Визначення кута нахилу смартфону

Завдання роботи:

Створити у редакторі Phyphox webeditor експеримент з визначення кута нахилу смартфону.

Обладнання:

ПК, самртфон.

Основні терміни та поняття

Phyphox – Physical Phone Experiments phyphox webeditor

Теоретична частина

Акселерометр смартфону може визначати прискорення з урахуванням та без урахування прискорення вільного падіння g. У попередньому експерименті прискорення визначалося без урахування g. Під час визначення прискорення з урахуванням g, датчик у стані спокою буде визначати складові прискорення вільного падіння по осях смартфону. Це можна використати для визначення кута нахилу смартфону відносно тієї чи іншої його осі. Для того щоб за даними акселерометру визначити та виводити до застосунку Phyphox кут нахилу смартфону, до експерименту у Phyphox webeditor треба додати автоматичну обробку даних, заповнивши вкладнику Analysis.

Розглянемо рис. 1. На ньому зображена схема визначення кута нахилу смартфону відносно осі Х. g – вектор прискорення вільного падіння. g_Y та g_Z – вектори складових прискорення вільного падіння по осям Y та Z відповідно. Не складно дійти висновку, що кут нахилу смартфону α дорівнює куту β. Кут β в свою чергу можна визначити як .

Тепер реалізуємо вимірювання кута нахилу смартфону у Phyphox webeditor.

Рис. 1. Схема визначення кута нахилу смартфону

Хід роботи

1. Відкрийте Phyphox webeditor, перейшовши за посиланням: https://phyphox.org/editor/neweditor/.
2. Відкрийте експеримент «Acceleration», створений під час першого заняття. Для цього треба у правому верхньому куті натиснути LOAD, у вікні що з’явилося натиснути Оберіть файл, та відкрити збережений файл.
3. У вкладниці Main змініть назву (Title), категорію (Category), та опис (Description) експерименту. Наприклад, Tilt angle, Position, Measure the angle of inclination of the smartphone relative to the ground.
4. Перейдіть до вкладники Input, та у пазлику sensor на робочому полі змініть acceleration without g на acceleration with g (рис. 2).

Рис. 2. Зміна сенсору

5. Перейдіть у вкладнику Analysis. Та додайте контейнер даних кута нахилу смартфону. Для цього у верхній частині робочого поля натисніть Add container, а у віконці, що відкрилося напишіть назву для нового контейнеру – Angle y/z (кут нахилу у площині YZ), або Angle x (кут нахилу відносно осі Х).
6. На боковій панелі натисніть Formula, та перетягніть пазл Formula Blocks до пазлу analysis (рис. 3).

Рис. 3. Створення блоку аналізу даних

7. У правій верхній частині пазлу натисніть «-». При цьому має зникнути гніздо input[3], а гнізда input[1] та input[2] – залишитися.
8. У полі formula введіть вираз: atan2([1_],[2_])*57.29577951.

*У формулі atan2([1_],[2_])*57.29577951 записи [1_] і [2_] означають, що використовуються всі накопичені значення (масиви). Це дозволяє обчислювати кут для кожної пари даних і будувати повноцінний графік зміни кута з часом.

Якщо ж написати atan2([1],[2]), без нижніх рисок, формула працюватиме лише з останнім значенням – у результаті буде отримане лише одне число, що не дозволяє побудувати графік.

57.29577951 – кількість градусів у одному радіані (180/π).

9. На боковій панелі натисніть Formula, та перетягніть два пазли вхідних даних до input[1] та input[2] (рис. 4).

Рис. 4. Створення блоку аналізу даних

10. Для input[1] оберіть y, а для input[2] – z. Здійсніть налаштування блоку у відповідності до рис. 5.

Рис. 5. Налаштування блоку аналізу.

*Sleep 0.5 s означає паузу між вимірами у 0,5 с.

