberté pour une particule dans un système cartésien 3D. D'après mon expérience avec l'application de simulation d'aéronef, les smartphones semblent détecter les mouvements avec seulement trois degrés de liberté: tangence, roulis et lacet

Parlant de capteurs sensibles à l’inclinaison: Je suppose que ces capteurs / transducteurs fonctionnent en détectant les changements infimes de l’énergie potentielle gravitationnelle (qui peuvent se manifester par un mouvement à petite échelle de certains composants minuscules du capteur) associés au changement de téléphone dans l'orientation spatiale.

À mon avis, un tel capteur nécessiterait des pièces mobiles et ne pourrait tout simplement pas être une autre puce sur une carte de circuit imprimé.

Dans ces circonstances, si j'avais pour tâche de construire un dispositif sensible à l'inclinaison qui perçoit des changements infimes de l'énergie potentielle gravitationnelle, il me faudrait probablement au moins 3 paires de capteurs (une paire dans chacun des trois axes de coordonnées). De plus, voyant à quel point mon smartphone semble très sensible aux basculements, il me faudrait construire un appareil ridiculement volumineux, avec chaque capteur d'une paire distante de plusieurs mètres pour obtenir une sensibilité à l'inclinaison comparable à celle de mon téléphone.

Cependant, les smartphones ont des dimensions plus petites que celles d'un sandwich typique. Par conséquent, avoir "des capteurs dans une paire distants de plusieurs mètres", en plus d'être peu pratique, n'est clairement pas le cas.

^ Je me suis déchaîné à ce sujet, afin que vous puissiez avoir une idée de ma perplexité réelle dans la sous-question qui suit:

Comment se fait-il que ces capteurs soient si sensibles, malgré leur petite taille?

Vous avez raison, dans un sens. Ces capteurs ont besoin de composants mobiles. Cependant, ils sont une puce sur votre tableau.

Les détecteurs de bascule (en fait, les accéléromètres) et les gyroscopes (et les capteurs de pression, ...) font partie d'une famille appelée MEMS: systèmes micro-électromécaniques.

En utilisant des techniques similaires à celles déjà utilisées dans la fabrication de circuits intégrés, nous pouvons fabriquer d’étonnants petits appareils. Nous utilisons les mêmes processus de gravure, de dépôt de nouvelles couches, de structures en croissance, etc.

Ce sont des appareils incroyablement minuscules. Voici un exemple de gyroscope:

lien vers le site d'origine.

La plupart fonctionnent en détectant des changements de capacité. Un gyroscope sentirait les changements dus à la rotation (la grande chose dans l’image serait tordue autour de l’axe central. Cela rapprocherait les petites dents qui s’entrelacent et augmenterait la capacité. Les accéléromètres fonctionnent selon le même principe. Ces dents peuvent être repéré dans le coin inférieur droit de la deuxième image.

Qu'en est-il de l'apesanteur?

Cela ne changerait pas grand-chose en termes de fonctionnement des appareils. Vous voyez, les accéléromètres fonctionnent en détectant une accélération. La clé est cependant que la gravité est la même pour eux - on a juste l'impression d'être accéléré à la 1G, tout le temps. Ils utilisent cette "constante" pour se faire une idée de "bas". Cela signifie également que, même si les puces fonctionneront parfaitement en micro-gravité, votre téléphone ne le ferait pas - il sera confus car il semble n'y avoir aucun "arrêt".

Ajout rapide pour aborder un (très bon) point soulevé par l’utilisateur GreenAsJade: Lorsque vous regardez les définitions courantes des gyroscopes sur des sources telles que wikipedia, elles sont souvent décrites comme quelque chose qui ressemble à un disque en rotation. Les images ci-dessus ne semblent pas avoir de pièces en rotation. Quoi de neuf avec ça?

La solution à ce problème consiste à remplacer la rotation par des vibrations . Les objets en forme de disque sur les images ne sont reliés qu’à des structures très fines et flexibles à l’axe central. On fait ensuite vibrer ce disque autour de son axe à haute fréquence. Lorsque vous déplacez la totalité de la structure sur un angle, le disque essaie de résister en permanence, comme un gyroscope classique. Cet effet s'appelle l' effet Coriolis . En détectant le degré d'inclinaison du disque par rapport au matériau solide environnant, il peut mesurer sa vitesse de rotation.

