ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

Акселерометр в автомобиле (применение в системе ESP, видеорегистраторе и т.д.)

 Современные технологии и конструктивные решения сегодня стали настолько сложны и разнообразны, что мы порой даже не представляем, как работает тот или иной «конечный продукт».  Об этом мы говорим не для того, чтобы попытаться ущемить чье-то самолюбие, ведь каждый должен заниматься своим дело, а для того, чтобы «открыть глаза» для тех, кому это интересно.
 В этой статье мы будем «открывать глаза» на акселерометр. Фактически исходя из настоящих реалий акселерометр можно назвать датчиком, который определяет ускорение. Акселерометр активно используется в современных автомобилях, например в системе ESP (система курсовой устойчивости) или в некоторых моделях видеорегистраторов.

Именно поэтому мы считаем необходимым, немного, рассказать вам о нем.

Устройство акселерометра  

 Прежде, чем приступить к описанию конструкции и принципов работы акселерометра, мы скажем пару слов о его наименовании.

Так, слово акселерометр происходит от латинского accelero — ускоряю и древнегреческого μετρέω «измеряю».  Исходя из этого, можно с уверенностью сказать, что акселерометр используется для измерения ускорения. Конструкции современных акселерометров могут быть самые различные, ведь и применяются они, как вы уже поняли, в различных устройствах. Тем не менее, основной конструктивной особенностью является «свободная масса» (масса), которая за счет гибкой связи, например пружина, подвержена некому перемещению, при возникающем и влияющем на нее ускорении. 
 Описывая все это более популярно, можно сказать, что масса перемещается при резком ускорении, будь то набор скорости или резкое торможение, при этом изменяется длина пружины, что является характеристикой для измерения. В случае критических ускорений, чтобы прибор не вышел из строя в нем может быть установлен демпфер, которые гасит энергию от ударов массы в крайних ее положениях.  На картинке приведена простейшая схема акселерометра, который способен адекватно измерять ускорение только по одной оси.

 На самом деле, в зависимости от требований систем могут быть использованы акселерометры с измерением ускорения по двум и трем осям. В итоге, в зависимости от количества измеряемых осей акселерометры делятся на  однокомпонентные, двухкомпонентные, трёхкомпонентные.

Применение акселерометра в автомобиле  

 Итак, как мы уже упоминали акселерометр применяется м в автомобиле. Так он используется в системе курсовой устойчивости, для того чтобы собрать информацию в компьютер об ускорении автомобиля. Эта информация необходима для управления тормозными колодками, для того, чтобы ограничить крутящий момент на нужном колесе и предотвратить возможный занос или проскальзывание колеса.  
 Также акселерометры применяются и в автомобильных видеорегистраторах или в системах охраны и сигнализации, для определения «тревожных событий». Такими событиями могут быть: резкое торможение, ускорение и все что с ними связано, например удар, резкий разворот машины и т.д. Именно в этих случаях и срабатывает акселерометр, включая видеорегистратор, если он был выключен.

Кроме того, на некоторых видеорегистраторах, подобные «промаркированные» события записываются в отдельную папку, для предотвращения случайного их удаления. Все это сделано для того, чтобы фиксировать чрезвычайные ситуации, с которыми, как правило, и связано резкое ускорение, определяемое акселерометром.  
 Конечно, акселерометры были изобретены не для непосредственного применения в автоиндустрии, а скорее наоборот, они пришли из других сфер применения. Так они широко применяются для работы в навигационных системах,  а соответственно применяются и для других вариаций транспортных систем. (морской флот, авиация). Также акселерометры в настоящий момент активно применяются в электроники, для определения базирования устройства относительно действия сил гравитации. Так, за изменение положения картинки на экране при переворачивании устройства отвечают именно они.
  В общем, как вы поняли, акселерометр очень полезная и нужная вещь, которая может применяться не только для применения в автомобиле, но это уже не относится к тематике нашего сайта.

Акселерометр в системе ПИД-регулирования круиз-контроля автомобиля / Хабр

Я эксплуатирую в общем-то довольно современный, напичканный электроникой американский автомобиль. Из того, что управляет движением, в нем есть электронная система стабилизации, ПБС с эмуляцией блокировки дифференциала, естественно АБС, и конечно же, круиз-контроль. Последний еще не адаптивный (то есть без функции поддержания дистанции до впереди идущего авто). В машине — электронная педаль газа (это принципиальный момент для данной статьи — позже объясню, почему).

Всем, кто хочет знать, чем не угодил круиз-контроль, и что предлагается улучшить — welcome под кат.

Вообще, современные электронные системы автомобиля, отвечающие за непосредственно движение, довольно сложны. В частности, ECU вместе с PCU (powertrain control unit, контроллер АКПП, может быть отдельным устройством, или интегрирован с ECU), знают не только характеристики (то есть имеют и используют физическую модель) двигателя и трансмиссии, но и физическую модель самого автомобиля.

Почему последнее важно, и какие преимущества это дает вкупе с электронной педалью газа? Потому что, в отличие от механического привода дросселя, электронная педаль — лишь задающий (командный) орган — наподобие машинного телеграфа корабля.

Если механический привод императивно определяет расход воздуха двигателем, и ECU ничего не остается, как поддерживать стехиометрию согласно заданному расходу, то в случае электронной педали контроллер, независимо от водителя а) формирует динамику открытия или закрытия дросселя для защиты трансмиссии от пиковых моментов, б) ограничивает момент на колесах максимально реализуемым тяговым усилием (согласно физической модели трансмиссии и самого автомобиля), в) ограничивает частоту вращения ведущих колес при обнаружении пробуксовки, г) поддерживает скорость автомобиля через слежение за частотой ведущих колес в режиме круиз-контроля — то есть, контроллер

всегда знает текущую расчетную (если бы знал еще и фактическую, например, через датчик угловой закрутки носка коленвала относительно маховика — был бы вообще космос) величину подводимого к колесам момента и целевую функцию управления, поскольку управляет этим моментом сам. Это и является принципиальным отличием систем с электронной педалью от механических.

Что же мне не понравилось во всем этом огороде? А вот что — несмотря на наличие информации о физических свойствах системы двигатель-трансмиссия-автомобиль (контроллер по идее даже может вычислить текущую загрузку автомобиля через статистический анализ динамических характеристик (отклик ускорения в ответ на действующий на колесах момент), но вряд ли делает это), круиз-контроль в нем очень примитивен — он реагирует на факт изменения скорости, а не на факт изменения сопротивления движению, следствием чего является изменение скорости, и следовательно, в отличие от человека-водителя, борется со следствием, а не с причиной.

Теперь давайте рассмотрим, чем может быть вызвано изменение сопротивления движению. Оно, с точностью до о-малого, складывается из четырех составляющих: а) все конструктивные потери (например, из-за вязкого трения в трансмиссии), б) потери на трение качения колеса-дорога (зависит в основном от типа и качества покрытия, типа резины, массы автомобиля), в) потери от сопротивления воздуха (зависят в основном от воздушной скорости (термин из авиации, но здесь должно быть понятно), г) проекция силы тяжести на ось движения (может ускорять или тормозить автомобиль в зависимости от знака).

Давайте сделаем оценку важности этих факторов в плане их влияния на качество регулирования скорости и возможности их автоматического учета и компенсации в течение времени работы круиз-контроля:

  • фактор а) доступен для моделирования (зависит от температуры трансмисии, включенной передачи, параметров вязкости ATF — все эти данные контроллеру доступны), но малозначим в установившемся режиме движения в диапазоне авторегулирования (прогретая трансмиссия, скорость включения круиза > 30 км/ч) — им в ПИД-модели можно просто пренебречь
  • фактор б) достаточно значимый, по крайней мере, в диапазоне разрешенных ПДД скоростей, и состоит из статического (тип шин, масса автомобиля), динамического (скорость автомобиля) и стохастического (тип покрытия под колесами) компонентов.

В совокупности факторы а) и б) можно просто заложить в модель в виде усредненных параметров, либо выводить их коэффициенты статистическим анализом текущей динамики автомобиля, как отклика на расчетный момент на колесах.

Далее, фактор в) — зависит в основном от текущей скорости, проекции скорости ветра на ось движения, и наличия нештатных элементов, меняющих мидель и Cx автомобиля. Базовые параметры (мидель, Сх, плотность воздуха при стандарнтых условиях) можно закодировать в модели автомобиля, конструктивные отклонения определить долговременным анализом динамики на больших скоростях (когда сила сопротивления воздуха превалирует над остальными), краткосрочные (от проекции скорости ветра на ось движения) считать случайным возмущающим моментом (ограничив его величину сверху разумным пределом [скажем, 20 м/c — при большей скорости ветра не то что на круизе — в ручном режиме на скорости удержать автомобиль сложно]), текущую скорость относительно дороги контроллер знает практически точно — итого, фактор в) с определенной стохастической составляющей можно посчитать.

Наконец, фактор г) — достаточно значимый; имеет 100% стохастическую составляющую при отсутствии акселерометра, и практически нулевую при его наличии.

Вот так, двигаясь по холмистой местности с включенным круизом, и наблюдая за его запоздалой реакцией на изменение значения скорости вследствие движения автомобиля на подъем, мне пришла идея добавить в систему управления акселерометр. Многие системы управления уже даже содержат датчик неровной дороги (нужен для игнорирования анализа неравномерности вращения коленвала вследствие движения по кочкам) — это по сути тот же акселерометр, только интерпретируемый по-другому.

Замечу, что акселерометр сам по себе (без API) — не гироскоп и не «чудо-прибор» в наших гаджетах, который якобы «знает» истинное положение нормали к поверхности земли (на самом деле рекалибруется с запоминанием разложения по осям в те моменты, когда модуль вектора ускорения, выдаваемого датчиком ускорения, равен строго 1g), но поскольку инициатором тяги на колесах может быть только сам контроллер (привет системам с электронной педалью), то величина продольного ускорения относительно оси автомобиля может быть легко вычислена и скомпенсирована — и мы после усреднения получим хорошее приближение величины продольного профиля дороги, который сможем ввести в модель управления скоростью.

Вот и вся идея. Понятно, что реализовать ее в прошивке контроллера на уровне DIY (вне автозавода) — дело практически нереальное. Однако, мы можем построить свой вычислитель рядом с основным контроллером автомобиля, анализировать текущие параметры движения через CAN, и туда же отдавать управляющие воздействия. Я не уверен, что текущий момент на колесах можно взять с CAN’а, но включенную передачу, расход воздуха и обороты — точно можно (это позволяет косвенно рассчитать момент). Дальше, командовать дросселем напрямую скорее всего, через CAN нельзя (это было бы очень опасно) — но мы можем, скорее всего, давать упреждающие команды на увеличение или уменьшение установленной круизной скорости, или (если CAN это не поддерживает ) подключиться к соответствующим кнопкам на руле автомобиля. Все остальное, похоже, можно реализовать в этом внешнем контроллере.

UPDATE: Диалог с lonelymyp навел меня на более простое решение — так как в установившемся режиме автомобиль движется равномерно, то модуль вектора ускорения от акселерометра всегда равен 1g (независимо от его положения относительно системы координат автомобиля). Если акселерометр фиксирует поворот этого вектора по оси, перпендикулярной оси движения — это означает появление дополнительного сопротивления (подъем, покрытие, встречный ветер) или силы движения (спуск, попутный ветер). Управляющая система ориентируется на динамику поворота вектора и вырабатывает упреждающее воздействие. Тогда нам не нужна модель потерь в трансмиссии, шинах итд, хотя нужна информация о текущей массе, т.к. от нее зависит характеристика прямого регулирования (отношение ускорения в продольной оси к дельте момента на колесах)

Что такое гироскоп в телефоне

Новые поколения смартфонов включают в себя функции, которые могут потребовать использования гироскопа, позволяющего изменять ориентацию устройства и не только.

02 октября 2021 года Разное 3 минуты, 49 секунд читать 378

Область его применения довольно обширна, поэтому давайте ознакомимся с тем, что такое гироскоп, для чего он необходим в смартфоне и где применяется.

Гироскоп

Это встроенный датчик, который позволяет смартфону обнаруживать и измерять вращательное движение, такое как наклон и боковая ориентация объектов. 

Гироскоп помогает определить, насколько сильно повернут телефон и в каком направлении. Его польза особенно ощущается во время игр на мобильном устройстве или при просмотре видео и фотографий, которые перемещаются вместе с тем, как меняется положение вашего телефона.

Гироскопические датчики могут контролировать и управлять положением устройства, ориентацией, направлением, угловым движением и вращением. К примеру, популярные приложения Pokemon Go и Google Sky Map, используют датчик для определения направления.

Впервые гироскоп установили в iPhone 4, поэтому считается, что с лучшим датчиком гироскопа поставляются айфоны.

Отличие гироскопа от акселерометра

Акселерометр — это элемент, измеряющий ускорение, а также наклон, угол наклона, наклон, вращение, вибрацию и столкновение устройства.  Как и гироскоп, он обеспечивает функциональность смартфона и упрощает его использование.

Гироскоп и акселерометр тесно взаимодействуют в сочетании с операционной системой смартфона и специальными программными приложениями. Первый высчитывает угол наклона смартфона относительно поверхности и передает информацию в ОС, а второй выполняет точные вычисления ускорения. Благодаря им гаджеты справляются с функцией шагомеров.

В целом современные телефоны оснащены гироскопом и акселерометром, чтобы экран смартфона случайно не поворачивался во время передвижения. Также датчики предназначены для определения вашего устройства в пространстве.

Применение гироскопа в смартфонах

  • Графический интерфейс для определения движения

Гироскоп в смартфоне предоставляет графический интерфейс, позволяющий пользователю выбирать меню, наклоняя телефон.

Это также позволяет запускать предустановленные команды для различных движений. Например, можно встряхнуть телефон, чтобы его заблокировать или слегка отклонить устройство для перехода в начало и конец вашего списка контактов.

В приложении калькулятор при повороте смартфона на 90 градусов представлен широкий выбор различных тригонометрических функций.

