【導讀】陀螺儀這個測量角速度的傳感器不僅以物體本身作為參照物，而且具有很高的精度，因此可以對其他運動傳感器做有益的補充，從而使得運動檢測更加完備。下面由小編為大家介紹MEMS陀螺儀工作原理、陀螺儀的作用。
任天堂的Wii最初采用了三軸(X、Y、Z)加速度傳感器，后來又增加了陀螺儀。“任天堂早就知道光有三軸加速度傳感器是不夠的。只是當時市面上還沒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移動產(chǎn)品事業(yè)部系統(tǒng)工程總監(jiān)林尚宏表示。這一情況也發(fā)生在了蘋果CEO喬布斯的身上。在2010年6月iPhone 4的發(fā)布會上，喬布斯親自演示了陀螺儀帶來的偵測出物體水平方向旋轉(zhuǎn)的創(chuàng)新應用—這一應用是單獨基于其他運動傳感器無法實現(xiàn)的。因此，通過了解陀螺儀的工作原理，我們可以切身體會到任天堂和蘋果對陀螺儀曾經(jīng)的企盼，而且也可以幫助國內(nèi)的消費電子終端廠商巧妙地應用該器件以實現(xiàn)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進行有益的補充。當三軸陀螺儀加上三軸加速度傳感器形成六軸的運動傳感器之后，基本上可以檢測到所有形式的運動，包括速度、方向、位移等參數(shù)。“物體的運動無外乎六種，X、Y、Z三個方向的位移和X、Y、Z三個方向的轉(zhuǎn)動。這六種運動方式組成了物體完整的運動軌跡。”Invensense移動產(chǎn)品事業(yè)部副總裁姜正耀表示。如果在六軸運動傳感器上加上電子羅盤，則在檢測運動軌跡的同時還可以修正絕對位置，實現(xiàn)完美的物體運動軌跡跟蹤。因此，未來陀螺儀的進一步發(fā)展應用，是和加速度傳感器及電子羅盤緊密聯(lián)系的。
加速度傳感器相當于一個重錘在中間的彈簧系統(tǒng)，四面八方有彈簧撐著它。平放在桌面時，有的彈簧被拉長，有的被壓扁。變化時，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/相機畫面水平和垂直的切換。
電子羅盤主要偵測地磁。常見的電子羅盤主要基于霍爾效應。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。因此電子羅盤只能指一個大致的方向，然后進行修正。此外，電子羅盤還容易受到如金屬、揚聲器、天線等磁場的干擾。尤其是應用在手機上時，需要特別小心地在PCB上選一個合適的位置。
陀螺儀偵測的是角速度。基于科里奧利力的原理：當一個物體在坐標系中直線移動時，假設坐標系做一個旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過程中，物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。“臺風的形成就是基于這個原理。地球轉(zhuǎn)動帶動大氣轉(zhuǎn)動，如果大氣轉(zhuǎn)動時受到一個切向力，便容易形成臺風。而北半球和南半球臺風轉(zhuǎn)動的方向是不一樣的。”林尚宏用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。而要在MEMS器件中實現(xiàn)該原理做成陀螺儀，則復雜許多。“先用MEMS做一個震動系統(tǒng)，通過快速穩(wěn)定的震動產(chǎn)生一個線性的運動V，當V的平面有一個旋轉(zhuǎn)的拓撲出來的時候，就可以檢測出科里奧利力的方向，根據(jù)公式可以算出角速度。用不同方向的震動來偵測出X、Y、Z軸的角速度，并可通過穩(wěn)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以地球為參照物進行方向的偵測。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，所有各個方向的力都會被偵測到；而電子羅盤偵測的磁場會被其他磁場所干擾。因此二者在檢測物體運動時，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(zhuǎn)換位置的過程。如果物體平放不動的時候，則只要使用加速度傳感器或電子羅盤就夠了。通過上述原理，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方向和軌跡等。”林尚宏表示。
表一：常見傳感器使用概況與分析
陀螺儀開啟消費電子創(chuàng)新應用
陀螺儀的出現(xiàn)，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說，在鍵盤、鼠標、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來了手勢輸入，由于它的高精度，甚至還可以實現(xiàn)電子簽名；還比如讓智能手機變得更智慧：除了移動上網(wǎng)、快速處理數(shù)據(jù)外，還能“察言觀色”，知道主人在哪里，興趣是什么，并提供相應的服務。下面賢集網(wǎng)小編具體介紹下陀螺儀在游戲、人機界面領域、GPS和電子羅盤中的作用
