حسگر ژیروسکوپ چیست و چه کاربردی در گوشی‌های هوشمند دارد؟

ژیروسکوپ یک مکانیسم کوچک بسیار پیچیده است که به لطف توانایی خود در ارائه اندازه گیری‌های ساده و دقیق جهت گیری، کاربردهای متنوعی پیدا کرده است. ژیروسکوپ مسئول حفظ تعادل / جهت است و با اصلاح در برابر هرگونه جابجایی در زوایای مختلف مقاومت می‌کند و در نتیجه کنترل پایداری را فراهم می‌کند. به بیان ساده‌تر، کار ژیروسکوپ اندازه گیری زاویه است و می‌توان آن را به عنوان نسخه پیچیده‌تر یک قطب نما مغناطیسی در نظر گرفت.

تاریخچه ژیروسکوپ و عملکرد کلی آن

ژیروسکوپ در طی آزمایشات یک فیزیکدان فرانسوی، لئون فوکو، که از آن برای توضیح چرخش زمین استفاده کرد، معرفی شد. در حال حاضر، از آن برای بسیاری از برنامه‌های کاربردی حیاتی مانند حفظ جهت هواپیماها، موشک‌ها و سفینه‌های فضایی و در گوشی‌های هوشمند مانند فعال کردن بازی‌های کنترل ژست روی دستگاه‌های تلفن همراه در میان بسیاری از پیاده‌سازی‌های متنوع دیگر استفاده می‌شود.

ژیروسکوپ در ساده‌ترین شکل خود، روتوری روی یک محور چرخشی است که در یک قاب محصور شده است تا گشتاورهای خارجی به نام گیمبال و قاب ژیروسکوپی خارجی را به حداقل برساند. در نمودار بالا می‌بینیم که شیب، جهت روتور را تغییر نداده و توسط گیمبال جبران شده است. چرخش روتور به این معنی است که هر تغییر جهت روی تمام نقاط روتور به طور یکسان تأثیر می‌گذارد و باعث می‌شود روتور بر روی یک محور ثابت بچرخد.

به این حالت Precession می گویند و حتی پس از اعمال نیروهای خارجی برای تغییر جهت محور اسپین، جهت گیری ثابت ایجاد می‌کند. اگر نیروی خارجی اعمال شود، محور اسپین آن نیرو را به روتور منتقل می‌کند، که به نوبه خود نیرو را به چارچوب خارجی (گیمبال) منتقل می‌کند و باعث می‌شود که آن را در زوایای قائم به چرخش اولیه بچرخاند. این نیروی خارجی اعمال می‌شود که محور چرخش را در فرم ثابت نگه دارد.

حالت Precession محور چرخش را جهت‌دار نگه می‌دارد و بنابراین در زمینه‌هایی مانند ناوبری هواپیماهای بدون سرنشین، راه‌اندازی دستگاه‌های شما، شاتل‌های فضایی و غیره کمک می‌کند.

اگر دو ژیروسکوپ را با محورهای آنها در زوایای قائم با یکدیگر روی یک پلت فرم نصب کنید و سکو را در داخل مجموعه ای از گیمبال‌ها قرار دهید، سکو کاملا ثابت و سخت باقی می‌ماند، زیرا گیمبال‌ها در هر محوری می‌توانند آزادانه بچرخند. این باعث می‌شود که سیستم‌های ناوبری اینرسی (INS) در وسایل نقلیه بدون سرنشین استفاده شود. همچنین از ژیروسکوپ‌های بزرگ برای تثبیت کشتی‌ها و حتی ماهواره‌ها در طول مسیر پروازشان استفاده می‌شود!

عملکرد ژیروسکوپ در گوشی‌های هوشمند

اکنون که متوجه شدید که ژیروسکوپ چگونه کار می‌کند، اجازه دهید استفاده آن در گوشی‌های هوشمند را بررسی کنیم. در گوشی‌های هوشمند ما، ژیروسکوپ مورد استفاده، ژیروسکوپ سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) نامیده می‌شود و با مکانیکی که در بالا توضیح داده شد متفاوت است، اگرچه در اصل یکسان است.

ژیروسکوپ‌های MEMS جمع و جور هستند و از تراشه‌های یکپارچه کوچکی تشکیل شده‌اند. این حسگر در اغلب اوقات با حسگر شتاب‌سنج اشتباه گرفته می‌شود و یکی از سنسورهای اصلی تلفن همراه است. این سنسور برای اولین بار در گوشی‌های هوشمند آیفون ۴ استفاده شد.