Append (додати) – це опція, яка визначає, що буде зроблено з результатом виконання функції аналізу. Якщо Append активовано (прапорець встановлений), то результат функції буде доданий до початкового каналу як новий канал. Тобто в результаті ви отримаєте: [початкові дані] + [новий результат]. Якщо Append неактивний, то результат функції замінить початковий канал. Тобто: [новий результат замість початкових даних]. Якщо необхідно просто обробити дані й більше не використовувати початкові значення, активація «Append» не потрібна.

Опція cycles, передбачає обчислення результату у циклах (1 цикл = 360° = 2π радіан) та використовується у випадках, коли величина є кутовою, або циклічною, а результат треба подати у кількості циклів (наприклад 3 оберти, або 0,25 оберту).

Опція keep у налаштуванні аргументів функції означає, чи зберігати канал-аргумент у вихідному файлі експерименту після виконання цієї функції. Якщо keep активний (прапорець встановлений), канал-аргумент залишається у наборі даних після виконання цієї функції. Ви все ще зможете використовувати його у графіках або інших функціях. Якщо keep вимкнений, канал-аргумент видаляється з експерименту після виконання функції і його більше не буде видно у наступних кроках.

11. Закрийте віконця налаштувань у вкладниці Analysis та перейдіть до вкладинки View.
12. З першого виду Graph видаліть два графіки, залишивши один, а з другого виду Simple видаліть три значення, також залишивши одне. Пазлик значення з виду Simple, який залишився, перетягніть до виду Graph, а пазлик Simple, що залишився пустим, просто видаліть (клацніть лівою кнопкою миші та натисніть на клавіатурі Delete).
13. Отриманий блок приведіть до вигляду, зображеного на рис. 6.

Рис. 6. Вигляд блоку відображення

14. Змініть налаштування блоку у відповідності до рис. 7, та закрийте віконця налаштувань.

Рис. 7. Налаштування блоку відображення.

15. Перейдіть у вкладнику Export, та видаліть з блоку нижній пазлик Absolute acceleration (m/s^2).
16. Отриманий блок приведіть до вигляду, зображеного на рис. 8.

Рис. 8. Блок експорту даних

17. У верхньому правому куті екрану натисніть GENERATE, а у вікні що з’явилося – QR Code Online. Нижче має з’явитися QR код.
18. Підключить смартфон до мережі Internet та відкрийте застосунок Phyphox.
19. У застосунку натисніть кнопку Додати (+), та оберіть Додати експеримент за QR кодом.
20. Відскануйте QR код з монітору. На запит збереження експерименту у колекції, натисніть Cancel. У застосунку має з’явитися створений вами експеримент під назвою Tilt angle. Він повинен мати одну вкладинку – Position y/z, у якій має бути одне вікно графіку кута нахилу по осі x та поле для відображення його числового значення.
21. Запустіть вимірювання та понахиляйте смартфон у відповідній площині. За допомогою транспортиру, або учнівської кутової лінійки переконайтеся, що дані куту нахилу відповідають дійсності (рис. 9).

Рис. 9. Запис створеного експерименту у застосунку Phyphox

22. Зупиніть вимірювання та здійсніть експорт даних у форматі Excel. Експорт можна здійснити на власну електронну пошту, або на пошту колеги.
23. Вийдіть із застосунку, не зберігаючи дані на телефон.
24. У Phyphox webeditor поряд з кнопкою QR Code Online натисніть кнопку Download. На ваш комп’ютер завантажиться файл створеного вами експерименту. Він вам може знадобитися для подальшого навчання роботі з Phyphox webeditor. Для того щоб відкрити збережений експеримент треба відкрити Phyphox webeditor, у правому верхньому куті натиснути LOAD, у вікні що з’явилося натиснути Оберіть файл, та відкрити збережений файл.

Аналіз даних

1. Зробити висновки щодо точності вимірювання кута нахилу. Наведіть приклади практичного застосування створеного експерименту.
2. Якщо на вашому смартфоні є магнітометр, створіть експеримент для визначення азимуту.