เซนเซอร์ Gyroscope กับ Accelerometer คืออะไร ? และแตกต่างกันอย่างไร ?

Gyroscope กับ Accelerometer เซนเซอร์คืออะไร ? และแตกต่างกันอย่างไร ?

ไมโครเทคโนโลยี (Micro Electro-Mechanical Systems) หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า "MEMS" นั้นหมายถึงเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสิ่งที่มีขนาดเล็กมาก ๆ แต่ก็ยังไม่ได้เล็กถึงขนาดระดับนาโนเทคโนโลยีนะ ที่เราเปิดหัวมาด้วยคำนี้ ก็เพราะว่า ในบทความนี้เราจะมาเล่าถึงประโยชน์ของเทคโนโลยีไมโครเทคโนโลยี ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้สมาร์ทโฟนในปัจจุบันนี้ สามารถทำอะไรหลาย ๆ อย่างที่มือถือในสมัยก่อนไม่สามารถทำได้

การเอียงตัวเครื่องเพื่อควบคุมเกม, ตรวจจับการตก, ระบบกันสั่นของกล้อง ฯลฯ สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นได้ เพราะเซนเซอร์ต่าง ๆ ที่อยู่ภายในตัว MEMS นี่แหละ

องค์ประกอบภายใน MEMS
ภาพจาก : https://www.engineering.com/story/how-mems-enable-smartphone-features

โดยเซนเซอร์ที่เราจะเอ่ยถึงในบทความนี้ เซนเซอร์ไจโรสโคป (Gyroscope) และ แอคเซเลโรมิเตอร์ (Accelerometer) ซึ่งเป็นเซนเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวที่สำคัญมากในสมาร์ทโฟน เรียกได้ว่าเป็นเซนเซอร์มาตรฐานที่มีอยู่ในสมาร์ทโฟนทุกรุ่นในปัจจุบันนี้ 

และทั้งเซนเซอร์ Gyroscope และ Accelerometer เป็นเซนเซอร์สำหรับตรวจจับความเคลื่อนไหวทั้งคู่ แล้วมันแตกต่างกันอย่างไร ? ทำไมต้องมีสองชนิดแยกกัน เราจะมาอธิบายให้อ่านกันในบทความนี้

เซนเซอร์ Gyroscope คืออะไร ?
(What is Gyroscope sensor ?)

มาเริ่มต้นกันที่ เซนเซอร์ Gyroscope กันก่อน ตัวนี้เป็นเซนเซอร์ที่ทำงานโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลกในการตรวจจับทิศทาง โดยมันจะอาศัยโรเตอร์ (Rotor) ที่ถูกตรึงเอาไว้ในกรอบเซนเซอร์ ซึ่งตัวโรเตอร์จะสามารถขยับได้เมื่อมีแรงมากระทำ เมื่อตัวโรเตอร์ "แตะ" กับเซนเซอร์ที่อยู่ตามกรอบ ก็จะสามารถนำค่าข้อมูลที่ได้ไปคำนวณออกมาเป็นผลลัพธ์ข้อมูลทิศทางที่อุปกรณ์เคลื่อนที่ได้

การตรวจจับข้อมูลของเซนเซอร์ Gyroscope จะวัดจากอัตราเชิงมุม 3 ประเภทโดยขึ้นอยู่กับทิศทาง ประกอบไปด้วย

1. ค่า Yaw : ค่าที่วัดการหมุนในแนวนอนจากด้านบน
2. ค่า Pitch : ค่าที่วัดการหมุนในแนวตั้งจากด้านหน้า
3. ค่า Roll : ค่าที่วัดการหมุนในแนวแนวนอนจากด้านหน้า

แกนตรวจจับข้อมูล Yaw, Pitch และ Roll ในเซนเซอร์ Gyroscope
ภาพจาก : https://stackoverflow.com/questions/29274979/mpu6050-output-yaw-pitch-and-roll-with-arduino

ซึ่ง Gyroscopes ไม่ใช่เทคโนโลยีใหม่ที่ถูกสร้างขึ้นในยุคสมาร์ทโฟน แต่มันถูกคิดค้นขึ้นมาเป็นครั้งแรกตั้งแต่ใน ปี ค.ศ. 1852 (พ.ศ. 2395) โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เลอง ฟูโก (Léon Foucault) 

