【導(dǎo)讀】陀螺儀這個(gè)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(yùn)動(dòng)傳感器做有益的補(bǔ)充，從而使得運(yùn)動(dòng)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(dāng)時(shí)市面上還沒有消費(fèi)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(fèi)電子的MEMS陀螺儀。”Invensense移動(dòng)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(huì)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(yīng)用—這一應(yīng)用是單獨(dú)基于其他運(yùn)動(dòng)傳感器無法實(shí)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(huì)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(fèi)電子終端廠商巧妙地應(yīng)用該器件以實(shí)現(xiàn)多樣化的創(chuàng)新應(yīng)用。
陀螺儀可以對加速度傳感器和電子羅盤進(jìn)行有益的補(bǔ)充。當(dāng)三軸陀螺儀加上三軸加速度傳感器形成六軸的運(yùn)動(dòng)傳感器之后，基本上可以檢測到所有形式的運(yùn)動(dòng)，包括速度、方向、位移等參數(shù)。“物體的運(yùn)動(dòng)無外乎六種，X、Y、Z三個(gè)方向的位移和X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。這六種運(yùn)動(dòng)方式組成了物體完整的運(yùn)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(yùn)動(dòng)傳感器上加上電子羅盤，則在檢測運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)還可以修正絕對位置，實(shí)現(xiàn)完美的物體運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。因此，未來陀螺儀的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)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(dāng)于一個(gè)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(shí)，有的彈簧被拉長，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(yīng)用包括手機(jī)/相機(jī)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(yīng)。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。因此電子羅盤只能指一個(gè)大致的方向，然后進(jìn)行修正。此外，電子羅盤還容易受到如金屬、揚(yáng)聲器、天線等磁場的干擾。尤其是應(yīng)用在手機(jī)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。基于科里奧利力的原理：當(dāng)一個(gè)物體在坐標(biāo)系中直線移動(dòng)時(shí)，假設(shè)坐標(biāo)系做一個(gè)旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過程中，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(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大氣轉(zhuǎn)動(dòng)，如果大氣轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)該原理做成陀螺儀，則復(fù)雜許多。“先用MEMS做一個(gè)震動(dòng)系統(tǒng)，通過快速穩(wěn)定的震動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)線性的運(yùn)動(dòng)V，當(dāng)V的平面有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的拓?fù)涑鰜淼臅r(shí)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(dòng)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?yàn)閰⒄瘴镞M(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；而電子羅盤偵測的磁場會(huì)被其他磁場所干擾。因此二者在檢測物體運(yùn)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(zhuǎn)換位置的過程。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(yùn)動(dòng)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(fèi)電子創(chuàng)新應(yīng)用
陀螺儀的出現(xiàn)，給了消費(fèi)電子很大的應(yīng)用發(fā)揮空間。比如就設(shè)備輸入的方式來說，在鍵盤、鼠標(biāo)、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(shí)現(xiàn)電子簽名；還比如讓智能手機(jī)變得更智慧：除了移動(dòng)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(yīng)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(jī)界面領(lǐng)域、GPS和電子羅盤中的作用
1.游戲
可通過陀螺儀實(shí)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(dòng)，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(shí)，桿頭在0.2s內(nèi)達(dá)到180km/s的速度，這相當(dāng)于瞬間的加速度達(dá)到11個(gè)重力加速度。現(xiàn)在面向消費(fèi)電子類的加速度傳感器測量范圍達(dá)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(dāng)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(gè)游戲的真實(shí)場景。”林尚宏表示。
另一種如射擊類游戲要求設(shè)備保持不動(dòng)，然后做很細(xì)微的調(diào)整后進(jìn)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(dá)到該要求。林尚宏舉例說，“我們假設(shè)射擊游戲的誤差角度為±5°，換算給加速度傳感器后，cos5°相當(dāng)于3~4‰的重力加速度，現(xiàn)有的加速度傳感器精度達(dá)不到這個(gè)量級，沒法瞄準(zhǔn)射擊。陀螺儀可以偵測到很細(xì)微的手的抖動(dòng)，干擾也很低，拿著10s不動(dòng)時(shí)偏移才0.05°左右，很適合用于這種瞄準(zhǔn)的游戲。”
2.人機(jī)界面
在人機(jī)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(biāo)上添加陀螺儀和加速度傳感器實(shí)現(xiàn)指示器(激光筆)的功能。現(xiàn)在，通過陀螺儀，可以在消費(fèi)電子產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)手勢的輸入，比如在空中寫字，或者通過晃動(dòng)、振蕩等方式實(shí)現(xiàn)手勢對設(shè)備功能的控制。陀螺儀對角速度的偵查很精準(zhǔn)，甚至還可以實(shí)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(shí)現(xiàn)E Cash的應(yīng)用。“手勢控制的另一個(gè)好處是可以為消費(fèi)電子省電。當(dāng)你依靠手勢進(jìn)行某些功能的控制時(shí)，不需要開啟屏幕背光。例如打電話給爸爸，握著手機(jī)在空中寫一個(gè)‘D’，手機(jī)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(jié)省屏幕背光的耗電量。”林尚宏補(bǔ)充道。
3.定位功能
利用陀螺儀可以對GPS和電子羅盤進(jìn)行補(bǔ)充。例如在隧道或停車場等地，GPS會(huì)丟失信號，這時(shí)陀螺儀可以根據(jù)車子運(yùn)動(dòng)的方向和速度，輔助盲區(qū)導(dǎo)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(dòng)作，根據(jù)速度推算汽車到了第幾層。盲區(qū)導(dǎo)航功能如果用加速度傳感器來實(shí)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(yùn)算起來比較復(fù)雜；而如果用電子羅盤來實(shí)現(xiàn)盲區(qū)導(dǎo)航時(shí)，則容易出現(xiàn)漂移，需要對導(dǎo)航儀畫“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(jī)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(shí)現(xiàn)電子羅盤的校正。
除了汽車導(dǎo)航外，還可以通過陀螺儀實(shí)現(xiàn)行人盲區(qū)導(dǎo)航。不過林尚宏指出，行人的盲區(qū)導(dǎo)航比車子的盲區(qū)導(dǎo)航更難，因?yàn)檐囎拥倪\(yùn)行相對簡單，而行人將設(shè)備放在不同位置時(shí)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(dòng)不一樣，需要傳感器濾波。實(shí)現(xiàn)行人的盲區(qū)導(dǎo)航是一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)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，通過兩軸陀螺儀檢測到手震動(dòng)，快速實(shí)現(xiàn)幾次重復(fù)拍照，然后把手震動(dòng)前后拍下的照片中影像重復(fù)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(shí)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(dòng)，可以與物體的震動(dòng)區(qū)分開來，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(yīng)用到手機(jī)中去。“陀螺儀應(yīng)用在游戲機(jī)中時(shí)，只需要6%的精度就夠用，而手機(jī)需要的精度高很多。Invensense現(xiàn)在有1%精度的產(chǎn)品供手機(jī)使用，在2011年上半年，就將有實(shí)現(xiàn)了影像防抖動(dòng)技術(shù)的手機(jī)面市。”他介紹道。當(dāng)手機(jī)借助陀螺儀實(shí)現(xiàn)了EIS之后，對可視電話功能有很大的幫助。因?yàn)橛跋穸秳?dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)量很大，陀螺儀對影像進(jìn)行防抖處理后數(shù)據(jù)量將大幅減少，再傳輸時(shí)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(shí)現(xiàn)計(jì)步器應(yīng)用，以及通過攝像頭將設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和實(shí)景相結(jié)合等應(yīng)用。
表二：傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用
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