1.游戲
可通過陀螺儀實現(xiàn)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，這對目前的加速度傳感器來說，是很大__的挑戰(zhàn)。“泰格•伍茲揮桿時，桿頭在0.2s內(nèi)達到180km/s的速度，這相當于瞬間的加速度達到11個重力加速度。現(xiàn)在面向消費電子類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快速揮動，揮桿時桿頭角速度約為1,800°/s，相當于1s揮5~6圈，這在陀螺儀角速度偵測范圍內(nèi)，因此可以很好地模擬出這個游戲的真實場景。”林尚宏表示。
另一種如射擊類游戲要求設備保持不動，然后做很細微的調(diào)整后進行射擊。這種游戲要求高精度和低干擾，現(xiàn)有的加速度傳感器不能達到該要求。林尚宏舉例說，“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(xiàn)有的加速度傳感器精度達不到這個量級，沒法瞄準射擊。陀螺儀可以偵測到很細微的手的抖動，干擾也很低，拿著10s不動時偏移才0.05°左右，很適合用于這種瞄準的游戲。”
2.人機界面
在人機界面領域，陀螺儀也可以進行很好的創(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現(xiàn)指示器(激光筆)的功能。現(xiàn)在，通過陀螺儀，可以在消費電子產(chǎn)品上實現(xiàn)手勢的輸入，比如在空中寫字，或者通過晃動、振蕩等方式實現(xiàn)手勢對設備功能的控制。陀螺儀對角速度的偵查很精準，甚至還可以實現(xiàn)識別簽名等生物特征，因此可以用手勢簽信用卡、支票，實現(xiàn)E Cash的應用。“手勢控制的另一個好處是可以為消費電子省電。當你依靠手勢進行某些功能的控制時，不需要開啟屏幕背光。例如打電話給爸爸，握著手機在空中寫一個‘D’，手機就自動撥號給爸爸，而不需點亮屏幕進行撥號，這種方式可以大大節(jié)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和電子羅盤進行補充。例如在隧道或停車場等地，GPS會丟失信號，這時陀螺儀可以根據(jù)車子運動的方向和速度，輔助盲區(qū)導航；在立交橋等立體道路上，GPS無法識別汽車在哪一層，陀螺儀則可以通過偵測到汽車上坡的動作，根據(jù)速度推算汽車到了第幾層。盲區(qū)導航功能如果用加速度傳感器來實現(xiàn)，需要先去除重力加速度，測得線性加速度，再根據(jù)車速推算車的行徑軌跡，運算起來比較復雜；而如果用電子羅盤來實現(xiàn)盲區(qū)導航時，則容易出現(xiàn)漂移，需要對導航儀畫“8”字形進行校正，從而識別和去掉雜磁。這個校正的動作對司機來說很不方便，但如果配合陀螺儀使用，則可以在很小的位移范圍內(nèi)快速實現(xiàn)電子羅盤的校正。
除了汽車導航外，還可以通過陀螺儀實現(xiàn)行人盲區(qū)導航。不過林尚宏指出，行人的盲區(qū)導航比車子的盲區(qū)導航更難，因為車子的運行相對簡單，而行人將設備放在不同位置時測得的數(shù)據(jù)相差很大，例如放腰部和放腿部檢測到的信號跳動不一樣，需要傳感器濾波。實現(xiàn)行人的盲區(qū)導航是一項浩大的工程，目前還正在探討過程中。
4.影像防手震
目前有兩種實現(xiàn)方式，一是EIS(電子防手震)，另一種是OIS(光學防手震)。陀螺儀目前已經(jīng)被廣泛使用在了EIS上，通過兩軸陀螺儀檢測到手震動，快速實現(xiàn)幾次重復拍照，然后把手震動前后拍下的照片中影像重復的地方切下來。如果配合電子羅盤使用，還可以做到絕對位置的修正。“用陀螺儀實現(xiàn)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，可以與物體的震動區(qū)分開來，避免誤操作；同時還可以與其他傳感器做配合等。”林尚宏指出。姜正耀則表示，影像防抖動的功能即將被應用到手機中去。“陀螺儀應用在游戲機中時，只需要6%的精度就夠用，而手機需要的精度高很多。Invensense現(xiàn)在有1%精度的產(chǎn)品供手機使用，在2011年上半年，就將有實現(xiàn)了影像防抖動技術的手機面市。”他介紹道。當手機借助陀螺儀實現(xiàn)了EIS之后，對可視電話功能有很大的幫助。因為影像抖動時，數(shù)據(jù)量很大，陀螺儀對影像進行防抖處理后數(shù)據(jù)量將大幅減少，再傳輸時既可以節(jié)省無線帶寬，又可提高幀幅，從而優(yōu)化視頻的清晰度和流暢度。
此外，陀螺儀還可以實現(xiàn)計步器應用，以及通過攝像頭將設備的運動和實景相結合等應用。
表二：傳感器在消費電子中的應用
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