Акселерометр в часах что это – Сенсоры и датчики в фитнес-браслетах и умных часах: как это работает?

Сенсоры и датчики в фитнес-браслетах и умных часах: как это работает?

Немногие владельцы умных устройств задаются вопросом, как именно работают различные датчики, которыми оснащены современные гаджеты. Стоит отметить, что еще пару лет назад «умный» браслет только и умел, что считать шаги. Теперь же фитнес-браслеты и умные часы умеют считать пройденное расстояние, распознавать свое положение в пространстве, реагировать на уровень освещения и делать многое другое. Как все это работает?

Акселерометры

Практически в любом фитнес-трекере есть акселерометр. Этот модуль может использоваться для выполнения различных задач, но основная функция акселерометра — подсчет количества сделанных шагов. Акселерометр также дает гаджету информацию о положении в пространстве и скорости передвижения.

Таким образом, трекер или часы «понимают», в каком положении сейчас находятся, «зная» о том, двигается владелец или нет.

Не все акселерометры одинаковы — есть цифровые, есть аналоговые, есть чувствительные, есть не очень.

GPS

Этой технологии исполнилось уже несколько десятков лет, но она до сих пор остается одной из наиболее востребованных. GPS позволяет определять координаты объекта с высокой точностью, используя сигнал, посылаемый спутниками (всего их 29).

GPS модуль в часах или трекере получает сигнал со спутника. А по времени, которое проходит с момента отправки сигнала спутником до момента фиксации модулем, можно определить примерное положение модуля. Чем больше спутников в зоне действия, тем точнее определяются координаты.

Соответственно, GPS модуль позволяет определять скорость передвижения, высоту над уровнем моря и некоторые другие параметры.

Оптические датчики сердечного ритма

Для определения частоты сердечного ритма не нужно идти к врачу. Современные оптические датчики могут довольно точно снять показания. Светодиоды такого датчика излучают свет, который поглощается тканями организма, включая кровь. При этом кровь поглощает больше света, чем, к примеру, кожа. Изменения количества крови в сосудах приводит к изменению уровня поглощения света, что и фиксирует датчик.

Специальный алгоритм на основе этих данных определяет частоту сердечного ритма. Самые продвинутые датчики приближаются по точности к ЭКГ.

Датчики электропроводимости кожи

Модули такого типа предназначены для измерения проводимости кожи. Чем больше влаги на коже, тем лучше ее проводимость. А по уровню увлажнения кожи можно определить и уровень активности тренировки.

Данные с таких датчиков коррелируют с показаниями других датчиков. А специальных алгоритм просчитывает данные, анализирует их и выводит в читаемом виде на дисплей часов или смартфона.

Термометры

Даже элементарный термометр может дать довольно точную оценку температуры кожи. Чем выше температура, тем активнее проходит тренировка. Информация о температуре кожи сравнивается с показаниями других датчиков, после чего устройство предоставляет данные об активности тренировки пользователю.

Оценка освещенности

Здесь все просто. Датчик освещенности обычно включает фотоэлемент, который дает больше тока, если уровень освещенности растет. Соответственно, устройство «понимает», какое сейчас время суток, сравнивая данные по уровню освещенности с показаниями времени.

Примерно так же работают и датчики УФ освещения, правда, в этом случае фотоэлемент настроен только на УФ-спектр, а не на регистрацию видимого освещения.

Биоимпедансные сенсоры

Датчики такого типа есть в Jawbone UP3 и некоторых других трекерах. Подобный модуль может определять сразу три показателя: частоту сердечного ритма, частоту дыхания и проводимость кожи.

По словам представителей компании, биоимпедансные сенсоры фиксируют мелкие изменения в организме, и на основе этих данных специальный алгоритм просчитывает указанные выше показатели.

Вывод

В фитнес-трекере или умных часах может быть большое количество разнообразных сенсоров. Но без детального анализа получаемых данных эта информация ничего не стоит. Поэтому большое значение имеет программное обеспечение, которое проводит обработку и хранение результатов измерения.

Чем совершеннее программа, тем больше полезной и, главное, понятной информации получает пользователь.

Метки мобильные датчики, разборка

medgadgets.ru

Что такое акселерометр и для чего он нужен в смартфонах. Как работает акселерометр в фитнес-браслете.

Датчик под названием акселерометр (он же G-сенсор) создан для того, чтобы определять наклон устройства относительно положения земли. Так, каждый владелец смартфона или фитнес-браслета, часто не подозревая об этом, использует акселерометр.