Le dispositif sensoriel est un poids sur un ressort. Il s’agit bien d’un "mouvement à petite échelle de quelques composants minuscules du capteur", mais aussi d’une "autre puce sur un circuit imprimé".

Le mot clé ici est MEMS . Il est possible de construire de petites structures de silicium puis de les graver en laissant une pièce flottante. Si la pièce est longue et mince, elle se déformera sous l'effet de la gravité (ou de toute accélération) d'une quantité proportionnelle à son module de Young. Le changement de position affecte la capacité entre la partie mobile et les parties fixes qui l’entourent, qui peut être mesurée électroniquement.

Généralement, ils ne disposent que d’un accéléromètre à trois axes. Une meilleure précision peut être obtenue en ajoutant des gyroscopes ou un autre accéléromètre séparé par une distance. Nintendo l'a fait avec des add-ons Wiimote.

De nombreux téléphones contiennent également un magnétomètre, qui vous indique vaguement où se situe le nord magnétique par rapport au téléphone, bien que la calibration ait tendance à être mauvaise.

Aborder des parties spécifiques de la question:

• Qu'est-ce qui rend les smartphones sensibles à l'inclinaison?

Accéléromètres MEMS. Paquet de morceaux carrés de quelques millimètres, 0,50 $ ou moins en quantité.

• Conserveront-ils cette capacité dans des conditions de gravité zéro?

Pas exactement. Ils n'ont plus de vecteur de référence commode. Cependant, ils peuvent toujours détecter les accélérations. Par conséquent, si vous avez l'une de ces applications "sabre laser" et que vous les agitez, cela fonctionnera toujours sur l'ISS. Mais ni vous ni le téléphone n’avez une idée claire du "up".

(Le kit Raspberry Pi envoyé là-bas contient un accéléromètre et un ensemble de programmes écrits par des écoliers. Il y a donc certainement une vidéo qui le démontre quelque part)

La sortie brute d'un accéléromètre à 3 axes est un vecteur de 3 valeurs mesurées en m / s ^ 2. La magnitude de ce vecteur sera habituellement d'environ 1 g, mais la direction varie. Pour un téléphone fixe, il sera dirigé vers le bas. Si vous le déplacez, le vecteur d'accélération changera de direction. Si vous laissez tomber le téléphone, c’est-à-dire qu’il tombe en chute libre de la même façon qu’un téléphone sur un vaisseau en orbite, la magnitude devient presque nulle. Cela fait bouger la direction du vecteur et se tourne vers le bruit.

L'utilisation des accéléromètres en tant que détecteurs de gouttes pour la sécurité des disques durs a été popularisée il y a une dizaine d'années par Macbooks. Les gens ont trouvé d'autres utilisations pour eux .

• Comment ça marche?

Répondu plus en détail par d'autres réponses.

Théoriquement, oui, un téléphone ou une tablette pourrait aussi bien fonctionner dans la Station spatiale internationale (ISS) qu'ici sur le sol.

Décomposons cela un peu.

Un périphérique doit détecter deux types de mouvements.

Mouvement linéaire

Les accéléromètres autonomes utilisent la déviation d'une masse couplée à un ressort par rapport à un point de repos normal en tant que mesure de la force d'accélération dans cet axe. De toute évidence, il vous en faut trois pour détecter le mouvement dans n’importe quel axe.

En connaissant et en suivant ces forces, vous pouvez "compter à mort" sur la vitesse et la direction de déplacement de l'appareil à partir de son emplacement "sous tension" d'origine. Facteur dans une horloge précise, et vous pouvez également comprendre la position actuelle.

Cela semble simple, mais le calcul est en réalité assez complexe et les erreurs dans le système provoquent une dérive dans le temps.

Rotation

La rotation est évidemment une rotation autour de n'importe quel axe.

Capteurs de spin

La rotation peut être mesurée à l'aide d'un gyroscope ou d'un capteur de spin. Ces dispositifs ont à nouveau une masse faiblement couplée qui est libre de tourner ou qui est entraînée dans un axe particulier. Lorsque le corps de votre appareil tourne, la différence entre les rotations vous indique le degré de rotation de l'appareil.

