Magnetometr w smartfonach — co to jest, rodzaje i zasada działania

Co to jest magnetometr w smartfonie

Magnetometr w urządzeniu mobilnym to trójosiowy czujnik pola magnetycznego oparty na efekcie Halla. Mierzy rzuty wektora indukcji magnetycznej na osie X, Y i Z. W połączeniu z akcelerometrem magnetometr pozwala określić azymut — kąt między kierunkiem na północ a osią telefonu.

Rodzaje magnetometrów w urządzeniach mobilnych

W nowoczesnych smartfonach stosuje się MEMS-magnetometry oparte na anizotropowym efekcie magnetorezystancyjnym (AMR) i efekcie Halla. Czujniki AMR (seria AKM firmy Asahi Kasei Microdevices) zapewniają czułość 0.15 µT/LSB i zakres ±1200 µT — to wystarcza do pomiaru pola Ziemi (25–65 µT).

Dlaczego magnetometr jest ważny dla smartfona

Bez cyfrowego kompasu aplikacje nawigacyjne nie mogą określić kierunku ruchu. Google Maps używa magnetometru do wyświetlania orientacji mapy względem kierunku spojrzenia użytkownika. W przypadku awarii czujnika aplikacja pokazuje tylko położenie na mapie bez niebieskiej strzałki kierunku.

Jak działa czujnik Halla

Efekt Halla to zjawisko fizyczne polegające na powstaniu różnicy potencjałów na krawędziach płytki przewodzącej pod wpływem pola magnetycznego. W MEMS-magnetometrach stosuje się cienkowarstwowe struktury z permalloju (NiFe), których rezystancja zmienia się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego (efekt AMR).

Struktura czujnika AMR

Każdy z trzech kanałów (X, Y, Z) składa się z czterech magnetorezystorów włączonych w mostek Wheatstone'a. Pole magnetyczne zmienia rezystancję rezystorów o 2–3%, co jest przekształcane przez wzmacniacz różnicowy na napięcie. Wbudowany 16-bitowy przetwornik ADC digitalizuje sygnał z częstotliwością do 100 Hz.

Pomiar w osi Z

Do pomiaru składowej pionowej pola stosuje się zintegrowany koncentrator strumienia magnetycznego (IMC — Integrated Magnetic Concentrator). Jest to cienkowarstwowa struktura z NiFe, która odchyla pole poziome do płaszczyzny pionowej, umożliwiając pojedynczemu mostkowi AMR pomiar wszystkich trzech osi.

Czym różni się magnetometr od żyroskopu

Magnetometr określa orientację względem pola magnetycznego Ziemi (bezwzględne odniesienie), a żyroskop mierzy tylko zmianę kąta (dane względne). Żyroskop dostarcza dokładne dane w krótkich przedziałach czasu, ale kumuluje błąd dryfu. Magnetometr nie dryfuje, lecz jest podatny na zakłócenia magnetyczne.

Sensor Fusion z magnetometrem

Android łączy dane z trzech czujników poprzez SensorManager.getRotationMatrix. Magnetometr służy do korekcji dryfu żyroskopu w długich przedziałach czasu. Bez magnetometru żyroskop w ciągu 5 minut kumuluje błąd do 10–20 stopni. Według danych Google ARCore (2024), algorytm fusion osiąga dokładność 1–3 stopni przy obecności magnetometru.

val accelerometerReading = FloatArray(3)
val magnetometerReading = FloatArray(3)
val rotationMatrix = FloatArray(9)
val orientationAngles = FloatArray(3)

SensorManager.getRotationMatrix(
    rotationMatrix, null,
    accelerometerReading,
    magnetometerReading
)
SensorManager.getOrientation(
    rotationMatrix, orientationAngles
)
// orientationAngles[0] — azymut w radianach

Zniekształcenia magnetyczne: Hard Iron i Soft Iron

Hard Iron — stałe pole magnetyczne wytwarzane przez materiały ferromagnetyczne wewnątrz telefonu: magnesy głośników, silnik wibracyjny, metalową ramkę obudowy. Zniekształcenie Hard Iron objawia się jako stałe przesunięcie (bias) w każdej osi. Soft Iron — zmiana kierunku pola spowodowana materiałami magnetoprzewodzącymi, które zniekształcają kształt linii pola.

Algorytm kalibracji

Standardowa procedura kalibracji magnetometru polega na obracaniu telefonu ósemką (figure-8 pattern). Podczas tego procesu czujnik rejestruje punkty w przestrzeni trójwymiarowej. Bez zniekształceń punkty leżą na sferze o promieniu 25–65 µT. Hard Iron przesuwa środek sfery, Soft Iron zamienia ją w elipsoidę. Algorytm kalibracji oblicza parametry przesunięcia i skalowania.

data class CalibrationParams(
    val biasX: Float,
    val biasY: Float,
    val biasZ: Float,
    val scaleX: Float,
    val scaleY: Float,
    val scaleZ: Float
)

fun applySoftIronCorrection(
    raw: FloatArray, p: CalibrationParams
): FloatArray {
    return floatArrayOf(
        (raw[0] - p.biasX) * p.scaleX,
        (raw[1] - p.biasY) * p.scaleY,
        (raw[2] - p.biasZ) * p.scaleZ
    )
}

Programowa korekcja zniekształceń

Deweloper może zaimplementować własną kalibrację magnetometru, zbierając dane podczas ruchu urządzenia. Algorytm dopasowania elipsoidy (ellipsoid fitting) znajduje parametry Hard Iron i Soft Iron, minimalizując sumę kwadratów odchyleń od sfery. Biblioteka Apache Commons Math udostępnia implementację nieliniowej metody najmniejszych kwadratów (Levenberg-Marquardt) dla tego zadania — dokładność po programowej kalibracji sięga 0.5 stopnia.