Практически все современные смартфоны и планшеты оснащаются акселерометром. Он необходим для того, чтобы замерять уровень смещения относительно уровня покоя, в любое время замерять активность человека, распознавать и демонстрировать положение в пространстве. Встроенный акселерометр дает возможность оперативного управления телефоном за счет моментального реагирования на изменения его положения. За счет этого устройства при смене положения смартфона поворачивается его экран для максимального удобства. Кстати, именно акселерометр защищает от удаления всех записей в случае непредвиденной ситуации. Таким образом акселерометр является незаменимым элементом любого смартфона.

Если в смартфонах такой датчик устанавливается для определения положения экрана, то в фитнес-браслетах он применяется с единственной целью: подсчет числа сделанных шагов, а также определение пройденной человеком дистанции. Большинство моделей фитнес-браслетов также могут определять сердечный ритм и различать состояние бодрствования и сна.

В часах акселерометр устанавливается с той же целью, что и в фитнес браслетах Устройство подсчитывает количество шагов, показатели физической активности, создает отчеты в соответствующих приложениях, подсчитывает, какое количество калорий человек потратил в процессе физической тренировки. Фитнес-часы – это отличное устройство для тех, кто занимается спортом и следит за своим здоровьем.

Как это работает?

G-сенсор представляет собой крошечный чип. Он ставится на плате устройства. В двух словах: данный чип представляет собой особую инертную массу, которая крепится к достаточно гибкой и подвижной составляющей части, закрепляемой на на подвижном элементе. Чтобы подавлять любые случайные мини колебания инертная масса должна быть присоединена к демпферу.

Принцип акселерометра заключается в том, что он производит замер уровня смещения относительно уровня состояния покоя. Далее происходит преобразование получаемой информации в электросигнал. Последний, в свою очередь, переходит к программному обеспечению, электронике. Так выглядит упрощенный пример работы датчика. Чтобы акселерометр давал точные результаты для его изготовления требуются максимально точные пропорции и расчеты. Датчик не создается вручную. Для его изготовления используются химические реакции и полностью автоматизированное производство.

В чем преимущества фитнес-браслета со встроенным акселерометром?

Любой акселерометр-браслет намного удобнее, чем смартфон, используемый в тех же целях. Можно выделить следующие преимущества таких устройств:

• Носить телефон в руке для того, чтобы фиксировать все данные при движении, неудобно. К тому, же его нельзя брать с собой при занятиях плаванием. Фитнес браслет надежно крепится на руке и сопровождает своего владельца повсюду.
• Чтобы использовать смартфон в качестве фитнес-браслета, потребуется постоянно держать его подключенным к интернету и другим приложениям. Фитнес-браслет достаточно синхронизировать с интернетом всего один раз в сутки.
• Чтобы сохранить данные в телефоне также потребуется использование специальных программ. В браслете сохранение данных осуществляется автоматически без загрузки каких-либо дополнительных приложений.

Отличия акселерометра от гироскопа

Сегодня многие не знают, чем отличается гироскоп от акселерометра. Многие путают даже названия этих устройств. Между тем, главное отличие заключается в принципе работы акселерометра и гироскопа. Если акселерометр замеряет уровень наклона по отношению к земле путем расчета собственного успокоения, то гироскоп производит замер угла наклона относительно земли. Эти острова могут работать по отдельности, но в большинстве смартфонов он устанавливаются совместно, дополняя работу друг друга.

fitnessbraslet.com

10 датчиков «умных» часов iWatch

Apple выпустит осенью сразу несколько моделей умных часов iWatch. Детали о дизайне, дате выхода и функциях грядущего устройства девайса опубликовали со ссылкой на анонимные источники информагентство Reuters и тематическое издание MacWorld.

По данным СМИ, носимый компьютер Apple будет содержать 10 датчиков, включая сенсоры, фиксирующие активность при занятии фитнесом. Такое количество необходимо, чтобы функциональность iWatch была заведомо шире, чем у смартфонов. Делая замеры на протяжении всего дня, владелец гаджета сможет получить картину общего самочувствия и своего физического состояния.

10 датчиков «умных» часов iWatch:

1. Акселерометр

Акселерометр (G-сенсор) — это миниатюрный датчик, который, если говорить научным языком, измеряет проекцию кажущегося ускорения. Если говорить проще, то он определяет угол наклона гаджета относительно поверхности Земли. Программное обеспечение, получающее информацию об угле наклона с акселерометра, поворачивает изображение на экране.

2. Гироскоп

Гироскоп (гиродатчик) служит для определения ориентации устройства в пространстве, для отслеживания его перемещения. Программное обеспечение, используемое вместе с гироскопом, способно быстро реагировать на перемещение девайса в пространстве и принимать соответствующие решения.

3. Магнитометр

Магнитометр – это модуль для измерения характеристик магнитного поля и магнитных свойств материалов. Другими словами, цифровой компас.

