Compass az okostelefonokban — lényege, működési elve és alkalmazása

Mi a digitális iránytű az okostelefonban?

Digitális iránytű (compass) az okostelefonban egy magnetométeren alapuló érzékelő, amely méri a Föld mágneses terének erősségét és meghatározza az azimutot (szög a mágneses északhoz képest). A mechanikus iránytűvel ellentétben a digitális iránytű mikro-elektromechanikai rendszereket (MEMS) használ a mágneses tér regisztrálásához. A magnetométer három tengely mentén méri a teret, ami lehetővé teszi az irány helyes meghatározását az okostelefon bármilyen dőlésszöge mellett.

Az érzékelő felépítése

A modern MEMS-magnetométer egy 2×2×1 mm méretű mikrochip, amely az okostelefon házába van integrálva a gyorsulásmérővel és giroszkóppal együtt (egy 9 tengelyes IMU részeként). Az érzékelő nemcsak az irányt, hanem a Föld mágneses terének intenzitását is méri (25–65 µT a szélességi foktól függően). A fémtárgyak és a hangszórók, vibrációs motor és kamera parazita mágneses tereinek jelenléte torzulásokat okoz, ezért a pontos működéshez szoftveres korrekció szükséges.

Az első digitális iránytűk a mobiltelefonokban 2009-ben jelentek meg az iPhone 3GS megjelenésével — az első beépített magnetométerrel rendelkező okostelefon. Ma a magnetométert az okostelefonok túlnyomó többségébe beépítik, beleértve a budget modelleket is. A Yole Group adatai szerint a MEMS-magnetométerek piaca a mobil eszközök számára meghaladja az évi 1,5 milliárd darabot, ami igazolja a technológia iránti keresletet.

A magnetométer működési elve

A MEMS-magnetométer alapját egy érzékeny elem képezi, amely megváltoztatja elektromos jellemzőit külső mágneses tér hatására. A modern okostelefonokban a Hall-effektust vagy a magnetorezisztív effektust (AMR — Anisotropic Magneto-Resistance) használják. Az elv azon alapul, hogy az áramvezető anyag ellenállása megváltozik a mágneses tér hatására, és a feszültségváltozásból kiszámítják a mágneses tér vektorát.

Hall-effektus és AMR

A Hall-effektuson alapuló érzékelők a félvezető lemez szélein fellépő feszültségváltozást regisztrálják, amely a mozgó töltésekre ható Lorentz-erő hatására jön létre. A magnetorezisztív érzékelők (AMR) egy permalloy (NiFe) réteget használnak, amelynek ellenállása a mágneses tér irányától függ. Az AMR érzékelők kisebb méretet és nagyobb érzékenységet biztosítanak a Hall-érzékelőkhöz képest, ezért dominálnak a modern okostelefonokban.

A magnetométer adatait a gyorsulásmérő leolvasásaival kombinálják a dőlés korrigálásához és az északi irány meghatározásához a vízszintes síkban. Az érzékelőfúziós (sensor fusion) algoritmus a Madgwick-szűrőt vagy a Kalman-szűrőt használja a magnetométer, giroszkóp és gyorsulásmérő adatainak egyesítésére. Ez lehetővé teszi, hogy stabil és pontos azimutot kapjunk még a készülék gyors forgatása és rázása esetén is.

Magnetométer típusok a mobil eszközökben

A mobil iparágban három fő MEMS-magnetométer típust használnak: Hall-effektuson alapuló, anizotróp magnetorezisztív (AMR) és óriás magnetorezisztív (GMR). Az AMR-magnetométerek a legelterjedtebbek az okostelefonokban az érzékenység, energiafogyasztás és költség optimális kombinációjának köszönhetően. Vezető gyártók — AKM (Asahi Kasei Microdevices), STMicroelectronics és Bosch Sensortec.

Egy tipikus okostelefon AMR-magnetométerének érzékenysége 0,3–1 µT, dinamikus tartománya ±1000 µT (±8 Gauss), ami elegendő a Föld terének (30–65 µT) pontos méréséhez és a parazita terek kompenzálásához. Az érzékelő lekérdezési frekvenciája elérheti a 100–200 Hz-et, de a legtöbb alkalmazás az energiatakarékosság érdekében 10–50 Hz-et használ. A hőmérséklet és a ház feszültségi deformációinak automatikus kompenzálása az érzékelő meghajtóprogramjának szintjén van megvalósítva.

