แอปวัดระดับน้ำทำงานอย่างไร: อธิบายมาตรวัดความเร่งในโทรศัพท์

โทรศัพท์ของคุณรู้ว่าทิศทางไหนคือด้านล่าง เพราะมันมีเซนเซอร์เล็ก ๆ ที่เรียกว่ามาตรวัดความเร่งแบบ MEMS เซนเซอร์ตัวนี้วัดว่าแรงโน้มถ่วงดึงตัวเครื่องไปในสามทิศทางพร้อมกันมากแค่ไหน แอปวัดระดับน้ำจะอ่านตัวเลขสามตัวนั้น คำนวณตรีโกณมิติเล็กน้อย แล้วแสดงมุมออกมาให้คุณเห็น มันทำแบบนี้หลายร้อยครั้งต่อวินาที ภายในชิปที่เล็กจนคุณแทบมองด้วยตาเปล่าไม่เห็น บทความนี้จะพาไปดูว่าจริง ๆ แล้วมันเกิดอะไรขึ้นบ้าง

มาตรวัดความเร่ง MEMS คืออะไร

MEMS ย่อมาจาก Micro-Electro-Mechanical Systems ชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ตรวจจับภายในมาตรวัดความเร่งของโทรศัพท์นั้นเล็กมาก กว้างไม่กี่ร้อยไมครอน เล็กกว่าเม็ดเกลือ มันอยู่บนแผ่นซิลิคอนเดียวกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป และผลิตด้วยกรรมวิธีเดียวกัน นี่จึงเป็นเหตุผลที่เซนเซอร์พวกนี้ราคาถูกและไปอยู่ในโทรศัพท์แทบทุกเครื่อง

กลไกของมันเข้าใจง่ายเมื่อคุณนึกภาพออก มีมวลจิ๋ว ๆ ห้อยอยู่บนสปริงซิลิคอนที่กัดเซาะขึ้นมาในตัวชิป เมื่อคุณเอียงชิป แรงโน้มถ่วงจะดึงมวลนั้นให้เคลื่อนออกจากจุดกลางเล็กน้อย การขยับนั้นทำให้ช่องว่างระหว่างซี่โลหะรูปหวีเปลี่ยนไป และเมื่อช่องว่างเปลี่ยน ค่าความจุไฟฟ้าระหว่างซี่ก็เปลี่ยนตาม ชิปอ่านการเปลี่ยนแปลงนั้นแล้วแปลงเป็นค่าความเร่ง วัดเป็นหน่วย g

ตรงนี้คือส่วนที่ทำให้เครื่องวัดระดับน้ำเป็นไปได้ เมื่อโทรศัพท์วางนิ่ง มาตรวัดความเร่งไม่ได้อ่านการเคลื่อนที่ มันอ่านว่าแรงโน้มถ่วงดึงไปตามแต่ละแกนในสามแกนมากแค่ไหน แรงโน้มถ่วงเป็นแรงคงที่ที่เรารู้ค่า เมื่อคุณรู้ว่ามันแบ่งไปตามสามแกนอย่างไร คุณก็คำนวณได้อย่างแม่นยำว่าโทรศัพท์เอียงไปเท่าไร

มาตรวัดความเร่งสามแกนวัดความเอียงได้อย่างไร

มาตรวัดความเร่งสามแกนกำหนดทิศทางของตัวมันเองให้โทรศัพท์ แกน X วิ่งจากซ้ายไปขวา แกน Y วิ่งจากบนลงล่าง และแกน Z วิ่งจากหน้าไปหลัง วางโทรศัพท์ราบบนโต๊ะ แรงโน้มถ่วงจะดึงลงตามแกน Z แทบทั้งหมด ดังนั้นแกน Z จะอ่านได้ราว 9.81 m/s² ส่วน X และ Y อ่านได้ใกล้ศูนย์ พอเอียงโทรศัพท์ แรงโน้มถ่วงก็เปลี่ยนไป ลงบน Z น้อยลง ไปที่ X และ Y มากขึ้น ตามสัดส่วนของมุม

การเปลี่ยนค่าสามตัวนั้นให้เป็นมุมคือตรีโกณมิติพื้นฐาน มุมก้ม-เงย (pitch) คือความเอียงหน้า-หลัง มุมเอียง (roll) คือความเอียงซ้าย-ขวา และทั้งคู่มาจากค่าอินเวอร์สแทนเจนต์:

สองบรรทัดนั้นคือแกนกลางทางคณิตศาสตร์ทั้งหมดของแอปวัดระดับน้ำ ป้อนค่าดิบสามตัวเข้าไป คำนวณ แล้วคุณจะได้ pitch และ roll เป็นเรเดียน คูณด้วย 180/π เพื่อแปลงเป็นองศา นั่นคือตัวเลขที่ขึ้นบนหน้าจอของคุณ

