Akselerometer im Smartphone: Funktionsweise, Anwendungen und Unterschiede zum Gyroskop

Akselerometer sind Sensoren, die die Beschleunigung eines Objekts messen und so Veränderungen in der Bewegung oder die Neigung relativ zur Richtung der Erdanziehungskraft erfassen. In modernen Smartphones kommen sie zum Einsatz, um den Bildschirm automatisch zu drehen, Schritte zu zählen, Spiele zu steuern und Bewegungen des Geräts zu erkennen.

Obwohl sie sehr klein sind, können Akselerometer die Beschleunigung gleichzeitig auf drei Achsen erfassen. Im Inneren des Sensors befinden sich winzige mechanische Elemente, die auf Krafteinwirkungen reagieren und diese in elektrische Signale umwandeln.

Im Folgenden erfahren Sie, was ein Akselerometer ist, wie es Beschleunigung misst, warum es auch bei einem ruhenden Smartphone auf Neigungen reagiert und worin der Unterschied zum Gyroskop liegt.

Was ist ein Akselerometer und was misst es?

Ein Akselerometer ist ein Messinstrument, das die Beschleunigung im Verhältnis zum freien Fall bestimmt. Im Gegensatz zu einem Geschwindigkeitssensor zeigt es nicht an, wie schnell sich ein Objekt bewegt, sondern wie sich dessen Bewegung durch Kräfte verändert.

Beispielsweise registriert ein Akselerometer beim Beschleunigen eines Autos die Beschleunigung in Fahrtrichtung. Beim Bremsen wechselt die Richtung der gemessenen Beschleunigung. Fährt das Auto mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus, erfasst der Sensor keine Änderung durch Geschwindigkeit, sondern reagiert weiterhin auf die Kraft, die der Erdanziehung entgegenwirkt.

Ein wichtiger Punkt: Das Akselerometer misst die Eigenbeschleunigung und die Werte unterscheiden sich von der klassischen Vorstellung aus dem Physikunterricht.

Liegt das Smartphone ruhig auf dem Tisch, registriert das Akselerometer einen Wert von etwa 9,81 m/s² - weil die Tischfläche das Gerät am freien Fall hindert. Die Richtung der Anzeige hängt dabei von der Ausrichtung der Sensorachsen ab.

Würde das Telefon frei fallen und nur die Schwerkraft wirken, würde ein ideales Akselerometer einen Wert nahe null anzeigen. Diese Besonderheit ermöglicht es, den Sensor nicht nur zur Bewegungserkennung, sondern auch zur Bestimmung der Neigung zu nutzen.

Drei Messachsen: X, Y und Z

Smartphones sind in der Regel mit Dreiachsen-Akselerometern ausgestattet, die Beschleunigungen in drei zueinander senkrechten Richtungen messen:

• X-Achse - entlang der Breite des Smartphones, von einer Seite zur anderen.
• Y-Achse - entlang der Länge, von unten nach oben.
• Z-Achse - senkrecht zum Display, in Richtung Vorder- oder Rückseite.

Liegt das Smartphone mit dem Display nach oben, fällt der Hauptanteil der gemessenen Beschleunigung auf die Z-Achse. Wird das Gerät hochkant aufgestellt, verlagert sich die Messung auf eine der anderen Achsen.

Die genauen Vorzeichen und Richtungen hängen vom Koordinatensystem des Herstellers ab, doch das Prinzip bleibt gleich: Jede Lageveränderung des Smartphones verteilt die gemessenen Beschleunigungskomponenten neu auf die Achsen.

In welchen Einheiten wird Beschleunigung gemessen?

Die Standard-Einheit für Beschleunigung im internationalen Einheitensystem ist Meter pro Quadratsekunde (m/s²). Sie gibt an, wie stark sich die Geschwindigkeit eines Körpers pro Sekunde verändert.

Oft wird auch die Einheit g verwendet, die dem Standardwert der Erdbeschleunigung entspricht:

1 g = 9,80665 m/s²

Zum Beispiel entspricht ein Wert von 2 g etwa 19,61 m/s², 0,5 g etwa 4,9 m/s².

In den technischen Daten von Akselerometern finden sich Messbereiche wie ±2 g, ±4 g, ±8 g oder ±16 g. Sie legen fest, welches maximale Beschleunigungsmaß der Sensor erfassen kann, ohne den Messbereich zu überschreiten.