Gyroscope ของ เลอง ฟูโก
ภาพจาก : https://www.edubilla.com/invention/gyroscope/

ส่วน Gyroscope ที่อยู่ใน MEMS จะมีขนาดที่เล็กมาก เพื่อให้บรรจุอยู่ภายในชิปขนาดเล็กได้ โครงสร้างของกลไกก็จะประมาณภาพด้านล่างนี้

โครงสร้างของเซนเซอร์ Gyroscope
ภาพจาก : https://www.coventor.com/blog/next-technology-frontier-mems-gyroscopes/

เซนเซอร์ Accelerometer คืออะไร ?
(What is Accelerometer ?)

อย่างที่เรากล่าวไปในย่อหน้าที่แล้วว่า Gyroscope เป็นเซนเซอร์ที่ทำงานโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลกในการตรวจจับทิศทาง ซึ่งมันไม่สามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ได้ครอบคลุมทุกทิศทาง จึงต้องมี เซนเซอร์ Accelerometer เข้ามาทำงานร่วมกันด้วย

เซนเซอร์ Accelerometer จะตรวจจับการเคลื่อนที่ที่ไม่เกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วง โดยเมื่อวัตถุมีการเคลื่อนที่จากจุดหนึ่ง ไปยังอีกจุดหนึ่ง มันจะมีความเร็วเกิดขึ้น ซึ่งในความเร็วก็จะมีอัตราเร่ง ภายในเซนเซอร์ Accelerometer จะมีผลึกขนาดเล็กอยู่ เมื่อมีแรงสั่นสะเทือนเกิดขึ้น ผลึกจะเข้าสู่สภาวะถูกเค้น (Stress) และทำให้ค่าแรงดันไฟฟ้าเกิดขึ้น ซึ่งสามารถนำไปคำนวณเพื่อหาค่าอัตราการเร่ง เพื่อวิเคราะห์ทิศทางการเคลื่อนที่ได้

โครงสร้างของเซนเซอร์ Accelerometer
ภาพจาก : https://www.siliconsensing.com/technology/mems-accelerometers/

Accelerometer ตัวแรกของโลกมีชื่อเรียกว่า Atwood machine คิดค้นขึ้นมาโดย จอร์จ แอตวูด (George Atwood) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ในปี ค.ศ. 1783 (พ.ศ. 2326)

Atwood machine ของ จอร์จ แอตวูด (George Atwood) 
ภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Atwood_machine

Gyroscope กับ Accelerometer แตกต่างกันอย่างไร ? (What is the difference between Gyroscope and Accelerometer Sensors ?)

ความแตกต่างของเซนเซอร์ Gyroscope กับ Accelerometer ที่สำคัญที่สุดคือ Gyroscope สามารถตรวจจับการหมุนได้ ในขณะที่ Accelerometer ไม่สามารถทำได้ แต่มันจะสามารถที่จะวัดอัตราการเร่งที่ไม่เกี่ยวข้องกับอัตราการเร่งที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้ อย่างเช่น ในขณะที่เครื่องบินกำลังตก เซนเซอร์ Accelerometer จะไม่มีประโยชน์ในการตรวจจับการเคลื่อนที่เลย

อย่างไรก็ตาม เซนเซอร์ทั้งสองชนิดมีจุดแข็งที่แตกต่างกัน Gyroscope จะใช้ในการควบคุมการทรงตัวของวัตถุ ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลายอย่าง เช่น ระบบทรงตัวอัตโนมัติ, การรักษาระดับการบินในเครื่องบิน ฯลฯ

ส่วน Accelerometer เดิมทีจะใช้กันในงานวิศวกรรม และเครื่องจักร แต่หลังจากที่ iPhone ได้เปิดตัวขึ้นบนโลก มันมีเซนเซอร์ Accelerometer อยู่ในตัว เพื่อใช้ในการหมุนหน้าจออัตโนมัติตามทิศทางของเครื่อง, ตรวจจับการเคลื่อนที่ของเข็มทิศ และการเล่นเกม ทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้ได้รับความนิยมจนกลายเป็นเซนเซอร์พื้นฐานของสมาร์ทโฟนในยุคปัจจุบันนี้