Compass i smartphones — essens, funktionsprincip och tillämpning

Vad är en digital kompass i en smartphone?

Digital kompass (compass) i en smartphone är en sensor baserad på en magnetometer som mäter styrkan hos jordens magnetfält och bestämmer azimut (vinkeln i förhållande till magnetiska norr). Till skillnad från en mekanisk kompass använder en digital kompass mikroelektromekaniska system (MEMS) för att registrera magnetfältet. Magnetometern mäter fältet längs tre axlar, vilket gör det möjligt att korrekt bestämma riktningen vid vilken lutning som helst av smartphonen.

Hur sensorn är uppbyggd

En modern MEMS-magnetometer är ett mikrochip på 2×2×1 mm, integrerat i smartphonens hölje tillsammans med accelerometern och gyroskopet (som en del av en 9-axlig IMU). Sensorn mäter inte bara riktningen utan även intensiteten hos jordens magnetfält (25–65 µT beroende på latitud). Förekomsten av metallföremål och parasitära magnetfält från högtalare, vibrationsmotor och kamera orsakar förvrängningar, därför krävs programvarukorrigering av avläsningarna för noggrann funktion.

De första digitala kompasserna i mobiltelefoner dök upp 2009 med lanseringen av iPhone 3GS — den första smartphonen med inbyggd magnetometer. Idag är magnetometern installerad i den överväldigande majoriteten av smartphones, inklusive budgetmodeller. Enligt Yole Group överstiger marknaden för MEMS-magnetometrar för mobila enheter 1,5 miljarder enheter per år, vilket bekräftar efterfrågan på denna teknik.

Funktionsprincip för magnetometern

Grunden för MEMS-magnetometern utgörs av ett känsligt element som ändrar sina elektriska egenskaper under påverkan av ett externt magnetfält. I moderna smartphones används Hall-effekten eller den magnetoresistiva effekten (AMR — Anisotropic Magneto-Resistance). Principen bygger på att ett strömförande material ändrar sin resistans under påverkan av ett magnetfält, och från spänningsändringen beräknas vektorn för magnetfältet.

Hall-effekten och AMR

Sensorer baserade på Hall-effekten registrerar spänningsändringen vid kanterna av en halvledarplatta, som uppstår under påverkan av Lorentzkraften på rörliga laddningar. Magnetoresistiva sensorer (AMR) använder ett lager av permalloy (NiFe), vars resistans beror på magnetfältets riktning. AMR-sensorer ger mindre storlek och högre känslighet jämfört med Hall-sensorer, därför dominerar de i moderna smartphones.

Data från magnetometern kombineras med avläsningar från accelerometern för korrigering av lutning och bestämning av nordriktningen i horisontalplanet. Algoritmen för sensorfusion (sensor fusion) använder Madgwick-filtret eller Kalman-filtret för att kombinera data från magnetometer, gyroskop och accelerometer. Detta gör det möjligt att erhålla en stabil och noggrann azimut även vid snabba rotationer och skakningar av enheten.

Typer av magnetometrar i mobila enheter

Inom mobilindustrin används tre huvudtyper av MEMS-magnetometrar: baserade på Hall-effekten, anisotropa magnetoresistiva (AMR) och jättemagnetoresistiva (GMR). AMR-magnetometrar är mest utbredda i smartphones tack vare den optimala kombinationen av känslighet, energiförbrukning och kostnad. Ledande tillverkare — AKM (Asahi Kasei Microdevices), STMicroelectronics och Bosch Sensortec.

Känsligheten hos en AMR-magnetometer i en typisk smartphone är 0,3–1 µT med ett dynamiskt område på ±1000 µT (±8 Gauss), tillräckligt för noggrann mätning av jordfältet (30–65 µT) och kompensation av parasitära fält. Sensorns avfrågningsfrekvens kan nå 100–200 Hz, men de flesta applikationer använder 10–50 Hz för att spara energi. Automatisk kompensation av temperatur och spänningsdeformationer hos höljet är implementerad på sensordrivrutinsnivå.

Kalibrering av den digitala kompassen

Kalibrering av kompassen är processen att kompensera parasitära magnetfält som genereras av smartphonens komponenter: högtalare, vibrationsmotor, kamera och batteri. Utan kalibrering kan magnetometeravläsningarna avvika från den verkliga riktningen med 10–30 grader. Kalibreringssystemet bestämmer förskjutningsmatrisen (hard-iron bias) längs tre axlar och tillämpar den för korrigering av alla efterföljande mätningar.

Kalibreringsalgoritmer och metoder

Standardmetoden för kalibrering av kompassen — att rita en åtta: användaren roterar smartphonen i en bana som liknar siffran 8. Under rörelsen registrerar sensorn magnetfältet i alla möjliga orienteringar, och algoritmen samlar punkter och approximerar en sfär med centrum förskjutet i förhållande till noll. Sfärens radie motsvarar storleken på jordens magnetfält, och centrum — vektorn för parasitär förskjutning. Efter approximering beräknar systemet korrigeringskoefficienter för varje axel.

Moderna kalibreringsalgoritmer från Qualcomm och MediaTek utför kontinuerlig bakgrundskalibrering utan användarens medverkan. De analyserar förändringar i magnetfältet vid rotation av enheten och uppdaterar automatiskt korrigeringsparametrarna. Om sensorn upptäcker ett nytt parasitärt fält (till exempel vid montering av ett magnetiskt fodral), startar systemet omkalibrering inom 1–2 sekunders kontinuerlig rörelse av enheten.

Tillämpning av kompassen i mobila appar

Digital kompass används i ett brett spektrum av mobila applikationer. Huvudanvändningen — navigations- och karttjänster (Google Maps, Yandex.Maps, 2GIS) som bestämmer enhetens orientering på kartan för korrekt visning av användarens rörelseriktning. I augmented reality (AR)-applikationer säkerställer kompassen korrekt placering av virtuella objekt i förhållande till väderstrecken.

I astronomiska applikationer (Star Walk, SkySafari) bestämmer kompassen i kombination med accelerometern riktningen som smartphonen är riktad mot och visar motsvarande område av stjärnhimlen. Fiske- och turistapplikationer använder kompassen för att markera intressepunkter på kartan med referens till azimut. Fitnesstracking med GPS använder kompassavläsningar för att bestämma riktningen för löpning eller cykling, vilket ökar noggrannheten vid ruttvisning.

Användning av kompassen via Android API

För åtkomst till den digitala kompassen på Android används sensorn TYPE_MAGNETIC_FIELD från Sensor API. Utvecklare registrerar en lyssnare för förändringar i magnetometeravläsningar och får en array av värden för magnetfältstyrkan längs tre axlar i mikroTesla. För att bestämma azimut kombineras magnetometerdata med accelerometerdata via rotationsmatrisen för 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())
        // azimut: 0 = norr, 90 = öster, 180 = söder, 270 = väster
    }

    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) {}
}

Azimuten som erhålls via getOrientation mäts i radianer och kan ta värden från -π till π, där 0 motsvarar magnetiska norr. För visning på skärmen omvandlas värdena till grader (Math.toDegrees) med normalisering till intervallet 0–360. Det är viktigt att ta hänsyn till magnetisk deklination — vinkeln mellan magnetiska och sanna (geografiska) norr, som beror på geografisk position och förändras över tid. Google Maps korrigerar automatiskt deklinationen via GeomagneticField API.