Für alltägliche Smartphone-Funktionen reicht ein kleiner Bereich meist aus - extreme Beschleunigungen kommen selten vor. Größere Bereiche sind nützlich, um heftige Bewegungen, Stöße oder starke Vibrationen zu registrieren.

Wie funktioniert ein Akselerometer: Aufbau und Messprinzip

Moderne Akselerometer in Smartphones basieren auf MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems). Dadurch lassen sich bewegliche mechanische Elemente und die notwendige Elektronik auf einem winzigen Chip unterbringen.

Das Funktionsprinzip beruht auf Trägheit: Wenn das Smartphone beschleunigt wird, versucht die im Akselerometer befindliche Masse ihren Bewegungszustand beizubehalten. Es entsteht eine relative Verschiebung, die gemessen und in digitale Daten umgewandelt werden kann.

MEMS-Akselerometer und ihr mikroskopischer Aufbau

Im Inneren eines MEMS-Akselerometers befindet sich eine Miniaturstruktur hauptsächlich aus Silizium: eine bewegliche Masse, elastische Aufhängungen und Elektroden, die Positionsänderungen registrieren.

Die Masse ist an feinen, federartigen Elementen befestigt. Diese erlauben eine minimale Verschiebung der Masse relativ zum Sensorgehäuse, wenn das Smartphone beschleunigt wird.

Bewegt sich das Telefon beispielsweise schnell nach rechts, beschleunigt das Gehäuse in diese Richtung, während sich die bewegliche Masse aufgrund der Trägheit in die entgegengesetzte Richtung verschiebt. Je größer die Beschleunigung, desto stärker die Verschiebung - innerhalb des Arbeitsbereichs.

Die Größenordnung dieser Elemente liegt im Mikrometerbereich - die Bewegung ist für den Nutzer nicht spürbar. Dank moderner Fertigungstechnologien sind diese Strukturen dennoch hochsensibel, selbst für kleine Beschleunigungsänderungen.

Für die Messung auf drei Achsen gibt es spezielle Strukturen für jede Raumrichtung. Der grundlegende physikalische Mechanismus bleibt dabei gleich.

MEMS-Technologie wird nicht nur für Akselerometer, sondern auch für Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone und weitere Miniaturgeräte eingesetzt.

Mehr dazu, wie mechanische Elemente und Elektronik in einem Chip vereint werden, finden Sie im Artikel "MEMS: Mikromechanische Systeme in moderner Elektronik und ihre Anwendungen".

Wie wird mechanische Bewegung in digitale Signale umgewandelt?

Die Verschiebung der beweglichen Masse allein ist noch kein fertiges Messergebnis. Damit das Smartphone die Beschleunigung erkennt, muss das Akselerometer die mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umwandeln.

Die meisten modernen MEMS-Akselerometer nutzen dazu das kapazitive Messprinzip:

• Im Sensor befinden sich winzige Elektroden - einige sind an der beweglichen Masse befestigt, andere fest montiert. Zusammen bilden sie Kondensatoren, deren Kapazität von der relativen Position der Elektroden abhängt.
• Beschleunigt sich das Smartphone, verschiebt sich die Masse, die Abstände zwischen den Elektroden ändern sich - und damit die Kapazität der Kondensatoren.
• Die Elektronik misst diese Änderungen, berechnet daraus die Verschiebung und ermittelt entsprechend der mechanischen Konstruktion die Beschleunigung.

Zusammengefasst läuft der Prozess folgendermaßen ab:

1. Beschleunigung verursacht die Verschiebung der sensitiven Masse.
2. Die Änderung der Elektrodenposition verändert die Kapazität.
3. Die Elektronik wandelt die Kapazitätsänderung in ein elektrisches Signal um.
4. Ein Analog-Digital-Wandler überträgt das Resultat in digitale Werte.
5. Der Sensor-Controller gibt die Messdaten an den Prozessor des Smartphones weiter.

Da der Akselerometer die Beschleunigung auf drei Achsen misst, entstehen Werte für X, Y und Z, die mehrfach pro Sekunde aktualisiert werden. Das ermöglicht nahezu Echtzeit-Tracking von Bewegungen.

Beim Drehen des Smartphones etwa erhält das System neue Beschleunigungswerte und kann erkennen, dass sich die Lage geändert hat. Beim Schütteln schwanken die Werte stark, im Ruhezustand bleiben sie relativ stabil.

Die Messung ist jedoch nie vollkommen exakt: Temperatur, elektronisches Rauschen, mechanische Besonderheiten und Kalibrierungsfehler beeinflussen das Ergebnis. Daher werden die Daten oft gefiltert und korrigiert, um Störungen zu minimieren.

