Акселерометр в телефоне: что это такое, принцип действия, настройка и калибровка
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:
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.
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.
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.
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:
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.
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.
Apple и Google недооценивают акселерометр — идеальный инструмент для слежки. Он в каждом смартфоне
Каждый современный смартфон оснащается акселерометром и сопутствующими датчиками для отслеживания перемещения — сперва они появились в мобильниках (ещё во времена iPhone 4) для определения точного местоположения, затем стали полезны в играх, а теперь, как следствие, являются неотъемлемыми компонентами гаджетов. Но такие «безобидные» датчики вполне могут использоваться для слежки, и в последнее время специалисты в области кибербезопасности громко заговорили об этом.
Данный материал написан о том, как акселерометр отдельно или в связке с сопутствующими датчиками может использоваться для слежки за владельцами смартфонов, а также о том, почему безразличие Apple и Google в этом вопросе представляет серьёзную опасность для конфиденциальности их пользователей. Топик создан на основе статьи немецкого разработчика и исследователя Томми Мыска (Tommy Mysk) — она описывает положение дел в iOS, но пункты справедливы и для Android.
Содержание
Кратко: что такое акселерометр и зачем нужны другие датчики
Акселерометр — это приборчик, измеряющий ускорение смартфона. Он реагирует на малейшие изменения, будучи способным фиксировать «разгон» даже по нескольким миллиметрам. В современных устройствах акселерометр работает в связке с другими датчиками — к примеру, фреймворк Core Motion на iOS включает его, гироскоп (измеряет угол наклона), педометр (шагомер), магнитометр (фиксирует уровень магнитного поля) и барометр (измеряет атмосферное давление).
Некоторые эти датчики похожи между собой и в принципе годятся для одного и того же, но их всё равно используют в связке для устранения недостатков друг друга. Взять хотя бы функцию ориентации в пространстве: у магнитометра низкая точность для быстрых перемещений, но на длинной дистанции у него практически нет отклонений. Гироскоп же, в своё очередь, быстро и точно реагирует на изменения, но накапливает огромные ошибки по мере измерений. Но даже ему нужно знать начальную ориентацию, поскольку он реагирует только на её изменения.
В рамках этой статьи интересна связка только из двух датчиков: акселерометра и гироскопа. Для краткости далее они часто будут упоминаться под одним названием — акселерометр.
Как приложения могут взаимодействовать с акселерометром
И Apple, и Google считают доступ приложений к почти всем вышеописанным датчикам полностью безопасным — играм и программам не нужно запрашивать у пользователя специальное разрешение на получение информации с этих приборов, в отличие от задействования тех же Bluetooth или GPS. Единственное ограничение — приложения могут считывать данные акселерометра только тогда, когда они открыты (в фоновом режиме отслеживать показатели нельзя — по крайней мере, на iOS).
Как акселерометр можно использовать для слежки
Хоть акселерометр устанавливают в смартфоны в благих целях, его вполне можно исследовать для шпионажа за владельцем гаджета. Это не просто догадки — исследователи подтвердили данное утверждение на опытах, дальше отмечены самые интересные и неочевидные сценарии.
🔴 Определение транспорта
Акселерометр помогает отследить, как вы держите смартфон и как вы двигаетесь. С помощью этого датчика можно понять, что вы делаете в конкретный момент (если держите гаджет в руках): лежите, сидите, идёте, едете на велосипеде и тому подобное. В iPhone нельзя незаметно получить доступ только к шагомеру, так как он защищён системным разрешением, но в открытом доступе есть множество сложных алгоритмов, которые могут обрабатывать данные с других датчиков для подсчёта шагов.
Более того, в том же iPhone есть барометр (тоже со свободным доступом для приложений) — приборчик для измерения давления воздуха и высоты. Благодаря комбинации всех этих датчиков отслеживания перемещения, игры и программы на смартфоне могут запросто определить, что делает человек во время их использования: едет на автобусе, мчится на поезде или летит на самолёте.
🔴 Измерение сердцебиения
Несколькими годами ранее исследователи из Philips Health и Бристольского университета (Англия) занялись вопросом поиска замены стандартным датчикам сердцебиения в фитнес-трекерах, использующих фотоплетизмограмму — метод, основывающийся на регистрации кровяного потока с использованием инфракрасного или светового излучения и фоторезистора или фототранзистора. Они задались этой целью, поскольку соответствующий датчик в носимых гаджетах потребляет слишком много энергии.