4. Датчик барометрического давления

Барометр будет измерять атмосферное давление в текущем местоположении владельца iWatch и определять высоту над уровнем моря. Эта функция особенно пригодится, когда пользователь передвигается по наклонным плоскостям, будь то холм или гора, потому как барометр помогает, в зависимости от атмосферного давления и высоты, подсчитать точное количество калорий, которые сжигаются во время прогулки.

5. Датчик температуры окружающей среды

Это простой сенсор, с помощью которого «умные» часы смогут мониторить температуру окружающей среды. Стандартные датчики работают в диапазонах от -20 до +50С. С его помощью часы смогут определить оптимальный уровень комфорта и откорректировать погрешности давления, вызванные изменением температуры воздуха.

6. Монитор сердечного ритма

Монитор сердечного ритма или как их часто называют пульсометры, кардиомониторы или даже пульсомеры, в iWatch станет помощником как для профессиональных бегунов, так и для любителей джоггинга. Он позволит отслеживать сердечную деятельность, пульс и давление, помогая внести коррективы в план пробежек.

7. Датчик оксиометрии

С помощью датчика оксиометрии компьютеризированные часы смогут измерять насыщенность крови кислородом. Подобные сенсоры состоят из двух частей: светоизлучающих диодов и детектора света (фотодетектора). Световые лучи проходят через кожу. Кровь и ткани поглощают определенное количество света, излученного датчиком, которое зависит от степени насыщения гемоглобина крови кислородом. Фотодетектор, в свою очередь, улавливает свет, прошедший через ткани, а устройство рассчитывает показатели организма.

8. Датчик проводимости кожи

Модуль кожно-гальванической реакции будет измерять проводимость кожи. Данный параметр меняется в зависимости от состояния симпатической нервной системы. На изменения проводимости влияют бессознательные эмоции, такие как внезапный шум, запах, прикосновение, боль и т.д.

9. Датчик температуры кожи

Датчик температуры кожи будет измерять температуру тела человека. Сравнивая показания с модулем, фиксирующим температуру окружающего воздуха, устройство сможет определить интенсивность тренировки и нагрузок на организм человека.

10. GPS

Стандартный для мобильных устройств модуль приёма-передачи данных для спутникового контроля, использующий системы Global Positioning System для точного определения местонахождения человека.

О том, что iWatch будут созданы с большим упором именно на отслеживание множества параметров состояния здоровья пользователя, мы писали ещё в феврале. Именно поэтому последние утечки данных не вызывают удивления. Ранее сообщалось, Apple выбрала несколько известных спортсменов для тестирования своих часов.

Анонс часов ожидается в октябре с появлением их в продаже в течение месяца.

www.digger.ru

Датчики современных смартфонов — android.mobile-review.com

26 сентября 2019

Владимир Нимин

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

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. 

android.mobile-review.com

Дела сердечные: как современные гаджеты измеряют пульс

За редким исключением главным измерительным прибором в фитнес-трекерах является датчик пульса, измеряющий частоту сердечных сокращений. Современное программное обеспечение в сочетании с искусственным интеллектом способно по его данным вычислять довольно многое — от патологических состояний организма до уровня стресса и фаз сна. Постараемся рассказать на примере технологии TruSeen компании Huawei.

Леонид Акулов

12 сентября 2019 18:34

Есть датчики, которые отслеживают кровенаполнение сосудов расположенных в руке — фотоплетизмограмму. Классика — датчик на пальце, пульсометр. То, как свет проникает сквозь палец можно увидеть, если, например, приложить его на обратную поверхность компьютерной мышки, в область сенсора. Этот свет имеет малые пульсации, связанные с сердечным ритмом, которые при определенной сноровке можно заметить даже невооруженным глазом.

Свет регистрируется фотодиодом, по сути, светочувствительной однопиксельной камерой с большим пикселем, который снимает показатели 25−100 раз в секунду. Естественный световой поток от пальца сигнал получается очень слабым и шумным, потому для подсветки используется светодиод.

Принцип снятия PPG с пальца

Со временем возникла идея использовать пульсометр в часах, с датчиком в районе запястья. Проблема в том, что снимать сигнал с запястья гораздо хуже, чем с пальца. С пальца мы берем свет, который пропускается через объект, а на запястье — который отражается (т.к. толщина запястья намного больше пальца и для просвета нужен очень мощный источник). Кроме того, палец является «терминальной точкой» распространения пульсовой волны. Это значит, что волна отражается от кончика пальца и потому именно на этом кончике хорошо видна. Для отражения лучше использовать свет зеленого цвета, поскольку именно он дает оптимальное соотношение глубины проникновения и отражения. Синий почти не проникает под кожу, а красный и инфракрасный, наоборот проникают слишком глубоко и одновременно захватывает сосудистые русла, в которых пульсовые волны распространяются по разному. Как следствие, сигнал получается более шумным.