  • Ответить на звонок/открыть веб-сайт

На некоторых смартфонах датчик гироскопа обеспечивает возможность отвечать на звонки или открывать сайт с помощью таких команд, как вращение, легкое встряхивание телефона 2-3 раза и т.д.

  • Стабилизация изображения

Стабилизация – функция гироскопа, которая выравнивает изображения и при этом не портит качество снимков. Это позволяет телефону получить более четкие фотографии и устраняет дрожание при записи видео.

При помощи гироскопа GPS помогает автомобилю ориентироваться в туннелях или подземных дорогах при потере сигнала сети.

  • Датчик движения в игровом процессе

Выпуская iPhone 4, Apple сделала гироскоп ключевым механизмом в играх с движением. Датчик позволяет владельцу использовать свой гаджет в различных играх как рулевое колесо при управлении автомобилем или самолетом, проводить поединки, отыскивать персонажей и многое другое.

  • Просмотр визуального контента

Благодаря работе встроенного датчика, людям стало удобнее смотреть видео на YouTube и просматривать фотографии.

Главным недостатком гироскопа является нежелательный поворот экрана во время изменения позы человека, допустим, при чтении или просмотре изображений. Для этого предусмотрено простое решение — отключение функции автоповорота в настройках смартфона, которая отвечает за смену ориентации экрана.

Как откалибровать гироскоп

Гироскоп по умолчанию встроен во все смартфоны и всегда активен, поэтому его нельзя включить или отключить, а также невозможно настроить самостоятельно. В этой ситуации возможно лишь настроить или откалибровать акселерометр, включив или выключив функцию поворота экрана.

Заключение

Смартфоны — это сложные маленькие машины, которые за последнее десятилетие совершили невероятную эволюцию. Теперь они способны предвидеть наши потребности, отслеживать наши движения, а также могут работать в качестве личного помощника,

Изо дня в день наши гаджеты становятся умнее — и нам определенно нужно учесть, насколько важную роль в этом играют датчики.

Датчики современных смартфонов — android.mobile-review.com

26 сентября 2019

Владимир Нимин

Facebook

Twitter

Вконтакте

Продолжаем разбираться в устройстве смартфона. В прошлый раз смотрели экраны, а сегодня поговорим про датчики.

Акселерометр, также называют G-сенсор. Официальное определение гласит, что это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения. А если простым языком, то акселерометр помогает смартфону определить положение в пространстве, а также расстояние перемещения. Основные функции акселерометра:

  • Автоповорот ориентации экрана;
  • Также акселерометр можно настроить так, чтоб он реагировал на жесты и действия. Например, потрясти смартфон или перевернуть экраном вниз, чтоб заглушить вызов;
  • Ещё акселерометр помогает считать шаги и помогает ориентироваться на картах (Google Maps и прочих)

Акселерометр – это громоздкое устройство, внутри которого находится инертная масса, реагирующая на все перемещения. Такой вариант для смартфона не подходил, поэтому придумали чип, имеющий кристаллическую структуру, пьезоэлектрический элемент и сенсор ёмкостного сопротивления. Когда смартфон перемещается/вращается, то пьезоэлектрический элемент выдаёт разряды, а сенсор их интерпретирует, таким образом определяя положение и скорость.

Акселерометр – базовый датчик, который есть в любом, даже самом дешевом, смартфоне. Хотя это на удивление технически сложный продукт. В смартфонах акселерометр понимает движения по 3 осям. Третья нужна для 3D позиционирования. К слову, акселерометр есть и во всех современных автомобилях, но там он обычно двухосевой (ибо автомобиль не крутится в воздухе). 

Не все акселерометры одинаковые. Их делают из разных материалов. Соответственно, некоторые более чувствительные, некоторые менее.

Гироскоп – это один самых классных датчиков, о полезности которого для смартфонов долгое время никто не подозревал, пока на сцену не вышел Стив Джобс и не объяснил, как оно должно быть. Посмотрите презентацию этой шикарной функции, и как зал взорвался от восторга. 

Не следует путать гироскоп и акселерометр. Эти датчики частично дублируют и дополняют друг друга. Гироскоп также служит для отслеживания положения устройства в пространстве, но он делает это путем определения собственного угла наклона относительно земной поверхности. Это очень важно, так как это означает, что в условиях нулевой гравитации, вы не сможете поиграть в Asphalt 9, используя в качестве управления наклоны устройства. Будьте внимательны!

Гироскоп (в отличие от акселерометра) не может измерять проделанное расстояние, зато гораздо точнее определяет положение в пространстве. Для понимания посмотрите, пожалуйста, видео со Стивом Джобсом выше. Начиная с времени 1:10 Джобс показывает, как определяет положение объекта в пространстве акселерометр и как гироскоп. 

Обычно в современных смартфонах оба датчика работают в тандеме. Гироскоп важен для игр, дополненной реальности, а также ряда других приложений. Нередко в дешевых смартфонах производитель предпочитает экономить на гироскопе. 

Датчик приближения (proximity sensor). Как видно из названия, это датчик, который помогает определить наличие перед ним объекта. Самый простой пример – это отключение экрана, когда смартфон подносят к уху. Также датчик приближения исключает фантомные включения экрана, когда смартфон находится в сумке или кармане. Такой датчик может сам или в комбинации с фронтальной камерой отслеживать движения рукой над экраном для выполнения каких-либо функций. Например, пролистывание странички в браузере и тому подобное. Существует множество технологий датчика приближения. Он может работать по типу радара, сонара, эффекта Доплера, есть инфракрасный датчик приближения, а иногда ставят и фотоэлемент. 

Базовый датчик приближения, отключающий экран при поднесении к уху, есть, кажется, уже во всех смартфонах. Но продвинутость датчика можно оценить по наличию дополнительных функций.

Датчик освещения – здесь всё просто и понятно. Такой датчик помогает автоматически выставить яркость экрана. Датчик освещения уже считается базовым датчиком, но в дешевых смартфонах на нем могут сэкономить. И тогда придется каждый раз выставлять яркость вручную. 

Современный датчик освещения обычно работает в комбинации с ИИ смартфона. Например, если датчик выставил определенную яркость, а вы его вручную поправили, то смартфон возьмёт на заметку и в следующий раз самостоятельно сделает экран поярче. Соответственно, всегда давайте датчику освещения освоится и подстроиться под ваши привычки прежде, чем осуждать его работу.

Датчик Холла – один из самых таинственных датчиков в смартфоне, ибо мало кто знает, зачем он нужен. Датчик, основанный на, так называемом, эффекте Холла, фиксирует магнитное поле и измеряет его напряженность. Говоря языком физики: электроны в проводнике всегда перпендекулярны (угол 90 градусов) направлению магнитного поля. Плотность электронов на разных сторонах проводника будет отличаться, возникает разность потенциалов, которую и фиксирует датчик Холла. 

Но в смартфонах используется упрощенный датчик Холла, фиксирующий только наличие магнитного поля.  

Обычно датчик Холла нужен для дополнительных аксессуаров. Например, именно он включает экран iPad, когда пользователь снимает магнитный чехол. Кстати, в этой функции датчик приближения вполне может подменить датчик Холла.

Также датчик Холла работает в паре с компасом, делая работу последнего более точной. 

Компас (магнитомер) – это очень важный датчик, даже если вы не занимаетесь спортивным ориентированием. Именно компас отвечает за то, что на Google Maps пользователь видит не просто точку, а стрелочку, указывающую в какую-сторону вы смотрите. 

Когда компас откалиброван, то отображение направления узкое. Чтобы откалибровать компас, откройте карты Google и крутите смартфон «восьмеркой»:

Барометр – обычно наличием подобного датчика могут похвастаться только флагманы. Барометр ассистирует GPS и помогает определить высоту. Наличие такого датчика полезно, так как на Google Maps уже появляются схемы зданий, и барометр определит на каком этаже вы находитесь. Также барометр используется в приложениях, определяющих физическую активность. Суть такая же: определить, сколько этажей вы прошли. 

Датчик влажности – когда-то такой датчик был в Samsung Galaxy Note 4, а потом Samsung от него отказались. Роль очевидная. Датчик определяет уровень влажности. 

Датчик сердцебиения/датчик кислорода в крови – ещё один фирменный датчик от Samsung, но он есть и во многих фитнес-браслетах. Работает совместно с LED-вспышкой. Прикладываете палец, LED светит вам свозь палец, а датчик измеряет, как отражаются световые волны. Волны отражаются по-разному в зависимости от пульса: кровеносные сосуды, то сужаются, то расширяются. По этому же принципу работает и функция определения кислорода в крови. 

GPS – глобальная система позиционирования. По сути, это даже не датчик, а наличие у смартфона возможности коммуницировать со спутниками благодаря или отдельному, или мульти-чипу, поддерживающему сразу несколько систем. Сейчас у каждой развитой страны, есть своя система спутников. ГЛОНАСС в России, Galileo в Европе, BDS (или BeiDou) в Китае, QZSS (или Quasi-Zenith Satellite System) в Японии. Можно скачать программу GPS Test, которая покажет, какие спутники видит ваш смартфон. Например, на скриншоте ниже отображаются флаги GPS, ГЛОНАСС и Galileo.

GPS прекрасная технология, но медленная (пока там все спутники найдешь и опросишь) и потребляющая много энергии и хорошо работающая на открытой местности, поэтому была придумана ещё A-GPS (Assisted GPS). Принцип основан на том, что пока GPS ищет спутники, смартфон успевает опросить сотовые вышки, Wi-Fi сети, Bluetooth устройства на предмет местонахождения. Таким образом существенно увеличивается время «холодного» старта, а также снижается расход энергии.

Двухдиапазонный GPS. Поддержка этой опции появилась в устройствах начbfz с Android 7 и старше. iPhone так не умеет. 

Обычно спутники посылают два сигнала: грубый и точный. Если говорить про GPS, то это каналы L1 и L5, а у Галилео это E1 и Е5. L1 – это грубый канал. В городе любой сигнал достигает до спутника не только напрямую, но и отражаясь от сторонних объектов (например, зданий), то есть к спутнику прилетает сразу несколько сигналов. Соответственно, и возвращается он также не один, и образуется примерная область нахождения, где все вернувшиеся сигналы пересекаются. Ещё есть точный канал L5. Этот канал гораздо меньше подвержен искажением, так как работает по принципу: Первый достигший спутника сигнал и есть верный (ведь он идет по самому короткому пути, а не через отражения), а остальные можно игнорировать. 

Раньше L5 принадлежал только военным и спец объектам, но теперь спутников в небе стало много, и L5-спутников хватит на всех, поэтому было решено поделиться.

Вместо заключения

Счётчик Гейгера – самый неожиданный датчик, правда? Это японская тема. И насколько есть информация в интернете, такой датчик был только в телефоне Sharp Pantone 5, который вышел после аварии на атомной станции Фукусима-1.  

Современный смартфон должен иметь на борту: акселерометр, гироскоп, датчик приближения и освещения. Также обязательно наличие компаса. Если без гироскопа можно обойтись, то точка на карте без направления раздражает. A-GPS уже есть во всех смартфонах. Отлично если GPS будет работать в двух диапазонах. Шикарно, если будет барометр. 

Что такое акселерометр в смартфоне и фитнес-браслете? Объясняем на пальцах, как он работает

Последнее обновление:

Оценка этой статьи по мнению читателей:

Казалось бы, акселерометрам в смартфонах уже «сто лет» и все, кому интересно было узнать, что это такое и как оно работает, давно прочли какую-то статью или посмотрели ролик в YouTube.

Мне действительно так казалось, пока я не почитал самые популярные выдачи Google по этому запросу. К удивлению, это были либо совершенно бестолковые и поверхностные статьи, перепечатанные копирайтерами, пишущими параллельно о моде и политике, либо статьи в стиле «как максимально сложно рассказать о простом».

Такая ситуация, конечно же, не может не радовать, ведь у нас появился отличный повод для новой интересной статьи!

Итак, что такое акселерометр — знают, наверное, все. Этот датчик используется в телефонах для определения положения устройства и автоматического поворота экрана. Также некоторые смартфоны используют акселерометр для определения падения, чтобы автоматически спрятать выдвигающуюся моторизированную селфи-камеру. Среди наших обзоров было много таких аппаратов.

Кроме того, акселерометр является сердцем всех смарт-часов и фитнес-трекеров, ведь именно он отслеживает любое движение пользователя. Да и на смартфонах есть шагомеры, также использующие акселерометр.

Остается лишь один и самый главный вопрос:

Как работает акселерометр?

Давайте на секундочку отбросим все эти технологии и подумаем, как вообще можно сделать устройство, которое бы показывало, скажем, угол своего наклона. Самое простое, что приходит на ум — это стеклянная колбочка с пузырьком воздуха внутри:

Если представить, что слева находится верхняя часть колбы (обозначим ее красным цветом), а справа — нижняя (синий цвет), тогда можно очень легко определять положение колбы в пространстве:

Когда пузырек окажется возле «красной» стороны — колба стоит вверх головой, а когда возле «синей» — она перевернута вверх ногами.

С этим, думаю, всё предельно ясно. Чтобы аналогия ближе отображала суть реального акселерометра, давайте заменим колбу с жидкостью и пузырьком на грузик, который закреплен на гибкой подвеске:

На картинке наше устройство лежит горизонтально на боку, поэтому грузик не провисает. Но если развернуть его в вертикальное положение, гибкие стержни сразу же прогнутся под весом грузика:

Из-за этого мы всегда будем знать, в каком положении находится наше устройство. Ведь грузик будет опускаться вниз под действием силы тяжести, которая прижимает все объекты, включая нас с вами, к центру земли. Да, мы не проваливаемся сквозь пол или асфальт, так как есть гораздо более мощная сила, отталкивающая нас от других объектов, но об этом чуть позже.

Обратите внимание на то, что наше примитивное устройство уже может не только показывать, держим ли мы его нормально или вверх ногами, но также и измерять ускорение!

Представьте, что будет, если мы резко поднимем это устройство вверх, когда грузик уже провисает на стержнях под своей тяжестью? Верно, он на короткое время прогнет гибкие стержни еще сильнее, а затем вернется к своему изначальному положению:

Точно также поведут себя стержни, если мы положим устройство на бок и затем резко переместим его влево. В этом случае, из-за ускорения, грузик на мгновение прогнет стержни в обратную сторону.

