任天堂的Wii最初采用了三軸(X、Y、Z)加速度傳感器，后來(lái)又增加了陀螺儀。“任天堂早就知道光有三軸加速度傳感器是不夠的。只是當時(shí)市面上還沒(méi)有消費電子級別的陀螺儀可以使用，直到Invensense推出了第一款用于消費電子的MEMS陀螺儀。”Invensense移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部系統工程總監林尚宏表示。這一情況也發(fā)生在了蘋(píng)果CEO喬布斯的身上。在2010年6月iPhone 4的發(fā)布會(huì )上，喬布斯親自演示了陀螺儀帶來(lái)的偵測出物體水平方向旋轉的創(chuàng )新應用—這一應用是單獨基于其他運動(dòng)傳感器無(wú)法實(shí)現的。因此，通過(guò)了解陀螺儀的工作原理，我們可以切身體會(huì )到任天堂和蘋(píng)果對陀螺儀曾經(jīng)的企盼，而且也可以幫助國內的消費電子終端廠(chǎng)商巧妙地應用該器件以實(shí)現多樣化的創(chuàng )新應用。

 

陀螺儀可以對加速度傳感器和電子羅盤(pán)進(jìn)行有益的補充。當三軸陀螺儀加上三軸加速度傳感器形成六軸的運動(dòng)傳感器之后，基本上可以檢測到所有形式的運動(dòng)，包括速度、方向、位移等參數。“物體的運動(dòng)無(wú)外乎六種，X、Y、Z三個(gè)方向的位移和X、Y、Z三個(gè)方向的轉動(dòng)。這六種運動(dòng)方式組成了物體完整的運動(dòng)軌跡。”Invensense移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部副總裁姜正耀表示。如果在六軸運動(dòng)傳感器上加上電子羅盤(pán)，則在檢測運動(dòng)軌跡的同時(shí)還可以修正絕對位置，實(shí)現完美的物體運動(dòng)軌跡跟蹤。因此，未來(lái)陀螺儀的進(jìn)一步發(fā)展應用，是和加速度傳感器及電子羅盤(pán)緊密聯(lián)系的。

 

加速度傳感器相當于一個(gè)重錘在中間的彈簧系統，四面八方有彈簧撐著(zhù)它。平放在桌面時(shí)，有的彈簧被拉長(cháng)，有的被壓扁。變化時(shí)，不同的彈簧受到不同的壓縮，從而偵測出不同方向的力。它的典型應用包括手機/相機畫(huà)面水平和垂直的切換。

 

電子羅盤(pán)主要偵測地磁。常見(jiàn)的電子羅盤(pán)主要基于霍爾效應。但是地磁環(huán)境不完美，比如地磁的南極在地球不同的表面不一定指的同一個(gè)北方；而在地球不同緯度，地磁的方向和水平方向的夾角也不同。因此電子羅盤(pán)只能指一個(gè)大致的方向，然后進(jìn)行修正。此外，電子羅盤(pán)還容易受到如金屬、揚聲器、天線(xiàn)等磁場(chǎng)的干擾。尤其是應用在手機上時(shí)，需要特別小心地在PCB上選一個(gè)合適的位置。

 

陀螺儀偵測的是角速度?；诳评飱W利力的原理：當一個(gè)物體在坐標系中直線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，假設坐標系做一個(gè)旋轉，那么在旋轉的過(guò)程中，物體會(huì )感受到一個(gè)垂直的力和垂直方向的加速度。“臺風(fēng)的形成就是基于這個(gè)原理。地球轉動(dòng)帶動(dòng)大氣轉動(dòng)，如果大氣轉動(dòng)時(shí)受到一個(gè)切向力，便容易形成臺風(fēng)。而北半球和南半球臺風(fēng)轉動(dòng)的方向是不一樣的。”林尚宏用一個(gè)形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。而要在MEMS器件中實(shí)現該原理做成陀螺儀，則復雜許多。“先用MEMS做一個(gè)震動(dòng)系統，通過(guò)快速穩定的震動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)線(xiàn)性的運動(dòng)V，當V的平面有一個(gè)旋轉的拓撲出來(lái)的時(shí)候，就可以檢測出科里奧利力的方向，根據公式可以算出角速度。用不同方向的震動(dòng)來(lái)偵測出X、Y、Z軸的角速度，并可通過(guò)穩定的震蕩去掉重力的干擾。”林尚宏解釋道。