Распространение света под кожу

Отдельная история с людьми с черной кожей. Из-за большого поглощения приходится или увеличивать мощность подсветки (что повышает энергопотребление) или использовать «более красный» источник. В часах Huawei применяется инфракрасный светодиод, что дает более шумный сигнал по отношению с зеленому сигналу, снятому с человека со светлой кожей. Для измерения пульса по фотоплетизмограмме (ФПГ) выделяют отдельные периоды и считают число пиков на сигнале, что не всегда возможно. Во‑первых, сигнал отражает колебания в кровеносном сосуде весьма плохо, накладываются различные артефакты в виде дыхательных волн и отражения от неоднородностей. Во‑вторых, и это главное, использование наручных часов — активный процесс весьма и в сигнал вмешиваются движения человека, которые «забивают» полезный сигнал пульса. Кроме того, частоты движения и частоты сердечных сокращений весьма близки, что не позволяет применять методы простого частотного разделения. А раз так, то появляется необходимость в использовании «умного» алгоритма.

Форма сигнала пульсовой волны PPG

Кроме, оптического, в часах и механические датчики, такие как акселерометр и гироскоп. Акселерометр, или датчик линейных ускорений, измеряет по трем осям перегрузки, которым подвергаются часы. Например, благодаря акселерометру наш смартфон считает шаги и чувствует, что его перевернули, меняя ориентацию картинки на экране. Но при перемещении рук на часы может действовать перегрузка в несколько раз превышающая g, кровь в сосудах подвергается значительным возмущениям, что прямо отражается на сигнале ФПГ.

Вторым важным датчиком является датчик угловых скоростей или гироскоп, который фиксирует вращательные движения. По вращательным движениям и акселерометру и определяется изменение положения часов в пространстве. Мы можем записывать показания гироскопа и акселерометра одновременно и использовать их при анализе сигнала ФПГ. Акселерометр — пассивный датчик, потребляющий минимум энергии. Его можно сравнить с пружиной и шариком на конце, где для измерения ускорения достаточно просто «прочитать» показания удлинения пружины. Гироскоп — датчик активный и для его работы требуется больше энергии, поскольку в нем содержатся движущиеся части — колеблющаяся пластина, параметры колебания которой жестко связаны с угловыми скоростями датчика. Потому, для экономии аккумулятора, гироскоп не используют непрерывно.

Показания с трех осей акселерометра во время бега

Если вы пользуетесь фитнес-трекерами, то знаете два режима «снятия» пульса — с состоянии покоя и в движении. Первый требует от пользователя практически не двигаться, но точно считает каждый удар и время между соседними сердечными сокращениями. Этот алгоритм используется в состоянии покоя и во сне. Интересно, что в ночном режиме трекеры переходят на инфракрасную подсветку, которая не видна человеческому глазу и не мешает во время сна, как зеленая. Гораздо сложнее второй случай, когда приходится измерять пульс в условиях сильных механических возмущений. Уровень сигнала сердца становится очень малым на фоне помех движения и считать каждый кардиоимпульс отдельно на кривой сигнала становится неподъемной задачей.

Подсчет каждого пика на сигнале PPG

Такой сигнал рассматривается в частотной области. Для частотного представления используется математическое преобразование Фурье, результатом которого является спектр сигнала. Если применять преобразование Фурье к относительно небольшим временным «окнам», то можно увидеть эволюцию спектра во времени, которая называется спектрограммой. Спектрограмма хороша тем, что на ней становится различима «нить» пульса. На картинке в реальном смысле этого слова видна прямая линия, совпадающая с пульсом и похожая на нить. Однако, нить различима далеко не всегда, т.к. накладывается очень много нежелательных шумов. Самые большие шумы в этой картинке, как правило, шумы движения. Их интенсивность может многократно превосходить интенсивность пульса. Для подавления частот движения используются фильтры, получающие сигналы с акселерометров, и пульс перестает теряться среди множества гармоник движения.

Спектрограммы PPG и акселерометра (ACC)

Самое интересное — придумать алгоритм, который бы находил нити на спектрограмме и следил за их изменением. Если частота ушла вверх, то фильтр должен перестроиться на более высокочастотный лад, если вниз — низкочастотный. Для этого применяется математика из теории следящих адаптивных систем. Как следствие, наилучшие результаты достигаются в условиях, когда движения периодичны и очень стабильны. К таковым можно, прежде всего, отнести активность на беговой дорожке. Наоборот, в условиях со слабой периодичностью движений (например, активные игры) не удается добиться таких высоких показателей.

