Compass у паметним телефонима — суштина, принцип рада и примена

Шта је дигитални компас у паметном телефону?

Дигитални компас (compass) у паметном телефону је сензор заснован на магнетометру који мери јачину магнетног поља Земље и одређује азимут (угао у односу на магнетни север). За разлику од механичког компаса, дигитални компас користи микроелектромеханичке системе (MEMS) за регистрацију магнетног поља. Магнетометар мери поље по три осе, што омогућава правилно одређивање смера при било ком нагибу паметног телефона.

Како је сензор уређен

Савремени MEMS-магнетометар је микрочип величине 2×2×1 mm, интегрисан у кућиште паметног телефона заједно са акцелерометром и жироскопом (у саставу 9-осног IMU). Сензор мери не само смер већ и интензитет магнетног поља Земље (25–65 µT у зависности од географске ширине). Присуство металних предмета и паразитних магнетних поља од звучника, вибромотора и камере ствара изобличења, па је за прецизан рад потребна софтверска корекција очитавања.

Први дигитални компаси у мобилним телефонима појавили су се 2009. године са изласком iPhone 3GS — првог паметног телефона са уграђеним магнетометром. Данас се магнетометар уграђује у огромној већини паметних телефона, укључујући буџетске моделе. Према подацима Yole Group, тржиште MEMS-магнетометара за мобилне уређаје премашује 1,5 милијарди јединица годишње, што потврђује потражњу за овом технологијом.

Принцип рада магнетометра

Основу MEMS-магнетометра чини осетљиви елемент који мења своје електричне карактеристике под дејством спољашњег магнетног поља. У савременим паметним телефонима користи се Холов ефекат или магнеторезистивни ефекат (AMR — Anisotropic Magneto-Resistance). Принцип се заснива на томе да материјал са струјом мења отпор под утицајем магнетног поља, а по промени напона израчунава се вектор магнетног поља.

Холов ефекат и AMR

Сензори на Холовом ефекту региструју промену напона на ивицама полупроводничке плочице која настаје под дејством Лоренцове силе на покретна наелектрисања. Магнеторезистивни сензори (AMR) користе слој пермалоја (NiFe), чији отпор зависи од смера магнетног поља. AMR сензори обезбеђују мању величину и већу осетљивост у поређењу са Холовим, па доминирају у савременим паметним телефонима.

Подаци са магнетометра се комбинују са очитавањима акцелерометра за корекцију нагиба и одређивање смера севера у хоризонталној равни. Алгоритам сензор фузије (sensor fusion) користи Маџвиков филтер или Калманов филтер за обједињавање података магнетометра, жироскопа и акцелерометра. Ово омогућава добијање стабилног и прецизног азимута чак и при брзим окретима и трешењу уређаја.

Типови магнетометара у мобилним уређајима

У мобилној индустрији користе се три основна типа MEMS-магнетометара: на Холовом ефекту, анизотропни магнеторезистивни (AMR) и гигантски магнеторезистивни (GMR). AMR магнетометри су најзаступљенији у паметним телефонима захваљујући оптималној комбинацији осетљивости, потрошње енергије и цене. Водећи произвођачи — AKM (Asahi Kasei Microdevices), STMicroelectronics и Bosch Sensortec.

Осетљивост AMR-магнетометра типичног паметног телефона износи 0,3–1 µT при динамичком опсегу од ±1000 µT (±8 Гауса), што је довољно за прецизно мерење Земљиног поља (30–65 µT) и компензацију паразитних поља. Фреквенција очитавања сензора може достићи 100–200 Hz, али већина апликација користи 10–50 Hz ради уштеде енергије. Аутоматска компензација температуре и стресних деформација кућишта реализована је на нивоу драјвера сензора.

Калибрација дигиталног компаса

Калибрација компаса је процес компензације паразитних магнетних поља која стварају компоненте паметног телефона: звучници, вибромотор, камера и акумулатор. Без калибрације очитавања магнетометра могу одступати од реалног смера за 10–30 степени. Систем калибрације одређује матрицу помераја (hard-iron bias) по три осе и примењује је за корекцију свих наредних мерења.

Алгоритми и методе калибрације

Стандардна метода калибрације компаса — цртање „осмице”: корисник ротира паметни телефон по путањи која подсећа на цифру 8. Током покрета сензор региструје магнетно поље у свим могућим оријентацијама, а алгоритам акумулира тачке и апроксимира сферу са центром помереним у односу на нулу. Полупречник сфере одговара величини магнетног поља Земље, а центар — вектору паразитног помераја. Након апроксимације систем израчунава корекционе коефицијенте за сваку осу.

Савремени алгоритми калибрације компанија Qualcomm и MediaTek обављају континуирану позадинску калибрацију без учешћа корисника. Они анализирају промене магнетног поља при окретању уређаја и аутоматски ажурирају параметре корекције. Ако сензор открије ново паразитно поље (нпр. при постављању магнетне футроле), систем покреће рекалибрацију у року од 1–2 секунде непрекидног покрета уређаја.

Примена компаса у мобилним апликацијама

Дигитални компас се користи у широком спектру мобилних апликација. Основна примена — навигациони и картографски сервиси (Google Maps, Yandex.Maps, 2GIS) који одређују оријентацију уређаја на мапи за коректно приказивање смера кретања корисника. У апликацијама проширене реалности (AR) компас обезбеђује правилно позиционирање виртуелних објеката у односу на стране света.

У астрономским апликацијама (Star Walk, SkySafari) компас у комбинацији са акцелерометром одређује смер у ком је усмерен паметни телефон и приказује одговарајућу област звезданог неба. Риболовачке и туристичке апликације користе компас за обележавање тачака интереса на мапи са везом на азимут. Фитнес-трекинг са GPS-ом користи очитавања компаса за одређивање смера трчања или вожње бицикла, што повећава прецизност приказа руте.

Коришћење компаса преко Android API

За приступ дигиталном компасу на Android-у користи се сензор TYPE_MAGNETIC_FIELD из Sensor API-ја. Програмери региструју ослушкивач промена очитавања магнетометра и добијају низ вредности јачине магнетног поља по три осе у микротеслама. За одређивање азимута подаци магнетометра се комбинују са подацима акцелерометра кроз матрицу ротације sensor fusion.

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())
        // азимут: 0 = север, 90 = исток, 180 = југ, 270 = запад
    }

    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) {}
}

Азимут добијен кроз getOrientation мери се у радијанима и може узимати вредности од -π до π, где 0 одговара магнетном северу. За приказ на екрану вредности се претварају у степене (Math.toDegrees) са нормализацијом на опсег 0–360. Важно је узети у обзир магнетну деклинацију — угао између магнетног и стварног (географског) севера, који зависи од географског положаја и мења се током времена. Google мапе аутоматски коригују деклинацију кроз GeomagneticField API.