คุณอาจสงสัยว่าทำไมตัวหารถึงใช้รากที่สองของอีกสองแกน แทนที่จะใช้แค่แกนเดียว เหตุผลคือมันช่วยให้ค่ายังคงเสถียรตลอดการหมุนครบรอบ ถ้าคุณหารด้วยแกนเดียว คณิตศาสตร์จะรวนตอนเข้าใกล้แนวตั้ง เพราะแกนนั้นจะลดลงเหลือศูนย์ แล้วคุณก็ต้องหารด้วยค่าที่เกือบเป็นศูนย์ การใช้ขนาดรวมของอีกสองแกนช่วยหลีกเลี่ยงปัญหานั้น

ทำไมข้อมูลดิบจากเซนเซอร์ถึงมีสัญญาณรบกวนมาก

ค่าที่ออกมาดิบ ๆ จากมาตรวัดความเร่งกระโดดไปมามากกว่าที่คุณคิด แม้โทรศัพท์วางนิ่งสนิท ค่าที่อ่านได้ก็ยังสั่นไหวเล็กน้อย ส่วนหนึ่งมาจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าในตัวเซนเซอร์เอง ส่วนหนึ่งมาจากการสั่นสะเทือนที่ส่งผ่านพื้นผิว และอีกส่วนมาจากค่าที่ปัดเศษตอนแปลงสัญญาณแอนะล็อกให้เป็นตัวเลข ถ้าแสดงข้อมูลดิบนั้นบนหน้าจอ ฟองจะกระตุกไม่หยุด ซึ่งใช้งานจริงจังไม่ได้เลย

สัญญาณรบกวนมาจากหลายแหล่ง สัญญาณรบกวนเชิงความร้อนคือความผันผวนทางไฟฟ้าแบบสุ่มที่เกิดจากความร้อน คุณกำจัดมันไม่ได้ และมันกำหนดขีดจำกัดว่าเซนเซอร์เงียบได้มากที่สุดแค่ไหน สัญญาณรบกวนจากการสั่นสะเทือนมาจากสิ่งรอบตัวคุณ เช่น คอมเพรสเซอร์ตู้เย็น เสียงฝีเท้า หรือรถยนต์วิ่งข้างนอก และจุดศูนย์ของเซนเซอร์ก็ค่อย ๆ เลื่อนไปเองเมื่อเวลาผ่านไป แต่ละอย่างต้องแก้ด้วยวิธีต่างกัน

วิธีแก้ทางซอฟต์แวร์ที่ใช้กันคือตัวกรองความถี่ต่ำ (low-pass filter) มันปล่อยให้การเปลี่ยนแปลงช้า ๆ อย่างการเอียงจริงผ่านไป แต่กันการเปลี่ยนแปลงเร็ว ๆ อย่างการสั่นสะเทือนไว้ วิธีที่นิยมทำคือใช้ค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่แบบเอ็กซ์โพเนนเชียล หรือ EMA ค่าที่อ่านได้ใหม่แต่ละครั้งจะถูกนับเป็นสัดส่วนหนึ่ง คือ alpha ส่วนที่เหลือยกมาจากค่าที่กรองไว้ครั้งก่อน:

Spirit Level Pro ใช้ EMA ที่ alpha=0.15 เราลงตัวที่ค่านี้หลังจากลองปรับค่าหลายแบบด้วยมือ ที่ alpha=0.05 ค่าที่อ่านนิ่งเรียบมากแต่ช้า และฟองตามหลังโทรศัพท์ตอนคุณขยับ ที่ alpha=0.3 มันตามได้ทันแต่กระตุกพอที่จะทำให้อ่านค่าแม่น ๆ ได้ยาก ค่า alpha=0.15 อยู่ตรงกลาง ฟองรู้สึกมีชีวิตชีวาโดยไม่กระวนกระวาย

ไจโรสโคปมีบทบาทอะไร

ไจโรสโคปวัดว่าโทรศัพท์กำลังหมุนเร็วแค่ไหน เป็นองศาต่อวินาที มันไม่ได้วัดว่าโทรศัพท์หันไปทางไหน ความต่างตรงนี้สำคัญ ไจโรสโคปเพียงลำพังบอกไม่ได้ว่าโทรศัพท์ได้ระดับหรือไม่ มันรู้แค่ว่ากำลังหมุนอยู่ไหมและหมุนเร็วเท่าไร สำหรับการอ่านระดับตอนโทรศัพท์วางนิ่ง มาตรวัดความเร่งมีข้อมูลที่คุณต้องการอยู่แล้ว

