利用智能手機(jī)上的陀螺儀測(cè)量加速度

(江蘇省南京市寧海中學(xué)高一5班,江蘇 南京 210009)

·學(xué)生園地·

利用智能手機(jī)上的陀螺儀測(cè)量加速度

王馨怡

(江蘇省南京市寧海中學(xué)高一5班,江蘇 南京 210009)

隨著智能手機(jī)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的傳感器被集成到手機(jī)中，比如攝像頭、陀螺儀、地磁儀、壓力傳感器等。很多傳感器可以應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)，筆者利用手機(jī)中的陀螺儀傳感器，在測(cè)量小車加速度實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)輔助測(cè)試與校驗(yàn)功能，并計(jì)算出由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶拖拽作用而產(chǎn)生的誤差。

智能手機(jī)；陀螺儀;加速度

1 引言

經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，智能手機(jī)可以變身為無(wú)線體感鼠標(biāo)，其原理是應(yīng)用了手機(jī)上陀螺儀的傳感器，通過(guò)程序讀取陀螺儀的角速度和加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)WIFI傳給電腦，驅(qū)動(dòng)電腦鼠標(biāo)移動(dòng)。這讓筆者想起高一物理中有使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量小車加速度的實(shí)驗(yàn)，既然手機(jī)可以直接測(cè)定物體的角速度和加速度，那么是否可以將手機(jī)應(yīng)用到這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用于測(cè)試、校正打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量的加速度？帶著問(wèn)題，筆者請(qǐng)教了相關(guān)專家，查閱了相關(guān)資料，從認(rèn)識(shí)陀螺儀、用手機(jī)讀取加速度到實(shí)驗(yàn)誤差分析等，做了有益的嘗試。

2 陀螺儀(MEMS)介紹

圖1

傳統(tǒng)陀螺儀是指一個(gè)高速沿一軸向回轉(zhuǎn)的物體，可以使該物體維持一定的空間姿態(tài)。現(xiàn)在手機(jī)用的陀螺儀指的是微電機(jī)系統(tǒng)中的一種應(yīng)用(MEMS Micro-Electro-Mechanical System)，是在微電子技術(shù)(半導(dǎo)體制造技術(shù))基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。市場(chǎng)上常見(jiàn)的有InvenSense MPU系列、BOSCH的BMI系列、FairChild的FIS等系列陀螺儀，本文以InvenSense MPU6050為例，該陀螺儀可以測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向上的角速度和加速度，角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g、±16g(如圖1)。產(chǎn)品傳輸可透過(guò)最高至400kHz的IIC與主控連接，以便讓主控讀取角速度和加速度數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)及體感設(shè)備當(dāng)中。

3 手機(jī)讀取加速度的程序?qū)崿F(xiàn)

為了采集手機(jī)上的陀螺儀加速度數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)使用的是Adobe Flash CS6軟件，開(kāi)發(fā)Android手機(jī)應(yīng)用程序，通過(guò)AIR接口讀取陀螺儀的加速度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，每隔0.1s將數(shù)據(jù)保存一次，以便在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行查看，程序?qū)崿F(xiàn)步驟如下。

(1) 打開(kāi)Flash CS6軟件，新建一個(gè)AIR for Android應(yīng)用程序，程序界面寬設(shè)定為480像素，高設(shè)定為800像素(如圖2)，點(diǎn)擊“確定”按鈕。

圖2

(2) 在界面中添加2個(gè)文本框，一個(gè)用于顯示每0.1s采集的加速度值，另外一個(gè)顯示所有加速度的平均值。

(3) 在第一幀上編寫(xiě)AS3程序，參考程序如下：

import flash.events.Event;

import flash.events.AccelerometerEvent;

import flash.sensors.Accelerometer;

import flash.utils.setInterval;

import flash.utils.clearInterval;

var aAverageX:Number = 0;//X軸平均加速度

var aAverageY:Number = 0;//Y軸平均加速度

var aAverageZ:Number = 0;//Z軸平均加速度

var aCurX:Number = 0;//X軸當(dāng)前加速度

var aCurY:Number = 0;//Y軸當(dāng)前加速度

var aCurZ:Number = 0;//Z軸當(dāng)前加速度

var intervalId:uint = 0;//0.1秒定時(shí)器ID

var fl_Accelerometer:Accelerometer = new Accelerometer();//定義加速度

if (fl_Accelerometer != null)

{

fl_Accelerometer.addEventListener(AccelerometerEvent.UPDATE, fl_AccelerometerUpdateHandler);

}

function fl_AccelerometerUpdateHandler(e:AccelerometerEvent):void

{

aCurX = e.accelerationX;

aCurY = e.accelerationY;

aCurZ = e.accelerationZ;

if (intervalId == 0 && aCurX > 0.2)