Это интуитивно понятно, так как каждый из нас на себе ощущал подобный эффект при разгоне автомобиля, когда во время быстрого ускорения нас прижимает к сидению, то есть, мы движемся в противоположную сторону ускорению автомобиля.

Получается, мы уже можем не только говорить о самом факте ускорения, но даже и вычислить его силу. Ведь чем сильнее грузик сместится в противоположную сторону, тем сильнее ускорение. Это как с автомобилем — чем быстрее разгон, тем сильнее нас прижимает к сидению.

Вот мы и разобрали базовый принцип работы акселерометра! Какой-то грузик под действием силы тяжести провисает на тонком гибком стержне. Если мы развернем телефон на 180 градусов, тогда стержни прогнутся в противоположную сторону.

Но, заметьте, что такое устройство сможет определять только верх и низ, а также ускорение вверх или вниз. Стержни не будут прогибаться влево или вправо, а также наше устройство не будет реагировать на ускорение вперед/назад (вглубь экрана):

К сожалению, одним акселерометром нам не обойтись, так как он будет измерять положение и ускорение устройства только по одной оси (в нашем примере — оси Y или вверх/вниз. И такие акселерометры действительно существуют — это одноосевые акселерометры.

Если мы хотим измерять положение и/или ускорение по всем осям (X, Y и Z или влево/вправо, вверх/вниз и от нас/к нам), тогда нам нужны 3 акселерометра или 3 отдельных грузика, которые будут размещаться внутри смартфона или фитнес-трекера соответствующим образом:

Такой акселерометр будет называться уже 3-осевым. В более дорогих фитнес-браслетах и смарт-часах есть 6-осевые датчики. Это значит, что помимо 3-осевого акселерометра, у них также есть 3-осевой гироскоп. Но об этом сенсоре мы поговорим как-нибудь в другой раз.

А как выглядит реальный акселерометр?

Я много времени уделил довольно простой (даже банальной) аналогии с грузиками, но что на самом деле размещается внутри смартфона или браслета? Вы же не думаете, что там внутри есть крохотная коробочка, в которой жестко закреплены гибкие стержни с подвешенными грузиками?

А зря! Ведь именно так и есть, только сами стержни и грузики выглядят немножко по-другому.

Существует целый класс устройств под названием MEMS (микроэлектромеханические системы). Сюда входят не только акселерометры, но и гироскопы, микрофоны, барометры и другие датчики. Отдельные «запчасти» этих крошечных механизмов могут быть в 100 раз тоньше человеческого волоса!

То есть, суть MEMS и заключается в том, чтобы использовать классические механизмы, но очень маленького размера.

Вот как схематически можно представить MEMS-акселерометр смартфона или смарт-часов, который отслеживает движение только влево-вправо:

Зеленым цветом здесь показан грузик, а темно-серым — гибкие стержни, которые прогибаются при ускорении смартфона или наклонах влево-вправо. Не обращайте пока внимание на синие палочки и на странную форму грузика.

Стержни и грузик могут выглядеть по-разному. Вот снимок под микроскопом реального MEMS-акселерометра, который также отслеживает движение/ускорение по одной оси X (влево-вправо):

Здесь мы видим немного другую форму грузика, а вместо стержней используется гибкая подвеска. Обведу их разными цветами, чтобы было понятней, где что находится:

Существуют и другие формы, но принцип один и тот же.

На этом моменте может показаться, что принцип работы акселерометра понятен. В смартфоне или фитнес-трекере на самом деле установлен микроскопический механизм, состоящий из грузика и гибкого подвеса. Но как использовать этот механизм?

Представьте, что вы роняете телефон и он падает на землю. Естественно, минимум один из акселерометров срабатывает, так как его грузик из-за ускорения смартфона отклоняется в обратную сторону. Но что дальше? Как смартфон знает, куда, как сильно и какой конкретно грузик отклонился?

Мы видим это глазами, но у смартфона внутри корпуса нет глаз. Или как фитнес-браслет при взмахе рукой «знает», что какой-то из микроскопических грузиков куда-то отклонился?

Для ответа на эти вопросы нам нужно разобраться еще с одним интересным физическим явлением. Давайте сконструируем что-то вроде примитивного аккумулятора, который можно очень быстро заряжать и разряжать. Сделать его можно буквально за пару минут из подручных средств.

Необходимо взять две металлические пластинки, прикрепить к ним провода и… всё! Если мы разместим эти пластины достаточно близко друг к другу, но только так, чтобы они не соприкасались, тогда у нас получится такая интересная «батарейка»:

Интересна она по той причине, что заряжать ее можно мгновенно (за доли секунд), но и отдает свой заряд она также мгновенно. Использовать такую «батарейку» в качестве аккумулятора невозможно, ведь она не способна отдавать заряд постепенно в течение долгого времени.

Как же это работает?

Когда мы подключаем к двум пластинкам настоящую батарейку, к одной из этих пластинок устремляются триллионы электронов — крошечных «сгустков» энергии.

В то же время батарейка начинает «вытягивать» электроны из другой пластинки. Это происходит по той причине, что разные концы батарейки имеют разный заряд — отрицательный («минус») и положительный («плюс»).

Положительный заряд батареи будет притягивать к себе электроны с синей пластинки (они имеют отрицательный заряд), а отрицательный заряд, на котором у батарейки уже очень много электронов, будет стремиться избавиться от них и выталкивать электроны на красную пластинку:

В общем, весь этот процесс закончится тогда, когда уже будет не хватать «давления» (напряжения) в батарейке, с которым она выталкивает одни электроны и притягивает другие.

Когда мы отключим батарейку от пластинок, то одна из них теперь будет хотеть избавиться от лишних электронов, а другая наоборот — их притянуть. Но сделать это напрямую не получится, ведь между пластинками есть «изоляция» — воздух:

Если бы мы подключили к этим пластинкам, например, лампочку, тогда она бы на мгновение ярко засветилась. Половина электронов от красной пластинки устремятся к синей, чтобы их везде оказалось поровну и пластинки «не испытывали» никакого давления. А движение электронов по проводам — это и есть ток, который «зажжет» лампочку.

Какое отношение всё это имеет к механическому акселерометру?

Чтобы соединить все точки рассказа, нужно знать еще одну маленькую деталь.

Дело в том, что мы легко можем узнать ёмкость нашей самодельной «батарейки» (я называю ее батарейкой для простоты восприятия, на самом деле такое незамысловатое устройство называется конденсатором). Под словом «ёмкость» я имею в виду количество заряда, которое пластинка может накопить, а затем отдать.

Как вы думаете, от чего зависит эта ёмкость? Конечно, сразу интуитивно напрашивается ответ — от размера пластинок. Ведь чем она крупнее, тем больше туда физически может поместиться электронов:

Мы видим, что справа больше электронов, а значит, эти две пластинки могут накопить больший заряд, соответственно, ёмкость правого конденсатора («батарейки») — выше.

Но есть еще один способ изменить ёмкость пластинок, не меняя их размер. Он следует из закона Кулона, суть которого заключается в том, что сила, с которой одни заряженные частички притягиваются к другим, зависит от расстояния между ними.

Дело в том, что между этими двумя пластинками появляется электрическое поле — невидимая сила, притягивающая разноименно заряженные частички (+ и ) и отталкивающая одноименно заряженные частички ( и или + и +). Для этой силы ни воздух, ни другая изоляция не является помехой или преградой.

Именно поэтому невозможно сделать конденсатор из одной пластинки. Мы просто не «затолкаем» туда электроны, так как они будут моментально отталкиваться обратно. Но когда появились две пластинки с разными зарядами, появилась и сила, удерживающая этот переизбыток зарядов.

Согласно закону Кулона, чем ближе будут пластинки, тем выше будет сила взаимодействия между заряженными частичками, которая удерживает их, и мы сможем затолкать еще больше электронов при том же размере пластинок:

Это должно быть понятно даже интуитивно, так как все мы пробовали соединять два магнитика. Чем ближе они друг ко другу (при условии, что мы соединяем их разные полюса или «плюс» и «минус»), тем сильнее они притягиваются друг ко другу.

И вот теперь наших знаний достаточно, чтобы ответить на вопрос, как же на самом деле работает акселерометр в смартфонах и фитнес-браслетах.

Давайте посмотрим на 3D-модель вот такого микромеханического акселерометра:

Здесь мы видим «грузик» синего цвета на гибких подвесках (также синего цвета) по краям. Это акселерометр, который работает только по оси X, то есть, грузик смещается влево-вправо (на картинке он уже смещен вправо).

А теперь обратите внимание на темно-серые палочки. Я нарисую схематически вот этот кусочек, чтобы остальная часть акселерометра нам не мешала:

Так вот, синяя верхняя вертикальная палочка на грузике — это и есть одна из пластинок «батарейки» (конденсатора), которую мы только что подробно рассмотрели. Соответственно, серая палочка вверху — вторая пластинка (см. картинку ниже).

На эти пластинки подается заряд и, когда грузик движется вправо, верхние пластинки прижимаются друг к другу, но не соприкасаются. А внизу происходит обратная ситуация — две пластинки отдаляются друг от друга:

Так как две верхние пластинки приблизились вплотную друг к другу, то и заряд на них максимальный, то есть, мы говорим, что ёмкость верхнего конденсатора максимальна. А на двух нижних пластинках, напротив, заряд минимален, так как расстояние между ними увеличилось, соответственно, сила взаимодействия также снизилась.

Акселерометр непрерывно измеряет емкость такой пары конденсаторов — двух верхних и двух нижних пластинок. И по ним очень легко определяет, насколько грузик отклонился от состояния покоя:

  • Если ёмкость верхних пластинок максимальна, а нижних — минимальна, значит, грузик ушел максимально вправо
  • Если ёмкость верхних пластинок минимальна, а нижних — максимальна, значит, грузик ушел максимально влево
  • Если ёмкость верхних и нижних пластинок одинакова, значит грузик находится в состоянии покоя и акселерометр не зафиксировал никакого движения по оси X (влево-вправо)

Кроме того, мы можем легко определять ускорение устройства по степени (амплитуде) отклонения грузика.

Еще раз посмотрим это на увеличенной 3D-модели:

Акселерометр мобильных устройств работает с ничтожно малыми емкостями и зарядами, так как эти пластинки микроскопического размера. Поэтому в акселерометре не одна пластинка, а множество. И все верхние пластинки соединены между собой в одну, как и все нижние — между собой.

Грузик также является одной общей пластинкой, которая подключается к питанию с одной стороны стержня (на картинке этот контакт я подписал словом «грузик», хотя сам грузик синего цвета находится, естественно, посередине):

То есть, по сути, акселерометр состоит из двух конденсаторов («батареек»): одной большой верхней пластины с ребрами и грузика, а также одной большой нижней пластины с ребрами и того же грузика. Смартфон непрерывно измеряет ёмкости этих двух конденсаторов и сразу же понимает, что произошло какое-то движение, как только емкости меняются.

Вот и весь принцип работы этого крохотного инженерного чуда! Теперь дело остается за малым. Нужно просто связать определенное изменение ускорение акселерометра по всем осям с определенным действием.

К примеру, вот так выглядит изменение ускорения по всем 3 осям акселерометра моего фитнес-браслета, когда я просто иду:

© Deep-Review

Мы видим, что ускорение заметно изменяется только по одной оси X (показано синим цветом). А вот какие показания акселерометра будет регистрировать фитнес-браслет, когда я побегу:

© Deep-Review

Здесь мы видим, что из-за увеличения скорости движения рук увеличилась и сила ускорения. Кроме того, заметно изменяется ускорение не только по оси X, но и по оси Y (показано желтым цветом). Ведь при ходьбе мои руки были опущены вниз, а во время бега — полусогнуты.

Таким образом, браслету не составляет никакой трудности, например, автоматически определить ходьбу или бег. Ведь «рисунок» изменения ускорения по всем осям очень характерен для каждого вида активности.

При желании трекеры могли бы очень легко определять даже такие занятия, как чистка зубов или игра в теннис (при ударе ракеткой происходит характерное движение кистью, которое очень легко отследить по акселерометру).

Алексей, глав. ред. Deep-Review

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

 

Датчик удара (G-сенсор) в автомобильном регистраторе и как он работает

Сегодня практически в каждом авторегистраторе присутствует датчик удара, техническое название этого прибора G-сенсор или акселерометр. Для начала расскажу об его устройстве и как он работает. В простейшем виде — это пустотелый шар из пластика, внутри которого на дне, в центре, лежит маленький металлический шарик, замыкая два контакта, что означает — датчик в покое, в нормальном состоянии. Стоит пустотелому шару чуть качнуться или наклонится, шарик откатывается из центра, размыкая контакты.

Таким образом датчик подает сигналы об ударах, наклонах и даже о резких ускорениях или торможении (если речь идет об автомобиле), так как металлический шарик в силу инерции скатывается с места, размыкая контакты. Когда G-сенсор в покое, шарик всегда в самой низшей точке пустотелого шара, на контактах. Естественно, современный G-сенсор для автомобильного регистратора имеет более сложную конструкцию и даже может не только зафиксировать сам факт удара или ускорения (торможения), но и измерить силу ускорения и удара. Это уже не просто датчик удара, а акселерометр.

На какие движения автомобиля реагирует G-сенсор?

В первую очередь это удары, причем на это действие датчик реагирует с любой стороны, в том числе сверху или даже снизу. Также G-сенсор умеет фиксировать сильное торможение или боковые броски, что обычно происходит на скользкой дороге. Как видите, датчик удара может уловить любое критическое действие, которое происходит с вашим автомобилем. В некоторых моделях видеорегистраторов чувствительность G-сенсора можно регулировать, что позволяет правильно реагировать на малейший стук на парковке и на сильные вихляния автомобиля на большой скорости.

Другой тип датчика удара

Что же может делать видеорегистратор, если ему поступила команда от G-сенсора?

