Giroscópio do celular: como funciona e para que serve

O giroscópio do celular é um chip de poucos milímetros que mede a velocidade com que o aparelho gira. Dentro dele, no lugar do disco giratório dos giroscópios antigos, uma massa minúscula de silício vibra (cerca de 27 mil vezes por segundo num dos sensores citados aqui), e é o desvio dessa vibração que revela o giro. É ele que estabiliza a câmera, alinha os objetos da realidade aumentada e deixa os jogos responderem ao movimento da mão.

Este artigo explica como funciona o giroscópio do celular, com a física (o efeito Coriolis), os números de ficha técnica de sensores reais e duas contas: a força que o chip precisa medir e a velocidade com que o erro se acumula. As fontes são as fichas da STMicroelectronics, da Bosch e da TDK InvenSense, a documentação do Android, do Google e da Apple e um relatório técnico da Universidade de Cambridge.

O que o giroscópio mede (e o que ele não mede)

O giroscópio mede velocidade angular, a taxa de rotação em torno dos eixos x, y e z do aparelho. O Android entrega esse valor em radianos por segundo, segundo a documentação de sensores de movimento. Um giro de 90 graus por segundo equivale a 90 × π ÷ 180 ≈ 1,57 rad/s.

Ele trabalha em dupla com o acelerômetro, que mede aceleração, incluindo a da gravidade: parado sobre a mesa, o acelerômetro marca 9,81 m/s², segundo a mesma documentação. O acelerômetro sabe para onde é “para baixo”; o giroscópio sabe com que rapidez o aparelho está virando. Nenhum dos dois, sozinho, dá a orientação completa.

Como um chip sem disco mede rotação: o efeito Coriolis

O giroscópio clássico usa um rotor que gira rápido e resiste a mudar a direção do seu eixo. O chip aproveita outro fenômeno: uma massa de silício é mantida vibrando numa direção e, quando o chip gira, aparece sobre ela uma força perpendicular ao movimento, a força de Coriolis. Quando a vibração é perpendicular ao eixo de rotação, o módulo dessa força vale:

F = 2 × m × v × Ω

em que m é a massa, v a velocidade com que ela vibra e Ω a velocidade angular, a partir da forma vetorial dada no relatório técnico de Oliver Woodman, da Universidade de Cambridge. Essa força empurra a massa de lado, e o chip mede o deslocamento como variação de capacitância. Na descrição da InvenSense, a vibração causada pelo efeito Coriolis é captada por um sensor capacitivo, e o sinal é amplificado, demodulado e filtrado até virar uma tensão proporcional à rotação, segundo a ficha do ICM-20689.

A conta da aceleração de Coriolis

A mesma ficha informa que a estrutura mecânica do giroscópio vibra a 27 kHz (valor típico). Supondo uma amplitude de vibração de 1 micrômetro (premissa nossa, só para a ordem de grandeza), a velocidade de pico da massa é v = 2π × 27.000 × 0,000001 ≈ 0,17 m/s.

Girando o celular a 90 graus por segundo (1,57 rad/s), a aceleração de Coriolis é a = 2 × v × Ω = 2 × 0,17 × 1,57 ≈ 0,53 m/s², cerca de 5% da aceleração da gravidade. É essa aceleração pequena, numa massa microscópica, que o chip precisa separar do ruído, e por isso a leitura por capacitância tem de ser extremamente fina.

Os números de um sensor real

O LSM6DSO, da STMicroelectronics, reúne giroscópio e acelerômetro de três eixos num encapsulamento de 2,5 × 3 × 0,83 mm, segundo a ficha técnica. São 2,5 × 3 × 0,83 ≈ 6,2 mm³.

Os dados da segunda coluna são da ficha do BMI270. A sensibilidade diz como transformar o número bruto do chip em rotação: no LSM6DSO, uma leitura de 1.286 unidades na faixa de ±2.000 vale 1.286 × 0,07 ≈ 90 graus por segundo. E o consumo é pequeno: 0,55 mA a 1,8 V dá 0,55 × 1,8 ≈ 1 miliwatt (conta nossa, com a tensão de 1,8 V usada como condição de teste na ficha; a faixa de alimentação vai de 1,71 a 3,6 V).

