Hardvér a technológie pod drobnohľadom

Ako merajú a navigujú smartfóny a tablety?

Strana 1/2

Pou­ží­va­nie naj­rôz­nej­ších ty­pov sen­zo­rov je dnes na smar­tfó­noch a tab­le­toch úpl­ná sa­moz­rej­mosť. Či už me­ria­te nák­lon, zrý­chle­nie, ale­bo svo­ju po­lo­hu v naj­rôz­nej­ších kú­toch sve­ta, zvie­ra­te v ru­kách rôz­ne ak­ce­le­ro­met­re, gy­ros­ko­py, mag­ne­to­met­re či pri­jí­ma­če GPS, kto­ré sú uk­ry­té v út­ro­bách ultra­mo­bil­ných za­ria­de­ní. Ako však v sku­toč­nos­ti tie­to sú­čias­tky vy­ze­ra­jú a ako vô­bec fun­gu­jú? Tie­to ta­jom­stvá pood­ha­lí­me v na­šom člán­ku.

Mi­nia­tu­ri­zá­cia mno­hých kom­po­nen­tov umož­ni­la v pos­led­ných de­sať­ro­čiach veľ­ký vzrast kom­for­tu, kto­ré naj­rôz­nej­šie pre­nos­né za­ria­de­nia mô­žu pos­ky­to­vať. V ame­ric­kom te­le­víz­nom sit­ko­me Sein­feld, kto­rý bol po­pu­lár­ny v 90. ro­koch mi­nu­lé­ho sto­ro­čia, sa nie­koľ­ko hlav­ných pos­táv po­kú­ša dos­tať spo­loč­ne do ki­na. Je­den z ich pria­te­ľov však ne­do­ra­zí a všet­ci sa dov­tí­pia, že ur­či­te ča­ká omy­lom pri inom ki­ne. Jed­na z pos­táv sa ho te­da vy­be­rie hľa­dať. Hľa­da­ná oso­ba však o chví­ľu do­ra­zí, pre­to­že si sa­ma do­mys­le­la, že ča­ká na zlom mies­te.

Do ki­na však stá­le ne­mô­žu ísť, pre­to­že zas chý­ba oso­ba, kto­rá ho iš­la hľa­dať. Ďal­šia pos­ta­va sa opäť vy­be­rie po ňu, po­čas čo­ho sa pô­vod­ná oso­ba zas vrá­ti a tak­to sa ce­lá si­tuácia ko­mic­ky opa­ku­je. Dneš­ným tí­ne­dže­rom už ta­ká­to si­tuácia pri­pa­dá cel­kom ab­sur­dná. V sú­čas­nos­ti, keď má kaž­dý člo­vek vo vrec­ku mo­bil­ný te­le­fón, už prak­tic­ky ani ne­mô­že nas­tať. Ľudia si za­vo­la­jú ale­bo na­pí­šu a dô­le­ži­tá in­for­má­cia sa k nim ih­neď dos­ta­ne. V pos­led­ných ro­koch sa rov­na­ko eli­mi­nu­je aj mož­nosť stra­te­nia sa, res­pek­tí­ve za­blú­de­nia v cu­dzom mes­te. Vsta­va­né na­vi­gač­né sys­té­my smar­tfó­nov nás to­tiž do­ve­dú do cie­ľa nie­len pri jaz­de autom, ale aj pri chô­dzi po chod­ní­ku. Ako je to mož­né?

GPS - v cu­dzom mes­te ako do­ma

GPS (Glo­bal Po­si­tio­ning Sys­tem - glo­bál­ny po­zič­ný sys­tém) je ame­ric­ký na­vi­gač­ný sys­tém navr­hnu­tý na vo­jen­ské a zá­ro­veň aj ci­vil­né pou­ži­tie. Do pl­nej pre­vádz­ky sa dos­tal po vy­bu­do­va­ní sie­te 24 dru­žíc v ro­ku 1993 a od­vte­dy je neus­tá­le udr­žo­va­ný, dopĺňa­ný a mo­der­ni­zo­va­ný. Od ro­ku 2000 je na zá­kla­de pre­zi­den­tské­ho na­ria­de­nia dos­tup­ný pre ce­los­ve­to­vú ve­rej­nosť v ne­deg­ra­do­va­nej po­do­be.

Sys­tém sa skla­dá z troch čas­tí: koz­mic­kej, ria­dia­co-kon­trol­nej a pou­ží­va­teľ­skej. Kým pou­ží­va­teľ­skú časť tvo­ria smar­tfó­ny, tab­le­ty či aké­koľ­vek iné za­ria­de­nia, kto­ré svo­ji­mi za­bu­do­va­ný­mi mo­dul­mi GPS sys­tém vy­uží­va­jú, koz­mic­kú časť pred­sta­vu­jú sa­te­li­ty na obež­nej drá­he Ze­me, kto­ré sig­ná­lo­vú sieť vy­tvá­ra­jú. Ria­dia­co-kon­trol­ná časť je zlo­že­ná z po­zem­ných sta­níc po ce­lom sve­te, kto­ré sys­tém kon­tro­lu­jú a udr­žu­jú, pri­čom ide nap­rík­lad o ko­rek­cie tra­jek­tó­rií dru­žíc a ove­ro­va­nie ich správ­nej fun­kčnos­ti.

