Smartfonlarda Compass — mahiyyəti, iş prinsipi və tətbiqi

Smartfonda rəqəmsal kompas nədir?

Rəqəmsal kompas (compass) smartfonda — maqnitometr əsasında işləyən, Yerin maqnit sahəsinin gərginliyini ölçən və azimutu (maqnit şimalına nisbətən bucaq) təyin edən sensordur. Mexaniki kompasdan fərqli olaraq, rəqəmsal kompas maqnit sahəsini qeyd etmək üçün mikroelektromexaniki sistemlərdən (MEMS) istifadə edir. Maqnitometr sahəni üç ox üzrə ölçür, bu da smartfonun istənilən meylində istiqaməti düzgün təyin etməyə imkan verir.

Sensorun quruluşu

Müasir MEMS-maqnitometr — 2×2×1 mm ölçülü, smartfonun korpusuna akselerometr və giroskopla birlikdə (9-oxlu IMU tərkibində) inteqrasiya edilmiş mikroçipdir. Sensor təkcə istiqaməti deyil, həm də Yerin maqnit sahəsinin intensivliyini ölçür (en dairəsindən asılı olaraq 25–65 µT). Metal əşyaların və dinamiklər, vibrasiya motoru, kameradan yaranan parazit maqnit sahələrinin olması təhriflər yaradır, buna görə də dəqiq iş üçün proqram korreksiyası tələb olunur.

İlk rəqəmsal kompaslar mobil telefonlarda 2009-cu ildə iPhone 3GS-in buraxılışı ilə ortaya çıxdı — daxili maqnitometrə malik ilk smartfon. Bu gün maqnitometr smartfonların böyük əksəriyyətində, o cümlədən büdcə modellərində quraşdırılır. Yole Group məlumatlarına görə, mobil cihazlar üçün MEMS-maqnitometr bazarı ildə 1,5 milyard vahidi ötür ki, bu da texnologiyaya tələbatı təsdiqləyir.

Maqnitometrin iş prinsipi

MEMS-maqnitometrin əsasını xarici maqnit sahəsinin təsiri altında elektrik xarakteristikalarını dəyişən həssas element təşkil edir. Müasir smartfonlarda Hall effekti və ya maqnito-rezistiv effekt (AMR — Anisotropic Magneto-Resistance) istifadə olunur. Prinsip ondan ibarətdir ki, cərəyan keçirən material maqnit sahəsinin təsiri altında müqavimətini dəyişir və gərginliyin dəyişməsi ilə maqnit sahə vektoru hesablanır.

Hall effekti və AMR

Hall effekti əsasında işləyən sensorlar hərəkət edən yüklərə Lorentz qüvvəsinin təsiri nəticəsində yarımkeçirici lövhənin kənarlarında yaranan gərginlik dəyişməsini qeyd edir. Maqnito-rezistiv sensorlar (AMR) müqaviməti maqnit sahəsinin istiqamətindən asılı olan permalloy (NiFe) təbəqəsindən istifadə edir. AMR sensorları daha kiçik ölçü və Hall sensorları ilə müqayisədə daha yüksək həssaslıq təmin edir, buna görə də müasir smartfonlarda üstünlük təşkil edir.

Maqnitometrdən alınan məlumatlar meylin korreksiyası və üfüqi müstəvidə şimala istiqamətin təyini üçün akselerometr göstəriciləri ilə birləşdirilir. Sensor füzyonu (sensor fusion) alqoritmi maqnitometr, giroskop və akselerometr məlumatlarını birləşdirmək üçün Madgwick filtri və ya Kalman filtrindən istifadə edir. Bu, hətta cihazın sürətli dönmələri və silkələnməsi zamanı belə sabit və dəqiq azimut əldə etməyə imkan verir.

Mobil cihazlarda maqnitometr növləri

Mobil sənayedə üç əsas MEMS-maqnitometr növü istifadə olunur: Hall effektinə əsaslanan, anizotrop maqnito-rezistiv (AMR) və nəhəng maqnito-rezistiv (GMR). AMR-maqnitometrlər smartfonlarda həssaslıq, enerji sərfiyyatı və maya dəyərinin optimal birləşməsi sayəsində ən geniş yayılmışdır. Aparıcı istehsalçılar — AKM (Asahi Kasei Microdevices), STMicroelectronics və Bosch Sensortec.

Tipik smartfonun AMR-maqnitometrinin həssaslığı 0,3–1 µT, dinamik diapazonu ±1000 µT (±8 Qauss) təşkil edir ki, bu da Yer sahəsinin (30–65 µT) dəqiq ölçülməsi və parazit sahələrin kompensasiyası üçün kifayətdir. Sensorun sorğu tezliyi 100–200 Hz-ə çata bilər, lakin enerjiyə qənaət üçün əksər tətbiqlər 10–50 Hz istifadə edir. Temperaturun və korpusun gərginlik deformasiyalarının avtomatik kompensasiyası sensor sürücüsü səviyyəsində həyata keçirilir.

Rəqəmsal kompasın kalibrlənməsi

Kompasın kalibrlənməsi — smartfonun komponentləri tərəfindən yaradılan parazit maqnit sahələrinin kompensasiyası prosesidir: dinamiklər, vibrasiya motoru, kamera və akkumulyator. Kalibrləmə olmadan maqnitometr göstəriciləri real istiqamətdən 10–30 dərəcə yayına bilər. Kalibrləmə sistemi üç ox üzrə yerdəyişmə matrisini (hard-iron bias) müəyyən edir və onu bütün sonrakı ölçmələrin korreksiyası üçün tətbiq edir.

Kalibrləmə alqoritmləri və metodları

Standart kompas kalibrləmə metodu — «səkkiz» rəqəminin çəkilməsi: istifadəçi smartfonu 8 rəqəmini xatırladan trayektoriya üzrə fırladır. Hərəkət zamanı sensor bütün mümkün oriyentasiyalarda maqnit sahəsini qeyd edir, alqoritm isə nöqtələri toplayır və mərkəzi sıfıra nisbətən yerdəyişmiş sferanı aproksimasiya edir. Sferanın radiusu Yerin maqnit sahəsinin böyüklüyünə, mərkəz isə parazit yerdəyişmə vektoruna uyğundur. Aproksimasiyadan sonra sistem hər ox üçün korreksiya əmsallarını hesablayır.

Qualcomm və MediaTek tərəfindən hazırlanmış müasir kalibrləmə alqoritmləri istifadəçinin iştirakı olmadan fon rejimində davamlı kalibrləmə həyata keçirir. Onlar cihazın fırlanması zamanı maqnit sahəsindəki dəyişiklikləri təhlil edir və avtomatik olaraq korreksiya parametrlərini yeniləyir. Sensor yeni parazit sahə aşkar edərsə (məsələn, maqnit qutusu taxıldıqda), sistem 1–2 saniyə davamlı hərəkət ərzində yenidən kalibrləməni işə salır.

Kompasın mobil tətbiqlərdə tətbiqi

Rəqəmsal kompas geniş spektrli mobil tətbiqlərdə istifadə olunur. Əsas tətbiq — naviqasiya və xəritəçəkmə xidmətləri (Google Maps, Yandex.Maps, 2GIS) istifadəçinin hərəkət istiqamətini düzgün göstərmək üçün cihazın xəritədə oriyentasiyasını təyin edir. Artırılmış reallıq (AR) tətbiqlərində kompas virtual obyektlərin düzgün yerləşdirilməsini təmin edir.

Astronomiya tətbiqlərində (Star Walk, SkySafari) kompas akselerometrlə birlikdə smartfonun hansı istiqamətə yönəldiyini müəyyən edir və ulduzlu səmanın müvafiq sahəsini göstərir. Balıqçılıq və turizm tətbiqləri kompasdan azimuta istinadla xəritədə maraq nöqtələrini qeyd etmək üçün istifadə edir. GPS ilə fitnes-trekinq kompas göstəricilərindən qaçış və ya velosiped sürmə istiqamətini təyin etmək üçün istifadə edir ki, bu da marşrutun göstərilmə dəqiqliyini artırır.

Android API vasitəsilə kompasdan istifadə

Android-də rəqəmsal kompasa çıxış üçün Sensor API-dən TYPE_MAGNETIC_FIELD sensoru istifadə olunur. Proqramçılar maqnitometr göstəricilərində dəyişikliklərin dinləyicisini qeydiyyatdan keçirir və üç ox üzrə maqnit sahəsinin gərginlik dəyərlərini mikroTeslalarla əldə edirlər. Azimutun müəyyən edilməsi üçün maqnitometr məlumatları sensor fusion fırlanma matrisi vasitəsilə akselerometr məlumatları ilə birləşdirilir.

import android.hardware.Sensor
import android.hardware.SensorEvent
import android.hardware.SensorEventListener
import android.hardware.SensorManager

class CompassManager(
    private val sensorManager: SensorManager
) : SensorEventListener {

    private val magnetometer = FloatArray(3)
    private val accelerometer = FloatArray(3)
    private val rotationMatrix = FloatArray(9)
    private val orientation = FloatArray(3)

    override fun onSensorChanged(event: SensorEvent) {
        if (event.sensor.type == Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD) {
            event.values.copyInto(magnetometer)
        } else if (event.sensor.type == Sensor.TYPE_ACCELEROMETER) {
            event.values.copyInto(accelerometer)
        }
        
        SensorManager.getRotationMatrix(
            rotationMatrix, null,
            accelerometer, magnetometer
        )
        SensorManager.getOrientation(rotationMatrix, orientation)
        
        val azimuth = Math.toDegrees(orientation[0].toDouble())
        // azimut: 0 = şimal, 90 = şərq, 180 = cənub, 270 = qərb
    }

    fun start() {
        sensorManager.registerListener(this,
            sensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD),
            SensorManager.SENSOR_DELAY_UI)
        sensorManager.registerListener(this,
            sensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER),
            SensorManager.SENSOR_DELAY_UI)
    }

    override fun onAccuracyChanged(sensor: Sensor?, accuracy: Int) {}
}

getOrientation vasitəsilə əldə edilən azimut radianlarla ölçülür və -π-dən π-ə qədər qiymətlər ala bilər, burada 0 maqnit şimalına uyğundur. Ekranda göstərmək üçün dəyərlər 0–360 diapazonuna normallaşdırma ilə dərəcələrə (Math.toDegrees) çevrilir. Maqnit deklinasiyasını — maqnit və həqiqi (coğrafi) şimal arasındakı bucağı nəzərə almaq vacibdir, bu coğrafi mövqedən asılıdır və zamanla dəyişir. Google Xəritələri deklinasiyanı GeomagneticField API vasitəsilə avtomatik olaraq düzəldir.