Por que o giroscópio “deriva”: a conta do erro

Para saber quanto o celular girou, o sistema soma as leituras de velocidade ao longo do tempo. O Android descreve isso: a saída do giroscópio é integrada no tempo para calcular a rotação, e o ruído e a deriva introduzem erros que precisam ser compensados.

O problema é que qualquer erro constante também é somado. Um erro fixo ε, integrado, vira um erro de ângulo que cresce em linha reta com o tempo: θ = ε × t, como mostra o relatório de Cambridge. Com o erro típico de 1 grau por segundo que a ficha do LSM6DSO indica com o aparelho parado, sem correção, em um minuto o sistema acharia que o celular girou 1 × 60 = 60 graus sem ele ter saído do lugar.

Por isso o giroscópio nunca trabalha sozinho. Segundo a documentação do Android, a deriva e o ruído costumam ser determinados monitorando outros sensores, como o sensor de gravidade ou o acelerômetro. O vetor de rotação, um dos sensores de orientação oferecidos aos aplicativos, combina acelerômetro, magnetômetro e giroscópio, segundo a documentação do projeto Android de código aberto. Na Apple, o serviço de movimento do dispositivo combina vários sensores e entrega a taxa de rotação já sem o viés, segundo a documentação do Core Motion. O giroscópio é preciso em intervalos curtos, mas acumula erro; o acelerômetro e a bússola sofrem com ruído e interferências no curto prazo, mas dão uma referência que não deriva. Juntos, um corrige o outro.

Para que o celular usa o giroscópio

Estabilização da câmera. No sistema óptico, o giroscópio é a referência que informa o deslocamento angular a ser compensado. O tremor da mão fica entre 0 e 20 Hz e tem amplitude tipicamente menor que 0,5 grau, segundo o documento técnico da ST sobre estabilização óptica.

Realidade aumentada. O ARCore, do Google, combina a imagem da câmera com as medidas inerciais do aparelho para estimar a posição e a orientação da câmera ao longo do tempo, segundo a documentação da plataforma. Na indústria, a mesma técnica aparece em realidade aumentada aplicada à manutenção industrial.

Jogos e navegação. Jogos usam a rotação da mão como comando. Na navegação, os sensores inerciais podem ajudar a manter a direção entre uma leitura e outra do sinal de satélite, assunto de como funcionam os sistemas de navegação via satélite. Sensores do mesmo tipo são usados na estabilização de drones, como os de inspeção de obras civis.

O giroscópio de três eixos chegou ao iPhone em 2010. No anúncio do iPhone 4, em 7 de junho daquele ano, a Apple descreveu um giroscópio de 3 eixos que, combinado com o acelerômetro, dava medição de movimento em 6 eixos, segundo o comunicado da empresa.

Perguntas frequentes

Qual a diferença entre giroscópio e acelerômetro?

O acelerômetro mede aceleração em linha reta, incluindo a gravidade, em m/s². O giroscópio mede velocidade de rotação, em rad/s. O celular usa os dois juntos para saber sua orientação.

Todo celular tem giroscópio?

Nem todos. A documentação do Android diz que a maioria dos aparelhos tem acelerômetro e que muitos já incluem giroscópio, ou seja, ele pode faltar. Sem giroscópio, a realidade aumentada pode ficar indisponível e o vídeo em 360 graus perde o controle pelo movimento do aparelho.

O giroscópio gasta muita bateria?

Pouco. Um sensor como o LSM6DSO consome 0,55 mA com giroscópio e acelerômetro ligados em alto desempenho, cerca de 1 miliwatt.

Por que a orientação “escorrega” com o tempo?

Porque o ângulo é calculado somando leituras de velocidade, e qualquer erro constante se acumula: 1 grau por segundo de erro vira 60 graus em um minuto se não for corrigido. O sistema corrige usando o acelerômetro e a bússola.

Giroscópio de celular tem peça girando?

A peça móvel é uma massa de silício que vibra, cerca de 27 mil vezes por segundo num dos sensores citados. Nada gira dentro do chip.

O giroscópio do celular troca o rotor por uma vibração e a mecânica por uma medida de capacitância. O resultado é um sensor de 6 mm³ e 1 miliwatt, que mede bem o giro rápido e mal o giro acumulado, e que por isso só funciona de verdade em conjunto com os outros sensores. Outras tecnologias que já estão no dia a dia estão em inovações tecnológicas na engenharia.