前言

看過盜夢空間的同志們一定對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，將一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，其簡易圖如下所示。

 

中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因?yàn)閼T性作用是不會受到影響的，周邊的三個“鋼圈”則會因?yàn)樵O(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，而這三個“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，三個軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測手機(jī)的各種動作，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。

 

 

陀螺儀發(fā)明之后，首先應(yīng)用在飛機(jī)上，后來有被德國用在導(dǎo)彈中，德國人設(shè)計出慣性指導(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，用加速度計測試加速度，就可以計算出導(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和轉(zhuǎn)動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，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：對固定指施加電壓，并交替改變電壓，讓一個質(zhì)量塊做振蕩式來回運(yùn)動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生科里奧利加速度，此時就可以對其進(jìn)行測量;這有點(diǎn)類似于加速度計，解碼方法大致相同，都會用到放大器。

 

 

角速率由科氏加速度測量結(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)快速耦合到加速度計框架

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

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

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

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

 

 

上面的動畫，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)造是下面這個樣子，別不小心誤會了哦~

 

 

三、陀螺儀的應(yīng)用

 

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

 

自喬布斯發(fā)布第一款帶陀螺儀的手機(jī)時，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、時間等進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)對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，陀螺儀檢測手機(jī)抖動的角度，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)動來抵消手機(jī)的抖動，從而實(shí)現(xiàn)鏡頭在拍攝的那一刻的絕對靜止，提高成片率。

 

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

 

在手機(jī)的具體應(yīng)用中，通常會采用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。