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,它因為慣性作用是不會受到影響的,周邊的三個“鋼圈”則會因為設(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。