A digitális iránytű kalibrációja

Az iránytű kalibrációja — az okostelefon alkatrészei (hangszórók, vibrációs motor, kamera, akkumulátor) által keltett parazita mágneses terek kompenzálásának folyamata. Kalibráció nélkül a magnetométer leolvasásai 10–30 fokkal eltérhetnek a valós iránytól. A kalibrációs rendszer meghatározza az eltolódási mátrixot (hard-iron bias) három tengely mentén, és alkalmazza azt az összes későbbi mérés korrigálásához.

Kalibrációs algoritmusok és módszerek

A compass kalibráció szabványos módszere — egy nyolcas rajzolása: a felhasználó az okostelefont egy 8-as számjegyre emlékeztető pályán forgatja. Mozgás közben az érzékelő rögzíti a mágneses teret az összes lehetséges tájolásban, az algoritmus pedig összegyűjti a pontokat és egy gömböt közelít, amelynek középpontja a nullához képest eltolódott. A gömb sugara megfelel a Föld mágneses terének nagyságának, a középpont pedig a parazita eltolódás vektorának. A közelítés után a rendszer kiszámítja a korrekciós együtthatókat minden tengelyre.

A Qualcomm és MediaTek modern kalibrációs algoritmusai folyamatos háttérkalibrációt végeznek a felhasználó részvétele nélkül. Elemzik a mágneses tér változásait a készülék forgatásakor, és automatikusan frissítik a korrekciós paramétereket. Ha az érzékelő új parazita teret észlel (például mágneses tok felhelyezésekor), a rendszer 1–2 másodpercen belül elindítja az újrakalibrációt a készülék folyamatos mozgása során.

Az iránytű alkalmazása mobil alkalmazásokban

Digitális iránytű széles körű mobil alkalmazásokban használatos. Fő alkalmazása — navigációs és térképészeti szolgáltatások (Google Maps, Yandex.Maps, 2GIS), amelyek meghatározzák a készülék tájolását a térképen a felhasználó mozgási irányának helyes megjelenítéséhez. Kiterjesztett valóság (AR) alkalmazásokban az iránytű biztosítja a virtuális objektumok helyes elhelyezését az égtájakhoz viszonyítva.

Csillagászati alkalmazásokban (Star Walk, SkySafari) az iránytű a gyorsulásmérővel kombinálva meghatározza, hogy az okostelefon milyen irányba mutat, és megjeleníti a csillagos ég megfelelő területét. Horgászati és turisztikai alkalmazások az iránytűt használják az érdekes pontok megjelölésére a térképen az azimuthoz viszonyítva. GPS-szel működő fitneszkövetés az iránytű leolvasásait használja a futás vagy kerékpározás irányának meghatározásához, ami növeli az útvonal megjelenítésének pontosságát.

Az iránytű használata Android API-n keresztül

Az digitális iránytűhöz való hozzáféréshez Androidon a Sensor API TYPE_MAGNETIC_FIELD érzékelőjét használják. A fejlesztők regisztrálnak egy figyelőt a magnetométer leolvasásainak változásaira, és egy tömböt kapnak a mágneses térerősség értékeiről három tengely mentén mikroTeslában. Az azimut meghatározásához a magnetométer adatait a gyorsulásmérő adataival kombinálják a sensor fusion forgatási mátrixán keresztül.

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 = észak, 90 = kelet, 180 = dél, 270 = nyugat
    }

    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) {}
}

A getOrientation segítségével kapott azimutot radiánban mérik, és értéke -π-tól π-ig terjedhet, ahol a 0 a mágneses északnak felel meg. A képernyőn való megjelenítéshez az értékeket fokokká alakítják (Math.toDegrees) 0–360 tartományba normalizálva. Fontos figyelembe venni a mágneses deklinációt — a mágneses és a valódi (földrajzi) észak közötti szöget, amely a földrajzi helyzettől függ és idővel változik. A Google Térkép automatikusan korrigálja a deklinációt a GeomagneticField API-n keresztül.