Har­dvér GPS v pou­ží­va­teľ­ských za­ria­de­niach nie je z hľa­dis­ka tech­no­ló­gie ani fi­nan­čných pros­tried­kov preh­na­ne ná­roč­ný, a pre­to ho mož­no osa­dzo­vať aj do veľ­mi lac­ných za­ra­de­ní. Po­kiaľ ro­zo­be­rie­te nap­rík­lad smar­tfón, na je­ho zá­klad­nej dos­ke náj­de­te osa­de­ný nie­len hlav­ný SoC, ope­rač­nú pa­mäť či mo­dul Wi-Fi, ale aj mo­dul GPS. Je­ho po­do­bu si mô­že­te po­zrieť na ob­ráz­ku. Ide o veľ­mi ma­lý čip s veľ­kos­ťou oko­lo 4 mm, kto­rý pri ne­po­zor­nos­ti ľah­ko pre­hliad­ne­te. V na­šom prí­pa­de ide o ame­ric­ký čip Broad­com BCM 47521, kto­rý náj­de­te nap­rík­lad v Sam­sun­gu Ga­laxy S4.

Do út­rob toh­to smar­tfó­nu sme sa pod­rob­ne poz­re­li v člán­ku Do vnút­ra smar­tfó­nov (PC RE­VUE č. 11/2013). Sam­sung si čip Broad­com zvo­lil aj pri ak­tuál­nej ver­zii Ga­laxy S5, ale už v nov­šej ver­zii BCM 47531 (na­poh­ľad vy­ze­ra­jú či­py ok­rem roz­diel­ne­ho čís­la to­tož­ne). Nie je to však tak vo všet­kých vý­rob­ných sé­riách. Na niek­to­rých je­ho dos­kách sa ob­ja­vil aj WFR1620 od ame­ric­kej spo­loč­nos­ti Qual­comm, kto­rý čas­to (v rôz­nych mo­de­loch) pou­ží­va aj App­le. Na smar­tfó­ne iP­ho­ne 5c mô­že­me náj­sť nap­rík­lad WTR1605L, kto­rý v rám­ci svoj­ho puz­dra kom­bi­nu­je ok­rem GPS aj iné ko­mu­ni­kač­né štan­dar­dy, ako LTE, ED­GE a HSPA+.

Či­py mo­du­lov GPS nie sú z hľa­dis­ka pri­po­je­nia k zá­klad­nej dos­ke ni­číš­pe­ciál­ne. Pou­ží­va­jú puz­dro BGA (Ball grid array), čo zna­me­ná, že sa kon­tak­ty či­pu po­mo­cou „roz­to­pe­nia" ma­lých gu­ľô­čok spáj­ku­jú s kon­tak­tmi na dos­ke. Pros­tred­níc­tvom zá­klad­nej dos­ky má čip spo­je­nie so vsta­va­nou an­té­nou smar­tfó­nu, tab­le­tu ale­bo iné­ho za­ria­de­nia a de­kó­du­je pri­jí­ma­ný sig­nál GPS.

GPS.jpg  

Ko­vo­vý kryt, zov­ňaj­šok a út­ro­by či­pu GPS mo­du­lu Broad­com BCM 47521 zo Sam­sun­gu Ga­laxy S4

Pou­ží­va­teľ­ská časť GPS je z hľa­dis­ka ce­lé­ho sys­té­mu kom­plet­ne pa­sív­na. Ak ste si te­da GPS do­te­raz pred­sta­vo­va­li tak, že sa stov­ka mi­lió­nov za­ria­de­ní nep­res­taj­ne pri­pá­ja k sa­te­li­tom na obež­nej drá­he a ko­mu­ni­ku­je s ni­mi, bo­li ste na omy­le. Sys­tém GPS o pri­jí­ma­čoch, kto­ré ho pou­ží­va­jú, „ne­vie" a ani ich po­lo­hu ni­ja­ko ne­po­čí­ta. Naj­jed­no­duch­šie si GPS mô­že­me pred­sta­viť ako veľ­ké mes­tské ho­di­ny na ve­ži, pod­ľa kto­rých by si všet­ci oby­va­te­lia nas­ta­vo­va­li svo­je ná­ram­ko­vé ho­din­ky. Ho­di­nám na ve­ži ni­ja­ko nep­re­ká­ža, že sú v jed­nom mo­men­te sle­do­va­né ti­sí­ca­mi ľu­dí. Čas iba uka­zu­jú.