Durch das Zusammenspiel aus Mikromechanik und digitaler Verarbeitung kann der Akselerometer Bewegungen kontinuierlich und energiesparend erfassen.

Wie erkennt der Akselerometer die Neigung des Smartphones?

Ein Akselerometer kann die Neigung des Smartphones auch im Ruhezustand bestimmen. Das gelingt durch die Messung der Gravitationskomponente der Beschleunigung, deren Richtung sich je nach Lage des Geräts zur Erdoberfläche ändert.

Bei einer Drehung des Smartphones ändern sich die Ausrichtungen der X-, Y- und Z-Achsen relativ zur Schwerkraft. Der Wert der Erdbeschleunigung bleibt nahezu konstant, doch die Anteile auf den einzelnen Achsen variieren. Durch Analyse dieser Veränderungen lässt sich die Neigung erkennen.

Liegt das Smartphone waagerecht mit dem Display nach oben, fällt der größte Anteil auf die Z-Achse. Beim Aufrichten verringert sich dieser Wert, während einer der beiden anderen Achsen steigt.

Wird das Gerät in einem Zwischenwinkel gehalten, verteilt sich die Beschleunigung auf mehrere Achsen. So erkennt das System nicht nur horizontale oder vertikale, sondern auch Zwischenstellungen.

Wie berechnet das Smartphone den Neigungswinkel?

Zur Ermittlung des Neigungswinkels verwendet die Software das Verhältnis der gemessenen Beschleunigungskomponenten. Dabei wird berücksichtigt, dass der Betrag der Gravitationsbeschleunigung bei einem ruhenden Gerät etwa 9,81 m/s² beträgt.

Ein einfaches Beispiel: Wird das Smartphone um eine Achse gekippt, verändern sich die Werte der beiden anderen Achsen nach trigonometrischen Zusammenhängen. Anhand dieser Werte kann der Rotationswinkel zur Horizontalen oder Vertikalen berechnet werden.

Bei einer Neigung von 30 Grad ergeben sich etwa 4,9 und 8,5 m/s² für die entsprechenden Komponenten - daraus lässt sich die Ausrichtung im Schwerefeld bestimmen.

Eine Einschränkung bleibt: Der Akselerometer kann eine Drehung um die Vertikalachse nicht allein erkennen, wenn sich die Ausrichtung zur Schwerkraft nicht ändert. Wird ein auf dem Tisch liegendes Handy um die eigene Achse gedreht, bleibt die Gravitationskomponente nahezu gleich - der Sensor kann diese Bewegung nicht erfassen.

Für solche Rotationen kommen Gyroskope zum Einsatz.

Warum Bewegung die Neigungserkennung erschwert

Die Neigungsbestimmung per Akselerometer funktioniert am genauesten, wenn das Smartphone stillsteht oder sich ohne nennenswerte Beschleunigung bewegt.

Das Problem: Der Sensor reagiert gleichzeitig auf die Schwerkraft und auf Beschleunigungen durch Bewegung. Er kann nicht selbstständig unterscheiden, welcher Anteil des Signals von der Neigung und welcher von der Bewegung stammt.

Wird das Handy beispielsweise schnell waagerecht bewegt, registriert der Sensor eine zusätzliche Beschleunigungskomponente, die als Neigungsänderung fehlinterpretiert werden kann, obwohl sich die tatsächliche Ausrichtung nicht verändert hat.

Ähnliche Effekte treten beim Laufen, Autofahren oder schnellen Drehen auf.

Um Fehler zu minimieren, werden Filteralgorithmen eingesetzt. Sie analysieren zeitliche Veränderungen und isolieren die konstante Gravitationskomponente von kurzzeitigen Beschleunigungen.

Kombiniert man die Akselerometerdaten mit einem Gyroskop, lassen sich Lage und Bewegung auch bei dynamischen Vorgängen präziser erfassen.

Wofür wird der Akselerometer im Smartphone genutzt?

Im Smartphone dient der Akselerometer zur Bewegungserkennung, zur Bestimmung der Orientierung und zur Erfassung körperlicher Aktivität. So kann das Gerät auf Nutzeraktionen reagieren, ohne dass Tasten gedrückt oder das Display berührt werden muss.

Die meisten Funktionen werden nicht direkt vom Sensor selbst, sondern durch Software-Algorithmen realisiert, die die Sensordaten auswerten. Oft werden zusätzliche Sensoren wie Gyroskop oder Näherungssensor verwendet.

