前言

看過盜夢(mèng)空間的同志們一定對(duì)電影中的跟上圖的小物件很熟悉——陀螺儀，那么它的工作原理是什么呢?在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中是怎么應(yīng)用的呢?現(xiàn)如今的技術(shù)又是怎么樣的呢?本文將帶你深入了解!

 

一、陀螺儀的歷史

 

最早的陀螺儀

 

陀螺儀最早是法國(guó)科學(xué)家在1850年在研究地球自轉(zhuǎn)中獲得靈感而發(fā)明的，如上圖所示，將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬向支架上，靠陀螺的方向來計(jì)算角速度，其簡(jiǎn)易圖如下所示。

 

中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因?yàn)閼T性作用是不會(huì)受到影響的，周邊的三個(gè)“鋼圈”則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，而這三個(gè)“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個(gè)軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測(cè)手機(jī)的各種動(dòng)作，陀螺儀的最主要的作用在于可以測(cè)量角速度。

 

 

陀螺儀發(fā)明之后，首先應(yīng)用在飛機(jī)上，后來有被德國(guó)用在導(dǎo)彈中，德國(guó)人設(shè)計(jì)出慣性指導(dǎo)系統(tǒng)，慣性制導(dǎo)系統(tǒng)可以采用陀螺儀確定方向和角速度，用加速度計(jì)測(cè)試加速度，就可以計(jì)算出導(dǎo)彈的路線，從而進(jìn)行飛行姿態(tài)的控制。

 

 

傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)等要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。隨著技術(shù)的逐漸發(fā)展，漸漸的發(fā)展處了光纖、激光陀螺儀等等各種較為先進(jìn)的陀螺儀，目前手機(jī)中使用的為MEMS原理的陀螺儀，即硅微機(jī)電陀螺儀。(MEMS：是指集中機(jī)械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。

 

二、MEMS陀螺儀的工作原理

 

MEMS陀螺儀采用的是依賴于相互正交的震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。

 

 

MEMS陀螺儀利用coriolis，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比直流電壓信號(hào)，其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。

 

 

陀螺儀的內(nèi)部原理是這樣的：對(duì)固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來回運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量;這有點(diǎn)類似于加速度計(jì)，解碼方法大致相同，都會(huì)用到放大器。

 

 

角速率由科氏加速度測(cè)量結(jié)果決定

科氏加速度 = 2 × (w × 質(zhì)量塊速度)

w是施加的角速率(w = 2 πf)

通過14 kHz共振結(jié)構(gòu)施加的速度(周期性運(yùn)動(dòng))快速耦合到加速度計(jì)框架

科氏加速度與諧振器具有相同的頻率和相位，因此可以抵消低速外部振動(dòng)

該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)相似(微加工多晶硅)

信號(hào)調(diào)理(電壓轉(zhuǎn)換偏移)采用與加速度計(jì)類似的技術(shù)

施加變化的電壓來回移動(dòng)器件，此時(shí)器件只有水平運(yùn)動(dòng)沒有垂直運(yùn)動(dòng)。如果施加旋轉(zhuǎn)，可以看到器件會(huì)上下移動(dòng)，外部指將感知該運(yùn)動(dòng)，從而就能拾取到與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的信號(hào)。

 

 

上面的動(dòng)畫，只是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實(shí)的陀螺儀內(nèi)部構(gòu)造是下面這個(gè)樣子，別不小心誤會(huì)了哦~

 

 

三、陀螺儀的應(yīng)用

 

“陀螺儀”是加速度傳感器的升級(jí)版，加速度傳感器能檢測(cè)和感應(yīng)某一軸向的線性動(dòng)作，而陀螺儀能檢測(cè)和感應(yīng)3D空間的線性和動(dòng)作，從而能夠辨認(rèn)方向、確認(rèn)姿態(tài)、計(jì)算角速度。

 

自喬布斯發(fā)布第一款帶陀螺儀的手機(jī)時(shí)，讓手機(jī)玩極品飛車類的游戲就成為了可能。

 

 

首先就是能夠?qū)︸{駛類游戲做出更真實(shí)的模擬。通過陀螺儀，能夠?qū)κ謾C(jī)的偏轉(zhuǎn)角度、速度、時(shí)間等進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲視野的變化和車輛方向速度的改變，讓游戲的體驗(yàn)有了質(zhì)的提升!

 

其次是能夠幫助攝像頭進(jìn)行防抖(OIS)，通俗來說就是當(dāng)你按下快門的那一刻，陀螺儀檢測(cè)手機(jī)抖動(dòng)的角度，然后根據(jù)角度來算出鏡頭模組需要補(bǔ)償?shù)木嚯x，讓鏡頭通過反向運(yùn)動(dòng)來抵消手機(jī)的抖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鏡頭在拍攝的那一刻的絕對(duì)靜止，提高成片率。

 

再次就是輔助GPS導(dǎo)航，在某些gps信號(hào)弱或者無信號(hào)的地方，比如隧道等，手機(jī)就可以根據(jù)之前定位的地點(diǎn)和陀螺儀檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間和方向，推算出當(dāng)前的位置，來達(dá)到暫時(shí)定位的目的。

 

在手機(jī)的具體應(yīng)用中，通常會(huì)采用A+G方案，即將加速度傳感器和陀螺儀做在一起，從而節(jié)省一路I2C。