{

aAverageX = aCurX;

aAverageY = aCurY;

aAverageZ = aCurZ;

intervalId = setInterval(beginTest,100);

}

}

function beginTest():void

{

text1.appendText("X:" + aCurX + " Y:" + aCurY + " :Z" + aCurZ);

aAverageX = (aAverageX + aCurX) / 2;

aAverageY = (aAverageX + aCurY) / 2;

aAverageZ = (aAverageX + aCurZ) / 2;

text2.text = "X:" + aCurX + " Y:" + aCurY + " :Z" + aCurZ;

if (aCurX - aAverageX < 0.2)

{

clearInterval(intervalId);//當(dāng)加速度開(kāi)始下降一個(gè)閾值時(shí)，自動(dòng)停止計(jì)數(shù)

}

}

主要程序說(shuō)明：程序啟動(dòng)時(shí)通過(guò)fl_Accelerometer.addEventListener()函數(shù)，開(kāi)始偵測(cè)陀螺儀數(shù)據(jù)，當(dāng)手機(jī)有一定加速度時(shí)，則啟動(dòng)0.1s的定時(shí)器，每隔0.1s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取，通過(guò)beginTest()函數(shù)進(jìn)行平均值計(jì)算，并顯示在界面上。

(4) 生成.apk程序，安裝到安卓手機(jī)上，并測(cè)試運(yùn)行。

4 手機(jī)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

手機(jī)程序編寫(xiě)完成后，則開(kāi)始應(yīng)用到測(cè)量小車加速度的實(shí)驗(yàn)中。

如圖3所示，把附有滑輪的長(zhǎng)木板平放在實(shí)驗(yàn)桌上，將細(xì)繩繞過(guò)滑輪，下面掛上適量的鉤碼，將手機(jī)用透明膠帶固定在小車上，實(shí)驗(yàn)中可以認(rèn)為手機(jī)是小車的一個(gè)組成部分，小車也就變成可以自己測(cè)量加速度的智能小車了，將小車放在長(zhǎng)木板上，細(xì)繩一端與小車相連，第一步不用紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，啟動(dòng)手機(jī)中前面編好的程序，然后放開(kāi)小車和手機(jī)的組合體，讓組合體在鉤碼的牽引下做加速運(yùn)動(dòng)，在小車停止后，查看手機(jī)和小車從開(kāi)始加速運(yùn)行到開(kāi)始減速這段區(qū)間的加速度記錄，將這些數(shù)據(jù)拷貝出來(lái)，以便與以后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖3

表1 用智能小車測(cè)量的加速度

如圖4所示，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，在小車上固定紙帶，并讓紙帶通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，把小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置。啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，然后放開(kāi)小車，這時(shí)可以通過(guò)手機(jī)中的軟件讀出一組加速度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量紙帶上的點(diǎn)距，也可以獲得一組加速度數(shù)據(jù)，并與手機(jī)中加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)法測(cè)得的數(shù)據(jù)不如手機(jī)傳感器測(cè)量的穩(wěn)定。這是由于手機(jī)出廠時(shí)，陀螺儀傳感器是經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的，其靈敏度與準(zhǔn)確性要比打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要高。

圖4

因此，可采用手機(jī)讀取的加速度數(shù)據(jù)，來(lái)研究打點(diǎn)計(jì)時(shí)器本身對(duì)測(cè)量加速度產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

表2 用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量小車加速度

不難發(fā)現(xiàn)，使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之后，測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)小于未用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)榇螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器擊打紙帶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阻力，從而小車的加速度減小。在手機(jī)引入本實(shí)驗(yàn)之前，這種影響只是一種定性的認(rèn)識(shí)，無(wú)法測(cè)量出到底打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有多大影響，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較就可以定量分析引入打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差。

注意到除第一個(gè)數(shù)據(jù)之外，f基本穩(wěn)定在0.005N,說(shuō)明打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開(kāi)啟后由于紙帶的拖拽作用產(chǎn)生了基本穩(wěn)定的誤差。

使用手機(jī)中的陀螺儀傳感器測(cè)量加速度，可以直觀校驗(yàn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)得的加速度，如果發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)相差懸殊，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)需要重測(cè)。本實(shí)驗(yàn)是否可以檢測(cè)桌面摩擦阻力？程序如何判斷智能小車已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)、如何智能停止計(jì)數(shù)？這些問(wèn)題很有趣，留待以后深入探討。

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理必修1[M].北京:人民教育出版社,2010.

[2] InvenSense.MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.2[M].美國(guó):Invensense,2011.

[3] 王超.中文版Flash CS6基礎(chǔ)與案例教程[M].北京:北京交通大學(xué)出版社、清華大學(xué)出版社,2013.

[4] 俞彬.Adobe Flash CS6中文版經(jīng)典教程[M].北京:人民郵電出版社,2014.