Automatische Drehung des Bildschirms

Eine der auffälligsten Funktionen des Akselerometers ist das automatische Umschalten zwischen Hoch- und Querformat.

Wenn das Smartphone gedreht wird, ändern sich die gemessenen Gravitationskomponenten auf den Achsen X, Y und Z. Die Betriebssystem-Software analysiert diese Veränderungen und bestimmt die aktuelle Bildschirmorientierung.

Ein sofortiges Umschalten erfolgt jedoch nicht bei jeder kleinen Bewegung. Schwellenwerte und Zeitverzögerungen sorgen dafür, dass der Bildschirm nicht versehentlich dreht - etwa beim leichten Kippen beim Lesen. Erst eine deutliche Lageänderung löst das Umschalten aus.

Schrittzähler und Aktivitäts-Tracking

Der Akselerometer erkennt typische Bewegungsmuster beim Gehen und Laufen. Jeder Schritt verursacht kleine, wiederkehrende Beschleunigungen, die der Sensor erfasst.

Speziell entwickelte Algorithmen analysieren Frequenz, Amplitude und Abfolge der Schwankungen. Stimmen diese mit bekannten Geh-Mustern überein, wird ein Schritt gezählt.

Der Sensor selbst zählt keine Schritte, sondern misst ausschließlich Beschleunigungen. Die Schritterkennung erfolgt per Software.

Die Genauigkeit hängt davon ab, wo das Smartphone getragen wird und wie gleichmäßig die Bewegungen sind. Ein Handy in der Hosentasche liefert andere Signale als eines in einer locker schwingenden Tasche.

Daher können Fehlzählungen auftreten - manche Bewegungen werden als Schritte erkannt oder echte Schritte versehentlich ausgelassen.

Steuerung von Spielen durch Neigen

In vielen Handyspielen lässt sich das Gerät durch Neigen steuern. Anstelle virtueller Buttons kann der Nutzer Spielfiguren oder Fahrzeuge bewegen, indem er das Smartphone kippt.

Beispielsweise bewirkt das Drehen nach links in einem Rennspiel eine Richtungsänderung des Autos. Die App erhält die Beschleunigungswerte, berechnet daraus die Neigung und wandelt sie in Spielbefehle um.

Je stärker das Gerät geneigt wird, desto deutlicher ändert sich die Bewegung des virtuellen Objekts.

Für eine präzise Steuerung ist die Stabilität der Messdaten essenziell. Ungefilterte Sensorwerte können schon durch kleine Handbewegungen Störungen verursachen. Deshalb setzen Spiele-Engines auf Filterung, Sensitivitätsbegrenzungen und Kalibrierung der Neutralposition. Häufig werden auch Gyroskopdaten hinzugezogen.

Erkennung von Schütteln und Gesten

Der Akselerometer erkennt bestimmte Bewegungen wie Schütteln, schnelles Anheben oder Lageveränderungen des Geräts.

Beim Schütteln ändern sich die Beschleunigungswerte auf mehreren Achsen rasant. Die Software kann charakteristische Muster erkennen und vordefinierte Aktionen auslösen - etwa das Rückgängigmachen einer Eingabe oder das Starten einer Funktion.

Für komplexere Gestenerkennung reicht ein einzelner Akselerometer oft nicht aus: Die Erfassung von Drehungen erfordert Messungen der Winkelgeschwindigkeit.

Bewegungserkennung des Geräts

Die Sensorwerte helfen auch, den Zustand des Smartphones zu erkennen: Liegt es ruhig oder bewegt es sich aktiv?

Bleiben die Messwerte über längere Zeit stabil, gilt das Gerät als unbewegt. Bei typischen Schwankungen wird eine Bewegung angenommen.

Diese Information kommt bei Energiesparfunktionen, Aktivitätstrackern und Apps zum Einsatz, die auf die physische Lage des Geräts reagieren.

In manchen Fällen ermöglicht der Akselerometer eine Bewegungserkennung ohne GPS. Für genaue Positionsbestimmung reicht dies jedoch nicht - kleine Messfehler summieren sich schnell auf.

Präzises Tracking benötigt deshalb zusätzliche Sensoren wie Gyroskop, GPS oder andere Quellen.

Worin unterscheidet sich der Akselerometer vom Gyroskop und anderen Bewegungssensoren?

