Vi forklarer: Sådan fungerer mobilens sensorer – også i fremtiden

Benefon Esc – den første GPS-mobil i lommeformat – kom i 1999. Et års tid senere begyndte kameramobilerne at slå bredt igennem, og det var netop foto og positionering, der skabte et behov for sensorer i mobilen.

I dag driver mobilindustrien udviklingen, men samtidig har mange sensorer sin oprindelse i gammel teknik fra rumkapløbet og den kolde krig.

Problemer, der ramte både kort og kamerabilleder, var, hvordan mobilen skulle kunne regne sin position ud i forhold til virkeligheden. For at gemme og sende billederne på den rigtige måde, skal mobilen vide, om kameraet holdes vandret eller lodret, mens kortprogrammer skal have en kompasretning for at kunne tilpasse kortet.

Med en bilnavigator eller en GPS til søs kan man let vende kortet rigtigt, så længe man er i bevægelse – alt der skal til er, at man regner kursen ud mellem de to sidste positioner. En mobil i hånden på en fodgænger er en større udfordring. Man tager nogle skridt, stopper op og ser på skærmen – men bliver ikke meget klogere, eftersom kortbilledet enten viser nord opad eller lader til at dreje tilfældigt rundt. Mobilen har svært ved at se forskel på, hvad der er en virkelig bevægelse, og hvad der er støj på GPS-signalet.

Kameraproblemet kræver en sensor, der holder styr på, hvad der er op og ned i forhold til mobilen. En gammel metode var at fylde en lille beholder med kviksølv og lade det flydende metal være slutte kontakt mellem forskellige kontakter alt efter hældningen, men kviksølv er giftigt, at kontakterne var desuden for klodsede til at kunne være i mobiler.

Løsningen blev i stedet at bygge en sensor ind, der blev udviklet og forfinet inden for søfart og rum- og flyindustri: bevægelsessensoren. Princippet for en bevægelsessensor er at hænge en vægt op i fjedrer og måle, hvor meget fjedrene bliver spændt, når konstruktionen sættes i bevægelse. Spændingen – altså kraften i bevægelsen – kan måles på forskellige måder.

De første kommercielle elektriske bevægelsessensorer kom i 1920erne og benyttede spændningsmålere – metaltråde der ændrer elektrisk modstand, når de udsættes for trækkraft. Senere kom piezoelektriske eller peizoresistive sensorer. Piezo er græsk for ”presse”, og sensorerne indeholder krystaller, der får forskellige elektriske egenskaber alt efter trykket.

Bevægelsessensoreren er en vigtig del af mange avancerede navigationssystemer. Ved raketopsendelser bruges bevægelsessensorer til at afgøre, hvornår kraften begynder at aftage, og det er tid til at tænde næste trin, men sensorerne findes i mange forskellige varianter og med forskellige måleområder og følsomhed for at passe til alt fra at udløse airbags til at overvåge vibrationer i pumper eller måle, hvordan bygninger bevæger sig, når det blæser. Bevægelsessensoren kan ikke adskille tyngdekraft og bevægelse.

Det har både fordele og ulemper. Hvis sensoren sidder i et rumfartøj, ved den ikke, om den sidder stille på affyringsrampen, eller om den bevæger sig med 9,8 m/s2 ude i rummet – det giver samme måleresultat. 9,8 m/s2 kaldes også ”G1”, tyngdeacceleration eller normalacceleration.

Det er jordens tiltrækningskraft på bevægelsessensoren, der gør, at mobilen kan bestemme sin position. I de fleste mobiler sidder en såkaldt treakset bevægelsessensor.

Tre akser indebærer, at mobiler måler bevægelsen i tre forskellige retninger, der plejer at betegnes x, y og z. Ved at kombinere resultaterne fra de tre bevægelsessensorer kan man både regne ud, hvor stærk en bevægelse er, og dens retning i tre dimensioner. Når mobilen måler en bevægelse, der svarer til tyngdeaccelerationen, skal den blot beregne retningen for at afgøre, om kameraet skal tage stående eller liggende billeder, hvordan brugerfladen skal vendes, eller om mobilen ligger med skærmen opad eller nedad.

Bevægelsessensorerne blev ikke kun udviklet til flyet, men bruges også under vandet – i navigationssystemer i ubåde. Under vandet fungerer hverken GPS, landbaseret radiosystemer eller astronomiske metoder. Det, der er tilbage, er såkaldt død regning. Det betyder, at man meget præcist noterer alle kurs- og hastighedsændringer.