Vlas­tné nas­ta­vo­va­nie ná­ram­ko­vých ho­di­niek si pod­ľa tej­to in­for­má­cie pou­ží­va­te­lia ro­bia sa­mi. V prí­pa­de GPS fun­gu­jú ako ve­žo­vé ho­di­ny jed­not­li­vé sa­te­li­ty, kto­ré nep­res­taj­ne vy­sie­la­jú mik­rovln­ný sig­nál. Smar­tfón po­mo­cou svo­jej an­té­ny a mo­du­lu GPS ten­to sig­nál prij­me zo šty­roch ale­bo via­ce­rých roz­diel­nych sa­te­li­tov, ana­ly­zu­je ho a na zá­kla­de to­ho vy­po­čí­ta svo­ju vlas­tnú po­lo­hu. GPS nie je je­di­ný na­vi­gač­ný sys­tém, kto­rý exis­tu­je. Je však naj­dlh­šie pou­ží­va­ný, naj­ro­bus­tnej­ší, a te­da aj naj­roz­ší­re­nej­ší, čo sa tý­ka pou­ží­va­teľ­skej zá­klad­ne.

Dru­hý glo­bál­ny na­vi­gač­ný sys­tém je rus­ký GLO­NASS, kto­rý bol do pl­nej pre­vádz­ky uve­de­ný v ro­ku 1995 (o rok nes­kôr ako GPS). Fi­nan­čné prob­lé­my sú­vi­sia­ce s roz­pa­dom So­viet­ske­ho zvä­zu však za­brá­ni­li pra­vi­del­né­mu nah­ra­dzo­va­niu sa­te­li­tov no­vý­mi ver­zia­mi, a tak v ro­ku 2008 bo­lo v pre­vádz­ke už len 12 dru­žíc (na ce­los­ve­to­vé pok­ry­tie je pot­reb­ných 24 a viac). Si­tuácia sa zlep­ši­la po fi­nan­čných in­jek­ciách a od ro­ku 2010 do­sia­hol GLO­NASS opä­tov­ne pl­nú pre­vádz­ku.

Na mno­hých sú­čas­ných smar­tfó­noch a tab­le­toch pre­to mô­že­me náj­sť kom­bi­no­va­né mo­du­ly pre na­vi­gač­né sie­te GPS aj GLO­NASS (vrá­ta­ne či­pu Broad­com BCM 47521 na ob­ráz­ku). Iba tie­to dva na­vi­gač­né sys­té­my ope­ru­jú glo­bál­ne. Do ro­ku 2020 by sa ma­li k nim pri­dať aj čín­sky Com­pass (kto­rý za­tiaľ pod me­nom Bei­dou fun­gu­je s 15 sa­te­lit­mi ako re­gio­nál­ny na­vi­gač­ný sys­tém pre ázij­ský a pa­ci­fic­ký re­gión) a Ga­li­leo, kto­rý v sú­čas­nos­ti bu­du­je Európ­ska únia.

Vlast­ný re­gio­nál­ny na­vi­gač­ný sys­tém má aj Ja­pon­sko (3 dru­ži­ce QZSS) a do­kon­ču­je ho aj In­dia (GA­GAN). Tie však glo­bál­ne roz­ší­re­nie nep­lá­nu­jú. Pre­vádz­ka vlas­tné­ho na­vi­gač­né­ho sys­té­mu má pre veľ­mo­ci vo­jen­ský vý­znam, pre­to­že v krí­zo­vých si­tuáciách sa ne­mô­žu spo­lie­hať na cu­dzí sys­tém. Z hľa­dis­ka pou­ží­va­te­ľa ide o ví­ta­nú re­dun­dan­ciu, keď­že pri­po­je­nie na viac sys­té­mov sú­čas­ne zlep­šu­je pres­nosť nap­rík­lad vo vy­so­kej a hus­tej mes­tskej zá­stav­be, kto­rá blo­ku­je veľ­kú časť ob­lo­hy. Či už ide o GPS, GLO­NASS, ale­bo bu­dú­ce glo­bál­ne na­vi­gač­né sys­té­my, ich zá­klad­ný prin­cíp z hľa­dis­ka fun­go­va­nia sa veľ­mi ne­lí­ši, a pre­to si vy­sta­čí­me s opi­som je­di­né­ho.