В простейшем случае начнется видеозапись, если по каким-то причинам запись не велась в этот момент. Но лучше всего, когда регистратор постоянно, в режиме циклической записи пишет видеоролики на карту памяти. Тогда регистратор пометит видеофайлы, записанные в этот момент, как защищенные от стирания и перезаписи, ведь при циклической видеозаписи все устаревшие файлы будут стерты. Также продвинутые авторегистраторы могут сохранять от перезаписи не только файлы, записанные конкретно в этот момент, но и видеофайлы, записанные за 20-40 секунд до срабатывания датчика удара.

Таким образом, у вас будет видеозапись не только самого события, но и действий водителя и других участников движения ДО этого момента. Данная функция очень полезна при просмотре езды водителя новичка, или например, если вы хотите узнать о стиле вождения вашей жены :). Вам не придется прокручивать видеозапись всей поездки (к тому же она может быть уже стерта в силу цикличности), достаточно будет просмотреть видеоролики, помеченные, как нестираемые по команде G-сенсора.

INS Inertial Navigation System Инерциальная навигационная система

Инерциальная навигация — это автономный навигационный метод, в котором измерения, выполняемые акселерометрами и гироскопами, используются для отслеживания положения и ориентации объекта относительно известной начальной точки, ориентации и скорости. Инерциальные измерительные блоки (IMU) обычно содержат три ортогональных скоростных гироскопа и три ортогональных акселерометра, измеряющих угловую скорость и линейное ускорение соответственно. Обрабатывая сигналы от этих устройств, можно отслеживать положение и ориентацию устройства.

Инерциальная навигация применяется во многих сферах, включая навигацию самолетов, тактических и стратегических ракет, космических аппаратов, подводных лодок и кораблей, встроен в мобильный телефон с целью определения местоположения мобильного телефона и отслеживания. Последние достижения в области создания микроэлектромеханических систем (MEMS) позволили создать маленькие и легкие инерциальные навигационные системы. Эти достижения расширили диапазон возможных применений, включив в него такие области, как захват движений человека и животных.

Инерциальная навигационная система включает в себя: компьютер и платформу или модуль, содержащий акселерометры, гироскопы или другие датчики движения. ИНС изначально получает положение и скорость от другого источника (человека-оператора, спутникового приемника GPS и т. д.) вместе с начальной ориентацией и после этого вычисляет свое собственное положение и скорость, интегрируя информацию, полученную от датчиков движения. Преимущество INS заключается в том, что он не требует внешних воздействий для определения своего положения, ориентации или скорости после инициализации.

ИНС может обнаружить изменение своего географического положения (например, перемещение на восток или север), изменение своей скорости (скорости и направления движения) и изменение своей ориентации (вращение вокруг оси). Он делает это путем измерения линейного ускорения и угловой скорости, приложенных к системе. Поскольку он не требует внешнего воздействия (после инициализации), он невосприимчив к помехам и ошибкам.

Инерциальные навигационные системы используются на многих движущихся объектах. Однако их стоимость и сложность накладывают ограничения на условия, в которых они практически применимы.

Гироскопы измеряют угловую скорость рамки датчика относительно инерциальной системы отсчета. Используя исходную ориентацию системы в инерциальной системе отсчета в качестве начального условия и интегрируя угловую скорость, текущая ориентация системы всегда известна. Это похоже на способность пассажира с завязанными глазами чувствовать, как автомобиль поворачивается влево и вправо или наклоняется вверх и вниз, когда автомобиль поднимается или спускается с холмов. Основываясь только на этой информации, пассажир знает, в каком направлении движется автомобиль, но не знает, насколько быстро или медленно он движется.

Акселерометры измеряют линейное ускорение движущегося транспортного средства в датчике или рамке кузова, но в направлениях, которые могут быть измерены только относительно движущейся системы (поскольку акселерометры закреплены в системе и вращаются вместе с системой, но не определяют своей собственной ориентации).Это похоже на способность пассажира с завязанными глазами в автомобиле чувствовать себя прижатым к сиденью, когда автомобиль ускоряется вперед или  когда он замедляется. Основываясь только на этой информации, он знает, как автомобиль ускоряется относительно самого себя, то есть ускоряется ли он вперед, назад, влево, вправо, вверх (к потолку автомобиля) или вниз (к полу автомобиля), измеренное относительно автомобиля, но не направление относительно Земли, так как он не знает, в каком направлении автомобиль направлялся относительно Земли, когда он почувствовали ускорение.

Однако, отслеживая как текущую угловую скорость системы, так и текущее линейное ускорение системы, измеренное относительно движущейся системы, можно определить линейное ускорение системы в инерциальной системе отсчета. Выполнение интегрирования по инерционным ускорениям (используя исходную скорость в качестве начальных условий) с использованием правильных кинематических уравнений дает инерционные скорости системы, а интегрирование снова (используя исходное положение в качестве начального условия) дает инерционное положение. В нашем примере, если пассажир с завязанными глазами знал, как автомобиль был направлен и какова его скорость до того, как он был с завязанными глазами, и если он в состоянии отслеживать, когда автомобиль повернул и как он ускорялся и замедлялся с тех пор, то он может точно определить текущее положение и скорость автомобиля в любое время.

Что такое акселерометр? | FierceElectronics

Акселерометр — это электронный датчик, который измеряет силы ускорения, действующие на объект, с целью определения положения объекта в пространстве и отслеживания его движения. Ускорение, которое является векторной величиной, представляет собой скорость изменения скорости объекта (скорость — это смещение объекта, деленное на изменение во времени).

Существует два типа сил ускорения: статические силы и динамические силы.Статические силы — это силы, которые постоянно действуют на объект (например, трение или гравитация). Динамические силы — это «движущие» силы, прикладываемые к объекту с разной скоростью (например, вибрация или сила, действующая на биток в игре в пул). Вот почему акселерометры используются, например, в системах защиты от столкновений автомобилей. Когда на автомобиль действует мощная динамическая сила, акселерометр (обнаруживающий быстрое замедление) посылает электронный сигнал на встроенный компьютер, который, в свою очередь, срабатывает подушки безопасности.

Существует три различных типа акселерометров, каждый из которых предназначен для эффективной работы в предполагаемых условиях. Есть три типа: пьезоэлектрический, пьезорезистивный и емкостный.

Пьезоэлектрический акселерометр использует пьезоэлектрический эффект (пьезоэлектрические материалы вырабатывают электричество, когда подвергаются физическому воздействию) для определения изменения ускорения. Пьезоэлектрические акселерометры чаще всего используются для измерения вибрации и ударов.

Пьезорезистивные акселерометры

гораздо менее чувствительны, чем пьезоэлектрические акселерометры, и лучше подходят для краш-тестов транспортных средств.Пьезорезистивный акселерометр увеличивает свое сопротивление пропорционально величине приложенного к нему давления.

Третий и наиболее часто используемый тип акселерометра — это емкостной акселерометр. Емкостные акселерометры используют изменение электрической емкости для определения ускорения объекта. Когда датчик испытывает ускорение, расстояние между его пластинами конденсатора изменяется по мере движения диафрагмы датчика.

Большинство акселерометров являются миниатюрными, и их часто называют акселерометрами микроэлектромеханических систем (МЭМС).Из-за своего размера и доступности они встроены во множество портативных электронных устройств (таких как телефоны, планшеты и игровые контроллеры). В телефонах и планшетах акселерометр отвечает за «переворачивание» экрана при повороте устройства. Акселерометры также используются зоологами (для отслеживания передвижения животных в дикой природе), инженерами (особенно в экспериментах со столкновениями) и на заводах (для отслеживания вибрации машин).

Как работают акселерометры | Виды акселерометров

Хотите знать, как быстро едет ваша машина? Это просто — взгляните на спидометр! Скорость удобное измерение, показывающее, как быстро вы можете получить из одного места в другое. Максимальная скорость автомобиля, как правило, является хорошим показателем того, насколько мощный двигатель это есть, но при условии, что все соблюдают ограничение скорости, максимум скорости — это просто цифры на бумаге — они никому не нужны или почти никому не нужны.

Ускорение намного интереснее скорости и полезнее, если вам нужно избежать опасности за рулем: это как быстро что-то может ускоряться или замедляться.Измерение ускорения немного сложнее, чем измерение скорости, потому что для этого нужно выяснить, как скорость меняется с течением времени. Как вы измеряете ускорение? Неудивительно, что с устройством под названием Акселерометр . Давным-давно вы бы нашли такие гаджеты только в космических ракетах или гигантских реактивных самолетах; теперь они практически в каждом автомобиль, многие портативные компьютеры и всевозможные гаджеты, такие как iPod, iPhone и Nintendo Wii. Давайте подробнее разберемся, что они собой представляют, какие они делают, и как они работают!

Фото: Сюда! Как ваш мобильный телефон узнает, в каком направлении повернуть дисплей? Все это делается с помощью акселерометров, спрятанных внутри корпуса.

Для чего используются акселерометры?

Фото: Аппарат ракетостроения? Акселерометр, разработанный Honeywell в 1980-х годах для использования на космических кораблях. Фото любезно предоставлено космическим центром NASA Johnson Space Center (NASA-JSC).

Акселерометры — это в буквальном смысле слова ракетостроение! Установлен в космическом корабле, это удобный способ измерить не только изменения скорости ракеты, но и также апогей (когда корабль находится на максимальном удалении от Земли или другая масса, поэтому ее ускорение из-за силы тяжести минимально) и ориентация (потому что наклон чего-то меняет то, как гравитация действует на него, и силу, которую оно ощущает).Акселерометры бывают также широко используется в инерциальной навигации и системах наведения в таких вещах, как автопилоты самолетов и кораблей. Еще одно очень распространенное использование на транспорте — автомобильные подушки безопасности: когда акселерометр обнаруживает резкое изменение скорости автомобиля, сигнализирующее о неизбежном столкновении, он запускает электрическую цепь, которая заставляет подушки безопасности срабатывать.

Фото: набор акселерометров, используемых для тестирования ветряных турбин. Фото Дэвида Парсонса любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (US DOE / NREL).

Если у вас современный мобильный телефон, MP3-плеер или портативный игровая консоль, вероятно, в нее встроен акселерометр, поэтому она может почувствовать, когда вы наклоняете его из стороны в сторону. Вот как iPhone или iPod Touch автоматически определяет, когда нужно переключить раскладку экрана с книжной на альбомную. Многие игры и «приложения», разработанные для гаджетов, таких как iPhone, работают, определяя, насколько сильно или быстро вы перемещаете или встряхиваете корпус, используя крошечные микросхемы акселерометра внутри.

Вы будете удивлены, узнав, для чего используются акселерометры.Знаете ли вы, например, что хай-тек стиральные машины есть акселерометры, которые могут определять, когда нагрузка выходит из равновесия и выключить электродвигатель, чтобы они не разлетелись на части? Или что нагревательные приборы, такие как электронные утюги и тепловентиляторы, имеют внутри акселерометры, которые обнаруживают, когда они падают, и выключают их, чтобы не допустить возникновения пожара? Удивительно, а? Разве ракетостроение не полезно!

Что такое ускорение?

Прежде чем вы сможете понять акселерометры, вам действительно нужно понять ускорение — так что давайте подведем итоги.Если у вас есть машина, разгоняется с места до скорости (или, строго говоря, скорость) 100 км / ч за 5 секунд, ускорение — это изменение скорость или скорость, разделенная на время, то есть 100/5 или 20 км / ч за второй. Другими словами, каждую секунду, когда машина едет, она добавляет еще 20 км / ч до его скорости. Если вы сидите в этой машине, вы мог измерить ускорение с помощью секундомера и автомобильного спидометр. Просто считайте показания спидометра через 5 секунд, разделите чтение на 5, и вы получите ускорение.

Но что, если вы хотите узнать момент ускорения, не дожидаясь определенное время до истечения? Если вы знаете о законах движения, вы знайте, что гениальный английский ученый Исаак Ньютон определил Ускорение по-другому, связав его с массой и силой. Если у вас есть определенная сила (скажем, сила в ноге, когда вы ее пинаете) наружу), и вы примените его к массе (футбольному мячу), вы заставить массу разогнаться — мяч взлетит в воздух.

Фото: Ускорение происходит, когда вы прикладываете силу к объекту — например, пинаете футбольный мяч.Ускорение — это мера того, насколько скорость мяча изменяется за определенное время. Менее очевидно, что это также мера того, сколько силы вы прикладываете к каждому килограмму массы, содержащемуся в объекте. Фото Гэри Николса любезно предоставлено ВМС США.

Второй закон движения Ньютона связывает силу, массу и ускорение с помощью этого очень простого уравнения:

Сила = масса x ускорение

или …

F = m а

или …

а = Ф / м

Другими словами, ускорение — это сила, необходимая для перемещения каждого единица массы.Глядя на это уравнение, вы можете понять, почему футбольные мячи работают как они это делают: чем сильнее вы пинаете (чем больше сила), или чем легче мяч (тем меньше масса), тем большее ускорение вы создадите — и тем быстрее мяч полетит по небу.

Вы также можете видеть, что теперь у нас есть второй способ вычисления ускорение, которое не связано с расстоянием, скоростью или временем. Если мы можем измерить силу, действующую на что-либо, а также его массу, мы можно вычислить его ускорение, просто разделив силу на масса.Совершенно не нужно измерять скорость или время!

Как работают акселерометры?

Это уравнение — теория, лежащая в основе акселерометров: они измеряют ускорение не путем расчета изменения скорости с течением времени, а путем измерительная сила. Как они это делают? Вообще говоря, ощущая, насколько масса давит на что-то, когда на него действует сила.

Это то, с чем мы все хорошо знакомы, когда едем в машине. Представьте, что вы сидите в заднее сиденье автомобиля, радостно занимающегося своими делами, а водитель ускоряется внезапно проехать тихоходный грузовик.Вы чувствуете, что отбиваете назад в сиденье. Почему? Потому что ускорение автомобиля заставляет его двигаться вперед внезапно. Вы можете подумать, что двигаетесь назад, когда машина ускоряется вперед, но это иллюзия: на самом деле то, что вы испытываете, является автомобиль пытается тронуться с места без вас, а ваше сиденье догоняет вас сзади!