В современных часах и трекерах есть функция распознавания активностей — бег, ходьба, езда на велосипеде, плавание и т. д. Все эти активности характеризуются определенным ритмом и, как следствие, интенсивностью физических нагрузок. Чем выше нагрузка — тем выше частота сердечных сокращений. Таким образом, мы приходим к одной из ключевых технологий Huawei — к технологии умного предсказания пульса, где используются сложные модели поведения пульса в разных ситуациях. Очевидно, например, что при одинаковой интенсивности ходьбы и бега будут разные отклики частоты сердечных сокращений. Кроме того, при разной тренированности разные люди показывают разные результаты. Так, например, для велосипедной активности у нас алгоритм работает не так, как при ходьбе или беге, поскольку сложный сигнал движения очень легко маскируется под пульс, ибо руки приходится держать на руле и интенсивность крайне мала. Возникает множество случайных помех от неровностей на дороге. Плюс возможно изгибание кистей рук на руле, что приводит к движению часов на запястье. Типовых примеров достаточно много и со всеми приходится иметь дело и уметь их обрабатывать.

Спектрограмма PPG с гармониками движения

Если для самых простых случаев можно попробовать создать модель поведения частоты сердечных сокращений, то для сложных это становится практически невозможно. Но сегодня мы живем в век искусственного интеллекта и компьютерные алгоритмы способны сами создавать сложные математические модели. Именно благодаря алгоритмам машинного обучения и нейросетям нам удается решать задачу оценки пульса с достаточной для любительских задач точностью.

Так, например, можно менять параметры модели в зависимости от пола, возраста, массы тела а также образа жизни человека — вся эта информация содержится в смартфоне. Эти знания могут сделать алгоритм распознавания точнее. Кроме того, можно примерно оценивать как сердечно-сосудистая система откликается на физические нагрузки и вносить изменения в алгоритм «на лету». Именно в этом состоит суть адаптивного алгоритма. Но здесь важно не преувеличивать важность модели и доверять ей только тогда, когда уверенность в достоверности ее результатов высокая. Сделать алгоритм, в котором оптимально сочетаются способности к предсказыванию и оценка реальной измерительной ситуации — достаточно непростая задача. Для её решения приходится применять искусственный интеллект — рекуррентную (сеть с обратными связями) нейронную сеть, которая учится обобщать различные состояния, в которых находится пользователь часов и предсказывать пульс в зависимости от состояния датчиков.

Умный алгоритм оценки ЧСС в часах Huawei

Для обучения нейросети нужны обучающие данные — датасеты. Для сбора этих данных привлекаются разные группы людей, которые выполняют задания имитирующие типовые сценарии поведения с надетыми часами. С датчиков собираются «сырые» данные. Точные данные по пульсу получают с нагрудных пульсометров, регистрирующие электрическую активность сердца (ЭКГ). Наше сердце генерирует очень мощные электрические импульсы, что позволяет регистрировать их очень надежно, но ношение нагрудного ремня очень не удобно. Именно поэтому датчик пульса встроенный в часы пользуется такой популярностью, ибо позволяет привычный предмет, изначально предназначенный только лишь для измерения времени, использовать с гораздо большей эффективностью.

Следует отметить, что точность определения пульса по оптическому датчику ФПГ всегда будет ниже, чем точность нагрудного датчика ЭКГ. В том числе потому, что именно нагрудный датчик служит эталоном для датчика пульса, а не наоборот. Естественно, если вы профессиональный спортсмен и тренируетесь для взятия пьедестала на Олимпийских играх, то нужно пользоваться максимально точными инструментами. Если ваши запросы несколько скромнее то, для большинства практических бытовых задач оптического метода, используемого в умных часах Huawei, вполне достаточно.

www.popmech.ru

Акселерометр. Виды и типы. Работа и применение. Особенности

Акселерометр – это измерительный прибор позволяющий определить проекцию кажущегося ускорения. В простейшем исполнении он представляет собой грузик, закрепленный на упругом подвесе. При его отклонении от первоначального положения на упругом подвесе можно определить направление изменения положения, а также величину ускорения.

Виды акселерометров

Существует три разновидности акселерометров. Они бывают одноосные, двуосные и трехосные. Наиболее часто используемыми являются трехкомпонентные устройства. Они имеют возможность измерять проекцию кажущегося ускорения в 3-х плоскостях.

Данное оборудование бывает:

• Механическим.
• Электронным.
• Пьезоэлектрическим.
• Термальным.

Механический акселерометр является самой простой и полностью соответствует классической конструкции, которая была придумана изначально. У нее подвешенный груз закрепляется на эластичном подвесе. При изменении положения корпуса прибора под воздействием инерции подвешенное тело компенсирует перекос, тем самым воздействия на пружину на которой оно крепится. В результате специальный механизм определяет подобные колебания и переводит их в показатель линейного ускорения.