Ame­ric­ký sys­tém GPS je pre dr­vi­vú väč­ši­nu ľu­dí syn­ony­mom na­vi­gač­né­ho sys­té­mu v smar­tfó­noch, tab­le­toch či jed­noú­če­lo­vých za­ria­de­niach, kto­ré sú ur­če­né pre pa­lub­né dos­ky auto­mo­bi­lov. Je­ho koz­mic­ký seg­ment mo­men­tál­ne po­zos­tá­va z 32 ak­tív­nych dru­žíc, pri­čom na ce­los­ve­to­vé pok­ry­tie je ich pot­reb­ných 24. Dru­ži­ce obie­ha­jú vo vý­ške 20 350 km nad zem­ským povr­chom (dva obe­hy den­ne). Sú sús­tre­de­né do šies­tich kruž­níc, kto­ré sú od se­ba od­chý­le­né o 60°, pri­čom na kaž­dej je roz­mies­tne­ných 5 až 6 dru­žíc v nep­ra­vi­del­ných roz­stu­poch (z dô­vo­du prek­ro­če­nia štan­dar­dné­ho poč­tu 24 jed­no­tiek).

Nad kaž­dým mies­tom na Ze­mi je tak v jed­nom oka­mi­hu v doh­ľa­de 6 až 12 dru­žíc. Keď­že ži­vot­nosť jed­nej je ob­vyk­le 10 až 12 ro­kov, sú v pre­vádz­ke v rôz­nych ge­ne­rá­ciách a ty­poch. Ich vý­voj a vý­ro­ba na ce­lú ge­ne­rač­nú ob­me­nu sto­ja prib­liž­ne 5 mi­liárd do­lá­rov (k čo­mu sa eš­te pri­rá­ta­jú nák­la­dy na štar­ty ra­ke­to­vých no­si­čov, kto­ré ich vy­ne­sú na obež­nú drá­hu). Me­dzi naj­dô­le­ži­tej­šiu vý­ba­vu kaž­dej z nich pa­tria tri ale­bo šty­ri mi­mo­riad­ne pres­né ató­mo­vé ho­di­ny (pres­nosť na 10-13 s) s céz­iovým ale­bo ru­bí­dio­vým os­ci­lá­to­rom a množ­stvo an­tén na vy­sie­la­nie sig­ná­lu v rám­ci sys­té­mu GPS, ko­mu­ni­ká­ciu s po­zem­ný­mi sta­no­viš­ťa­mi a na kon­takt so ses­ter­ský­mi dru­ži­ca­mi.

Kaž­dá dru­ži­ca GPS vy­sie­la dva dru­hy sig­ná­lov. Ide o tzv. kód C/A (pre ko­ho­koľ­vek na sve­te) a kód P (pre ame­ric­ké ar­mád­ne zlož­ky). Kód C/A po­zos­tá­va z 1023-bi­to­vej sek­ven­cie, uni­kát­nej pre kaž­dú dru­ži­cu, kto­rá sa vy­sie­la s opa­ko­va­ním kaž­dú mi­li­se­kun­du (vzni­ká te­da dá­to­vý tok prib­liž­ne 0,12 kB/s) na mik­rovl­nnej frek­ven­cii 1,57 GHz. Ten­to kód, res­pek­tí­ve sig­nál za­chy­tá­va­jú an­té­ny smar­tfó­nov a iných bež­ných za­ria­de­ní a na zá­kla­de ne­ho ur­ču­jú svo­ju po­lo­hu. Kód P je na roz­diel od kó­du C/A gi­gan­tic­ký. Má prib­liž­ne 720 GB a dru­ži­ca ho ce­lý od­vy­sie­la za týž­deň (na frek­ven­cii 1,22 GHz), po­tom sa za­čne ih­neď opa­ko­vať.

Je­ho veľ­kú časť prav­de­po­dob­ne tvo­ria rôz­ne ochran­né me­cha­niz­my (je šif­ro­va­ný), pri­čom sa pred­pok­la­dá, že vo­jen­ské pri­jí­ma­če sa naj­prv rých­lo zo­syn­chro­ni­zu­jú s kó­dom C/A (od to­ho je zrej­me od­vo­de­ný je­ho ná­zov Coar­se/Acquisi­tion, te­da Hru­bý/Zís­ka­nie) a až nás­led­ne po dl­hšom ča­se s kom­plexným kó­dom P (Pre­ci­sion - Pre­cíz­ny). Ok­rem kó­dov C/A a P dru­ži­ca vy­sie­la aj na­vi­gač­nú sprá­vu, kto­rá ob­sa­hu­je dá­tum a čas, stav dru­ži­ce (z hľa­dis­ka fun­kčnos­ti) a in­for­má­ciu o or­bi­te a os­tat­ných sa­te­li­toch.

Poloha.png  

Pri lo­ka­li­zá­cii cie­ľa cez GPS sa pou­ží­va geo­met­ric­ký prin­cíp tri­la­te­rá­cie

Úlo­hou smar­tfó­nu ale­bo iné­ho pri­jí­ma­ča GPS na Ze­mi je pri­jať sig­nál od šty­roch ale­bo via­ce­rých dru­žíc v jed­nom mo­men­te. Keď­že ich kó­dy C/A sú vzá­jom­ne veľ­mi od­liš­né, mô­že za­ria­de­nie pri­jí­mať bez prob­lé­mov viac­ná­sob­ný sig­nál na rov­na­kej frek­ven­cii. Z pri­jí­ma­né­ho sig­ná­lu zis­tí vzdia­le­nosť od rôz­nych sa­te­li­tov a na zá­kla­de dos­tup­ných úda­jov vy­po­čí­ta svo­ju po­zí­ciu. Na to sa pou­ží­va geo­met­ric­ký prin­cíp zná­my ako tri­la­te­rá­cia.