Законы движения говорят нам, что ваше тело пытается продолжайте двигаться с постоянной скоростью, но сиденье постоянно давит на вас с силой и заставляет вместо этого ускоряться.В чем больше автомобиль ускоряется, тем больше силы вы чувствуете, сидя на своем сиденье, и вы действительно можете это почувствовать! Ваш мозг и тело работают вместе, чтобы достаточно эффективный акселерометр: тем сильнее ваше тело опыта, тем большее ускорение регистрирует ваш мозг от разница между движениями вашего тела и движения автомобиля. (И это собирает полезные подсказки из других ощущений, включая скорость какие движущиеся объекты проходят мимо окна, изменение звука двигатель машины, шум проносящегося мимо воздуха и так далее.) Момент, автор: момент, вы чувствуете изменения в ускорении от изменений ощущений на вашем теле, а не путем подсчета того, как далеко вы прошли и как это заняло много времени.

Акселерометры работают примерно так же.

Типы акселерометров

Есть много разных типов акселерометров. Механические немного похожи на уменьшенные версии пассажиров, сидящих в автомобилях, переключающихся назад и вперед, когда на них действуют силы. У них есть что-то вроде массы, прикрепленной к пружине подвешен внутри внешнего кожуха.Когда они ускоряются, кожух сразу уходит, но масса отстает и пружина растягивается с силой, соответствующей ускорению. В расстояние, на которое растягивается пружина (которое пропорционально растягивающее усилие) можно использовать для измерения силы и ускорение различными способами. Сейсмометры (бывшие в употреблении измерения землетрясений) работают примерно так же, используя ручки на тяжелых массы, прикрепленные к пружинам для регистрации силы землетрясения. Когда землетрясение сотрясает шкаф сейсмометра, но ручка (прикрепленный к массе) перемещается дольше, поэтому оставляет резкий след на бумажной диаграмме.


Иллюстрация: Основная концепция механического акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается из стороны в сторону, масса (красная капля) ненадолго остается позади. Но пружина, соединяющая его с коробкой (красный зигзаг), вскоре возвращает его в исходное положение, и при движении он рисует след (синяя линия) на бумаге.

Альтернативные конструкции акселерометров измеряют силу не путем рисования пером на бумаге, а генерируя электрические или магнитные сигналы. В пьезорезистивных акселерометрах масса прикреплена к потенциометру (переменному резистору), немного похожему на регулятор громкости, который вращает электрический ток вверх или вниз в зависимости от величины силы действуя по нему.Конденсаторы также могут использоваться в акселерометрах для измерения силы аналогичным образом: если движущийся Масса изменяет расстояние между двумя металлическими пластинами, измерение изменения их емкости дает измерение действующей силы.


Иллюстрация: широкая концепция емкостного акселерометра: когда серый блок акселерометра перемещается вправо, красная масса остается позади и сближает синие металлические пластины, изменяя их емкость измеримым образом.

В некоторых акселерометрах пьезоэлектрические кристаллы, такие как кварц, делают умную работу.У вас есть кристалл, прикрепленный к массе, поэтому, когда акселерометр движется, масса сжимает кристалл и генерирует крошечное электрическое напряжение.


Иллюстрация: основная концепция пьезоэлектрического акселерометра: когда серый блок акселерометра движется вправо, масса сжимает синий пьезоэлектрический кристалл (на этом рисунке сильно преувеличен), который генерирует напряжение. Чем больше ускорение, тем больше сила и больше протекающий ток (синие стрелки).

В акселерометрах на эффекте Холла сила и ускорение измеряются путем измерения крошечных изменений магнитного поля.

Акселерометр

: что это и как работает

Акселерометр — это устройство, которое измеряет вибрацию или ускорение движения конструкции. Сила, вызванная вибрацией или изменением движения (ускорением), заставляет массу «сжимать» пьезоэлектрический материал, который производит электрический заряд, пропорциональный приложенной к нему силе. Поскольку заряд пропорционален силе, а масса постоянна, то заряд также пропорционален ускорению.Эти датчики используются по-разному, от космических станций до портативных устройств, и есть большая вероятность, что у вас уже есть устройство с акселерометром в нем. Например, сегодня почти все смартфоны содержат акселерометр. Они помогают телефону узнать, испытывает ли он ускорение в каком-либо направлении, и по этой причине дисплей вашего телефона включается, когда вы его переворачиваете. В промышленных условиях акселерометры помогают инженерам понять устойчивость машины и позволяют им отслеживать любые нежелательные силы / вибрации.

Подробнее об акселерометрах

КАК ВЫБРАТЬ АКСЕЛЕРОМЕТР?
  1. Какую амплитуду вибрации следует контролировать?
  2. Какой частотный диапазон нужно контролировать?
  3. Каков температурный диапазон установки?
  4. Каков размер и форма исследуемого образца?
  5. Есть ли электромагнитные поля?
  6. Есть ли поблизости высокий уровень электрических шумов?
  7. Заземлили ли поверхность, на которой должен быть установлен акселерометр?
  8. Является ли окружающая среда агрессивной?
  9. Требуются ли в данной области искробезопасные или взрывозащищенные приборы?
  10. Это место влажное или вымытое?

Как работает акселерометр?

Акселерометр работает с использованием электромеханического датчика, который предназначен для измерения статического или динамического ускорения.Статическое ускорение — это постоянная сила, действующая на тело, например сила тяжести или трение. Эти силы в значительной степени предсказуемы и однородны. Например, ускорение свободного падения постоянно и составляет 9,8 м / с, а сила гравитации почти одинакова во всех точках Земли.

Силы динамического ускорения неоднородны, и лучшим примером является вибрация или удары. Автокатастрофа — отличный пример динамического ускорения. Здесь изменение ускорения внезапно по сравнению с его предыдущим состоянием.Теория акселерометров заключается в том, что они могут определять ускорение и преобразовывать его в измеримые величины, такие как электрические сигналы.

Типы акселерометров

Пьезоэлектрические акселерометры (датчики вибрации) бывают двух типов. Первый тип — это акселерометр с выходом заряда с «высоким импедансом». В этом типе акселерометра пьезоэлектрический кристалл производит электрический заряд, который напрямую связан с измерительными приборами. Для вывода заряда требуются специальные приспособления и приборы, которые чаще всего встречаются в исследовательских центрах.Этот тип акселерометра также используется в высокотемпературных приложениях (> 120 ° C), где нельзя использовать модели с низким импедансом.

Второй тип акселерометра — это акселерометр с низким сопротивлением на выходе. Акселерометр с низким импедансом имеет акселерометр заряда в качестве переднего конца, но имеет крошечную встроенную микросхему и транзистор на полевом транзисторе, который преобразует этот заряд в напряжение с низким импедансом, которое может легко взаимодействовать со стандартными приборами. Этот тип акселерометра обычно используется в промышленности.Источник питания акселерометра, такой как ACC-PS1, обеспечивает надлежащее питание микросхемы от 18 до 24 В при постоянном токе 2 мА и снимает уровень смещения постоянного тока, они обычно вырабатывают выходной сигнал с нулевым отсчетом до +/- 5 В в зависимости от Номинальное значение акселерометра в мВ / г. Все акселерометры OMEGA (R) относятся к этому типу с низким импедансом.

Основные области применения акселерометров

Акселерометры

находят множество применений в различных отраслях промышленности. Как уже говорилось, вы можете найти их в самых сложных машинах для ваших портативных устройств.Давайте посмотрим на некоторые практические применения акселерометров. Цифровые устройства: Акселерометры в смартфонах и цифровых камерах отвечают за поворот дисплея в зависимости от того, в каком положении вы его держите.

Транспортные средства: Изобретение подушек безопасности за годы спасло миллионы жизней. Акселерометры используются для срабатывания подушек безопасности, поскольку датчик посылает сигнал при внезапном сотрясении. Дроны: Акселерометры помогают дронам стабилизировать ориентацию в полете. Вращающееся оборудование: Акселерометры, используемые во вращающихся машинах, обнаруживают волнообразные колебания. Промышленные платформы: Для измерения устойчивости или наклона платформы. Мониторинг вибрации: Движущиеся машины создают вибрации, и эти вибрации могут быть вредными для машин, если их оставить без присмотра и усилить. Акселерометры полезны для мониторинга вибраций и все чаще используются на промышленных предприятиях, турбинах и т. Д.

Выберите правильный акселерометр

Акселерометр премиум-класса
Эти акселерометры изготовлены из отборных кристаллов премиум-класса и используют малошумящие схемы для создания первоклассного малошумящего акселерометра.Их корпус из нержавеющей стали 316L герметично защищен от воздействия окружающей среды, поэтому они могут выдерживать суровые промышленные условия. У них также есть варианты искробезопасности FM и CSA. ACC793 — это стандартная конфигурация верхнего кабеля, а ACC797 — низкопрофильная конфигурация бокового кабеля.

Учить больше

Акселерометр промышленного класса
Акселерометры промышленного класса — это рабочие лошадки в промышленности. Они используются на всем, от станков до малярных шейкеров.OMEGA предлагает на выбор четыре модели. ACC101 (показан) — это высококачественный недорогой акселерометр общего назначения. ACC 102A герметичен для работы в суровых условиях, имеет фиксированный кабель и весит всего 50 граммов. ACC786A, верхний кабель, и ACC787A, боковой кабель, герметично закрыты, а съемные кабели закрыты от непогоды.

Учить больше

Акселерометр с высокой вибрацией
Акселерометры, используемые для контроля высоких уровней вибрации, имеют более низкий выходной сигнал (10 мВ / г) и меньшую массу, чем промышленные акселерометры.ACC103 весит 15 г и может контролировать уровни вибрации до 500 г. Это конструкция с креплением на шпильках, предназначенная для использования на вибростолах, вибрационных лабораториях и тяжелых промышленных станках. ACC104 весит всего 1,5 грамма и предназначен для крепления на клей. Обе модели имеют частотный диапазон от 3 до 10 кГц и динамический диапазон +/- 500 g.

Учить больше

Часто задаваемые вопросы

Установка акселерометра
Датчик должен быть установлен непосредственно на поверхности машины для правильного измерения вибрации.Этого можно добиться с помощью нескольких типов креплений:

— Плоское магнитное крепление
— 2-полюсное магнитное крепление
— Клеи (эпоксидные / цианоакрилатные)
— Монтажная шпилька
— Изолирующая шпилька

Магнитные крепления — это, как правило, временные крепления.
Магнитные опоры используются для крепления акселерометров к ферромагнитным материалам, обычно используемым в станках, конструкциях и двигателях. Они позволяют легко перемещать датчик с места на место для получения показаний в нескольких местах.Двухполюсные магнитные крепления используются для крепления акселерометра к изогнутой ферромагнитной поверхности.

Клеи и шпильки с резьбой считаются постоянными креплениями.
Клеи, такие как эпоксидная смола или цианоакрилат, доказали свою эффективность в большинстве случаев. Сохраняйте пленку как можно более тонкой, чтобы избежать нежелательного гашения вибраций из-за гибкости пленки. Чтобы снять закрепленный на клее акселерометр, используйте гаечный ключ на плоских поверхностях корпуса и поверните его, чтобы разорвать клеевое соединение.НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ МОЛОТОК. Удар по акселерометру приведет к его повреждению.

Монтажные шпильки являются предпочтительным методом монтажа.
Они требуют просверливания конструкции и нарезания резьбы, но обеспечивают прочное и надежное крепление. Обязательно соблюдайте указанные настройки крутящего момента, чтобы не повредить датчик или не оборвать резьбу.

Датчик вибрации Vs. Акселерометр

Устройство, которое вы видите как датчик вибрации, представляет собой не что иное, как акселерометр. Поскольку акселерометры очень хорошо измеряют изменение скорости, эту особенность лучше всего использовать для измерения вибраций, поскольку скорость всегда постоянно меняется.

Техническое обучение Пример использования Просмотреть эту страницу на другом языке или в другом регионе

Работают ли недорогие измерители производительности?

«Что он будет делать?» Это большой вопрос, который слышен снова и снова в ходе инструментальных испытаний C / D примерно 130 автомобилей в год.Хотя тестирование — самая увлекательная часть нашей работы, мы относимся к нему достаточно серьезно, так как несколько лет назад потратили более 30 000 долларов на три современных системы тестирования VBOX от Racelogic, которые обеспечивают показатели производительности, необходимые для наши дорожные испытания.

Но, может быть, и не надо так много тратить. За последнее десятилетие возник ряд компаний, которые продают относительно недорогие устройства, которые, по их утверждениям, могут точно измерить характеристики автомобиля.

Итак, у нас есть свои руки на семи из этих измерителей производительности.Поскольку они могут быть дорогими, мы установили ограничение в 1000 долларов; наша семерка стоила от 90 до 960 долларов. Большинство этих измерителей просто прикрепляются присосками к внутренней части лобового стекла, как детекторы радаров. Нашей миссией было выяснить, работают ли они, и это было непросто. Фактически, мы сделали более 100 проходов на четверть мили на драг-полосе в 1000 миль в Гейнсвилле, Флорида. (Для вас, циников, у нас был заказчик, не имеющий отношения к персоналу, чтобы убедиться, что мы получили репрезентативные образцы.)

В шести из семи купленных нами устройств используются внутренние акселерометры и электронный таймер для измерения производительности.Акселерометр — это устройство размером с батарею наручных часов, которое выдает электрический сигнал, который изменяется при ускорении. Проще говоря, если вы можете отслеживать ускорение в зависимости от времени, вы можете рассчитать скорость и пройденное расстояние.

У акселерометров

есть один большой недостаток. Неизбежные движения по тангажу и крену транспортного средства при интенсивном движении могут нарушить показания, поскольку они изменяют плоскость, в которой работает акселерометр. Например, при резком ускорении хвост автомобиля приподнимается, а нос приподнимается, поэтому акселерометр на лобовом стекле указывает немного вверх, а не горизонтально по дороге в направлении движения автомобиля.

Вы можете игнорировать этот эффект, если просто хотите узнать, сделала ли модификация ваш автомобиль быстрее или медленнее. Однако, если вы хотите определить, работает ли одна машина лучше, чем другая, вам лучше выделить время на калибровку измерителя для каждой машины.