 

圖1：MEMS陀螺儀工作原理模擬圖示

 

MEMS陀螺儀工作原理：“加速度傳感器和電子羅盤(pán)以地球為參照物進(jìn)行方向的偵測。加速度傳感器偵測物體和重力角度的差異，電子羅盤(pán)偵測物體和北方角度的差異，如果偵測到地心和北方，就能定三軸。但是加速度傳感器不光偵測重力，所有各個(gè)方向的力都會(huì )被偵測到；而電子羅盤(pán)偵測的磁場(chǎng)會(huì )被其他磁場(chǎng)所干擾。因此二者在檢測物體運動(dòng)時(shí)，有很多不足的地方。陀螺儀的參照物是自己本身，因此可以偵測出物體轉換位置的過(guò)程。如果物體平放不動(dòng)的時(shí)候，則只要使用加速度傳感器或電子羅盤(pán)就夠了。通過(guò)上述原理，我們可以把幾種傳感器配合使用，比如相互做精度校正，或一起完備地偵測出物體的運動(dòng)方向和軌跡等。”林尚宏表示。

 

表一：常見(jiàn)傳感器使用概況與分析

 

陀螺儀開(kāi)啟消費電子創(chuàng )新應用

 

陀螺儀的出現，給了消費電子很大的應用發(fā)揮空間。比如就設備輸入的方式來(lái)說(shuō)，在鍵盤(pán)、鼠標、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來(lái)了手勢輸入，由于它的高精度，甚至還可以實(shí)現電子簽名；還比如讓智能手機變得更智慧：除了移動(dòng)上網(wǎng)、快速處理數據外，還能“察言觀(guān)色”，知道主人在哪里，興趣是什么，并提供相應的服務(wù)。下面賢集網(wǎng)小編具體介紹下陀螺儀在游戲、人機界面領(lǐng)域、GPS和電子羅盤(pán)中的作用

 

1.游戲

 

可通過(guò)陀螺儀實(shí)現高速游戲，如高爾夫、羽毛球和斗劍等。這些游戲要偵測到很快速的揮動(dòng)，這對目前的加速度傳感器來(lái)說(shuō)，是很大__的挑戰。“泰格•伍茲揮桿時(shí)，桿頭在0.2s內達到180km/s的速度，這相當于瞬間的加速度達到11個(gè)重力加速度?，F在面向消費電子類(lèi)的加速度傳感器測量范圍達不到這么大。如果利用陀螺儀則可以精確地偵測到這個(gè)快速揮動(dòng)，揮桿時(shí)桿頭角速度約為1,800°/s，相當于1s揮5~6圈，這在陀螺儀角速度偵測范圍內，因此可以很好地模擬出這個(gè)游戲的真實(shí)場(chǎng)景。”林尚宏表示。

 

另一種如射擊類(lèi)游戲要求設備保持不動(dòng)，然后做很細微的調整后進(jìn)行射擊。這種游戲要求高精度和低干擾，現有的加速度傳感器不能達到該要求。林尚宏舉例說(shuō)，“我們假設射擊游戲的誤差角度為±5°，換算給加速度傳感器后，cos5°相當于3~4‰的重力加速度，現有的加速度傳感器精度達不到這個(gè)量級，沒(méi)法瞄準射擊。陀螺儀可以偵測到很細微的手的抖動(dòng)，干擾也很低，拿著(zhù)10s不動(dòng)時(shí)偏移才0.05°左右，很適合用于這種瞄準的游戲。”

 

2.人機界面

 