Prin­cíp sa dá jed­no­du­cho pred­sta­viť v dvoj­roz­mer­nej po­do­be. Pred­stav­te si, že sto­jí­te niek­de na Slo­ven­sku, no ne­tu­ší­te kde. Vy­tiah­ne­te z vrec­ka prís­troj, kto­rý by do­ká­zal od­me­rať vzdia­le­nosť od blíz­kych miest. Prís­troj vám naj­prv za­hlá­si, že ste 60 km od Ban­skej Bys­tri­ce. To je dô­le­ži­tá in­for­má­cia, ale vy mô­že­te byť v tej­to vzdia­le­nos­ti kto­rým­koľ­vek sme­rom. Na vý­cho­de, zá­pa­de, ju­hu či se­ve­re. Do­ra­zí však dru­há in­for­má­cia - ste 62 km od Tren­čí­na. Va­ša po­lo­ha sa ra­zom znač­ne spres­ní. Dva ok­ru­hy sa to­tiž pret­nú (poz­ri ob­rá­zok).

Prob­lém je v tom, že sa pret­nú v dvoch mies­tach, čo zna­me­ná, že ste buď niek­de na se­ve­re pri Ži­li­ne ale­bo na ju­hu pri Zla­tých Mo­rav­ciach. Tre­tí údaj všet­ko roz­hod­ne - ste 65 km od Lip­tov­ské­ho Mi­ku­lá­ša. Va­šou po­zí­ciou je te­da Ži­li­na. Rov­na­ký prin­cíp je pou­ži­tý aj pri GPS. Vďa­ka to­mu, že sig­nál vy­sie­la­jú dru­ži­ce, kto­ré sú nad ze­mou, však tri­la­te­rá­cia nep­ra­cu­je v 2D, ale 3D pries­to­re. Na­mies­to kru­ho­vej vzdia­le­nos­ti od vy­sie­la­ča tak nes­to­jí­te na hra­ne kru­hu, ale gu­le. Vzhľa­dom na to, že má­me o je­den roz­mer viac, pot­re­bu­je­me na lo­ka­li­zá­ciu aj štvr­tý zdroj. Dve gu­le, res­pek­tí­ve sfé­ry, sa to­tiž pret­nú v jed­nom kru­hu, tri v dvoch bo­doch a až šty­ri sfé­ry v je­di­nom. V nú­dzo­vom prí­pa­de mô­že pri­jí­mač GPS po­čí­tať za štvr­tú sfé­ru sa­mot­nú Zem. S pou­ži­tím štvr­té­ho sa­te­li­tu sú však dá­ta pres­nej­šie.

No ako mo­dul GPS v smar­tfó­ne od­me­ria vzdia­le­nosť k dru­ži­ci, keď je­di­né, čo ro­bí, je, že po­čú­va jej vy­sie­la­nie? Elek­tro­mag­ne­tic­ký sig­nál pu­tu­je z dru­ži­ce na Zem rých­los­ťou svet­la, pri­čom mu chvíľ­ku tr­vá, kým tú­to vzdia­le­nosť ura­zí. Ke­by smar­tfón poz­nal pres­ný čas, keď sa sig­nál vy­sie­la, a po­rov­nal ho s ones­ko­re­ním sig­ná­lu, kto­rý pri­jal an­té­nou, mô­že vzdia­le­nosť vy­po­čí­tať.

Vzhľa­dom na to, že rých­losť svet­la je prib­liž­ne 300 000 km/s, pot­re­bo­val by ho­di­ny syn­chro­ni­zo­va­né s pres­nos­ťou na na­no­se­kun­dy. Ko­niec kon­cov pres­nosť ne­vyh­nut­ná na správ­nu fun­kciu GPS je ta­ká veľ­ká, že sys­tém mu­sí ob­sa­ho­vať ko­rek­cie pod­ľa pred­po­ve­dí Ein­stei­no­vej teórie re­la­ti­vi­ty. Vzhľa­dom na roz­diel­nu si­lu gra­vi­tá­cie a rých­losť po­hy­bu to­tiž čas ply­nie dru­ži­ci tro­chu inak než prís­tro­ju na Ze­mi. Kým dru­ži­ca GPS si su­perpres­né ató­mo­vé ho­di­ny za 50 000 eur mô­že do­vo­liť, so smar­tfón­mi to ta­ké ru­žo­vé už nie je.