Наша сложная система VBOX не использует акселерометры, чтобы избежать этой проблемы. Вместо этого VBOX полагается на систему глобального позиционирования (GPS) для измерения движения транспортного средства. Для работы VBOX должен быть связан как минимум с четырьмя из 24 спутников GPS, вращающихся вокруг Земли.По мере того как автомобиль движется по месту проведения испытаний, время прибытия радиосигналов между спутниками и антенной VBOX меняется незначительно. Измеряя это смещение, VBOX вычисляет скорость, ускорение и расстояние. Racelogic, компания, производящая VBOX, утверждает, что ее устройства работают с точностью до 0,06 мили в час.

Другой способ измерения производительности — подключение к бортовому компьютеру автомобиля. Один из семи измерителей производительности, Nology PDA-Dyno, полагался на этот метод.Используя данные о скорости вращения колес от компьютера, PDA-Dyno рассчитывает скорость и расстояние. Проблема в том, что датчики скорости вращения колес на новых автомобилях откалиброваны точно по диаметру оригинальных шин автомобиля. Измените размер шин или пройдите слишком мало или слишком большое давление воздуха, и вы получите неточные показания.

Некоторые из протестированных нами устройств имеют несколько акселерометров, способных выполнять измерения как в поперечном, так и в продольном направлениях и, следовательно, также могут измерять сцепление с дорогой на поворотах.Но и там показания акселерометра неточные, когда автомобиль наклоняется в повороте.

Нет двух абсолютно одинаковых счетчиков, хотя все производители заявляют, что каждый счетчик может выполнять множество задач с превосходной точностью. Естественно, есть головокружительный набор функций, не все из которых удобны. Например, после того, как вы установите Tazzo за 90 долларов на лобовое стекло и выровняетесь в начале полосы сопротивления, вы должны решить, что вы хотите измерить — время от 0 до 60 миль в час или четверть мили. .Но не то и другое вместе. Tazzo будет записывать только одно задание за раз. Напротив, Passport G-Timer GT2 за 180 долларов обеспечит ряд показателей ускорения за один пробег.

Мы посчитали, что если один из этих измерителей может точно измерить пробег на четверть мили, то он, вероятно, сможет предоставить правильные числа для всех более коротких расстояний — от 0 до 50, до 60 и так далее. Так что пробег на четверть мили стал нашим тестовым параметром. Для целей этой оценки мы могли бы просто использовать VBOX как критерий для сравнения результатов каждого измерителя, но мы решили пройти весь путь и сравнить с бесспорным королем систем хронометража — надежными фарами, используемыми на драг-полосах. .

Поскольку полосы в Мичигане закрыты на зиму, мы перетащили все наше дорогое тестовое оборудование и семь метров на гоночную трассу Gainesville Raceway во Флориде, чтобы провести два дня сравнительных испытаний. И поскольку мы хотели увидеть, как движения тела повлияют на точность счетчиков, мы протестировали их на двух автомобилях: Pontiac G6 и GMC Envoy XUV.

Мы проверили каждый счетчик, установленный в соответствии с инструкциями, в восьми запусках против индикаторов времени на тормозной полосе. Мы расположили каждую машину точно на стартовой линии [см. «Важность развертывания»].

Для первых четырех прогонов мы использовали готовые настройки (показанные на графиках как «некалиброванные»). Большинство измерителей можно откалибровать, чтобы компенсировать выигрыш (или потерю) времени из-за шага транспортного средства. Однако для этого вам понадобятся результаты перетаскивания, чтобы точно измерить фактические характеристики автомобиля.

После первых четырех прогонов мы поработали с доступными настройками, а затем прогнали и усреднили еще четыре прохода, показанные на следующих графиках как «откалиброванные».Если измеритель был способен регистрировать торможение или поперечное ускорение, мы просто использовали его вместе с нашей обычной процедурой тестирования и сравнивали результаты.

Как отмечалось ранее, мы сделали более 100 проходов вниз по этой четверти мили и суммировали стопки данных (мы также провели тесты нашего VBOX по сравнению с системой отсчета времени перетаскивания). Мы постарались свести данные к легко усваиваемым графикам. Если вы хотите видеть результаты каждого прогона, мы разместили электронную таблицу. Номер вундеркиндов, получайте удовольствие.

Мы обнаружили, что счетчики погашены на несколько десятых секунды в худшем случае и всего на пару сотых в лучшем случае. Вот то, что мы узнали о каждом метре, в порядке возрастания цен.

Вам может быть интересно, как широко разрекламированный VBOX C / D противостоял индикаторам времени. Мы протестировали его с фарами сопротивления, и он оказался более точным, чем лучший измеритель в этом тесте, AX22. Обе эти системы настолько близки к фарам, что едва ли стоит упоминать о существовании разницы.Речь идет о расхождениях менее половины процента.

Однако для нашего тестирования нам потребуется отображение данных ускорения в реальном времени, программное обеспечение для глубокого анализа и внешние входы для триггера тормоза, всего три из многих функций VBOX, которых нет у AX22.

Однако, судя по этому количеству измерителей производительности, мы обнаруживаем, что преимущества VBOX оспариваются. Мы не собираемся использовать его в ближайшее время, но мы обнаружили, что люди, у которых гораздо меньше $ 11 800 (текущая цена VBOX), могут купить измеритель, который обеспечивает удивительно хорошие результаты.В качестве измерительного прибора для одного автомобиля большинство измерителей вполне хороши, но если вы хотите окончательно определить, превосходит ли один автомобиль другой, вам лучше выделить время на калибровку. VBOX не требует калибровки.

Перед тем, как взять машину, чтобы попытаться сравняться с нашим временем, помните, что наши результаты скорректированы с учетом погодных условий [см. «Корректировка погоды»]. Мы также усредняем лучшие пробеги в двух направлениях, чтобы нейтрализовать влияние ветра, и мы используем скорость 3 мили в час.И, конечно же, существует вариативность от машины к машине.

Наконец, найдите безопасное место для тестирования — такое, которое позволит вам сосредоточиться на текущей задаче, а не на трафике.

ААРОН КИЛИ, МОРГАН Дж. Сегал

Passport G-Timer выпускается в двух версиях: GT1 за 100 долларов и GT2 за 180 долларов. Мы протестировали GT2 и решили, что он стоит вдвое дороже Tazzo за 90 долларов. Он отображает все данные сегмента из одного прогона перетаскивания (от 0 до 50, 60, 70 и т. Д.), он имеет память на 10 циклов и длинный список возможных экранных изображений, он измеряет сцепление с дорогой, его расположение простое, а элементы управления интуитивно понятны.

Паспорт имеет регулируемое расстояние выкатывания. Для обеспечения точности существует коэффициент шага для калибровки измерителя. В руководстве пользователя представлены предложения для различных типов автомобилей, и мы использовали поправочный коэффициент 2,5, когда паспорт был установлен в Pontiac G6. После выполнения четырех начальных прогонов мы поэкспериментировали, чтобы найти число, которое приближало линию счетчика к результатам перетаскивания, которые оказались равными 3.4.

При калибровке Passport был немного менее точен, чем Tazzo, но мы тут не в восторге, потому что разница в точности составляет всего лишь одну десятую процента.

Passport имеет удобную функцию салазок, которая усредняет поперечный g за регулируемый период времени от 3 до 16 секунд. Для этой функции также существует калибровочный коэффициент, и мы смогли получить Passport с точностью до 0,01 г от того, что дает наша обычная процедура тестирования.

Тормозные числа Passport были на пять-восемь футов длиннее, чем у нашего VBOX.Однако вполне вероятно, что изменение коэффициента калибровки уменьшило бы несоответствие, но мы предполагаем, что владельцы этих персональных счетчиков, вероятно, не будут тратить слишком много времени, пытаясь получить идеальные результаты.

Что касается менее дорогой модели GT1, она записывает те же прямые числа, что и GT2, но сохраняет только один прогон, и вы не можете загружать данные на ПК. Мы бы выбрали GT2. Приобретите дополнительный последовательный кабель и программное обеспечение за 25 долларов, и затем вы сможете загрузить тесты для ускорения на свой компьютер.

Эскорт: Паспорт G-Timer GT2
800-433-3487
www.escortradar.com

ААРОН КИЛИ, МОРГАН Дж. Сегал

PocketDYNO — это небольшая коробка (размером с карту три на пять), которую мы прикрепляли к центральной консоли каждого автомобиля с помощью липучки. Он передает данные на карманный компьютер (Palm, Pocket PC или портативный компьютер). Его ненавязчивый размер привлекателен, и это один из двух экземпляров в этом тесте, который не займет ни одного места на лобовом стекле.

Правильная установка PocketDYNO имеет решающее значение, поскольку у него нет регулировки по углу наклона или крена. Следовательно, чем ближе он к машине по уровню и под прямым углом, тем точнее он будет.

Имея всего три варианта тестирования, работать с PocketDYNO очень просто. Вы можете выбрать скоростной бег, бег на дистанцию ​​или измерение g. Во время скоростного бега PocketDYNO измеряет время от 0 до 60, а затем оценивает время и скорость четверти мили на основе данных от 0 до 60 миль в час. При пробеге на дистанцию ​​измеряется время на четверть мили, а измерение g может хранить до 20 секунд данных и отображать пик g в четырех направлениях.

Расчет PocketDYNO оказался медленнее, чем авторитетное время перетаскивания в обоих автомобилях: на 0,16 секунды у G6 и на 0,48 секунды у Envoy. Некоторые прогоны выполнялись в пределах 0,1 секунды от времени перетаскивания, но другие составляли всего 0,65 секунды, что делало PocketDYNO наименее надежным таймером. Его единственная настройка для развертывания — это начальная скорость, но даже с изменениями точность этого измерителя не улучшилась.

Мы подозреваем, что PocketDYNO был менее точен внутри Envoy, потому что высокий центр тяжести этого транспортного средства усугублял неспособность PocketDYNO настраиваться на шаг.

Тем не менее, расчетная функция четверти мили — хорошая идея — водитель с меньшей вероятностью привлечет полицейских при пробегах с 0 до 60 по дорогам общего пользования — и была более точной, чем фактические измерения PocketDYNO на четверть мили во время наших тестов. . Расчетное время четверти мили было на 0,06 секунды меньше в G6 и 0,19 секунды у Envoy.

Поскольку PocketDYNO нельзя отрегулировать по рулону, его результаты на трелевочной площадке не были точными. В G6 он был меньше 0,05 г, а в типичном Envoy промахнулся на 0.12 г.

PocketDYNO — единственный измеритель из группы, который оценивает четверть мили, но его отсутствие точности выделяется в этой группе, и за 250 долларов это не сделка.

Hamilton Performance Electronics: PocketDYNO
866-438-7396
www.pdyno.com

ААРОН КИЛИ, МОРГАН Дж. Сегал

Нам действительно понравился G-tech / Pro RR. Во-первых, это единственный из устройств на основе акселерометра, который измеряет ускорение в вертикальной плоскости.Теоретически это означает, что G-tech может определять, насколько сильно автомобиль наклоняется во время разгона, и автоматически корректировать его. Мы обнаружили, что только гоночная технология AX22 за 960 долларов была заметно ближе к фарам без калибровки. Кроме того, когда он был установлен в Envoy, G-tech записал те же тормозные пути 60: 0, что и VBOX.

Существует процедура калибровки, которая якобы делает показания скорости G-tech на четверть мили более близкими к показаниям фонарей сопротивления.Мы выполнили предписанную калибровку, но, что интересно, мы обнаружили, что процедура повысила точность только тогда, когда G-tech был установлен в Envoy.

Помимо этой придирки, у G-tech есть две уникальные особенности. У него есть индикаторы переключения передач, которые мигают с заданной частотой вращения, чтобы сигнализировать, что пора переключить передачи. Кроме того, есть смоделированная система запуска с тормозной полосой, которая проверяет время вашей реакции. Вы также можете сохранить данные конфигурации для множества транспортных средств, чтобы вы могли переключаться с автомобиля на автомобиль без необходимости перепрограммировать тахометр или переключать фары.

Как и некоторые другие измерители, G-tech измеряет сцепление на поворотах, но не обеспечивает функции калибровки для этой функции. Во время нашего тестирования мы обнаружили, что значение поперечного g, отображаемое G-tech, было примерно на 0,05 г больше, чем то, которое тянет автомобиль в соответствии с нашим устройством измерения времени.

Однако именно компьютерное программное обеспечение действительно отличало G-tech от других. G-tech имеет внутреннюю память для записи данных, которые можно загрузить на компьютер. Установив программное обеспечение на ваш компьютер, вы можете просматривать и сравнивать результаты перетаскивания.Поскольку устройство также регистрирует число оборотов в минуту, вы можете увидеть, какие моменты переключения улучшили ускорение.

Plus, вы можете записывать перегрузки во время проезда на гоночной трассе, загружать данные и сравнивать свои результаты от круга к кругу. Предоставленная информация недостаточно подробна, чтобы существенно помочь профессиональному водителю, но она определенно может помочь новичку. Он показывает, где водитель толкает машину, а где нет.

Программное обеспечение интуитивно понятное и простое в использовании, оно автоматически создает новые каталоги и файлы в зависимости от даты и времени записи данных.

Существует менее дорогая версия G-tech, называемая SS, которая продается за 200 долларов и не имеет функций гоночной трассы, как у RR, а также не поставляется с программным обеспечением, позволяющим просматривать и сравнивать пробежки на ПК. . Однако оба G-tech имеют отличные крепления для лобового стекла, простые кнопки для навигации по различным параметрам, а также удобный тахометр и индикаторы переключения передач.

Первый G-tech дебютировал в 1995 году и с тех пор претерпел четыре модификации. Обширное развитие показывает, и вам обязательно стоит заглянуть на веб-сайт, на котором есть страницы технических статей и форум, на котором вы можете обсудить свои результаты.

Если вы можете увеличить свой бюджет до 300 долларов, вы не будете разочарованы.

