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(dāng)時(shí)市面上還沒(méi)有消費(fèi)電子級(jí)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(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(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)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(duì)陀螺儀曾經(jīng)的企盼，而且也可以幫助國(guó)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(duì)加速度傳感器和電子羅盤(pán)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(cè)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(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(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(pán)，則在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)還可以修正絕對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)完美的物體運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。因此，未來(lái)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(pán)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(zhǎng)，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(cè)出不同方向的力。它的典型應(yīng)用包括手機(jī)/相機(jī)畫(huà)面水平和垂直的切換。

 

電子羅盤(pán)主要偵測(cè)地磁。常見(jiàn)的電子羅盤(pán)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(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(yáng)聲器、天線等磁場(chǎng)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(cè)的是角速度?；诳评飱W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(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(tái)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(tái)風(fēng)。而北半球和南半球臺(tái)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(guò)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?lái)的時(shí)候，就可以檢測(cè)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(lái)偵測(cè)出X、Y、Z軸的角速度，并可通過(guò)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(pán)以地球?yàn)閰⒄瘴镞M(jìn)行方向的偵測(cè)。加速度傳感器偵測(cè)物體和重力角度的差異，電子羅盤(pán)偵測(cè)物體和北方角度的差異，如果偵測(cè)到地心和北方，就能定三軸。但是加速度傳感器不光偵測(cè)重力，所有各個(gè)方向的力都會(huì)被偵測(cè)到；而電子羅盤(pán)偵測(cè)的磁場(chǎng)會(huì)被其他磁場(chǎng)所干擾。因此二者在檢測(cè)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(cè)出物體轉(zhuǎn)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(cè)出物體的運(yùn)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(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(lái)說(shuō)，在鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來(lái)了手勢(shì)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(pán)中的作用

 

1.游戲

 

可通過(guò)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(cè)到很快速的揮動(dòng)，這對(duì)目前的加速度傳感器來(lái)說(shuō)，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?，F(xiàn)在面向消費(fèi)電子類的加速度傳感器測(cè)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(cè)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(cè)范圍內(nèi)，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(shuō)，“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(jí)，沒(méi)法瞄準(zhǔn)射擊。陀螺儀可以偵測(cè)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?，F(xiàn)在，通過(guò)陀螺儀，可以在消費(fèi)電子產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)手勢(shì)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(xiàn)手勢(shì)對(duì)設(shè)備功能的控制。陀螺儀對(duì)角速度的偵查很精準(zhǔn)，甚至還可以實(shí)現(xiàn)識(shí)別簽名等生物特征，因此可以用手勢(shì)簽信用卡、支票，實(shí)現(xiàn)E Cash的應(yīng)用。“手勢(shì)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(shì)進(jìn)行某些功能的控制時(shí)，不需要開(kāi)啟屏幕背光。例如打電話給爸爸，握著手機(jī)在空中寫(xiě)一個(gè)‘D’，手機(jī)就自動(dòng)撥號(hào)給爸爸，而不需點(diǎn)亮屏幕進(jìn)行撥號(hào)，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(duì)GPS和電子羅盤(pán)進(jìn)行補(bǔ)充。例如在隧道或停車(chē)場(chǎng)等地，GPS會(huì)丟失信號(hào)，這時(shí)陀螺儀可以根據(jù)車(chē)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(wú)法識(shí)別汽車(chē)在哪一層，陀螺儀則可以通過(guò)偵測(cè)到汽車(chē)上坡的動(dòng)作，根據(jù)速度推算汽車(chē)到了第幾層。盲區(qū)導(dǎo)航功能如果用加速度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要先去除重力加速度，測(cè)得線性加速度，再根據(jù)車(chē)速推算車(chē)的行徑軌跡，運(yùn)算起來(lái)比較復(fù)雜；而如果用電子羅盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)盲區(qū)導(dǎo)航時(shí)，則容易出現(xiàn)漂移，需要對(duì)導(dǎo)航儀畫(huà)“8”字形進(jìn)行校正，從而識(shí)別和去掉雜磁。這個(gè)校正的動(dòng)作對(duì)司機(jī)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(nèi)快速實(shí)現(xiàn)電子羅盤(pán)的校正。

 

除了汽車(chē)導(dǎo)航外，還可以通過(guò)陀螺儀實(shí)現(xiàn)行人盲區(qū)導(dǎo)航。不過(guò)林尚宏指出，行人的盲區(qū)導(dǎo)航比車(chē)子的盲區(qū)導(dǎo)航更難，因?yàn)檐?chē)子的運(yùn)行相對(duì)簡(jiǎn)單，而行人將設(shè)備放在不同位置時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)相差很大，例如放腰部和放腿部檢測(cè)到的信號(hào)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(guò)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(guò)兩軸陀螺儀檢測(cè)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(lái)。如果配合電子羅盤(pán)使用，還可以做到絕對(duì)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(cè)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(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(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(duì)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(duì)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(wú)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(guò)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

 

 

推薦閱讀：