重力感应技术在智能手机中的应用分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-15 09:18 热度：

　　【摘 要】 主要从专利角度对重力感应技术在智能手机中的应用进行探讨。首先对重力感应技术的原理进行阐述;然后，对其在手机中的应用进行了探析;最后，通过列举专利典型案例介绍了 4 种检测感应功能的应用，并提出发展趋势。

　　【关键词】 重力感应技术 ;加速度传感器;智能手机;人机交互;应用;专利

　　随着手机终端处理器技术的不断发展，平板电脑和智能手机开始扮演移动互联时代移动终端中越来越重要的角色，其逐渐从具有通话功能的简单设备变为一个能够满足用户更多需求的智能平台，因此，移动终端拥有了更为广阔的发展空间。

　　随着近年来3G 网络技术的广泛应用，移动终端在人们的生活中成为越来越重要的角色。2011年全球智能手机与平板电脑的销售量总和已超越台式机与笔记本电脑的销售量总和，并且按照这个趋势，到2013年智能手机与平板电脑的销售量总和将远远高于台式机以及笔记本电脑。而在中国，根据友盟 2012 年 11 月的《2012年第三季度数据报告》中的数据可以看到，截至 2012年10月，中国 iOS、Android 平台的设备总量已达 2 亿，半年增长了 125%，其中，Android 设备 1.4 亿部， iOS设备达6 000万部。

　　对于智能手机来说，人机交互技术已经逐渐超越应用与服务及低功耗设计，成为研究的重点。人机交互是研究人、计算机以及它们间相互影响的技术，智能手机中典型的人机交互技术和应用包括触控技术、感应技术和语言识别技术[1] 。进入3G时代以后，苹果、谷歌、微软等公司都开始将传感器技术引入智能手机操作系统中，例如：加速度传感器、光传感器、距离传感器、磁力传感器、陀螺仪传感器等。其中，重力传感器作为传感器的一个重要分支，目前已经被广泛的应用于人机交互中。对于重力传感器的研究起源于20世纪初，重力感应(G-sensor)也称为加速度传感器，顾名思义就是能够感应重力加速力的变化。加速力就是当物体在加速移动过程中作用在物体上的力。加速度传感器的工作原理是将测量得到加速度转换为相应的电信号，再将模拟信号转换得到数字信号，通过计算机等终端设备进行显示和存储。最近几年，加速度传感器在智能手机和平板电脑成了不可或缺的配置，其不但能提高手机游戏中的智能交互特性，而且能够使一些手机应用变得妙趣横生。例如，在游戏中无需按键操作，只需要对手机进行倾斜、摇晃等操作，便可以完成游戏任务，同时，加速度传感器的数据可用于调用相应的手机音乐和震动功能，为用户带来新鲜刺激的感官体验。

　　加速度传感器分为两类：一种是角加速传感器;另一种是线加速度传感器。目前智能手机、平板电脑中采用的基本都是角加速传感器，结合三轴陀螺仪实现三维测量，也称为三轴重力感应。

　　1 三轴重力感应技术

　　三轴重力感应，是指能感应3个维度的方向变化，从而大幅度增强对动作感应的能力，其能够感知重力、静态姿势(躺着、俯、立着、左侧、右侧，可以精确测量倾角)、运动方向(如左右摇、上下摇等)和运动速度。三轴重力感应在静止状态下会测到1 g的重力加速度，然后把这个加速度分配到3个轴[x, y, z]上得到不同数值大小，计算完就可以知道三轴与水平的相对角度[2-3] 。将 MEMS 微机电系统放到硅晶片上，能够满足手机上所需的硬件功能。对于在手机中使用三轴加速度传感器的技术，早期申请的专利有诺基亚有限公司于2001 年5月15日在美国申请的“环境敏感的Web服务”(专利公开号：US2002/0173295 A1)，其公开了一种包含三轴加速度传感器等多种其他传感器的移动电话设备，通过这些传感器采集的信号来感知用户环境。