To by si za­ria­de­nie GPS mo­hol kú­piť má­lok­to. Smar­tfón tak pou­ží­va oby­čaj­ný ča­so­vač, kto­rý sa však neus­tá­le re­se­tu­je, aby sa ne­za­čal extrém­ne od­chy­ľo­vať. Keď­že dos­tá­va sig­nál zo šty­roch a viac roz­diel­nych sa­te­li­tov s ató­mo­vý­mi ho­di­na­mi, pou­ži­je ich styč­ný bod na svo­je vlas­tné zo­syn­chro­ni­zo­va­nie v rám­ci prí­pus­tnej chy­by (vždy len na zlo­mok ča­su). Šty­ri a viac sfér sa to­tiž pret­nú v jed­nom bo­de len pri per­fek­tnej syn­chro­ni­zá­cii.

Aj keď pr­vot­ný od­had smar­tfó­nu bu­de pre hor­šiu syn­chro­ni­zá­ciu nep­res­ný, správ­nu po­zí­ciu sfér mô­že do­po­čí­tať, up­ra­viť od­chýl­ku tak, aby sa pre­ťa­li, a vy­po­čí­tať svo­ju po­lo­hu pres­ne. Zís­ka tak žia­da­né dá­ta. Keď­že ze­me­pis­né sú­rad­ni­ce väč­ši­ne ľu­dí ve­ľa ne­po­ve­dia, pre­be­rá ich oby­čaj­ne ne­ja­ký ma­po­vý prog­ram, kto­rý po­zí­ciu zob­ra­zí na ma­pe. Pou­ží­va­teľ tak dos­tá­va veľ­mi pres­ný po­lo­ho­va­cí nás­troj, kto­rý je mu na voľ­nom pries­tran­stve neus­tá­le dos­tup­ný za­dar­mo.

Ak­ce­le­ro­met­re a gy­ros­ko­py

Za­tiaľ čo vďa­ka mo­du­lom GPS mo­bil­ných za­ria­de­ní mô­že­te zis­tiť svo­ju po­lo­hu kde­koľ­vek na sve­te a de­fi­ni­tív­ne tak pus­tiť z mys­le strach zo za­blú­de­nia v cu­dzom mes­te, v prí­pa­de ak­ce­le­ro­met­rov a gy­ros­ko­pov je už si­tuácia znač­ne lo­kál­nej­šia. Tie­to me­cha­niz­my me­ra­jú nák­lo­ny a iný drob­ný po­hyb za­ria­de­nia, pri­čom dnes už pa­tria k bež­nej vý­ba­ve mo­der­ných smar­tfó­nov a tab­le­tov. Ty­pic­ká úlo­ha, pri kto­rej sa tie­to sen­zo­ry pou­ží­va­jú, je oto­če­nie ob­ra­zu na dis­ple­ji.

Ak dr­ží­te tab­let na­le­ža­to, v rov­na­kom sme­re je aj ob­raz. Ak tab­let oto­čí­te nas­to­ja­to, ak­ce­le­ro­me­ter za­zna­me­ná zme­nu sme­ru a ope­rač­ný sys­tém oto­čí ob­raz do dru­hej po­lo­hy. Služ­by tých­to sú­čias­tok čas­to pou­ží­va­jú aj hry. Nak­lá­ňa­ním za­ria­de­nia tak ov­lá­da­te pos­ta­vič­ku či iný vir­tuál­ny ob­jekt ale­bo do­kon­ca rov­no fy­zic­ké hrač­ky, ako nap­rík­lad mo­del autíč­ka ale­bo he­li­kop­té­ry ov­lá­da­ný na di­aľ­ku. Dá­ta z gy­ros­ko­pu a ak­ce­le­ro­met­ra mô­žu byť aj čis­to in­for­mač­né­ho cha­rak­te­ru a pou­ží­va­teľ ich mô­že vy­uží­vať nap­rík­lad na me­ra­nie. Ak to­tiž smar­tfón po­lo­ží­te na ne­ja­ký nak­lo­ne­ný ob­jekt, od­me­ria je­ho nák­lon tak, ako­by naň po­lo­žil vo­do­vá­hu.

Akcelerometer.jpg

Kom­bi­no­va­ný čip ak­ce­le­ro­met­ra a gy­ros­ko­pu In­ven­Sen­se MPU-6500 na Sam­sung Ga­laxy S5 (3 mm)

Z hľa­dis­ka von­kaj­šie­ho poh­ľa­du sa či­py s tý­mi­to sú­čias­tka­mi ni­ja­ko ne­lí­šia od iných či­pov, a pre­to sa ne­da­jú roz­poz­nať inak než pod­ľa opis­né­ho štít­ku. Na ob­ráz­ku si mô­že­te po­zrieť de­tail na časť zá­klad­nej dos­ky smar­tfó­nu Sam­sung Ga­laxy S5. Ten­to vý­rez je v reali­te dl­hý 5 cm a pod od­ob­ra­tým ko­vo­vým kry­tom (vi­dieť je­ho ok­ra­je) do­mi­nu­je veľ­ký čip sprá­vy na­pá­ja­nia Qual­comm PMC8974. Nás však za­ují­ma čip MPU-6500 od ka­li­for­nskej spo­loč­nos­ti In­ven­Sen­se, kto­rý je ozna­če­ný šíp­kou vpra­vo.