Zalecenia dotyczące eliminacji zakłóceń

Aby zminimalizować Hard Iron, producenci umieszczają magnetometr w górnej części telefonu, z dala od głośnika i silnika wibracyjnego. Inżynierowie Apple w iPhone 16 Pro Max (2024) zastosowali ekranowanie magnetometru folią permallojową, która zmniejszyła wpływ głośnika 4-krotnie. W Samsung Galaxy S24 Ultra zastosowano dodatkowy obwód kompensacyjny mierzący prąd w głośniku w czasie rzeczywistym w celu odejmowania indukowanego pola. Etui z magnetycznymi mocowaniami (np. w uchwytach samochodowych) powodują silne zniekształcenia — po ich użyciu magnetometr może wskazywać nieprawidłowy kierunek aż do ponownej kalibracji.

Programowy dostęp do magnetometru w Androidzie

Android udostępnia dwa czujniki: TYPE_MAGNETIC_FIELD (dane skalibrowane w µT) i TYPE_MAGNETIC_FIELD_UNCALIBRATED (surowe dane z oceną zniekształcenia). Do aplikacji nawigacyjnych zaleca się używanie skalibrowanego czujnika — system automatycznie stosuje wbudowaną kalibrację na podstawie ostatniego ruchu ósemką.

Rejestracja i przetwarzanie

Opóźnienie SENSOR_DELAY_NORMAL (200 ms) jest wystarczające dla kompasu, SENSOR_DELAY_FASTEST (0 ms) — tylko do specjalnych aplikacji badawczych. Po otrzymaniu wartości można przekształcić je na azymut przez getRotationMatrix + getOrientation. Ważne jest sprawdzanie dokładności czujnika przez event.accuracy — wartość SENSOR_STATUS_UNRELIABLE oznacza konieczność kalibracji.

override fun onSensorChanged(event: SensorEvent) {
    if (event.sensor.type == Sensor.TYPE_MAGNETIC_FIELD) {
        val accuracy = event.accuracy
        if (accuracy == SensorManager.SENSOR_STATUS_UNRELIABLE) {
            showCalibrationHint()
            return
        }
        System.arraycopy(event.values, 0,
            magnetometerReading, 0, 3)
    }
}

Zastosowanie magnetometru w aplikacjach mobilnych

Magnetometr jest używany nie tylko do kompasu. Aplikacje AR, w tym Pokemon GO, wykorzystują magnetometr do określania orientacji kamery względem rzeczywistego świata. W przypadku braku magnetometru ARCore przełącza się w tryb Screen Axis — orientacja jest określana tylko przez żyroskop, co obniża dokładność.

• Nawigacja — określanie azymutu ruchu w Google Maps, Yandex.Maps, MAPS.ME. Dokładność kompasu bezpośrednio wpływa na jakość trasy.
• Wykrywacze metali — aplikacje do wykrywania metalowych przedmiotów używają magnetometru do wykrywania anomalii pola magnetycznego.
• Geofizyka i edukacja — pomiar pola magnetycznego do projektów edukacyjnych. Czujnik pozwala badać pole magnetyczne Ziemi w szkołach.
• VR i wideo 360 — orientacja głowy w goglach VR jest korygowana przez magnetometr w celu kompensacji dryfu żyroskopu.

Magnetometr w nawigacji samochodowej

W samochodowych systemach nawigacyjnych opartych na Android Auto magnetometr służy do określania kierunku jazdy przy utracie sygnału GPS w tunelach i gęstej zabudowie miejskiej. W połączeniu z danymi z odometrii kół pojazdu (odczytywanymi przez OBD-II) magnetometr pozwala kontynuować nawigację do 5 minut bez GPS z dokładnością pozycjonowania 10–20 metrów. Według danych Google Maps Engineering Blog (2024), algorytm hybrydowy zmniejsza odsetek utraty trasy w kanionach miejskich o 40%.

Magnetometr w aplikacjach nawigacyjnych

Aplikacje nawigacyjne używają magnetometru do określania azymutu ruchu — kąta między kierunkiem na północ a bieżącym kursem użytkownika. W Google Maps dane magnetometru są łączone z śladem GPS i historią przemieszczeń w celu wyświetlenia niebieskiej strzałki kierunku. W przypadku utraty sygnału GPS (w tunelach, przejściach podziemnych) magnetometr pozostaje jedynym źródłem informacji o orientacji.

Przyszłość magnetometrów

Nowa generacja 3-osiowych magnetometrów ze zintegrowanym ASIC (BMM350 od Bosch, 2024) pobiera zaledwie 0.35 mA i obsługuje częstotliwość do 200 Hz. Rozwój kwantowych magnetometrów i centrów NV w diamencie dla urządzeń mobilnych nie wyszedł jeszcze z fazy eksperymentów laboratoryjnych. Oczekuje się, że do 2028 roku dokładność mobilnych magnetometrów osiągnie 0.01 µT.