Ved hele tiden at holde styr på retning, hastighed og tid ved man – i hvert fald i teorien – hvor man befinder sig. Ubådens bevægelsessensor indgår i et såkaldt træghedsnavigationssystem, der leverer længde- og breddegrader digitalt, omtrent som en GPS – men med betydeligt dårligere præcision.

Bevægelsessensoren er en vigtig sensor i systemet, eftersom den holder styr på, om ubåden drejer eller ændrer hastighed. Bevægelsessensoren kan ikke adskille jordens tyngdekraft og kraften ved bevægelser, så beregningerne bliver hurtigt fyldt med små fejl – og eftersom alle tallene multipliceres med tiden, øger fejlene proportionelt, jo længere tid der går fra den sidste sikre position.

For at mindske fejlene skal man have en sensor, der kan måle, om ubåden vender sig i en retning i forhold til sin egen akse – et gyroskop. Kombinationen af et gyroskop og en bevægelsessensor gør det muligt at regne ud, hvordan en ubåd – eller mobil – bevæger sig. Både i forhold til sig selv og i forhold til omgivelserne.

Klassiske gyroskoper bygger på mængden af bevægelse, og princippet om, at noget snurrer rundt vil bevare retningen på rotationsaksen. Der er mange enkle måder at demonstrere effekten på – for eksempel en top, der enkelt balancerer på sin spids, når den er i bevægelse, men vælter, når den stopper med at dreje rundt.

Eller et cykelstyr, der er hårdere at dreje, når forhjulet kører rundt, end når det står stille. Når man skal bygge en gyroskopsensor er det fuldt ud muligt at bruge principperne fra toppen og gå ud fra en roterende plade – en rotor. Der skal en form for drift til, der sætter rotoren i bevægelser, og sensorer – for eksempel piezoelektriske donore – der måler kræfterne på fastgørelsespunkterne. Al rotation, der ikke sker ud fra præcis samme akse som rotoren, giver en belastning til siderne på fastgørelsespunkterne, som sensorerne kan registrere. Roterende gyroskoper er dyre og mekanisk komplicerede og bruges sjældent som sensorer i dag.

Derimod er de vigtige som styresystemer i satellitter og på den internationale rumstation ISS. I satellitter bruger man gyroskopets funktion omvendt og erstatter kraftsensorerne med en motoriseret fjederopsætning, der kan dreje rotoren i forhold til satellitten. Når rotoren drejes, opstår en modkraft, der får hele satellitten til at rotere. På den måde kan man justere hele satellitten med stor præcision uden at bruge raketmotorer.
Moderne gyroskopsensorer kan bygges ud fra flere forskellige principper. I navigationssystemer til ubåde, fly eller rumfartøjer bruges ofte optiske gyroskoper – enten med fiberoptik eller af cirkellasertype.

I stedet for at udnytte bevægelsesmængden benytter de optisk gyroskoper den såkaldte Sagnac-effekt. En laserstråle føres i cirkler – enten ved hjælp af spejle eller med fiberoptik – så der opstår et lodret bølgemønster (inference). Når lasercirklen roteres, opstår der små forskelle i den tid, det tager lysbølgerne, der bevæger sig henholdsvis med og mod rotationsretningen, at komme hele vejen rundt.

Det gør, at bølgemønsteret ændrer sig – og det kan registreres af en lyssensor og forvandles til en meget præcis måling på rotationen. Fordelen ved optiske gyroskoper er færre bevægelige dele og højere præcision sammenlignet med et rotorgyroskop. Men også optiske gyroskoper er for klodsede og dyre til mobiltelefoner.

Til mobiler bruges mikroelektromekaniske systemer (MEMS) til at konstruere både bevægelsessensor og gyroskop. MEMS indebærer, at man bygger mekanik og bevægelige dele med materialer og teknikker, der ligner produktionen af halvledere og integrerede chip. Treaksede gyroskoper eller bevægelsessensorer, der cirka er på størrelse med en ishockeypuck – per akse.

En bevægelsessensor med MEMS-teknik fungerer som sine større slægtninge – den centrale del er en bevægelig masse, og rundt om den sidder sensorer, der måler kræfterne, når mobilen sættes i bevægelse. MEMS-gyroskopet indeholder derimod hverken rotorer eller laserstråler men svingkøller – en løsning hentet fra naturen.

Svingkøller er oprindeligt et balanceorgan, mange flyvende insekter har. De består af vibrerende dele, der bevæger sig på et plan og har omtrent samme stabiliserende effekt som et roterende gyroskop. I mobilen er de bevægelige dele kun et par tiendedele millimeter store, og vibrationen sættes i gang af komponenter, der kaldes ”comb drives”.

