Elektronický kompas se stává neocenitelným pomocníkem v navigacích i mobilech. Jak ale funguje a z čeho se ve skutečnosti skládá?
Systém GPS má jednu typickou nevýhodnou vlastnost: pokud stojíte na místě, přístroj není schopen určit směr, kterým se díváte. To může být nevýhodou především ve městech. Musíme se vrátit k darům naší Země a po dvaceti stoletích znovuobjevit kompas. Klasický kompas by však na mobilech nevypadal zrovna esteticky, nemluvě o jeho problémovém provázání s aplikacemi.
Po elektronickém kompasu ale nezatoužili kačeři hledající keše na úbočích skal, nýbrž armáda. Nyní z výborného vynálezu profitujeme i my – civilisté. Výrobci však dnes využívají elektronický kompas k omluvě vyšší ceny nového modelu. Podívejme se tedy, za co si často ony tisíce připlácíme.
Protivítr sílí odpor
Pro vysvětlení principu elektronického kompasu si můžeme vzít na pomoc schémata a nákresy z datasheetů několika výrobců. Klíčovou součástí elektronického kompasu je takzvaný magnetoresistivní senzor. V podstatě jde o plíšek vyrobený z feromagnetického materiálu složeného ze směsi železa a niklu v poměru 19:81. Tento je zmagnetován a v případě nulového vlivu externího magnetického pole má za daného proudu určitý odpor R. Vnější magnetické pole, na obrázku jako vektor Hy, však původní směr zmagnetování ovlivní a tím dojde k poklesu odporu. Při konstantním proudu pak stačí měřit rozdíly v napětí a tyto vyhodnocovat. Nutno podotknout, že vzhledem k velmi slabé intenzitě magnetického pole země se změna napětí počítá v řádu tisícin voltu.
Magnetoresistivní plíšek a směr působení magnetického pole Země (zdroj: Philips)
Princip magnetoresistivního senzoru je skutečně zcela jednoduchý, nicméně praxe vyžaduje ještě řadu zlepšení. Především, senzor není schopen určit, zda magnetické pole působí z jedné či druhé strany. Pokud by se vektor Hy na prvním obrázku otočil o 180 stupňů, odpor by byl zcela shodný. To ostatně dokládá i následující charakteristika (a) závislosti odporu na směru působení vektoru magnetického pole.
Charakteristika závislosti směru vektoru magnetického pole a odporu (zdroj: Philips)
Pro shodné poměry vektorů vychází na čárkovaném „kopci“ vždy stejná hodnota charakteristického odporu. Navíc pro krajní hodnoty není charakteristika lineární, čímž by se snižovala přesnost kompasu. Proto se feromagnetický pruh pokrývá řadou hliníkových pásků ve sklonu 45° k osám. Hliník vykazuje lepší vodivost a zcela mění R-H charakteristiku (b) magnetoresistivního senzoru.
Povrch plíšku pokrývají pásky z hliníku (zdroj: Philips)
Nicméně ani v této chvíli není vyhráno: orientaci vektoru Hy již můžeme díky jednoznačnému odporu přesně určit a v určitém rozmezí je charakteristika lineární. Stále však může nabývat dvou různých hodnot při dvou odlišných směrech vektoru. Zde se využívá takzvané můstkové zapojení a navíc jsou využívány dva můstky ve vzájemném otočení o 90 stupňů. Elektronický kompas se také musí vypořádat s tepelnou kompenzací (s rostoucí teplotou roste i odpor) a také možnosti změny orientace původního zmagnetování senzoru silným magnetickým polem. S tím vším ovšem výrobci počítají.
Tříosý kompas? Žádný problém
V recenzi turistické navigace Garmin Dakota 20 jsem chválil tříosý elektronický kompas. Ve srovnání s klasickým elektronickým kompasem, například v Oregonu 300, nejste navigací peskování za ne zcela vodorovné držení přístroje. Jakými úpravami musel kompas projít?
Tip: jak rychle a přesně reaguje tříosý kompas v Dakotě 20? Podívejte se na video v recenzi.
Realizace tříosého kompasu například od Honeywellu počítá s třetím magnetoresistivním senzorem s jedním můstkem, který se umístí kolmo k rovině klasického senzoru. Tento senzor pak zjišťuje naklonění přístroje, a to opět na základě magnetického pole Země. Další řešení nabízí dnes již standardní polohová čidla, která dokáží poměrně přesně určit sklon přístroje vzhledem k rovině země. Honeywell pak ve svém referenčním návrhu tříosého kompasu využívá senzory oba.
Schéma referenčního návrhu tří osého kompasu od Honeywellu
Co je však pro nás důležité? Elektronický kompas tvoří fyzicky „pouze“ dvojice můstků magnetoresistivních senzorů, v případě tříosého kompasu to jsou maximálně můstky tři plus polohové čidlo. Všechny ostatní procedury zpracování výsledků měření mohou být vykonávány softwarově. Nejde tedy o žádné tajemné high-tech zařízení pracující s miliony výpočtů, vyžadující satelity okolo země a náklady v řádu miliard. Ve srovnání se systémem GPS jde z pohledu principu i realizace o velmi jednoduché zařízení z několika běžných součástek.
Povinný příplatek
Současnou cenovou politiku výrobců mobilních telefonů i navigátorů ale chápu. Potřebují jakoukoli novou funkci, aby mohli uvést novou řadu a přinutit stávající uživatele koupit model nový. Z předchozích řádků, a také masového rozšíření výroby elektronických kompasů, však můžeme mít velmi dobrou naději, že se elektronický kompas brzy objeví i v těch nejlevnějších mobilech a navigátorech.
Tip: pokud vás téma zaujalo, na těchto stránkách najdete seznam čipů elektronických kompasů. Nalézt podrobné datasheety na základě označení již nebude problém.