Электронные предусматривают совмещение механических частей прибора с датчиками. Они позволяют осуществить более точное и быстрое измерение параметров перемещения положения закрепленной массы. Подобные устройства в разы более компактные, и внешне могут представлять собой миниатюрный чип для микросхемы, габариты которого не превышают размер ногтя на мизинце.

Пьезоэлектрические имеют внутри твердый стержень, который постоянно находится под давлением и воздействует на пьезокристалл. В результате вибрации осуществляется выработка электрического тока. Измеряя параметры напряжения проводится определение фактических показателей ускорения.

Термальные имеют в своей конструкции миниатюрный пузырек воздуха. При ускорении он отклоняется от своего положения, что фиксируется чувствительными датчиками.

Сфера применения устройства

Развитие технологий привело к внедрению акселерометра в различные виды оборудования, позволяя расширить их технические возможности. Если сразу после изобретения подобные датчики применялись только на паровозах с целью определения скорости их движения, то сейчас такие приборы можно встретить повсеместно.

Акселерометр в телефонах и планшетах

Долгое время акселерометры относились к оборудованию, которое не интересно окружающим. С развитием электронных технологий подобная тенденция пошла на убыль, сделав этот прибор известным среди широких масс. В первую очередь этому поспособствовало появление современных смартфонов, в корпусе которых имеется такое устройство.

Именно благодаря акселерометрам при изменении положения экрана смартфон переводит ориентацию изображения с книжной на альбомную. Впервые данный прибор был применен в мобильном телефоне компанией Nokia. Устройство было установлено в телефон Nokia 5500. Помимо переключения ориентации экрана, акселерометры обеспечивают возможность управления в играх, в частности гонках, где для управления транспортом нужно делать уклоны смартфоном.

При изучении инструкции телефонов, планшетов и прочей мобильной компьютерной техники можно увидеть информацию о наличие так называемого G-датчика. Он и есть тот самый акселерометр.

Именно акселерометр позволяет с помощью специального приложения использовать смартфоном в качестве строительного уровня.

Установка в фитнес-браслетах

Также причиной популяризации акселерометра стала мода на фитнес браслеты и умные часы. Данное устройство предназначено в первую очередь для обеспечения реализации функции шагомера. Осуществляя шаги, тело человека придает ускорение инертной массе внутри чувствительного чипа.

Программное обеспечение реагирует на особый тип колебаний, который может возникать на инертной массе только при выполнении шага. В остальных случаях, к примеру, при небольших покачиваниях рукой колебания не засчитываются. Все же обмануть шагомер возможно сделав такое телодвижение, чтобы прибор засчитал его как шаг. Но фактическое количество ложных шагов, которые считаются на протяжении дня, не слишком высокое, что создает минимальную погрешность измерений. Акселерометры у современных даже дешевых шагомеров не реагируют на мелкую встряску, к примеру, если прибор лежит в сумке, а не закреплен на руке.

Применение в видеорегистраторах

Акселерометры можно встретить и в конструкции многих видеорегистраторов. Казалось бы, такое оборудование явно не нуждается в подобном датчике. На самом деле производители регистраторов нашли весьма интересное применение для акселерометра. Он связан с программным обеспечением отвечающим за проведение съемки и сохранение видео данных. Датчик ускорения настроен таким образом, что при появлении неестественных инертных нагрузок, к примеру, при резком торможении или маневре на скорости, подается соответствующий сигнал. В результате видеорегистратор записывает видео в особенный файл. Благодаря этому результаты съемки сохранятся, и прибор не сможет автоматически их удалить, чтобы очистить память для дальнейшей регистрации.

Использование в сфере автомобилестроения

Акселерометр является обязательной частью современного автомобиля, в котором уделяется особое внимание безопасности. В этом случае применяется полноразмерный пьезоэлектрический прибор. Благодаря акселерометру обеспечивается нормальная работа пневмоподвески, круиз-контроля и пр.

Установка для сохранения данных на жестком диске

Винчестеры ноутбуков, нетбуков, а также съемные жесткие диски зачастую имеют в своей конструкции акселерометр. Задача такого датчика заключается, в случае падения компьютера, подать предупредительный сигнал на жесткий диск.  Тот является командой для остановки головок винчестера. Это позволяет предотвратить серьезные повреждения диска и сохранить записанные на нем данные.

Применение в сфере строительства

Также акселерометры применяются в качестве оборудования, которое осуществляет измерение колебаний зданий. Устройство могут использовать как отдельное диагностическое оборудование и как постоянный датчик. Также прибор данной конструкции может применяться для мониторинга систем целостности трубопроводов. С его помощью оценивают и эффективность работы мостов.