Tesla Electronics: G-tech / Pro RR
800-483-2477
www.gtechpro.com

ААРОН КИЛИ, МОРГАН Дж. Сегал

Отряд Нологии — чудак в группе. У всех остальных есть акселерометры, а у этого нет. Он получает питание и расшифровывает всю информацию через разъем OBD II (бортовая диагностика, второе поколение), который обычно находится под приборной панелью со стороны водителя.Предварительное условие OBD II означает, что PDA-Dyno не будет работать ни с одним автомобилем модельного года до 1996 года. Но из-за подключения к электронике автомобиля PDA-Dyno может отображать выходные данные различных датчиков: такие как частота вращения двигателя, уровень топлива экономия, состояние датчика кислорода и все коды неисправностей, хранящиеся в компьютере автомобиля.

Эти дополнительные функции, безусловно, являются преимуществом для PDA-Dyno, но связь с автомобильной электроникой часто может быть сложной задачей, и при цене 370 долларов (без необходимого карманного компьютера) это обходится недешево.Поскольку мы настроены скептически, мы убедились, что PDA-Dyno работает на всех автомобилях в нашем тестовом парке в Мичигане, но когда мы добрались до Флориды, он не смог взаимодействовать с Pontiac G6. Это как раз обратная сторона этого типа системы — вам всегда интересно, будет ли она работать, и интересно, когда автопроизводители изменят свои стандарты, потребовав от вас покупки нового устройства.

В наших тестах с Envoy, которые состояли из пробежек на четверть мили, PDA-Dyno показал отсутствие возможности настройки.Это устройство не имеет компенсации за развертывание и вместо этого измеряет время от 0 до четверти мили. Из-за этого мы обнаружили, что PDA-Dyno примерно на 0,4 секунды медленнее по сравнению с показателями полоски перетаскивания. Примерно 0,3 секунды этой разницы можно отнести к развертыванию, что означает, что PDA-Dyno все еще медленнее на 0,1 секунды и, следовательно, не дотягивает до верхних устройств. Скорость ловушки постоянно увеличивалась примерно на 0,4 мили в час, потому что измерение скорости ловушки PDA-Dyno немного отличается от измерения тормозной полосы.Тем не менее, в режиме «бег за шагом» PDA-Dyno показывает точное время и скорость, что делает его полезным для сравнений «до и после».

Nology Engineering: PDA-Dyno
800-665-6491
www.nology.com

ААРОН КИЛИ, МОРГАН Дж. Сегал

VC3000 как минимум в два раза больше любого другого измерителя в этом тесте. Но с добавленной массой появляется больше возможностей. Это единственное устройство с аккумулятором, поэтому автомобильная розетка не требуется.Он также имеет пузырчатую систему, аналогичную той, что используется на уровне плотника, что упрощает правильную установку на лобовое стекло. Меню VC3000 хорошо продуманы, что сокращает время исследования перед измерением ускорения, торможения или сцепления. Все запуски могут быть сохранены во встроенной памяти VC3000 для последующего просмотра или прокрутки после завершения цикла.

При настройках по умолчанию VC3000 всегда регистрировал немного медленнее, чем индикаторы времени, тогда как скорости захвата были высокими в Pontiac, но низкими в Envoy.Время было достаточно точным в G6 — медленнее на 0,07 секунды, но меньше у Envoy, где оно отставало почти на 0,2 секунды. Опять же, это связано с большим шагом посланника при разгоне. После набора VC3000 с использованием коэффициентов высоты тона он был на 0,05 секунды в G6 и на 0,03 в Envoy, что сделало его вторым лучшим в этом тесте. После корректировки шага скорости трапеции на обоих автомобилях увеличились на 0,3 мили в час.

Точно так же на трелевочной площадке VC3000 изначально был более чем на 0,10 г, но был в пределах 0.01 г после набора коэффициента компенсации крена.

Измерения тормозов с VC3000 были вторыми в этой группе. Торможение со скоростью 60 миль в час было на впечатляющих двух футах от показателей VBOX — только G-tech был ближе. Начальная скорость регулируется, и, в отличие от других здесь, VC3000 рассчитывает, с какой скорости вы начали торможение, и соответственно корректирует тормозной путь, как мы это делаем при тестировании тормозов.

Пара зарубок на табеле успеваемости VC3000 — это его цена в 898 долларов и отсутствие каких-либо объяснений процедуры калибровки в руководстве пользователя.Мы разобрались в этом, но поскольку это необходимо для точности счетчика, это следует объяснить.

Компьютеры Vericom: VC3000
800-533-5547
www.vericomcomputers.com

ААРОН КИЛИ, МОРГАН Дж. Сегал

AX22 стоит 960 долларов и является самым дорогим устройством в этом тесте. Однако он единственный, кто использует GPS для помощи в расчетах, что делает его больше похожим на систему VBOX, чем на какие-либо другие.AX22 использует как акселерометры, так и данные GPS для шифрования времени ускорения и тормозного пути. С входом GPS AX22 водитель может определить лучшую линию на трассе гонки, используя прилагаемое программное обеспечение, время круга и сравнение измеренных переменных, таких как скорость или g, между кругами.

Установка AX22 упрощается благодаря большой присоске и запорному устройству, которое обеспечивает надежную установку устройства с первого раза — не требуется слюна.

Точное измерение времени на расстоянии четверти мили — сильная сторона AX22.С самого начала он был всего на 0,04 секунды медленнее на Pontiac и на 0,02 секунды медленнее на GMC. Мы повозились с питч-фактором, но это нисколько не повлияло на результат. Однако скорость ловушки всегда была высокой — на 0,3 мили в час у G6 и 0,4 мили в час у Envoy.

AX22 сохранил точность при движении по трамплину, где его результаты были абсолютно точными на обеих машинах. Однако мы получили неоднозначные результаты при измерении остановок на скорости от 60 миль в час. AX22 был в пяти футах от Pontiac — второй худший результат в тесте — но совершенно верно для Envoy.Мы не можем объяснить этот странный разброс результатов, и нет никакой специальной калибровки торможения.

Несмотря на то, что AX22 предоставляет очень точные данные, в нашем тесте это был самый сложный прибор для работы. Требуется некоторое время для изучения, чтобы использовать три кнопки AX22 для успешной навигации по меню. Вдобавок ко всему, если вы прокрутите результаты в конце теста ускорения, вы не сможете прокрутить снова. Единственный способ получить доступ к числам во второй раз — загрузить их в компьютер — достаточно просто, поскольку AX22 — единственное устройство, использующее карту памяти CompactFlash, — но даже в этом случае не так-то просто определить подходящее время в четверть мили.А результатов торможения вообще не видно, пока информация не будет скачана. Таким образом, AX22 является наиболее точным, но при этом наименее удобным и самым дорогим. Однако, если тестирование требует смены транспортного средства без времени на калибровку, AX22 вас не подведет.

Race Technology: AX22
44-115-11
www.race-technology.com

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

ADXL202 Двухосевой акселерометр в автомобильных навигационных системах, не зависящих от спидометра

Автомобильная навигация с использованием глобальной системы позиционирования (GPS) вызывает растущий интерес за последнее десятилетие; GPS-навигация часто устанавливается в современных элитных автомобилях класса люкс и во многих коммерческих автомобилях. Поскольку они полагаются на высокочастотные радиосигналы со спутников, автомобили с системами навигации GPS могут попасть в ситуации, когда они теряют сигнал GPS на короткие промежутки времени.При помощи соответствующих алгоритмов GPS можно интегрировать с другими методами построения курса, чтобы предоставлять пользователям постоянно точную навигационную информацию.

Мертвый (дедуктивный) счет — один из методов, широко используемых в автомобильной навигации. Он использует три различных входа для прогнозирования положения: набор начальных координат, , направление движения и скорость движения. Его точность ограничена из-за схемы относительного позиционирования; абсолютная погрешность положения растет пропорционально пройденному расстоянию.Другие методы навигации транспортных средств без использования GPS включают сопоставление карт, инерциальную навигацию и измерение дельты A. Сопоставление карты основано на принципе, что если вы путешествуете рядом с дорогой или параллельно ей, есть большая вероятность, что вы действительно находитесь на этой дороге (может не работать в густонаселенных районах). Инерциальная навигация полагается на акселерометр для получения скорости как интеграла ускорения. В измерении Delta A сигналы GPS, впоследствии восстановленные от приемника, коррелируются с входными сигналами от систем, отличных от GPS.Этот метод может исправить неточности акселерометра, такие как шум и смещение нуля- g в зависимости от температуры / времени. В сочетании с GPS можно использовать более одного из этих методов для более точного отображения положения.

Хотя было бы полезно использовать установленный в автомобиле спидометр, возникают определенные трудности. Как правило, информация о спидометре недоступна, потому что она не передается по шине в системы, не относящиеся к двигателю / АБС / компьютеру (-ам) контроля устойчивости.Поскольку во многих случаях он считается « критически важным для безопасности, », выход спидометра не будет подключен к чему-либо, что может вывести из строя шину. Кроме того, системы GPS обычно создаются третьими сторонами, которые могут захотеть создать универсальный продукт с широким потенциальным рынком. Именно в таких приложениях двухосевой акселерометр ADXL202 может использоваться для получения точных оценок скорости для навигационной системы. Цифровой компас или гироскоп используются вместе с акселерометром для определения приблизительного направления движения.Затем информация переводится навигационной системой (в сочетании с другими методами, упомянутыми выше) для определения местоположения относительно точки, в которой был потерян сигнал.

В методе определения скорости, который будет описан здесь, используется акселерометр для определения временного интервала, в течение которого передние и задние колеса сталкиваются с неровностями дороги (при движении прямо). Независимо от того, едете ли вы по местной дороге или по шоссе, на дороге всегда будут недостатки.Эти недостатки выражаются в ударах и толчках, которые сразу же ощущаются колесами автомобиля и, в конечном итоге, его пассажирами. Чтобы отслеживать скорость, определяя эти неровности, акселерометр используется для определения их величины и времени. Таким образом, для автомобиля с заданной колесной базой (W) интервал (T 1 ) для обеих осей до столкновения с ухабом можно использовать для вычисления скорости, с которой движется автомобиль, с помощью следующего уравнения: (См. Рисунок 1.)

Скорость [миль / час] = ( Вт, [фут] / T 1 [с]) * (3600 с / час) / (5280 футов / миль).
Скорость [км / час] = ( W [м] / T 1 [с]) * (3600 с / час) / (1000 м / км).

Образец журнала данных
M xx = Величина неровностей (коэффициент заполнения%)
t xx = мгновенное время неровностей (с)
T x = продолжительность между двумя коррелирующими неровностями (с)
S 0 = предыдущая допустимая скорость (миль / час)
S 1 = текущая расчетная скорость (миль / час)

Рисунок 1. Время события для измерения скорости.

При регистрации данных во время типичной езды по местным дорогам для получения экспериментальной информации акселерометру нелегко отличить отскоки и вибрации в системе подвески автомобиля и пары шипов, вызванные неровностями дороги.Таким образом, необходима система фильтрации, чтобы изолировать неровности. Оценочная плата ADXL202EB-232 имеет внутреннее программное обеспечение, которое позволяет сглаживать данные с помощью фильтрации нижних частот. Это дает больше шансов распознать неровности дороги и использовать их в расчетах. Когда эта проблема решена, возникает проблема корреляции — например, если есть две одинаковые неровности, расстояние между которыми меньше, чем расстояние между автомобилем, трудно разобраться в четырех общих неровностях, которые машина испытывает за короткое время.Следовательно, необходимо разработать алгоритм для точного перевода точек данных в действительные показания спидометра.

Если акселерометр расположен посередине между осями с осью X, параллельной поверхности Земли и направленной прямо вперед, и осью Y, перпендикулярной поверхности Земли, амплитуды импульсов ударов, создаваемых передними и задними колесами, равны примерно равны (в некоторой степени зависит от системы подвески автомобиля). Чтобы определить пары неровностей, необходимо сравнить их величину, чтобы сопоставить неровности с передней и задней осями.В то же время текущая скорость в таблице должна быть сравнена с последней действительной скоростью, чтобы определить, возможна ли текущая расчетная скорость. Например, если автомобиль ехал со скоростью 25 миль в час около секунды назад, крайне маловероятно, что текущая скорость будет 45 миль в час или более. Таким образом, используя сравнение времени и скорости, любые результаты, которые не имеют смысла, будут рационализированы или проигнорированы.

Анализ данных . Цифровые выходы ADXL202 имеют модуляцию рабочего цикла; вовремя пропорционально ускорению.Рабочий цикл 50% (прямоугольный выходной сигнал) представляет собой номинальное ускорение 0 g; масштабный коэффициент составляет ± 12,5% изменения рабочего цикла на грамм ускорения. На эти номинальные значения влияют начальные допуски устройства, включая ошибку смещения нуля g и ошибку чувствительности.

В приложении, описанном здесь, выходной сигнал рабочего цикла 50% соответствует идеально плавной езде — акселерометр не обнаруживает ударов или вибрации. В целом, благодаря динамике подвески автомобиль лучше реагирует на неровности на более низких скоростях.Таким образом, для более низких скоростей должна быть меньшая чувствительность к величине неровностей (M xx ), а пороговый уровень может быть выше. Значения меньше порогового уровня будут считаться недействительными данными, тогда как величины выше порога ( действительных величин ) перейдут к следующему этапу фильтрации.

Цель следующего этапа — заблокировать невозможную скорость, вызванную двумя соседними неровностями, которые расположены ближе друг к другу, чем колесная база транспортного средства. Для решения этой проблемы, если S 1 (определено ниже) превышает общий предел ускорения 20 миль / ч / с по сравнению с S0, набор данных недействителен.Однако конфигурацию четырех неровностей можно преобразовать в допустимые скорости, объединив первый и третий неровности, а также второй и четвертый неровности (рис. 2).

Рис. 2. Ось X (вперед-назад), параллельная поверхности Земли.

