利用智能手機上的陀螺儀測量加速度

(江蘇省南京市寧海中學(xué)高一5班,江蘇 南京 210009)

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利用智能手機上的陀螺儀測量加速度

王馨怡

(江蘇省南京市寧海中學(xué)高一5班,江蘇 南京 210009)

隨著智能手機不斷發(fā)展，越來越多的傳感器被集成到手機中，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)用于物理實驗，筆者利用手機中的陀螺儀傳感器，在測量小車加速度實驗中實現(xiàn)輔助測試與校驗功能，并計算出由于打點計時器紙帶拖拽作用而產(chǎn)生的誤差。

智能手機；陀螺儀;加速度

1 引言

經(jīng)過開發(fā)，智能手機可以變身為無線體感鼠標(biāo)，其原理是應(yīng)用了手機上陀螺儀的傳感器，通過程序讀取陀螺儀的角速度和加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過WIFI傳給電腦，驅(qū)動電腦鼠標(biāo)移動。這讓筆者想起高一物理中有使用打點計時器測量小車加速度的實驗，既然手機可以直接測定物體的角速度和加速度，那么是否可以將手機應(yīng)用到這個實驗中，用于測試、校正打點計時器測量的加速度？帶著問題，筆者請教了相關(guān)專家，查閱了相關(guān)資料，從認識陀螺儀、用手機讀取加速度到實驗誤差分析等，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)在手機用的陀螺儀指的是微電機系統(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)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。市場上常見的有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，該陀螺儀可以測量X、Y、Z三個方向上的角速度和加速度，角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g、±16g(如圖1)。產(chǎn)品傳輸可透過最高至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)用于手機及體感設(shè)備當(dāng)中。

3 手機讀取加速度的程序?qū)崿F(xiàn)

為了采集手機上的陀螺儀加速度數(shù)據(jù)，本實驗使用的是Adobe Flash CS6軟件，開發(fā)Android手機應(yīng)用程序，通過AIR接口讀取陀螺儀的加速度數(shù)據(jù)，并實時顯示在屏幕上，每隔0.1s將數(shù)據(jù)保存一次，以便在實驗后進行查看，程序?qū)崿F(xiàn)步驟如下。

(1) 打開Flash CS6軟件，新建一個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)，點擊“確定”按鈕。

圖2

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

(3) 在第一幀上編寫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)加速度開始下降一個閾值時，自動停止計數(shù)

}

}

主要程序說明：程序啟動時通過fl_Accelerometer.addEventListener()函數(shù)，開始偵測陀螺儀數(shù)據(jù)，當(dāng)手機有一定加速度時，則啟動0.1s的定時器，每隔0.1s進行一次數(shù)據(jù)讀取，通過beginTest()函數(shù)進行平均值計算，并顯示在界面上。

(4) 生成.apk程序，安裝到安卓手機上，并測試運行。

4 手機在實驗中的應(yīng)用

手機程序編寫完成后，則開始應(yīng)用到測量小車加速度的實驗中。

如圖3所示，把附有滑輪的長木板平放在實驗桌上，將細繩繞過滑輪，下面掛上適量的鉤碼，將手機用透明膠帶固定在小車上，實驗中可以認為手機是小車的一個組成部分，小車也就變成可以自己測量加速度的智能小車了，將小車放在長木板上，細繩一端與小車相連，第一步不用紙帶和打點計時器，啟動手機中前面編好的程序，然后放開小車和手機的組合體，讓組合體在鉤碼的牽引下做加速運動，在小車停止后，查看手機和小車從開始加速運行到開始減速這段區(qū)間的加速度記錄，將這些數(shù)據(jù)拷貝出來，以便與以后的實驗數(shù)據(jù)進行比較。

圖3

表1 用智能小車測量的加速度

如圖4所示，在其他實驗條件不變的情況下，在小車上固定紙帶，并讓紙帶通過打點計時器，把小車靠近打點計時器的位置。啟動打點計時器，然后放開小車，這時可以通過手機中的軟件讀出一組加速度數(shù)據(jù)，同時通過測量紙帶上的點距，也可以獲得一組加速度數(shù)據(jù)，并與手機中加速度數(shù)據(jù)進行比對，可以發(fā)現(xiàn)用打點計時法測得的數(shù)據(jù)不如手機傳感器測量的穩(wěn)定。這是由于手機出廠時，陀螺儀傳感器是經(jīng)過校準(zhǔn)的，其靈敏度與準(zhǔn)確性要比打點計時器要高。

圖4

因此，可采用手機讀取的加速度數(shù)據(jù)，來研究打點計時器本身對測量加速度產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

表2 用打點計時器測量小車加速度

不難發(fā)現(xiàn)，使用打點計時器之后，測得的加速度數(shù)據(jù)小于未用打點計時器時的數(shù)據(jù)。這是因為打點計時器擊打紙帶時，會產(chǎn)生阻力，從而小車的加速度減小。在手機引入本實驗之前，這種影響只是一種定性的認識，無法測量出到底打點計時器對實驗結(jié)果有多大影響，但是通過實驗比較就可以定量分析引入打點計時器對實驗產(chǎn)生的誤差。

注意到除第一個數(shù)據(jù)之外，f基本穩(wěn)定在0.005N,說明打點計時器開啟后由于紙帶的拖拽作用產(chǎn)生了基本穩(wěn)定的誤差。

使用手機中的陀螺儀傳感器測量加速度，可以直觀校驗用打點計時器測得的加速度，如果發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)相差懸殊，說明實驗需要重測。本實驗是否可以檢測桌面摩擦阻力？程序如何判斷智能小車已經(jīng)開始運動、如何智能停止計數(shù)？這些問題很有趣，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發(fā)中心．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書 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: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.