V tom­to jed­nom puz­dre s roz­mer­mi 3 × 3 mm je uk­ry­tý ak­ce­le­ro­me­ter aj gy­ros­kop. Ide o kom­bi­no­va­nú mik­ro­sú­čias­tku s me­ra­cí­mi pr­vka­mi v šies­tich od­liš­ných osiach. Ak ne­bu­de­me brať do úva­hy po­hyb elek­tró­nov v ob­vo­doch, zrej­me si mno­ho ľu­dí mys­lí, že smar­tfó­ny a tab­le­ty sa skla­da­jú z kom­plet­ne ne­po­hyb­li­vých sú­čias­tok. Veď na­po­kon vnút­ri sa ne­to­čí žiad­ny ven­ti­lá­tor, pev­ný disk ani op­tic­ké mé­dium. Nie je to však úpl­ne prav­da. Ich ak­ce­le­ro­met­re a gy­ros­ko­py sú to­tiž nao­zaj po­hyb­li­vé, i keď ich me­chan­izmus je vskut­ku mi­nia­túr­ny. Ta­ké­to sú­čias­tky sa ozna­ču­jú ako MEMS (Mic­ro Elec­tro Me­cha­ni­cal Sys­tem) či­že mik­roelek­tro­nic­ké me­cha­nic­ké sys­té­my.

Na sche­ma­tic­kom nák­re­se mô­že­te vi­dieť, že ak­ce­le­ro­me­ter po­zos­tá­va z dvoch čas­tí. Sen­zo­rov a tzv. seiz­mic­kej hmo­ty. Pod špe­cia­li­zo­va­ným ozna­če­ním seiz­mic­ká hmo­ta sa mys­lí pr­vok z kre­mí­ka, kto­rý je ukot­ve­ný na šty­roch mies­tach s te­lom smar­tfó­nu (štvor­ce po stra­nách).Všim­ni­te si pri­tom, že je ukot­ve­ný len ma­lý­mi prúž­ka­mi a inak je cel­kom voľ­ný. V oka­mi­hu, ako smar­tfó­nom ale­bo tab­le­tom poh­ne­te, nas­ta­ne rov­na­ká si­tuácia, ako keď sto­jí­te v auto­bu­se. Ak sa auto­bus roz­beh­ne, vy má­te ten­den­ciu zos­tať v po­ko­ji.

Vý­sled­kom je po­cit, že vás ne­ja­ká si­la tla­čí do­za­du a va­še te­lo sa nak­lo­ní. Nao­pak, ak auto­bus za­br­zdí, va­še te­lo zos­ta­ne v po­hy­be a poh­ne sa sme­rom dop­re­du, až kým sa bez­peč­ne nep­ri­tiah­ne­te ku kot­via­ce­mu bo­du, ako je nap­rík­lad tyč na dr­ža­nie. To is­té sa de­je s hmo­tou v ak­ce­le­ro­met­ri. Všim­ni­te si, že má ma­lé vý­stup­ky v tva­re hre­be­ňa, kto­ré sú umies­tne­né me­dzi elek­tró­da­mi. Elek­tró­dy fun­gu­jú ako sen­zo­ry, kto­ré me­ra­jú roz­die­ly v ka­pa­cit­nom od­po­re, spô­so­be­né po­hy­bu­jú­cim sa pr­vkom me­cha­niz­mu. Na zá­kla­de to­ho je ur­če­ný smer po­hy­bu do jed­né­ho ale­bo do dru­hé­ho sme­ru. No keď­že ide len o po­hyb v rám­ci jed­né­ho roz­me­ru, je pot­reb­ný ďal­ší iden­tic­ký me­chan­izmus v prieč­nom aj zvis­lom sme­re. Ak­ce­le­ro­me­ter je tak schop­ný me­rať vo všet­kých troch osiach.

Princip.png

Prin­cíp prá­ce ak­ce­le­ro­met­ra v jed­nej ro­vi­ne: Po­hyb v ro­hoch ukot­ve­nej seiz­mic­kej hmo­ty (mod­rá) sa pre­ja­ví na elek­tró­dach (ze­le­ná) roz­die­lom v ka­pa­cit­nom od­po­re

V troch osiach me­ria aj gy­ros­kop. Aj keď je­ho úlo­hu mô­že v mno­hom za­stať ak­ce­le­ro­me­ter (pre po­dob­nosť zrý­chle­nia a gra­vi­tač­nej si­ly), gy­ros­kop sa na zvý­še­nie pres­nos­ti ob­vyk­le ta­kis­to pou­ží­va. Hlav­ný roz­diel gy­ros­ko­pu op­ro­ti ak­ce­le­ro­met­ru je ten, že mô­že de­te­go­vať ro­tá­ciu oko­lo kon­krét­nej osi. Pred­stav­me si, že smar­tfón dr­ží­me kla­sic­ky zvis­lo v ru­ke.