В качестве альтернативы они выбрали акселерометр (потребляющий до 5 000 раз меньше энергии). В своём исследовании специалисты создали две модели машинного обучения: одна полагалась исключительно на данные акселерометра, а вторая при необходимости брала данные ещё и с пульсоксиметра. Как показали результаты научной работы, опубликованные в 2018 году, второй вариант оказался довольно удачным — задействуя отдельный датчик сердцебиения всего в 20,25% времени, алгоритм на основе акселерометра предсказал пульс со средней абсолютной ошибкой (MAE) всего в 2,89 удара в минуту.
Хоть первая модель исследователей, которая полагалась исключительно на акселерометр, оказалась провальной (MSE, то есть среднеквадратическая ошибка, — 94,8), результаты научной работы весьма показательны. Они дают понимание того, что даже с помощью акселерометра потенциально можно определить пульс человека во время использования смартфона.
🔴 Измерение частоты дыхания
В 2016 году австралийская специалистка в области электротехники доказала экспериментальным путём, что с помощью датчиков в смартфоне (акселерометра и гироскопа) можно довольно точно определять частоту дыхания — погрешность составляет всего 2 вдоха в минуту.
| Расположение | Датчик | Реальное число вдохов за минуту | Измеренное датчиком число вдохов за минуту |
| Брюшная полость | Акселерометр | 13 | 13 |
| Грудь | Акселерометр | 10 | 10 |
| Грудь | Гироскоп | 9 | 11 |
| Брюшная полость | Гироскоп | 15 | 16 |
На практике придуманный ею метод имеет ряд ограничений, из-за которых его вряд ли можно использовать для полноценной слежки, но саму потенциальную возможность однозначно стоит учитывать. Загвоздки две: во-первых, смартфон должен вести измерения в течение минуты (по крайней мере, столько было в исследовании); во-вторых, датчики мобильных гаджетов фиксируют все сигналы окружающей среды — для точных измерений смартфон должен прилегать к поверхности тела, причём полностью.
🔴 Прослушка разговоров и не только
Это одна из самых опасных угроз конфиденциальности — в 2020 году исследователи разработали алгоритм Spearphone, позволяющий частично распознать речь из динамиков смартфона. Дело в том, что каждый звук создаёт определённые вибрации — если источник звука достаточно громкий, акселерометр способен уловить эти колебания. В своей научной работе учёные выяснили, что если разговор транслируется через обычный динамик телефона (не разговорный), его вибрации вполне можно уловить и распознать.
| 10-кратная перекрёстная валидация | Тест и тренировка | |||
| Модель TIGigits | Список слов PGP | Модель TIGigits | Список слов PGP | |
| Классификация пола | ||||
| Samsung Galaxy S6 | 0,91 | 0,80 | 0,87 | 0,82 |
| Samsung Galaxy Note 4 | 0,99 | 0,91 | 1,00 | 0,95 |
| LG G3 | 0,89 | 0,95 | 0,85 | 0,95 |
| Классификация личности | ||||
| Samsung Galaxy S6 | 0,69 | 0,70 | 0,56 | 0,71 |
| Samsung Galaxy Note 4 | 0,94 | 0,80 | 0,92 | 0,80 |
| LG G3 | 0,91 | 0,92 | 0,89 | 0,95 |
Под распознаванием подразумевается не прямое преобразование вибрации в изначальный звук — Spearphone позволяет классифицировать человека по полу (с точностью более 90%) и личности (более 80%). Распознать речь по вибрации нельзя, но можно пробовать определять факт произношения конкретных слов (к примеру, искать слово «бомба», заранее зная, какая вибрация должна быть в результате произношения этого слова) — правда, точность этой возможности не указана.
| 10-кратная перекрёстная валидация | Тест и тренировка | |||
| Модель TIGigits | Список слов PGP | Модель TIGigits | Список слов PGP | |
| Классификация пола | ||||
| Samsung Galaxy S6 | 0,77 | 0,72 | 0,76 | 0,70 |
| Samsung Galaxy Note 4 | 0,81 | 0,87 | 0,77 | 0,88 |
| LG G3 | 0,99 | 0,95 | 1,00 | 0,95 |
| Классификация личности | ||||
| Samsung Galaxy S6 | 0,33 | 0,34 | 0,26 | 0,29 |
| Samsung Galaxy Note 4 | 0,73 | 0,75 | 0,61 | 0,70 |
| LG G3 | 0,98 | 0,93 | 1,00 | 0,95 |
🔴 Даже определение точного местоположения, хоть и косвенное
Все вышеописанные методы задействовали акселерометр «напрямую», но с помощью него можно косвенно определить даже местоположение пользователя, хотя сам по себе данный датчик абсолютно никак не годится для этого.