Применение в сейсмостанциях

С помощью акселерометра осуществляется фиксация землетрясений. Такие датчики входят в устройство современных сейсмографов. Они отличаются повышенной точностью, что дает возможность определить силу колебаний по шкале Рихтера. Такие приборы отличаются от классического строения акселерометра. Закрепленное тело остается неподвижным, в то время как в результате колебаний двигается только корпус самого устройства.

На сейсмостанциях применяются одноосные акселерометры. Одни применяются только для фиксации горизонтальных колебаний, а другие вертикальных.

Использование в летательных аппаратах

Также акселерометр можно встретить в конструкции беспилотных устройств. Благодаря работе датчика осуществляется контроль плоскости движения аппарата. Это существенно облегчает дистанционное управление, особенно если прибор находится вне предела зоны видимости. Наличие акселерометра позволяет избежать неправильного направления движения аппарата, а также дает ему возможность автоматически вернуться к точке запуска, если управление было потеряно или была нажата соответствующая кнопка.

Поведение в невесомости

Для обеспечения работы акселерометра важно наличие притяжения. Сначала теоретически, а потом и экспериментально на космических станциях было подтверждено, что акселерометры не способны действовать в условиях невесомости. В космосе в любом положении, а также при встряске показания устройства всегда равны нулю. В связи с этим традиционные датчики наклона на основе акселерометра, которые применяются повсеместно, на космических аппаратах совершенно бесполезны.

Причины погрешности прибора

При работе акселерометра могут возникать отклонения показаний его измерения. На это в первую очередь может влиять влажность и температура окружающей среды. Это меняет свойства материалов, которые применяются при изготовлении приборов. Также помехи создает внешнее магнитное поле. Для минимизации его влияния конструкции датчика могут иметь различные технические дополнения. Также погрешность измерений получается в результате вибрации объекта измерения.

Технические особенности устройств

Акселерометры могут отличаться между собой не только по направлению их использования, но и техническими особенностями. При выборе данного устройства, к примеру, при ремонте различного оборудования, которое им уже комплектовалось, стоит отдавать предпочтение аналогичному датчику. Также возможен выбор устройств с более высоким динамическим диапазоном. Этот показатель отражает максимальную амплитуду колебаний, на которую способен отреагировать прибор. Также важным показателем является чувствительность прибора. Различные изделия отличаются между собой по диапазону частоты, которая измеряется в Гц.

Похожие темы:

electrosam.ru

что это такое, как настроить и калибровать

Современные смартфоны и планшеты на ОС Android и других платформах, обеспечивают своим владельцам огромное количество возможностей, которые уже давно вышли за пределы обычного общения и интернет-сёрфинга. Для повышения функциональности гаджетов применяется множество дополнительных устройств – от такого приспособления как датчик приближения до акселерометра и гироскопа.

С их помощью удобнее разговаривать по мобильной связи, делать фото и даже играть. Некоторые функции таких датчиков похожи, но в основном они дополняют друг друга – поэтому установленный акселерометр в телефоне не исключает наличие в конструкции и гироскопа.

Принцип действия датчика

Пользователь, впервые столкнувшийся с термином «акселерометр» в списке характеристик смартфона, может заинтересовать, что это такое, как работает и выглядит. Ответить на эти вопросы несложно –  устройство, получившее название от латинского слова «accelero» («ускоряю»), применяется для измерения кажущегося ускорения.

Определяя этот параметр, датчик помогает программному обеспечению контролировать положение телефона в пространстве и расстояние, на которое был перемещён мобильный гаджет.

Между тем, даже зная, что такое акселерометр, некоторые пользователи не отличают его от гироскопа. На самом деле оба датчика могут измерять одни и те же величины, но полностью заменить друг друга не способны.

При этом гироскоп в телефоне необходим для определения угла поворота гаджета относительно определённой плоскости. А акселерометр требуется для контроля положения в пространстве путём измерения ускорения движения. Совместное использование устройств помогает программному обеспечению гаджета получить более точные результаты.

Рис. 1. Один из примеров работы акселерометра.

Рассматривая действие акселерометра и что это такое по большому счёту, стоит познакомиться с принципом действия классического приспособления:

1. Основная часть датчика представляет собой инертную массу (например, грузик), прикреплённую к упругому элементу.
2. Упругая деталь типа пружины фиксируется на неподвижном элементе.
3. Пружина зафиксирована на неподвижной части конструкции.
4. Колебания груза подавляются демпфером.
5. При наклонах, встряске и поворотах гаджета инертная масса реагирует на силу инерции.
6. Чем больше интенсивность и сила наклона, встряски или поворота, тем сильнее деформируется пружина.
7. После возвращения массы на место под воздействием пружины уровень смещения относительно обычного положения фиксируется специальным датчиком.

Рис. 2. Конструкция стандартного акселерометра.