ไจโรสโคปจะมีที่ยืนตอนที่โทรศัพท์กำลังเคลื่อนที่ ด้วยการหลอมรวมเซนเซอร์ (sensor fusion) มาตรวัดความเร่งอ่านความเอียงตอนนิ่งได้ดี แต่จะช้าและมีสัญญาณรบกวนตอนเคลื่อนที่เร็ว ไจโรสโคปติดตามการหมุนเร็ว ๆ ได้ดี แต่ค่าจะเลื่อน เพราะความคลาดเคลื่อนเล็ก ๆ สะสมกันเมื่อเวลาผ่านไป ตัวกรองแบบคอมพลีเมนทารีหรือคาลมานจะผสานทั้งสองเข้าด้วยกัน ไจโรสโคปดูแลการเคลื่อนที่เร็ว ส่วนมาตรวัดความเร่งดึงค่าในระยะยาวกลับมาให้ตรง

แอปวัดระดับน้ำส่วนใหญ่ รวมถึง Spirit Level Pro ข้ามการหลอมรวมเซนเซอร์ไป เพราะงานนี้เป็นแบบนิ่ง คุณวางโทรศัพท์ลง มันนิ่งตัว คุณอ่านมุม มาตรวัดความเร่งจัดการเรื่องนี้ได้ดีด้วยตัวเอง การหลอมรวมเซนเซอร์สำคัญกว่าตอนที่มีบางอย่างกำลังลอยอยู่ เช่น โดรนที่ต้องติดตามการเคลื่อนที่ของตัวเอง มากกว่าตอนที่คุณกำลังเช็กชั้นวางของ

ทำไมการปรับเทียบถึงสำคัญมาก

เซนเซอร์ MEMS ทุกตัวออกจากโรงงานพร้อมค่าเบี่ยงเบนเล็ก ๆ ที่ติดตัวมา มันคือค่าไบแอสที่ตั้งไว้ตอนผลิต และเป็นค่าเดียวกันในทุกครั้งที่อ่าน คือค่าคงที่จำนวนหนึ่งในทิศทางคงที่ ดังนั้นชิปอาจอ่านคลาดไปหนึ่งถึงสององศา แม้โทรศัพท์วางราบจริง ๆ นี่คือเหตุผลใหญ่ที่สุดข้อเดียวที่ทำให้แอปวัดระดับน้ำดูเหมือนอ่านผิดตั้งแต่แกะกล่อง

การปรับเทียบแก้ปัญหานี้ด้วยการวัดค่าเบี่ยงเบนนั้นบนพื้นผิวที่คุณเชื่อว่าราบ แล้วเก็บค่าไว้ Spirit Level Pro บันทึกค่าไว้ใน localStorage ภายใต้ calibrationPitch และ calibrationRoll จากนั้นเป็นต้นไป ทุกค่าที่อ่านได้จะลบค่าที่เก็บไว้ออกก่อนขึ้นหน้าจอ ค่าเบี่ยงเบนก็หายไป

ความต่างนั้นมากทีเดียว ถ้าข้ามการปรับเทียบ โทรศัพท์ที่มีไบแอส 1.5° จะอ่านคลาด 1.5° ในทุกอย่าง มันอาจแสดง 0.0° ทั้งที่วางอยู่บนความลาด 1.5° จริง ๆ ปรับเทียบโทรศัพท์เครื่องเดียวกันแล้วมันจะลดลงเหลือแค่ไม่กี่ในสิบขององศา นั่นคือความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นมากที่สุดในครั้งเดียวที่คุณจะได้ และมันแลกมาด้วยเวลาแค่ไม่กี่วินาที

อุณหภูมิส่งผลต่อความแม่นยำอย่างไร

เซนเซอร์ MEMS ตอบสนองต่ออุณหภูมิ สปริงซิลิคอนที่ยึดมวลอ้างอิงจะขยายและหดตัวเมื่อชิปร้อนขึ้นและเย็นลง ซึ่งทำให้จุดศูนย์เลื่อนไป ดังนั้นถ้าคุณหิ้วโทรศัพท์จากในรถที่อุ่นเข้าไปในโรงรถที่เย็น ค่าที่อ่านจะเลื่อนไปเล็กน้อยก่อนที่เซนเซอร์จะนิ่งตัวที่อุณหภูมิใหม่ มันไม่ใช่การเลื่อนที่มากมาย แต่ก็มีจริง