Les capteurs de spin et les gyroscopes ne se soucient pas de la gravité, à part peut-être certaines différences de frottement.

Gravité référencée rotation accéléromètre

Comme les accéléromètres mesurent la force agissant sur une masse lâchement suspendue, lorsque ce capteur est vertical par rapport à la terre, il y aura bien sûr une déviation au printemps en raison du poids de la masse dû à la gravité. Ce décalage est mathématiquement supprimé par le logiciel afin d’extraire la partie accélération.

Cependant, étant donné que les accéléromètres à trois axes produiront des décalages différents en fonction de leur orientation, il est possible de détecter mathématiquement le spin à partir de la différence des décalages.

Cependant, bien que cette méthode fonctionne, elle est sujette aux variations de G. Elle ne fonctionnerait pas dans l'espace. Cela serait également beaucoup moins fonctionnel dans un avion en train de manœuvrer. Même une voiture tournant à grande vitesse dans un virage serré pourrait poser problème.

Détection de spin d'accéléromètre

Il est possible, avec deux ensembles d'accéléromètres suffisamment sensibles, de détecter le spin à partir de la différence d'accélération entre les accéléromètres.

Étant donné que chaque accéléromètre doit se déplacer par rapport à l'autre, il y aura une différence d'accélération dans cet axe entre eux. Ces valeurs peuvent à nouveau être utilisées mathématiquement pour prédire le spin.

Autrement dit, si les accéléromètres centrés à une extrémité du téléphone indiquent que le point central a été déplacé vers et que l'autre extrémité se trouve maintenant à , le calcul des trois angles est trivial.X 2 , Y 2 , Z $X_1,Y_1, Z_1$$X_2,Y_2, Z_2$

Cette méthode n'est PAS affectée par la gravité.

Votre téléphone ou votre tablette fonctionnera-t-il sur l'ISS?

Comme vous pouvez le constater ci-dessus, cela dépend vraiment des méthodes utilisées par votre appareil.

Techniquement, il pourrait être construit et programmé pour le faire. Vous devrez peut-être l'éteindre et le rallumer pour le recalibrer, mais avec les bons systèmes en place, cela devrait fonctionner correctement. Au moins pour jouer à ce "jeu de simulation d'avion".

La dérive peut être un problème plus important sur l'ISS cependant. Étant donné que les téléphones en G normal ont la capacité de savoir dans quel sens se trouve "en panne" à ce moment particulier, ils peuvent se réajuster au fil du temps. Une unité spatiale aurait besoin d'une réinitialisation manuelle occasionnelle pour indiquer la direction "normale".

Tous les commentaires et les réponses sont excellents pour vous aider à comprendre comment cela est possible. Mais voici quelque chose qui vous aidera à comprendre comment cela se réalise dans de vrais produits.

(source de l'image)

C'est un minuscule IC (3x3x1 mm!) De InvenSense. Il possède un accéléromètre à trois axes (pour les mouvements latéraux), un gyroscope à trois axes (pour la rotation) et un magnétomètre à trois axes (comme une aiguille de compas). Il a un code interne qui fera tous les calculs compliqués. Il ne prend presque aucun pouvoir. Tout cela pour 10 $ en quantités uniques.

Ceci n'est qu'un exemple. Plusieurs sociétés fabriquent des produits similaires. Certaines sont plus précises que d’autres, certaines sont moins chères, la plupart n’ont pas le magnétomètre, etc.

S'amuser!

C'est un cas rare sur le site de l'électronique où aucune des réponses claires et claires n'a répondu à la question!

Les téléphones cellulaires conservent-ils la capacité de détecter l'inclinaison dans des conditions de gravité zéro?

La réponse est:

Ils conservent (au niveau matériel) la capacité de détecter l' inclinaison , mais ils ne peuvent plus détecter l' inclinaison .

Plus loin,

En fait, au niveau des logiciels d’application, presque tous (très probablement "tous") les auteurs de logiciels d’application ne permettraient pas le virage par gravité de la gravité zéro, il était donc très probable que les fonctions de gyro-accel agiraient globalement la plupart / toutes les applications réelles.