Представьте, что вы сели в автобус и открыли условный Facebook. Вы беспокоитесь о своей конфиденциальности и запретили приложению отслеживать ваше местоположение, но человек на соседнем сидении менее осмотрительный — он сидит в той же соцсети, но предоставляет ей доступ к местоположению. Поскольку вы оба находитесь на одинаковой высоте, перемещаетесь с одинаковой скоростью и одинаково трясётесь (при наезде на ямы или кочки), приложение потенциально может определить, что вы и ваш сосед едете в одном и том же транспорте, а следовательно, оно может получить и вашу геопозицию благодаря смартфону другого человека.
Какие популярные приложения постоянно используют акселерометр
Томми Мыск проанализировал обращение известных приложений к акселерометру, и выяснил, что некоторые из них используют его или постоянно, или регулярно. Все они принадлежат Facebook.
В других протестированных приложениях (в том числе и Facebook Messenger) исследователь не зафиксировал обращение к акселерометру без какой-либо явной причины: Signal, Slack, Telegram, TikTok, Threema, Twitter и WeChat.
Отдельно стоит упомянуть Chrome, который недавно упрекнули в предоставлении сайтам доступа к акселерометру по умолчанию — авторитетное издание Forbes даже посоветовало своим читателям удалить данный браузер в связи с данной проблемой (в то время, как Safari в iOS по умолчанию блокирует передачу данных акселерометра, в Chrome эта опция включена и помечена как рекомендуемая для использования). Беспрепятственный доступ абсолютно всех сайтов к датчику кажется действительно странным, потому что, по сути, он по-настоящему нужен в основном только картографическим сервисам.
Исправить проблему можно очень просто — нужно лишь заметить её
Подытоживая статью, можно смело сделать вывод, что акселерометр, по сути, может так же полноценно использоваться для слежки, как те же службы геолокации. Он может быть отличным инструментом как для обычного шпионажа, так и для создания цифрового отпечатка пользователя, позволяющего показывать ему таргетированную рекламу и даже манипулировать его эмоциями с помощью всё тех же рекламных объявлений.
Да, многие вышеописанные методы слежки через акселерометр работают скорее гипотетически, чем по-настоящему, но факт остаётся фактом. Самое странное, что решение всему этому довольно простое — нужно просто защитить доступ к датчикам отслеживания перемещения системным разрешением, как в случае с Bluetooth или определением местоположения. Скорее всего, этого до сих пор не произошло исключительно потому, что проблема беспрепятственного доступа к акселерометру стала громкой только в последнее время — ранее СМИ о ней мало писали, а и без того перегруженные заботами разработчики операционных систем просто не придавали этой проблеме значения. Можно предположить, что в iOS 14 и Android 13 всё изменится — по крайней мере, очень бы этого хотелось.
Большинство современных устройств используют датчики для контроля и управления различными физическими величинами, такими как давление, температура, влажность, интенсивность света, направление и т.д. Один из таких датчиков, используемый для измерения ускорения устройств, называется датчиками акселерометра.
Когда-то давно вы бы нашли такие датчики только в современных машинах, таких как космические ракеты или реактивные самолеты. Теперь они есть практически в каждом смартфоне, ноутбуке, автомобиле и игровой консоли. Давайте копнем глубже и выясним, что это такое, как они работают, и для чего они используются?
Что такое акселерометр?
Измеряя величину гравитационного ускорения, инструмент может вычислить угол, под которым он наклонен относительно Земли. Например, акселерометр, установленный на поверхности Земли, будет измерять ускорение 9,81 м / с2 в прямом направлении вверх.
Измеряя величину динамического ускорения, можно определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство. Например, трехосевой акселерометр может определять величину и направление (во всех трех осях) ускорения как векторную величину.
Акселерометры используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Они в основном используются в электронных устройствах для определения ориентации, ускорения координат, ударов и вибрации.
Акселерометры, встроенные в смартфоны, например, выясняют, когда переключать макет экрана с ландшафтного на портретный. Данные, предоставляемые этими датчиками, могут помочь определить, идет ли устройство вверх или падает вниз.
Высокочувствительные акселерометры интегрированы в инерциальные навигационные системы ракет и реактивных двигателей. Беспилотные летательные аппараты также используют такие устройства для стабилизации полета.
Как работает акселерометр?
Механический акселерометр состоит из пружины, прикрепленной массой. Эта пружина обычно подвешивается внутри наружного корпуса. Когда все устройство ускоряется, корпус сразу же движется в том же направлении. Масса, однако, остается в своем положении (на короткое время), растягивая пружину с силой, соответствующей ускорению.
Принцип работы механического акселерометра
Измеряя длину пружины растяжения, мы можем определить ускорение. Это может быть сделано различными способами. Сейсмометр, например, использует тот же принцип для измерения землетрясений.
Когда происходит землетрясение, он трясет корпус сейсмометра, но масса движется дольше. К массе прикрепляется ручка, чтобы проследить ее движение на бумажном графике.