Zna­me­ná to, že dva z troch od­liš­ne sme­ro­va­ných po­hy­bo­vých me­cha­niz­mov ak­ce­le­ro­met­ra sú ne­hyb­ne vo vo­do­rov­nej po­lo­he, za­tiaľ čo tre­tí je zvis­lo a v dôs­led­ku pô­so­be­nia gra­vi­tač­nej si­ly je vy­chý­le­ný k ze­mi. Ak­ce­le­ro­me­ter te­da od­oš­le ope­rač­né­mu sys­té­mu in­for­má­ciu o tom, kde je ak­tuál­ne smer „do­le". Ak ru­kou poh­ne­me do­ľa­va, vo­do­rov­ná časť ak­ce­le­ro­met­ra, kto­rá je v sme­re po­hy­bu, sa roz­kmi­tá a sys­tém dos­tá­va in­for­má­ciu o po­hy­be. Prob­lé­mom je, ak za­čne­me otá­čať te­le­fó­nom oko­lo je­ho osi.

Ak­ce­le­ro­me­ter bu­de stá­le schop­ný me­rať smer po­hy­bu a zme­nu uh­la gra­vi­tač­nej si­ly, ale vý­po­čet sa stá­va ná­roč­nej­ším a me­nej pres­ným. Prá­ve tu pri­chá­dza na po­moc gy­ros­kop, kto­rý „ucí­ti" po­hyb ako kon­krét­nu zme­nu uh­la. Pri slo­ve gy­ros­kop si mno­ho ľu­dí vy­ba­ví ty­pic­ké me­cha­nic­ké za­ria­de­nie, kto­rým je ro­tu­jú­ci zotr­vač­ník dis­ko­vé­ho tva­ru, upev­ne­ný na os­ke. V prí­pa­de mi­nia­túr­ne­ho či­pu gy­ros­kop ta­ký­to tvar, sa­moz­rej­me, ne­má a je­ho mik­roelek­tro­nic­ká me­cha­nic­ká po­do­ba je v tva­re vib­rač­nej štruk­tú­ry. Po­dob­ne ako pri ak­ce­le­ro­met­ri aj tu hmo­ta vib­ru­je, čo spô­so­bu­je zme­ny v elek­tric­kých sig­ná­loch za­zna­me­ná­va­ných de­tek­tor­mi. Tie­to zme­ny sú nás­led­ne inter­pre­to­va­né na zis­te­nie orien­tá­cie za­ria­de­nia. Na ob­ráz­ku z mik­ros­ko­pu si mô­že­te po­zrieť, o aké de­li­kát­ne štruk­tú­ry v prí­pa­de ak­ce­le­ro­met­rov a gy­ros­ko­pov ide.

Mikroskop.jpg

Dych vy­rá­ža­jú­ci poh­ľad mik­ros­ko­pom na mik­roelek­tro­nic­ké me­cha­nic­ké sú­čias­tky. V hor­nom ra­de ak­ce­le­ro­met­re STMe­lec­tro­nics LI­S331DLH a Kio­nix KXTF9, v dol­nom ra­de gy­ros­ko­py STMic­roelec­tro­nics LYPR540AH a L3G4200D. Na ak­ce­le­ro­met­ri LI­S331DLH vľa­vo ho­re je dob­re roz­poz­na­teľ­ná seiz­mic­ká hmo­ta v dvoch roz­diel­nych sme­roch (pri­po­mí­na­jú­ca di­ero­va­nú teh­lu), kto­rá je „za­če­sa­ná" do dl­ho­čiz­ných ty­čiek de­tek­čných elek­tród



« prvá strana « predchádzajúca strana ďalšia strana » posledná strana »  

 
 

24 hodín

týždeň

mesiac

Najnovšie články

Ako na to: Od­stráň­te svo­ju iden­ti­tu na inter­ne­te
Používanie internetu prináša riziká v podobe aktuálnych vírusových hrozieb a rôznych podvodov na webových stránkach.  čítať »
 
Sta­nú sa tab­le­ty sú­čas­ťou vy­učo­va­cie­ho pro­ce­su?
Projekt Škola na dotyk otestoval využitie tabletov počas vyučovania. Viac ako 300 mobilných zariadení putovalo do 10 tried po celom Slovensku. čítať »
 
 
 
  Zdieľaj cez Facebook Zdieľaj cez Google+ Zdieľaj cez Twitter Zdieľaj cez LinkedIn Správy z RSS Správy na smartfóne Správy cez newsletter