在人機界面領(lǐng)域，陀螺儀也可以進(jìn)行很好的創(chuàng )新。早在兩三年前，羅技就在其鼠標上添加陀螺儀和加速度傳感器實(shí)現指示器(激光筆)的功能?，F在，通過(guò)陀螺儀，可以在消費電子產(chǎn)品上實(shí)現手勢的輸入，比如在空中寫(xiě)字，或者通過(guò)晃動(dòng)、振蕩等方式實(shí)現手勢對設備功能的控制。陀螺儀對角速度的偵查很精準，甚至還可以實(shí)現識別簽名等生物特征，因此可以用手勢簽信用卡、支票，實(shí)現E Cash的應用。“手勢控制的另一個(gè)好處是可以為消費電子省電。當你依靠手勢進(jìn)行某些功能的控制時(shí)，不需要開(kāi)啟屏幕背光。例如打電話(huà)給爸爸，握著(zhù)手機在空中寫(xiě)一個(gè)‘D’，手機就自動(dòng)撥號給爸爸，而不需點(diǎn)亮屏幕進(jìn)行撥號，這種方式可以大大節省屏幕背光的耗電量。”林尚宏補充道。

 

3.定位功能

 

利用陀螺儀可以對GPS和電子羅盤(pán)進(jìn)行補充。例如在隧道或停車(chē)場(chǎng)等地，GPS會(huì )丟失信號，這時(shí)陀螺儀可以根據車(chē)子運動(dòng)的方向和速度，輔助盲區導航；在立交橋等立體道路上，GPS無(wú)法識別汽車(chē)在哪一層，陀螺儀則可以通過(guò)偵測到汽車(chē)上坡的動(dòng)作，根據速度推算汽車(chē)到了第幾層。盲區導航功能如果用加速度傳感器來(lái)實(shí)現，需要先去除重力加速度，測得線(xiàn)性加速度，再根據車(chē)速推算車(chē)的行徑軌跡，運算起來(lái)比較復雜；而如果用電子羅盤(pán)來(lái)實(shí)現盲區導航時(shí)，則容易出現漂移，需要對導航儀畫(huà)“8”字形進(jìn)行校正，從而識別和去掉雜磁。這個(gè)校正的動(dòng)作對司機來(lái)說(shuō)很不方便，但如果配合陀螺儀使用，則可以在很小的位移范圍內快速實(shí)現電子羅盤(pán)的校正。

 

除了汽車(chē)導航外，還可以通過(guò)陀螺儀實(shí)現行人盲區導航。不過(guò)林尚宏指出，行人的盲區導航比車(chē)子的盲區導航更難，因為車(chē)子的運行相對簡(jiǎn)單，而行人將設備放在不同位置時(shí)測得的數據相差很大，例如放腰部和放腿部檢測到的信號跳動(dòng)不一樣，需要傳感器濾波。實(shí)現行人的盲區導航是一項浩大的工程，目前還正在探討過(guò)程中。

 

4.影像防手震

 

目前有兩種實(shí)現方式，一是EIS(電子防手震)，另一種是OIS(光學(xué)防手震)。陀螺儀目前已經(jīng)被廣泛使用在了EIS上，通過(guò)兩軸陀螺儀檢測到手震動(dòng)，快速實(shí)現幾次重復拍照，然后把手震動(dòng)前后拍下的照片中影像重復的地方切下來(lái)。如果配合電子羅盤(pán)使用，還可以做到絕對位置的修正。“用陀螺儀實(shí)現防手震有很多好處，比如精確，使得圖片疊加的質(zhì)量更好；陀螺儀檢測到的是攝像頭本身的震動(dòng)，可以與物體的震動(dòng)區分開(kāi)來(lái)，避免誤操作；同時(shí)還可以與其他傳感器做配合等。”林尚宏指出。姜正耀則表示，影像防抖動(dòng)的功能即將被應用到手機中去。“陀螺儀應用在游戲機中時(shí)，只需要6%的精度就夠用，而手機需要的精度高很多。Invensense現在有1%精度的產(chǎn)品供手機使用，在2011年上半年，就將有實(shí)現了影像防抖動(dòng)技術(shù)的手機面市。”他介紹道。當手機借助陀螺儀實(shí)現了EIS之后，對可視電話(huà)功能有很大的幫助。因為影像抖動(dòng)時(shí)，數據量很大，陀螺儀對影像進(jìn)行防抖處理后數據量將大幅減少，再傳輸時(shí)既可以節省無(wú)線(xiàn)帶寬，又可提高幀幅，從而優(yōu)化視頻的清晰度和流暢度。

 

此外，陀螺儀還可以實(shí)現計步器應用，以及通過(guò)攝像頭將設備的運動(dòng)和實(shí)景相結合等應用。

 

表二：傳感器在消費電子中的應用

 

 

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