　　2 重力传感器在手机中的感应功能

　　加速度传感器具有广泛的应用范围，在此列举 4 种常见的感应功能：倾斜度检测、运动检测、定位检测、自由下落检测。

　　2.1 倾斜度检测

　　当加速度传感器静止时，其他加速度对其都不产生作用，只有重力加速度对其产生作用，因此加速度传感器在重力作用下产生感应信号，当加速度传感器与重力的方向不一致时，就会产生倾斜角，加速度传感器感应的信号也会出现相应的改变，基于信号变化的差别，能够计算出倾斜角的大小和方向。一般双轴就可以测出倾角，第三轴往往用于校正。LG电子株式会社于2002年5月3日提出的专利“移动终端的倾斜度显示方法”(专利公开号：KR20030086019A)，提供了一种移动终端的倾斜度显示方法，当确定移动终端处于拍摄模式时则检测移动终端的倾斜度数据。并将该数值显示于屏幕上。为了是检测更臻完美，三星电子株式会社于2005年5月20日提出了专利“测量参考倾斜的便携式终端及其测量方法”(KR20060119362 A)，提供了一种测量便携式终端的参考倾斜的方法，解决了测量参考倾斜时，由于振动等因素导致出现误差难以准确测出参考倾斜的技术问题。

　　2.2 运动检测

　　加速度传感器实现运动检测功能时，需要对物体的位移进行计算，其方法为：将已知的加速度进行二重积分，将已知速度进行积分。根据实验表明，物体的速度变化越剧烈，位移积分效果越好，如果设备移动比较慢的话，需要采用高精度的加速度传感器，同时还要注意设备自身的晃动产生的误差。必要时还应采取其他方法进行累计误差校正。利用这种运动检测感应功能，加速度传感器能够使智能手机具有计步器和运动检测等功能，为人们在日常生活中提供便利和乐趣。三星电子株式会社于2004年10月22日提出的专利“使用加速度传感器测量体育运动量的设备和方法” (KR20040085051A)，公开了一种采用加速度传感器对用户参加的体育运动的运动量进行感应，该加速度传感器能够感应三个维度的变化，因此用户的运动量能够被加速度传感器准确感应并记录，便于处理器基于运动量精确地计算用户消耗的卡路里。

　　2.3 定位检测

　　在地图查找，汽车导航，被盗追踪等场合下，常常希望手机具有定位检测的感应功能。在手机中配置加速度传感器，能够实现对手机的定位和追踪。中兴通讯股份有限公司于2007年4月20日提出专利“一种实现移动终端精确定位的装置及方法”(CN101035386 A)，公开了一种安装有加速度传感模块和GPS定位模块的移动终端，移动终端的主处理模块将所述加速度信息与所述GPS定位信息进行叠加运算处理，以实现精确定位。

　　2.4 自由下落检测

　　自由下落检测感应功能，是最近出现在个别高端数码产品中的一个新的应用。该功能的出现主要是为了解决以下问题：多数高端数码产品并不具备防撞击的功能，在发生意外的情况下不能有效的保护设备中宝贵的数据，造成无法弥补的损失。而内置了加速度传感器的设备能够感知是否发生了剧烈的加速度变化，从而立即做出反映并采取措施保护设备的硬盘等存储装置，避免对设备中资料进行破坏。三星电子株式会社于2004年10月2日提出专利“用于检测电子装置的自由下落的方法和设备”(KR20060029548)，公开了一种用于当手持电子装置正向地面下落时检测该电子装置的自由下落以使其内部程序(或电路)进入安全模式，从而防止对该电子装置的损害的设备和方法。

　　3 总结与展望

　　中国的传感器技术起步比外国晚，尤其是一些高端的传感器技术较为落后，加速度传感器技术在我国也处于中下水平，经过国内一些科研机构的研究，研制出代表国际先进水平的加速度传感器，其性能甚至超过了国外技术。但是目前国内对加速度传感器的理论研究及工程应用与国际先进水平相比仍然还有一定差距，比如灵敏度尚不够精准，多轴集成加速度传感器和高精度加速度传感器将成为智能手机中的研究热点，利用重力感应技术为手机增加更多的新功能，也是今后的专利发展方向;另外，还将在现有技术的基础上提高工艺水平，降低制作成本，简化工艺步骤。——论文作者：王梦思，柴 华，龙明涛，郎亦虹，吴 瑶

　　本文来源于：《电视技术》(半月刊)创刊于1977年，由中国电子科技集团公司第三研究所主办。设有：数字电视、数字视频 、信息终端与显示、电视中心 、宽带网络、器件与应用、视频技术应用与工程、标准、检测与仪器等栏目。

　　参考文献：

　　[1] 李超. 多点触摸人机交互技术综述[J].无线互联科技，2012(1)： 76.

　　[2] 李辰成. 面向移动智能终端的运动量传感信号分析及应用[D]. 广州：华南理工大学，2012.

　　[3] 美新公司. 加速度传感器在便携式设备中的应用[J]. 世界电子元器件，2006(6)：92-94.

文章名称：重力感应技术在智能手机中的应用分析

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