С другой стороны, ответ на вопрос по поводу акселерометра в телефоне – что это и как выглядит, будет немного отличаться. В данном случае он представляет собой миниатюрный элемент на плате с расположенной внутри инертной массой и выглядит обычно как маленький чёрный квадрат.

Основной принцип работы элемента мало отличается от стандартного – при изменении положения инертной массы определяется величина смещения, по которому рассчитываются показатели положения гаджета. Такие датчики стоят практически на любом виде мобильной техники – на телефоне или планшете.

Рис. 3. Внешний вид датчика для смартфона.

к оглавлению ↑

Применение устройства

Определившись с тем, что представляет собой акселерометр в телефоне, стоит узнать и как им пользоваться – для этого можно привести несколько примеров:

С помощью датчика осуществляется управление в играх – смена положения мобильного устройства вызывает определённые действия со стороны игрового персонажа или управляемого игроком транспортного средства. Так, например, наклоном телефона можно изменять направление движения автомобиля в гоночных симуляторах.

Рис. 4. Игра Asphalt 8, управление в которой выполняется с помощью акселерометра.

Во время спортивной пробежки акселерометр используется в смартфонах и планшетах для контроля пройденной дистанции. При этом определяется примерное количество сделанных шагов – и, хотя погрешность может быть довольно высокой (зависит от скорости движения), полученные результаты можно использовать для повышения результатов тренировки.

Наличие таких датчиков на смартфонах и планшетах позволяет изменять ориентацию изображения. Расположив мобильный гаджет горизонтально, пользователь при помощи акселерометра автоматически получает альбомный формат картинки или текста. При вертикальном расположении экрана ориентация изменится на книжную.

В других устройствах датчик применяют и для выполнения тех же задач, для чего нужен акселерометр на телефонах, и для других целей. Так, в авиации он необходим для работы навигационных систем, а в промышленности используется в качестве вибропреобразователя.

В системах управления жёсткими дисками HDD акселерометр требуется для компенсации вызываемых ускорениями объекта колебаний и защиты хранящихся на накопителе данных.

Видеорегистраторы с помощью этого датчика способны определять время ускорения и торможения, фиксировать остановки и столкновения. На джойстиках игровой приставке акселерометр необходим для управления игровым процессом.

к оглавлению ↑

Включение и отключение датчика

Способ, как узнать есть ли акселерометр на телефоне, заключается в повороте экрана в другое положение. Если изображение при этом не изменилось, значит датчик отсутствует – или на смартфоне просто отключена функция «Автоповорота».

У большинства моделей поворот экрана при изменении положения автоматически включается и выключается с помощью меню настроек или верхней панели на главном экране:

В первом случае следует перейти в «Настройки», выбрать пункт «Экран» и включить поворот изображения.

Рис. 5. Включение через настройки.

Во второй ситуации достаточно потянуть пальцем за верхнюю панель, увеличив её размер на весь экран, и включить соответствующую функцию.

Рис. 6. Включение через верхнюю панель.

Совет: Иногда автоматическая реакция акселерометра на движения мобильника не требуется – и даже может мешать. В таких случаях датчик можно отключить, воспользовавшись одним из тех меню, в которых можно включать автоповорот.

к оглавлению ↑

Настройка и калибровка

Практически все новые телефоны с гироскопом имеют и встроенный датчик контроля ускорения. При отсутствии акселерометра в телефоне, что говорит о бюджетной стоимости модели или её выпуске много лет назад, добавить эту функцию не получится ни перепрошивкой, ни изменением настроек.

Зато при наличии датчика, если он не работает или неправильно реагирует на изменение положения устройства, можно выполнить его калибровку.

Автоматическая настройка Андроид акселерометра выполняется в три этапа:

1Скачайте с гугл плей бесплатное приложения для калибровки (например, GPS Status & Toolbox).

2Установите телефон с акселерометром на ровную поверхность.

3Перейдите в меню настроек утилиты и выберите пункт калибровка акселерометра.

Рис. 7. Меню приложения.

На дисплее гаджета появится сообщение о необходимости установки на ровную поверхность. После подтверждения запускается калибровка. Завершение процесса сопровождается появлением соответствующей надписи.

Рис. 8. Работа приложения GPS Status & Toolbox.

к оглавлению ↑

Выводы

Зная, что такое акселерометр, можно сделать определённые выводы по поводу его наличия в современных мобильных устройствах. Наличие датчиков определения положения смартфонов и планшетов позволяет упростить просмотр на телефоне видео или чтение книг, а иногда даже помогает в игровом процессе.

Однако перед использованием акселерометра его иногда приходится настраивать. На это потребуется всего несколько минут и скачивание бесплатной утилиты.

Тематическое видео:

www.computer-setup.ru