ข้อสรุปที่นำไปใช้จริงได้นั้นง่าย: ปรับเทียบที่อุณหภูมิที่คุณตั้งใจจะทำงาน การปรับเทียบในออฟฟิศที่อุ่นจะเอาไปใช้ในโรงรถที่เย็นได้ไม่เต็มที่ คุณไม่ต้องกังวลเรื่องนี้กับทุกงาน สำหรับแขวนรูปหรือเช็กชั้นวางของ ค่าที่เลื่อนน้อยเกินกว่าจะสังเกตเห็น แต่สำหรับงานละเอียดในระดับไม่กี่ในสิบขององศา ให้เวลาโทรศัพท์สักหนึ่งถึงสองนาทีให้นิ่งตัวหลังเปลี่ยนอุณหภูมิครั้งใหญ่ แล้วค่อยปรับเทียบ

iPhone กับ Android: ฮาร์ดแวร์เซนเซอร์ต่างกันไหม

ต่างกัน และมันสะท้อนออกมาในความรู้สึกตอนใช้แอป Apple สร้างชุดจัดการการเคลื่อนที่ของตัวเอง iPhone ตั้งแต่รุ่น 6s เป็นต้นมามีตัวประมวลผลร่วมสำหรับการเคลื่อนที่ของ Apple ที่จัดการข้อมูลเซนเซอร์แยกจากซีพียูหลัก เรือธง Samsung Galaxy พึ่งชิ้นส่วนของ STMicroelectronics ที่รวมมาตรวัดความเร่งสามแกนและไจโรสโคปสามแกนไว้บนไดตัวเดียว โทรศัพท์ Google Pixel เคยใช้เซนเซอร์ของ Bosch และ TDK InvenSense แล้วแต่ปี

หลังปรับเทียบ iPhone เรือธงกับ Android เรือธงออกมาพอ ๆ กัน ช่องว่างที่สำคัญจริง ๆ อยู่ระหว่างเครื่องเรือธงกับ Android รุ่นประหยัด โทรศัพท์รุ่นประหยัดใช้ MEMS ราคาถูกกว่าที่มีความละเอียดต่ำกว่า และค่าดิบที่ออกมามีสัญญาณรบกวนมากกว่า การปรับเทียบก็ยังดึงมันเข้าใกล้ได้ และสำหรับงาน DIY ส่วนใหญ่ ผลลัพธ์ก็ใช้ได้ดี

สิ่งที่ทำให้ iPhone โดดเด่นในแอปวัดระดับน้ำไม่ใช่มาตรวัดความเร่งเท่าไร แต่เป็นตัวประมวลผลร่วมสำหรับการเคลื่อนที่มากกว่า มันเก็บข้อมูลเซนเซอร์ที่อัตราสูงต่อเนื่องแม้ตอนแอปไม่ได้อยู่หน้าจอ ตัวกรองที่ปรับให้เรียบจึงมีตัวอย่างข้อมูลให้ใช้มากกว่า นั่นคือส่วนสำคัญที่ทำให้ iPhone รู้สึกลื่นไหลมากตรงนี้ แม้เทียบกับโทรศัพท์ Android ที่มีเซนเซอร์บนสเปกดีพอ ๆ กัน

คำถามที่พบบ่อย

ภาพรวมทั้งหมด

แอปวัดระดับน้ำใช้งานได้เพราะฟิสิกส์เบื้องหลังมันเชื่อถือได้ แรงโน้มถ่วงคงที่ มาตรวัดความเร่งวัดมันตลอดเวลา และตรีโกณมิติเปลี่ยนตัวเลขสามตัวให้เป็นมุม เส้นทางจากชิ้นส่วนตรวจจับไปจนถึงฟองเป็นคณิตศาสตร์ที่แน่นอนตลอดทาง ไม่มีการเดาอยู่ในนั้นเลย

สิ่งที่ทำให้แอปวัดระดับน้ำตัวหนึ่งดีกว่าอีกตัวไม่ใช่ฮาร์ดแวร์ โทรศัพท์เรือธงทุกเครื่องมาพร้อมเซนเซอร์ที่ดีเกินพออยู่แล้ว ความต่างอยู่ที่ซอฟต์แวร์ กรองข้อมูลดิบได้ดีแค่ไหน เก็บและนำค่าปรับเทียบไปใช้อย่างไร ค่าความคลาดเคลื่อนที่ตั้งไว้ตรงกับงานจริงแค่ไหน ทำสิ่งเหล่านี้ให้ถูก แล้วชิป MEMS ราคาถูกก็สู้กับเครื่องมือเฉพาะทางที่ราคาแพงกว่ามากได้

การรู้ว่าเซนเซอร์ทำงานอย่างไรยังทำให้คุณใช้มันได้ดีขึ้นด้วย ปรับเทียบที่อุณหภูมิทำงานจริง ถอดเคสออกเมื่อต้องการค่าที่แม่นยำ ปล่อยให้ตัวเลขนิ่งสักครู่ก่อนจะเชื่อมัน นิสัยแต่ละอย่างเหล่านี้มาจากการเข้าใจว่าฮาร์ดแวร์กำลังทำอะไรอยู่โดยตรง