Современные акселерометры генерируют электрические или магнитные сигналы вместо того, чтобы использовать след от ручки на бумаге.
Самые распространенные типы акселерометров
Большинство коммерческих устройств оснащены емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами для преобразования механического движения в электрический сигнал.
1. Пьезоэлектрические акселерометры используют пьезоэлектрический эффект определенных материалов для измерения ускорения, вибрации или механического удара. Эти материалы накапливают электрический заряд (пьезоэлектричество) в ответ на приложенное механическое напряжение.
Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра
К массе прикрепляется пьезоэлектрический материал, например, цирконат-титанат свинца. При движении акселерометра масса оказывает механическое давление на этот материал. В результате этого материал вырабатывает крошечное электрическое напряжение, которое можно расшифровать, чтобы вычислить соответствующее ускорение.
2. Пьезорезистивные акселерометры работают по аналогичному принципу. Они используют изменение сопротивления пьезорезистивных материалов для преобразования механического напряжения в выходное напряжение постоянного тока. Эти типы акселерометров подходят для измерений удара, где уровень g и диапазон частот значительно высоки.
Endevco 727 | легкий пьезорезистивный акселерометр, идеально подходящий для измерения удара при испытаниях на падение
Пьезоэлектрические компоненты, напротив, не имеют себе равных по высокотемпературному диапазону и малому весу в упаковке.
3. Емкостные акселерометры основаны на изменении электрической емкости в ответ на ускорение. Они содержат два компонента: первичную (стационарную) пластину, прикрепленную к корпусу, и вторичную пластину, соединенную с массой, которая свободно перемещается внутри корпуса.
Емкость изменяется с расстоянием между двумя металлическими пластинами, и, измеряя емкость, можно определить приложенное ускорение. Эти типы акселерометров могут измерять постоянное, а также медленное переходное и периодическое ускорение.
Трехосный емкостный акселерометр
Современные акселерометры бывают всех трех форм. Они часто представляют собой микроэлектромеханические системы (MEMS), содержащие несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Акселерометры, встроенные в планшеты и смартфоны, обычно имеют площадь менее 100 миллиметров.
Микромеханический акселерометр чувствителен только к одному направлению в плоскости. Двухосевой акселерометр построен путем интеграции двух устройств перпендикулярно, а трехосный акселерометр может быть сделан путем добавления другого устройства вне плоскости. Интегрированный модуль может быть гораздо более точным, чем три отдельных устройства, объединенные после упаковки.
Для достижения сверхвысокой чувствительности можно использовать квантовое туннелирование. Однако этот процесс является чрезвычайно сложным и дорогостоящим.
С помощью существующих технологий мы можем измерять ускорения до тысяч g. Инженерам и производителям приходится идти на компромисс между максимальным измеряемым ускорением и чувствительностью устройства.
Применение
Акселерометры используются в различных областях, от инженерной и бытовой электроники до биологии и медицинских технологий. Ниже приведены наиболее часто используемые датчики акселерометров.
Навигация
Инерциальная навигационная система (также называемая инерциальной эталонной платформой) использует компьютер и акселерометры для непрерывного измерения местоположения, ориентации и скорости движущегося объекта без каких-либо внешних ориентиров.
Инженерия
Акселерометры широко используются для измерения вибрации на машинах, автомобильных двигателях и зданиях. В автомобильном секторе акселерометры с высоким значением g используются для обнаружения дорожно-транспортных происшествий и установки подушек безопасности в нужное время.
Они также используются для контроля работоспособности оборудования и регистрации вибрации вращающихся инструментов, таких как компрессоры, турбины, которые, если их не обслуживать, могут привести к дорогостоящему ремонту. Некоторые акселерометры специально настроены (встроены в гравиметры) для измерения гравитационных сил.
Бытовая электроника
Многие производители ноутбуков используют акселерометры для защиты жестких дисков от повреждений. Если датчик обнаруживает внезапное падение, головки жесткого диска припаркованы, чтобы избежать повреждения диска и потери данных.
Биология и медицинское применение
В биологических науках все чаще используются акселерометры. Данные, получаемые с помощью высокочувствительных трехосных акселерометров, позволяют ученым различать поведенческие модели животных, когда они находятся вне поля зрения.
Многие автоматические внешние дефибрилляторы содержат акселерометр для определения глубины сдавления грудной клетки СЛР.
Несколько компаний производят часы для спортсменов, которые состоят из акселерометров для измерения скорости и пройденных дистанций бегунов. Современные будильники фазы сна также интегрированы с акселерометрическими датчиками, так что они могут обнаружить движение спящего и разбудить человека в цикле не-быстрого сна.