Kræften, der opstår, når gyro drejes, forskyder den vibrerende del i forhold til den fjedrende ophængning, og de små bevægelser opfanges af kapacitive sensorer. Sammenlignet med sensorerne til rummet, fly eller ubåde har mobilernes MEMS-teknik dårligere præcision. Udviklingen går dog hurtigt fremad, og i dag klarer MEMS-gyroskoper opgaver, der kun var mulige med optiske sensorer for et par år siden.

Træghedsnavigering, der fungerer på længere strækninger, ligger stadig ude i fremtiden, men funktionen står højt på producenternes dagsorden, eftersom den kan bruges til at finde rundt indendørs, hvor der ikke er GPS-dækning. I teorien kan træghedsnavigering give bedre præcision end løsninger, der bygger på positionering via Wi-Fi eller mobilnet.

Grundproblemet er, at alt baseres på, at man måler kræfter. Man skal integrere to gange (først forvandle bevægelse til hastighed, derefter hastighed til position), hvilket gør, at målefejlene bliver større. Selv små fejl bliver signifikante over tid, og mobilerne har brug for at sikre referencepunkter oftere end professionel træghedsnavigering.

Bevægelsessensor og gyroskop er mobilens sensorer i forhold til bevægelse. Men der er også en gruppe sensorer, der kaldes miljøsensorer. Her finder vi for eksempel termometer, barometer, hygrometer, lyssensor og kompas. Barometeret og kompasset kan bruges sammen med bevægelsessensorerne til at gøre navigeringen endnu bedre i mange situationer.

Præcis som de første kompasser, der blev opfundet for omkring 1000 år siden, benytter mobilens kompas jordens magnetfelt til at beregne retningen. Nokia 6110 Navigator fra 2007 var en af de første mobiler med funktionen, og den løste det gamle problem med at vende kortet rigtigt for brugere, der står stille med en håndholdt enhed.

Et problem med magnetisk kompas er, at det magnetiske og geografiske poler ikke ligger samme sted – der er godt 800 kilometers forskel på de to nordpoler. Jo længere nordpå, man kommer, jo større bliver fejlen, og i f.eks. Sverige skal man justere kompasset med omkring en grad i syd og otte grader i nord for at navigere præcist.

I fartøjer, hvor kompasset skal fungere uafhængigt af andre systemer, benytter man avancerede gyrokompasser for at klare fejlvisningen, men i mobilen er det nok med enklere løsninger. Eftersom man kan regne ud, hvor stor fejlvisningen er på et bestemt sted, er det nok med en position via GPS eller mobilnettet for at få retningen til den geografiske nordpol i stedet for det magnetiske. Til forskel fra almindelige kompasser med roterende nål, har mobilens kompas ingen bevægelige dele.

I stedet bruges tre hall-effektsensorer monteret parallelt med mobilens x-, y- og z-akser – der tilsammen kan udregne magnetfeltets størrelse og retning meget præcist. Hall-effekten er en spænding, der kan måles med et voltmeter, når en elektrisk leder udsættes for et magnetfelt. Præcis som andre magnetkompasser påvirkes mobilen af metalgenstande og elledninger, men da der er flere sensorer til bevægelse og position, kan man ofte kalibrere mobilen, så den viser rigtigt, selv hvor der er forstyrrelser.

Kompasset i mobilen vender kortet rigtigt og sørger for, at billeder geotagges med den rette retning, men det forbedrer ikke præcisionen i positionen. Det kan barometeret deriod gøre – nærmere bestemt i højden. GPS har god præcision, når det gælder længde- og breddegrader, men højdemålingen er ikke lige så præcis. Barometeret i en mobil kan mærke højdeforskelle på ned til 30 centimeter og kan for eksempel regne ud hvilken etage, du befinder dig på i en bygning.

Lufttrykket varierer altså med højden, men beregningerne kompliceres af, at trykket varierer med vejret. Derfor skal man vide, hvad et barometer, der befinder sig i nærheden og på en kendt højde, viser for at kunne forvandle lufttryk til meter over havet. For mobilen er det let klaret, da der er opkoblede vejrstationer over hele verden, der kan levere de aktuelle tal.

Mobilens sensorer leverer meget data, og præcisionen stiger, både ved at selve sensorerne forfines, og ved at mobilen får større beregningskraft.

Apple har satset på en særlig hjælpeprocessor til bevægelsessensorerne, der kaldes M7, og mange sensorer indeholder en egen processor, der forædler måleværdierne, inden de sendes til mobilens CPU. Det konstant stigende antal smartphones gør, at vi får mange nye tiltag i forhold til sensorer at se – fra målinger og bedre positionering i mobiler til tjenester, der indsamler data fra tusindvis af brugere for at give bedre vejrudsigter, kort eller trafikinformation.