Akselerometer und Gyroskop werden oft zusammen verwendet, da beide zur räumlichen Orientierung beitragen. Sie messen jedoch unterschiedliche physikalische Größen und können sich nicht gegenseitig vollständig ersetzen.

Der Akselerometer misst die Beschleunigung (inklusive der Gravitationskomponente), das Gyroskop hingegen die Winkelgeschwindigkeit - also wie schnell ein Gerät um eine Achse rotiert.

Wird ein ruhendes Smartphone geneigt, bestimmt der Akselerometer die Lage zur Schwerkraft. Das Gyroskop registriert die Drehbewegung, zeigt nach dem Stopp aber wieder nahezu Null an.

Unterschiede zwischen den Messwerten von Akselerometer und Gyroskop

Das Hauptargument für den Akselerometer ist die Möglichkeit, die Vertikalrichtung zu bestimmen, solange das Gerät stillsteht oder sich langsam bewegt. Das Gyroskop dagegen eignet sich hervorragend zur Erfassung schneller Drehungen, auch wenn sich die Ausrichtung zur Schwerkraft kaum ändert.

Wie arbeiten Akselerometer und Gyroskop zusammen?

Für die genaue Bestimmung der Ausrichtung werden die Messdaten mehrerer Sensoren durch sogenannte Sensorfusion-Algorithmen kombiniert.

Das Prinzip: Das Gyroskop liefert schnelle Änderungen der Ausrichtung, während der Akselerometer die Korrektur des Neigungswinkels zur Schwerkraft ermöglicht.

Bei abrupten Drehungen verlässt sich das System stärker auf das Gyroskop. Im Ruhezustand sorgt der Akselerometer für die genaue Lagebestimmung.

Zur Datenfusion kommen Komplementärfilter, Kalman-Filter und weitere Signalverarbeitungsverfahren zum Einsatz.

Häufig wird zusätzlich ein Magnetometer verwendet, das das Magnetfeld misst und so die Orientierung zur Nordrichtung bestimmt.

Das Zusammenwirken dieser Sensoren ermöglicht eine deutlich präzisere räumliche Orientierung als mit einem einzelnen Sensor.

Warum kann der Akselerometer die zurückgelegte Strecke nicht exakt messen?

Theoretisch lässt sich aus den Beschleunigungswerten die Änderung der Geschwindigkeit und daraus die Bewegung berechnen - durch zeitliche Integration.

Praktisch treten dabei aber Probleme auf: Selbst kleinste Messfehler summieren sich mit der Zeit auf. Eine konstante Abweichung bei der Beschleunigung führt zu immer größeren Fehlern bei Geschwindigkeit und Distanz.

Erschwerend kommt hinzu, dass Schwerkraft und aktuelle Geräteausrichtung stets korrekt berücksichtigt werden müssen. Bereits geringe Fehler bei der Neigungsbestimmung können dazu führen, dass Teile der Gravitationsbeschleunigung fälschlich als Bewegungsbeschleunigung interpretiert werden.

Deshalb kann ein Smartphone seine Bewegung nicht dauerhaft und präzise allein mit Akselerometerdaten verfolgen.

Für solche Aufgaben kommen Inertiale Messeinheiten (IMU) zum Einsatz, die Akselerometer, Gyroskope und teils Magnetometer kombinieren. In Navigationssystemen werden diese Daten mit GPS, Kameras und weiteren Quellen abgeglichen.

Mehr zu diesen Technologien lesen Sie im Artikel "Navigation ohne GPS: Wie IMUs die autonome Orientierung ermöglichen".

Fazit

Ein Akselerometer ist ein winziger Sensor, der die Beschleunigung auf drei Achsen misst und es dem Smartphone ermöglicht, die Neigung zur Schwerkraft zu bestimmen. Das Funktionsprinzip basiert auf Trägheit: Eine mikroskopische Masse verschiebt sich relativ zum Gehäuse und wird von der Elektronik in digitale Werte umgewandelt.

Der Akselerometer sorgt dafür, dass sich der Bildschirm automatisch dreht, Schüttelbewegungen erkannt, Schritte gezählt und Spiele per Neigen gesteuert werden können. Der Sensor erfasst dabei ausschließlich die Beschleunigung - die Interpretation übernehmen Software-Algorithmen.

Für präzise Bewegungserfassung arbeitet der Akselerometer mit Gyroskop und weiteren Sensoren zusammen. Erst dieses Zusammenspiel ermöglicht es modernen Geräten, die Lage im Raum zuverlässig zu bestimmen und auf Nutzerbewegungen zu reagieren.