در واقع، سنسور ژیروسکوپ، تکمیل کننده و کمک کننده‌ی سنسور شتاب‌سنج است و برای یافتن جهت قرارگیری تلفن همراه، به شتاب‌سنج کمک می‌کند. سنسور شتاب سنج در گوشی همراه، باعث تشخیص سرعت چرخش زاویه‌ای و شتاب می‌شود.

به عبارت بهتر، اگر ژیروسکوپ در گوشی استفاده نمی‌شد، شاید حین انجام بازی‌هایی با تغییر زاویه تلفن همراه، تجربه ی چندان جذابی به کاربر قابل ارائه نبود. چرا که دقت چنین بازی‌هایی در این حالت به اندازه‌ی مطلوب نبود.

به طور کلی دو وظیفه‌ی اصلی بر عهده‌ی حسگر ژیروسکوپ در در تلفن‌های همراه‌ است. تشخیص حرکت چرخشی و تشخیص تغییرات جهت‌گیری. این نوع از حرکت‌ها، حرکت‌هایی هستند که توسط انسان به سختی قابل درک هستند و به همین منظور هم این سنسور‌ها برای راحتی استفاده‌ی انسان، بسیار مناسب هستند.

برای درک بیشتر این موضوع، مثالی از بازی در WII می زنی. وقتی با استفاده از کنترلر WII گلف بازی می‌کنید، شتاب‌سنج حرکت نوسانی شما را می‌گیرد و آن را به یک عکس روی صفحه تبدیل می‌کند. شتابی که با آن کنترلر WII را تاب می‌دهید، در قدرت ضربه چرخان شما ثبت می‌شود و به مسافتی که توپ روی سبزه طی می‌کند، تبدیل می‌شود، در حالی که زاویه حرکت به جهتی که توپ طی می‌کند تبدیل می‌شود. شتاب‌سنج و ژیروسکوپ با هم می‌توانند جهت دستگاه و سرعت شتاب آن را حس کنند.

کاربرد ژیروسکوپ در گوشی‌های هوشمند

ژیروسکوپ کاربردهای متعددی دارد و یکی از مهم‌ترین حسگرهای گوشی هوشمند بوده که عملا کار با گوشی هوشمند بدون این حسگر بسیار بی‌کیفیت است. در ادامه به پنج مورد از کاربردهای این حسگر خواهیم پرداخت.

یکی از کاربردهای حسگر ژیروسکوپ، عکاسی ۳۶۰ درجه است. این سنسور، باعث می‌شود تا تصاویر گرفته شده توسط دوربین تلفن همراه، به همدیگر متصل شوند. در نهایت دوربین تلفن همراه و نزم‌افزارهای مرتبط با آن، تصاویر گرفته شده توسط دوربین را به یکدیگر متصل کرده و تصویری ۳۶۰ درجه را ثبت می‌کند.

همچنین این سنسور در هنگام عکاسی و فیلمبرداری به کاربر کمک می‌کند تا در شرایط لرزش‌های ناگهانی، هم‌چانان تصاویری واضح و با کیفیتی را ثبت کند. حرکت‌های دست و لرزش‌های حاصل از آن، توسط ژیروسکوپ گوشی شناسایی شده و آثار آن از تصاویر حذف می‌شود. این کار باعث می‌شود تصاویر بدون لرزشی حاصل شوند.

از دیگر کاربردهای ژیروسکوپ مسیریابی است. در داخل تونل‌های جاده‌ای یا مکان‌هایی که دسترسی به اینترنت دچار مشکل می‌شود، هم‌چنان مکان‌یابی با کیفیت قابل قبول انجام می‌شود. دلیل اینکه مکانیابی بدون اینترنت نیز صورت می‌گیرد، وجود همین حسگر ژیروسکوپ است.

با استفاده از سنسور ژیروسکوپ، بازی‌های حرکتی قابل انجام است. این سنسور باعث می‌شود تا با استفاده از حرکت‌های گوشی هوشمند، بازی قابل کنترل باشد. در واقع، تلفن همراه در چنین بازی‌هایی به عنوان فرمان در اتومبیل عمل می‌کند. به هر سمتی کج شود، بازی هم به همان سمت حرکت خواهد کرد.

سخن پایانی

اکنون می‌دانید که ژیروکوپ چیست، چه کاربردهای عظیمی دارد و عملکرد آن در گوشی هوشمندتان به چه صورت است. ژیروسکوپ یکی از مهم‌ترین سنسورهای گوشی هوشمند بوده و بنابراین اگر قصد انجام عکاسی و یا بازی‌های حرفه‌ای را دارید، بهتر است در هنگام خرید یک گوشی هوشمند دقت کنید که به این سنسور مجهز باشد. حسگر ژیروسکوپ کیفیت کار، بازی و عکاسی شما را با گوشی هوشمند، به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد.