Akcelerometr v mobilních aplikacích: co to je, jak funguje a kde se používá

Co je akcelerometr

Akcelerometr je mikroelektromechanický (MEMS) senzor měřící průmět zrychlení na tři vzájemně kolmé osy: X (horizontální, směřující doprava), Y (vertikální, směřující nahoru) a Z (kolmá k rovině obrazovky). V klidovém stavu akcelerometr ukazuje hodnotu 9.8 m/s² na ose Z — to je gravitační zrychlení směřující ke středu Země. Na základě této hodnoty systém určuje orientaci zařízení: pokud je hodnota na Z blízko 0 a na Y blízko -9.8 m/s², je zařízení otočeno horizontálně. Měřicí rozsah akcelerometru je obvykle ±2g, ±4g, ±8g nebo ±16g v závislosti na modelu čipu.

Fyzikální parametry akcelerometru

Moderní akcelerometry se vyznačují několika klíčovými parametry: citlivost (od 0.001 m/s²), vzorkovací frekvence (až 1000 Hz), měřicí rozsah a úroveň šumu. Do vlajkových zařízení se instalují senzory STMicroelectronics LSM6DSO nebo Bosch BMI270 s frekvencí až 1600 Hz a spotřebou nižší než 0.5 mW v aktivním režimu. Čím vyšší je vzorkovací frekvence, tím detailnější signál aplikace získává — pro hry je potřeba 200-400 Hz, pro počítání kroků stačí 10-50 Hz. Šum senzoru ovlivňuje přesnost měření a je obvykle kompenzován dolní propustí na úrovni operačního systému.

Princip fungování akcelerometru

MEMS akcelerometr uvnitř představuje mikroskopickou strukturu z křemíku: pohyblivá hmota (proof mass) je zavěšena na pružných nosnících (cantilevers) mezi pevnými elektrodami. Při zrychlení se hmota posouvá a mění kapacitu mezi pohyblivými a pevnými prvky — tato změna je měřena a převáděna na elektrický signál. Obvod s uzavřenou zpětnou vazbou (closed-loop) udržuje hmotu ve středové poloze pomocí elektrostatické síly, což zajišťuje linearitu měření v celém rozsahu. V otevřených systémech (open-loop) se hmota pohybuje volně a výpočty jsou jednodušší, ale přesnost je nižší. Podle údajů STMicroelectronics (2025) poskytují closed-loop akcelerometry přesnost až 0.001g s teplotním driftem nižším než 0.1 mg/°C.

Měřicí osy

Tři osy akcelerometru odpovídají třem rozměrům prostoru: X (náklon vlevo-vpravo), Y (nahoru-dolů) a Z (dopředu-dozadu vzhledem k obrazovce). Když zařízení leží na stole obrazovkou nahoru, vektor gravitačního zrychlení směřuje podél osy Z dolů s hodnotou 9.8 m/s². Při náklonu zařízení se průměty gravitace přerozdělují mezi osy — na základě těchto průmětů lze vypočítat úhel náklonu s přesností až 0.1 stupně. Pro určení pohybu bez vlivu gravitace se používá horní propust (high-pass filter), která odděluje dynamickou složku zrychlení (vlastní pohyb zařízení) od statické (gravitační síla).

Získávání dat z akcelerometru na Androidu

Na Androidu je přístup k akcelerometru realizován prostřednictvím třídy SensorManager a rozhraní SensorEventListener. Aplikace získá systémovou službu SENSOR_SERVICE, vyžádá senzor TYPE_ACCELEROMETER a zaregistruje posluchače s uvedením frekvence aktualizace. Systém volá onSensorChanged při každém novém měření s polem hodnot: values[0] = X, values[1] = Y, values[2] = Z. Níže je uveden úplný příklad čtení dat z akcelerometru v Kotlinu.

val sensorManager = getSystemService(SENSOR_SERVICE) as SensorManager
val accelerometer = sensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER)

val sensorEventListener = object : SensorEventListener {
    override fun onSensorChanged(event: SensorEvent) {
        val x = event.values[0]
        val y = event.values[1]
        val z = event.values[2]

        // Výpočet úhlu náklonu
        val pitch = Math.atan2(
            x.toDouble(),
            Math.sqrt(y.toDouble() * y + z.toDouble() * z)
        )
        // Aktualizace rozhraní s novým úhlem
        textViewAngle.text = "Náklon: ${Math.toDegrees(pitch)}°"
    }

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

sensorManager.registerListener(
    sensorEventListener,
    accelerometer,
    SensorManager.SENSOR_DELAY_GAME
)

V příkladu SensorManager.SENSOR_DELAY_GAME nastavuje frekvenci aktualizace ~50 Hz, optimální pro hry a interaktivní aplikace. Pro počítání kroků použijte SENSOR_DELAY_NORMAL (~5 Hz), pro přesná měření — SENSOR_DELAY_FASTEST (~200 Hz). V onSensorChanged obsahuje pole event.values aktuální údaje senzoru. Na základě hodnot X, Y, Z se vypočítá úhel náklonu (pitch) pomocí atan2 — to je základní vzorec pro určení orientace zařízení bez použití orientačního senzoru. Nezapomeňte zrušit registraci posluchače v onPause pro úsporu baterie.

Filtrace šumu

private val alpha = 0.8f
private val gravity = FloatArray(3)
private val linearAcceleration = FloatArray(3)

override fun onSensorChanged(event: SensorEvent) {
    // Dolní propust (LPF) pro oddělení gravitace
    gravity[0] = alpha * gravity[0] + (1 - alpha) * event.values[0]
    gravity[1] = alpha * gravity[1] + (1 - alpha) * event.values[1]
    gravity[2] = alpha * gravity[2] + (1 - alpha) * event.values[2]

    // Odečtení gravitace — získáme lineární zrychlení
    linearAcceleration[0] = event.values[0] - gravity[0]
    linearAcceleration[1] = event.values[1] - gravity[1]
    linearAcceleration[2] = event.values[2] - gravity[2]
}

Dolní propust s koeficientem alpha odděluje gravitační složku (statický vektor), jejímž odečtením získáme čisté zrychlení zařízení (lineární zrychlení). To je nezbytné pro určení pohybu bez ohledu na orientaci — například pro detekci kroku, zatřesení nebo nárazu. Hodnota alpha 0.8 znamená, že filtr propouští ~20 % nového signálu a zachovává 80 % předchozího — dostatečné pro vyhlazení šumu bez výrazného zpoždění.

Získávání dat z akcelerometru na iOS

Na iOS je přístup k akcelerometru poskytován frameworkem Core Motion prostřednictvím třídy CMMotionManager. Aplikace vytvoří instanci manažera a zavolá startAccelerometerUpdates s uvedením fronty a handleru. Data jsou vracena jako CMAccelerometerData obsahující strukturu CMAcceleration s poli x, y a z. Níže je uveden příklad získávání dat z akcelerometru ve Swiftu s filtrací šumu.

import CoreMotion

let motionManager = CMMotionManager()
motionManager.accelerometerUpdateInterval = 1.0 / 60.0

guard motionManager.isAccelerometerAvailable else { return }

motionManager.startAccelerometerUpdates(to: OperationQueue.current!) {
    data, error in

    guard let acceleration = data?.acceleration,
          error == nil else { return }

    // Hodnoty v g (1 g = 9.8 m/s²)
    let magnitude = sqrt(
        acceleration.x * acceleration.x +
        acceleration.y * acceleration.y +
        acceleration.z * acceleration.z
    )

    // Pokud magnitude > 2.5 g — detekováno zatřesení
    if magnitude > 2.5 {
        DispatchQueue.main.async {
            self.handleShake()
        }
    }
}

V příkladu je accelerometerUpdateInterval nastaven na 1/60 s (~60 Hz) — optimální pro plynulou animaci a hry. Metoda isAccelerometerAvailable kontroluje přítomnost senzoru v zařízení. Hodnoty zrychlení jsou vraceny v jednotkách g (kde 1 g = 9.8 m/s²). Vektor magnitude se vypočítá jako euklidovská norma tří složek — pokud hodnota přesáhne 2.5 g, je to interpretováno jako zatřesení zařízením (shake). Pro zastavení aktualizací zavolejte stopAccelerometerUpdates při opuštění obrazovky.

Scénáře použití

Akcelerometr se používá v širokém spektru mobilních aplikací. Nejzřejmějším scénářem je automatické otáčení obrazovky: systém přepíná mezi portrétní a krajinnou orientací na základě dat akcelerometru. Ve hrách slouží akcelerometr jako ovladač — náklon zařízení otáčí volantem nebo pohybuje postavou. Fitness aplikace počítají kroky na základě charakteristických špiček zrychlení při chůzi. Níže je uvedena tabulka s typickými scénáři a požadavky na senzor.

Při implementaci akcelerometru je třeba vzít v úvahu, že zahřívání zařízení a stárnutí senzoru může ovlivnit přesnost údajů. Pro kritická měření (stabilizace videa, kompas) se doporučuje dodatečné použití gyroskopu a magnetometru v rámci integrace senzorů (sensor fusion).

Kalibrace a chyby

Akcelerometry podléhají několika typům chyb: posun nuly (bias) — když senzor v klidu ukazuje nenulovou hodnotu; chyba měřítka (scale factor error) — když se citlivost na různých osách liší; a měřicí šum (noise), snižující přesnost jednotlivého odečtu. Při výrobě jsou MEMS senzory kalibrovány, ale časem mohou parametry driftovat vlivem teploty a mechanického zatížení. Pro korekci v aplikaci lze implementovat jednoduchou kalibraci: v klidovém stavu zaznamenejte průměrnou hodnotu (posun) a odečítejte ji od všech následujících měření. Přesnější kalibrace vyžaduje rotaci zařízení kolem všech os — tato metoda se nazývá šestibodová kalibrace (six-point calibration) a dává chybu menší než 0.5%.