A: M 01 = 52,41%, t 01 = 135,862 с
B: M 11 = 52,15%, t 11 = 135,938 с
C: M02 = 53,08%, t 02 = 136,179 с
D: M 12 = 51,66%, t12 = 136,242 с

На рис. 2 показаны последние данные, зарегистрированные с помощью ADXL202EB в автомобиле, движущемся с постоянной скоростью 20 миль в час.На первый взгляд кажется, что A и B — это две коррелирующие неровности, а также C и D. Однако t 11 — t 01 = 0,076 секунды, что соответствует скорости около 81 мили в час. Это будет сравниваться с последней действительной скоростью, используя метод измерения Delta A, и отменит корреляцию A и B. Тогда A и C объединяются в пару: t 02 — t 01 = 0,317 секунды, как и B и D (0,304 с), что соответствует скоростям примерно 19,4 и 20 миль в час.2 кмч соответственно. Из уравнения 1 и 9-футовой колесной базы T x для скорости 20 миль в час равняется 0,307 секунды. Результаты здесь показывают различия в 3,2% и 1% соответственно.

Это простое решение устраняет наиболее распространенный источник ложных показаний. Но, конечно, есть много других конфигураций неровностей, которые могут привести к ошибочным показаниям скорости. Со многими из них можно справиться с помощью все более умных алгоритмов и обработки сигналов, но, в конце концов, нужно понимать, что это вычисление является частью системы, заменяющей временной потерей сигналов GPS, предназначенной для поддержания разумной точности в короткие сроки. интервалы.

Какая ось? Можно рассмотреть возможность использования оси X или оси Y (или обеих) для получения данных об ускорении для измерения неровностей на дороге. Ось Y (вертикальная) измеряет фактическую величину, измененную — и часто искаженную — динамикой системы подвески автомобиля, в то время как ось X измеряет величину компонента ускорения спереди и сзади (поперечная ось акселерометра) как машина проезжает по кочкам.

Первый подход (рис. 3) измеряет ускорение по оси Y (перпендикулярно поверхности Земли).В условиях отсутствия ударов измерение будет составлять 1 г, установленное статической гравитационной силой Земли. Этот номинальный выход 62,5% (50% + 12,5% / г) может быть смещен до значения 50% в качестве отправной точки для положительных или отрицательных сил вертикального отклонения.

Второй подход (показан на рисунке 2) использует ось X (параллельную поверхности земли) для измерения прямого и обратного ускорения. В безударной ситуации измерение будет 0 г. Поскольку на движение автомобиля влияет неровность, акселерометр улавливает пик ускорения по оси Y, который сильно фильтруется системой подвески автомобиля.В то же время ось X также улавливает меньший, но «чистый» передний компонент этого скачка ускорения из-за движения вперед и назад, вызванного неровностями (и чувствительностью поперечной оси акселерометра). Во время пробных запусков этот последний метод (рис. 2) дал лучшие результаты.

Этот подход помогает отфильтровывать нежелательный шум. Кроме того, на рисунке 3 можно увидеть, что при ударе о неровность вертикальная составляющая ускорения имеет тенденцию демонстрировать довольно низкий коэффициент демпфирования. Эти сложности можно преодолеть, полагаясь на движение вперед-назад.

Рис. 3. Ось Y (вертикальная), перпендикулярная поверхности Земли.

Приложение

Описанные в этой статье испытания были выполнены с использованием оценочной платы ADXL202EB-232 и программного обеспечения Crossbow на персональном компьютере. Вот пошаговое описание процесса и его блок-схема (рисунок 4).

  1. Подключите ADXL202EB-232 к последовательному кабелю, а затем к порту RS-232 компьютера.
  2. Откройте программу X-Analyze, предоставленную Crossbow.
  3. Щелкните «Добавить соединение» и выберите «ADXL202-EB-232A на COM1».
  4. Щелкните «Настроить соединение»; затем нажмите «Калибровать».
  5. Для калибровки возьмите доску так, чтобы плоскость XY была перпендикулярна земле, и поверните доску на 360 градусов вокруг этой плоскости.
  6. Выберите как можно более высокую частоту обновления и частоту регистрации 50 Гц; Выберите коэффициент фильтрации 1.
  7. Выберите папку журнала; здесь будут сохраняться файлы с логами .txt.
  8. Щелкните «Сохранить и выйти».
  9. Установите / прикрепите плату к транспортному средству так, чтобы ось Y была обращена либо к нижней части транспортного средства, а ось X — прямо вперед.Убедитесь, что доска надежно закреплена и не может перемещаться относительно кузова автомобиля при наезде на неровности.
  10. Щелкните «Журнал всех подключений», когда будете готовы записать данные.
  11. После регистрации данных та же кнопка используется для «Остановить запись».
  12. Откройте файлы .txt, скопируйте и вставьте их в Excel для создания диаграмм / графиков.
Рисунок 4. Схема вычислений.

Как добавление акселерометров к ключам помешает угонщикам

Во время Исполнительного конгресса по МЭМС и датчикам в Сан-Хосе, Калифорния, на прошлой неделе., дизайнеры, исследователи и представители отрасли выступали за установку устройств MEMS, таких как акселерометры и микрофоны, а также широкий спектр других датчиков практически во всем. Мы слышали об электрическом сноуборде с трекшн-контролем, мусорных баках с голосовым управлением и акселерометрах, размещенных на носу для прослушивания речи в шумной обстановке.

Но иногда самый простой пример оказывается самым запоминающимся. В данном случае это был акселерометр MEMS — такой же, как в вашем счетчике шагов — который мешает угонщикам.

Ларс Регер, технический директор автомобильного подразделения NXP, сказал, что системы пассивного входа без ключа (PKE) можно сделать более безопасными с помощью недорогого акселерометра. Системы PKE разблокируют автомобиль — и позволяют ему завестись нажатием кнопки — путем распознавания, когда «ключ» находится близко к автомобилю, либо рядом с ним, либо внутри него. Это удобно для водителей, которым не нужно вынимать ключ из кармана или сумочки. Но PKE до смешного легко взломать — по крайней мере, когда автомобиль стоит на подъездной дорожке, а владелец дома.

Взлом, продемонстрированный швейцарскими исследователями в 2011 году и до сих пор используемый автомобильными угонщиками по всему миру, работает, потому что большинство людей бросают ключи от машины в корзину или на стойку довольно близко к входной двери — достаточно близко, чтобы вор с радио снаружи может принимать сигналы от ключа. Сообщник с другим радиоприемником стоит возле входной двери автомобиля, чтобы принимать сигналы от ключа и передавать эти сигналы в машину. Система, сделав вывод о том, что ключ находится рядом, отпирает машину.

Ранее в этом году исследователи осуществили взлом с использованием оборудования стоимостью 22 доллара США в демонстрации на конференции по безопасности, о которой сообщалось в Wired . Команда предположила, что изменение времени звонков и ответов из машины и ключа может решить проблему. Тем временем держателям ключей PKE посоветовали хранить ключи от машин в холодильниках, металлические поверхности которых будут блокировать сигналы ключей.

У

NXP есть еще одно решение (и, конечно же, компания скоро выводит его на рынок, поэтому представители охотно о нем говорят).Менеджер по развитию бизнеса Марк Осайда рассказал мне, что NXP изначально работала над механическим переключателем, который позволяет включать и выключать радио в ключе PKE. Затем, после слияния компании с Freescale Semiconductor в 2015 году, инженеры Freescale выступили за использование вместо этого устройства MEMS, утверждая, что его более низкое энергопотребление делает его подходящим для гаджета с ожидаемым сроком службы батареи в год или более.

Введите акселерометр. Компонент на 50 центов работает на основе предположения, что если ваш ключ PKE некоторое время находится в одном месте, вы никуда не денетесь, поэтому он может выключить свое радио и микроконтроллер, который слушал автомобильное радио; он снова включится, как только вы его возьмете в руки.Осажда сказал, что вместо сокращения срока службы батареи установка акселерометра в ключ PKE в конечном итоге продлевает срок службы батареи, потому что акселерометр потребляет гораздо меньше энергии, чем те части, которые он позволяет ключу выключиться.

Конечно, по словам Осайды, все было не так просто, в основном потому, что ключи от машины подвергаются большему злоупотреблению, чем носимые наручные часы. Он отметил, что люди часто роняют ключи (иногда даже из окон второго этажа на бетон) или бросают их в стиральные машины (что неудивительно для ключей, предназначенных для того, чтобы оставаться в кармане).

MEMS-коммутатор NXP будет запущен в производство в течение следующих нескольких недель, сказал Осайда, и будет включен в ключи PKE от различных производителей в течение 2018 года.

А пока обратите внимание на знакомые МЭМС и другие датчики, появляющиеся в незнакомых местах. Эта тенденция только начинается.

Лаборатория автомобильной электроники Clemson: датчики ускорения

Датчики ускорения

Базовое описание

Датчики линейного ускорения, также называемые датчиками перегрузки, — это устройства, которые измеряют ускорение, вызванное движением, вибрацией, столкновением и т. Д.Все датчики ускорения работают на основе простого принципа, в котором второй закон движения Ньютона применяется к системе пружина-масса. Масса соединена с основанием датчика ускорения через эквивалентную пружину. Поскольку сила между массой и основанием пропорциональна ускорению массы, а относительное расстояние между ними линейно зависит от силы, создаваемой пружиной, ускорение можно вычислить на основе измерения относительного положения массы или усилие на пружину, поскольку оно меняется со временем.Как правило, наиболее распространенными типами датчиков ускорения являются: пьезоэлектрические, пьезорезистивные, с переменной емкостью и переменным сопротивлением.

Пьезоэлектрический

Пьезоэлектрический датчик ускорения использует пьезоэлектрический эффект для измерения относительного расстояния между массой и основанием датчика, а затем представляет ускорение в терминах выходного напряжения. Кристаллы кварца иногда используются в качестве чувствительных элементов. Но обычно используются керамические пьезоэлектрические материалы, такие как титанат бария, титанат цирконита свинца (PZT) и метаниобат свинца.Пьезоэлектрические датчики ускорения широко используются из-за их компактных размеров и небольшого веса, но их нельзя использовать для измерения установившихся ускорений.

Пьезорезистивный

В пьезорезистивном датчике ускорения пьезорезистивный материал расположен так, что он деформируется из-за положения массы, изменяющей свое сопротивление. Этот тип датчика ускорения обычно имеет небольшой размер, большую амплитуду сигнала и хорошую линейность, но он может быть чувствительным к колебаниям температуры.Пьезорезистивные датчики можно использовать для измерения как установившихся, так и динамических ускорений.

Переменная емкость

Датчик ускорения с переменной емкостью использует изменения емкости, вызванные смещением массы, для определения своего положения. Чувствительный элемент, обычно используемый здесь, представляет собой конденсатор с противолежащими пластинами с воздушным демпфированием. Датчики ускорения этих типов обладают хорошей чувствительностью, линейным выходом, хорошей реакцией на постоянный ток, малым рассеянием мощности и низкой температурной чувствительностью.Одним из недостатков датчиков переменной емкости является то, что они могут быть подвержены электромагнитным помехам.

Переменное сопротивление

Датчик ускорения с переменным магнитным сопротивлением использует изменения индуктивности катушки, вызванные смещением массы, изготовленной из магнитного материала, для определения положения массы.

В большинстве датчиков ускорения пружина не является пружиной из витой проволоки, но это то, что стремится вернуть массу в исходное положение.В некоторых датчиках вместо пружины используются маятники или диафрагмы.

Серво датчики баланса сил работают по замкнутому циклу. Эти датчики контролируют баланс сил между массой и пружиной и поддерживают их в состоянии равновесия. Этот механизм сводит к минимуму ошибки, вызванные нелинейностью пружины, но увеличивает стоимость.

Датчики ускорения MEMS: Датчики ускорения, основанные на технологии MEMS (MicroElectroMechanical Systems), становятся все более популярными в автомобильных системах.Устройства MEMS относительно небольшие и прочные по сравнению с другими технологиями. Они изготавливаются путем травления крошечной механической структуры на кремниевых пластинах, где они легко интегрируются с системной электроникой.

В датчиках ускорения MEMS чувствительный элемент представляет собой гребенчатую структуру из дифференциальных конденсаторов, расположенных параллельно на балке (формирующей сейсмическую массу), поддерживаемой пружинами, вытравленными из кремниевой подложки. Дифференциальный конденсатор образует емкостной полумост, управляемый высокочастотным генератором прямоугольных импульсов.Когда ускорение применяется перпендикулярно сейсмической массе, дифференциальный конденсатор не согласовывается, и на центральной пластине появляется ненулевое напряжение. Этот сигнал предварительно усиливается, демодулируется, усиливается и выводится как напряжение, пропорциональное приложенному ускорению.

Автомобильные применения датчиков ускорения:

  • Обнаружение столкновения и срабатывание подушки безопасности: для измерения интенсивности столкновения и подачи сигнала для запуска срабатывания подушки безопасности.
  • Электронные программы стабилизации и управления: Измеряет ускорение по различным осям (например, ускорение вперед, при торможении и повороте, для вычисления относительных перемещений и их регулирования).
  • Антиблокировочная тормозная система.
  • Активные системы подвески: Измеряет продольные и поперечные ускорения, а также характеристики крена автомобиля для соответствующего изменения характеристик амортизатора.
  • Управление спуском / удержанием на холме: Измеряет наклон и скорость транспортного средства для регулирования системы.
  • Мониторинг шума, вибрации и резкости.
  • Автомобильные навигационные системы для определения местоположения, скорости и т. Д. Автомобиля
Производителей
ÅAC Microtec, Altheris, Analog Devices, Bosch, Continental, CTC, Freescale, GE, Honeywell, Kionix, Memsic, Mitsubishi Electric, McLaren Electronics, Murata, Omega, Panasonic, печатная плата, Rieker, Sensata, Silicon Designs, STMicroelectronics, TRW
Для получения дополнительной информации
[1] Акселерометр, Википедия.
[2] МЭМС акселерометры STMicroelectronics, YouTube, 8 июня 2009 г.
[3] Акселерометры MEMS, Матей Андреяшич, 2008 г. (pdf)
[4] Оптический акселерометр представляет новый класс датчиков движения, Optics.org, 29 октября 2012 г.
[5] Акселерометры и как они работают, Texas Instruments.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.