Акселерометр vs Гироскоп: ключевые отличия и как выбрать нужный датчик

Датчики движения критически важны в технологиях: детектируют и измеряют перемещения. К ним относятся акселерометр и гироскоп, работающие на базе МЭМС (микроэлектромеханических систем).

На рынке множество сенсоров, но выбор лучшего сложен. Сегодня разберем отличия акселерометра и гироскопа.

Гироскоп

(гироскоп)

Определение

Гироскоп — компактный датчик, определяющий ориентацию или вращательные изменения с помощью силы тяжести Земли. Главный принцип — сохранение момента импульса.

Типы: МЭМС, электронные, механические гироскопы.

Принцип работы

Структура: ротор, карданная подвеска (три кольца вокруг ротора), корпус, ось вращения.

Части гироскопа

Работает за счет эффекта прецессии: вращение оси позволяет противостоять гравитации. Мгновенно подстраивается набок, а не падает под действием гравитации.

Применение

• Потребительская электроника через МЭМС: флагманские и средние Android-смартфоны,
• Инерциальные навигационные системы через IMU (Inertial Measurement Unit),
• Стабилизация кораблей, мотоциклов, транспортных средств,
• Космические станции,

(орбитальная станция)

• Авиация.

Акселерометр

Определение

Акселерометр — электромеханическое устройство, детектирующее и измеряющее негравитационное ускорение. Реагирует на вибрации от движения во времени.

PCB Акселерометр

Часто определяет ориентацию, вибрацию, скорость или позицию.

Принцип работы

Два принципа: изменение емкости и пьезоэлектрический эффект.

Изменение емкости

Формула: Сила = Масса × Ускорение. Ускорение = Сила / Масса.

Этапы:

• Две емкостные пластины.
• Масса объекта давит на одну пластину, меняя емкость. Так измеряется сила.
• Ускорение вычисляется по известной массе и силе.

Пьезоэлектрический эффект

Этапы:

• При вибрации акселерометр генерирует напряжение за счет микрокристаллической структуры, дающей заряд при сжатии.
• Напряжение дает значение ускорения.

Применение

• Игры/приложения с движением: Kinect, Wii,
• Фитнес-браслеты и трекеры,

(носимая беспроводная сеть датчиков тела)

• Медицинские устройства: искусственные органы,
• Детекция падений,
• Сейсмодетекция,
• Определение наклона: в iPhone для портрет/ландшафт,
• Карты/компас в мобильных через осевое сенсирование (Android, iPhone).

Разница между гироскопом и акселерометром

Сравнительная таблица отличий:

Как выбрать: акселерометр или гироскоп?

Выбор зависит от проекта и требований. Критерии:

Акселерометр

• Диапазон (Range)

Для высокой точности — диапазон 2g и выше. Максимум до 5000g.

• Интерфейс

Можно подключать через аналог и цифру, лучше — цифровые: I2C, SPI, PWM, ADC. Совместимы с Raspberry Pi, Arduino.

• Число осей

Двухосевые и трехосевые.

Трехосевой акселерометр

Тренд — миниатюрные 3-осевые (выглядят как 1-осевые). Высокая точность, но не везде совместимы. Доступны по цене.

• Потребление энергии

Размер кристалла и масса влияют на потребление и чувствительность. Рекомендуемый ток — сотни мкА.

Цифровые акселерометры со сном экономят энергию в неактивном состоянии.

• Дополнительные функции

Новые модели: детектирование ударов, 0-g детект, управление сном, выбираемые диапазоны.

• Чувствительность

Измеримая вертикальная сила на изменение ускорения. Постоянное ускорение дает неточные измерения из-за низкой чувствительности выхода.

• Стоимость

Для дешевого измерения ускорения — лучше наклонные/Рихтеровские переключатели, не акселерометры.

Гироскоп

• Диапазон

Макс. диапазон гироскопа ниже нужного макс. угловой скорости. Для высокой точности — диапазон чуть выше ожидаемого значения.

• Цифровой vs Аналоговый (Интерфейсы)

Почти все гироскопы — аналоговый выход. Редко — цифровые (I2C, SPI). Аналог легко интегрируется с МК.

• Число осей

Трехосевой гироскоп

3-осевые появляются, на рынке 1-2 осевые. Выбирайте под задачу: некоторые 2-осевые измеряют крен и тангаж, другие — рыскание и тангаж.

• Потребление

Для батарейных проектов — учитывайте ток (сотни мкА). Есть ли режим сна для экономии.

• Бонусы

Часто есть выход температуры для компенсации дрифта.

• Цена

Цена не перевешивает остальные факторы. Можно взять недорогой.

Заключение

Спасибо, что дочитали. Надеемся, теперь вы сделаете осознанный выбор между акселерометром и гироскопом. Нужны прояснения — пишите, поможем.