Concernant le fonctionnement des gyros / accels dans les téléphones, vous pouvez facilement rechercher les API correspondantes sur les deux plates-formes ( exemple ).

Notez cependant que tous les systèmes d’exploitation au moment de l’écriture, encapsulent dans la pratique les fonctions de gyroscope / accélération de niveau inférieur dans une sorte de gestionnaire de mouvement pratique de niveau supérieur :

Accels / gyroscopes, sont en fait regroupés au niveau du système d'exploitation

Donc en fait ...

en pratique, pour toute application assez récemment écrite (en rappelant qu'environ 25% des applications du magasin sont cariées / non mises à jour régulièrement), cela reviendrait à la façon dont l'équipe d'Apple a écrit (dans leur cas) "Coremotion" a traité (voire pas du tout!) Le cas de l'environnement en gravité zéro. (Il y a une situation similaire pour Android).

Et plus loin, pour les jeux en tant que tels ...

Aujourd'hui, presque tous les jeux auxquels vous jouez et que vous jouez sur un téléphone ont été créés dans Unity3D, plutôt que comme une application native. (Et en règle générale, si vous regardez l'ensemble des "applications qui utilisent l'accélération / les gyroscopes", 90% (plus?) D'entre elles ne sont que des jeux.) Donc, en fait (sur toutes les plateformes), les auteurs de logiciels sont en fait en utilisant le niveau de wrappers logiciels de Unity .

Par conséquent, le comportement réel dans le cas extrême de l'orbite terrestre dépendrait de ce que ces personnes ont fait en écrivant cela.

Un point déroutant ...

cela n'a pas été clarifié. Lorsque vous écrivez un logiciel pour téléphones, il est tout à fait banal de devoir gérer la "gravité zéro" ... pendant de courtes périodes: c'est-à-dire lorsque le téléphone est en chute libre . Donc, si vous créez l'une des (des centaines) d'applications pour les planchistes, les skieurs ou autres qui mesurent le temps de suspension, etc., vous vous en occupez naturellement.

Les Gyros ont été introduits sur les téléphones vers 2010; les accels étaient en eux depuis le début.

Une société française / italienne appelée STMicroelectronics assez fait beaucoup la plupart des gyroscopes pour Apple et Samsung.

En ce qui concerne les accéléromètres, la plupart des téléphones en ont plusieurs, car cela fonctionne mieux de cette façon. J'ai entendu dire qu'il existe une plus grande variété de fournisseurs d'accéléromètres (Bosch, etc.).

Vous pouvez littéralement acheter des gyroscopes ou des accélérateurs MEMS si, par exemple, vous fabriquez un jouet électronique comportant une telle fonctionnalité.

• Comment les accéléromètres MEMS fonctionnent réellement au niveau du substrat
• Comment fonctionnent les gyros MEMS

Je le répète, la réponse rapide fondamentale à la question posée est

Dans "zéro g", ils conservent (au niveau matériel) la capacité de détecter l' inclinaison , mais ils ne peuvent plus détecter l' inclinaison .

En termes de logiciel,

1. il serait presque certainement "totalement raté!" dans le cas whacky "vous êtes en orbite". Puisqu'aucun ingénieur d'application ou de gane (je sais) ne serait assez OCD pour couvrir ce cas, mais n'oubliez pas ...

2. Il est tout à fait banal d’avoir la «gravité zéro»… pendant de courtes périodes de chute libre (cela s’applique généralement si vous créez une de ces «applications de sports d’action»).

Je pense qu'ils pourraient utiliser un interféromètre Sagnac dans les smartphones. Un interféromètre Sagnac est un appareil qui produit un motif d'interférence constant lorsqu'il est au repos et dont le motif varie lors de la rotation de l'installation.

Ainsi, lorsque 3 interféromètres de ce type sont placés, nous pouvons mesurer la rotation autour des 3 axes.

Les interféromètres de Sagnac sont de très petites tailles et comprennent des fibres optiques pour canaliser la lumière, une source de lumière (cohérent) et un détecteur.

Bien sûr, il devrait être calibré avant utilisation.