前言

看過(guò)盜夢(mèng)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?在手機等移動(dòng)設備中是怎么應用的呢?現如今的技術(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年在研究地球自轉中獲得靈感而發(fā)明的，如上圖所示，將一個(gè)高速旋轉的陀螺放到一個(gè)萬(wàn)向支架上，靠陀螺的方向來(lái)計算角速度，其簡(jiǎn)易圖如下所示。

 

中間金色的轉子即為陀螺，它因為慣性作用是不會(huì )受到影響的，周邊的三個(gè)“鋼圈”則會(huì )因為設備的改變姿態(tài)而跟著(zhù)改變，通過(guò)這樣來(lái)檢測設備當前的狀態(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)合檢測手機的各種動(dòng)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，首先應用在飛機上，后來(lái)有被德國用在導彈中，德國人設計出慣性指導系統，慣性制導系統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，就可以計算出導彈的路線(xiàn)，從而進(jìn)行飛行姿態(tài)的控制。

 

 

傳統的慣性陀螺儀主要是機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構等要求很高，結構復雜，它的精度受到了很多方面的制約。隨著(zhù)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，目前手機中使用的為MEMS原理的陀螺儀，即硅微機電陀螺儀。(MEMS：是指集中機械元素、微型傳感器、微型執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電系統。

 

二、MEMS陀螺儀的工作原理

 

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

 

 

MEMS陀螺儀利用coriolis，將旋轉物體的角速度轉換成與角速度成正比直流電壓信號，其核心部件通過(guò)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(gè)質(zhì)量塊做振蕩式來(lái)回運動(dòng)，當旋轉時(shí)，會(huì )產(chǎn)生科里奧利加速度，此時(shí)就可以對其進(jìn)行測量;這有點(diǎn)類(lèi)似于加速度計，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量結果決定

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(guò)14 kHz共振結構施加的速度(周期性運動(dòng))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(dòng)

該機械系統的結構與加速度計相似(微加工多晶硅)

信號調理(電壓轉換偏移)采用與加速度計類(lèi)似的技術(shù)

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

 

 

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

 

 

三、陀螺儀的應用

 

“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某一軸向的線(xiàn)性動(dòng)作，而陀螺儀能檢測和感應3D空間的線(xiàn)性和動(dòng)作，從而能夠辨認方向、確認姿態(tài)、計算角速度。

 

自喬布斯發(fā)布第一款帶陀螺儀的手機時(shí)，讓手機玩極品飛車(chē)類(lèi)的游戲就成為了可能。

 

 

首先就是能夠對駕駛類(lèi)游戲做出更真實(shí)的模擬。通過(guò)陀螺儀，能夠對手機的偏轉角度、速度、時(shí)間等進(jìn)行測量，從而實(shí)現對游戲視野的變化和車(chē)輛方向速度的改變，讓游戲的體驗有了質(zhì)的提升!

 

其次是能夠幫助攝像頭進(jìn)行防抖(OIS)，通俗來(lái)說(shuō)就是當你按下快門(mén)的那一刻，陀螺儀檢測手機抖動(dòng)的角度，然后根據角度來(lái)算出鏡頭模組需要補償的距離，讓鏡頭通過(guò)反向運動(dòng)來(lái)抵消手機的抖動(dòng)，從而實(shí)現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導航，在某些gps信號弱或者無(wú)信號的地方，比如隧道等，手機就可以根據之前定位的地點(diǎn)和陀螺儀檢測的運動(dòng)速度和時(shí)間和方向，推算出當前的位置，來(lái)達到暫時(shí)定位的目的。

 

在手機的具體應用中，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，從而節省一路I2C。