苹果的手机陀螺仪怎么工作的,它与机械陀螺仪有哪些异同?

电子设计 2018-01-03 14:06 次阅读

现在,当我们开启安兔兔检测手机硬件的时候,经常能发现在传感器一栏中有一个叫陀螺仪传感器的东西。这个东西在手机上主要是用来检测手机姿态的,我们玩体感游戏少不了它,一些手机拍照时候的防抖也要用到它。不过,这个看似普及的东西来历其实非常高大上,它到底是个什么东西呢?我们来看一下。

陀螺仪的发明

现在手机里面的陀螺仪传感器已经进化成一块小小的芯片了,但是在陀螺仪出现的时候,它确是一个机械装置。

机械陀螺仪
目前,人们普遍认为是1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,发明了陀螺仪。那个时代的陀螺仪可以理解成把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上面,这样因为陀螺在高速旋转时保持稳定,人们就可以通过陀螺的方向来辨认方向,确定姿态,计算角速度。
万向支架可以保证无论怎么转动,陀螺都不会倒,万向支架这个东西最早可以追溯到中国几千年前的香炉。

早期的陀螺仪
陀螺仪发明以后,首先被用在航海上(当年还没有发明飞机),后来被用在航空上。因为飞机飞在空中,是无法像地面一样靠肉眼辨认方向的,而飞行中方向都看不清楚危险性极高,所以陀螺仪迅速得到了应用,成为飞行仪表的核心。
到了第二次世界大战,各个国家都玩命的制造新式武器,德国人搞了飞弹去炸英国,这是今天导弹的雏形。从德国飞到英国,千里迢迢怎么让飞弹能飞到,还能落到目标呢?
于是,德国人搞出来惯性制导系统。惯性制导系统采用用陀螺仪确定方向和角速度,用加速度计测试加速度,然后通过数学计算,就可以算出飞弹飞行的距离和路线,然后控制飞行姿态,争取让飞弹落到想去的地方。
二战时候,计算机也好,仪器也好,精度都是不太够的,所以德国的飞弹偏差很大,想要炸伦敦,结果炸得到处都是,颇让英国人恐慌了一阵。
不过,从此以后,以陀螺仪为核心的惯性制导系统就被广泛应用于航空航天,今天的导弹里面依然有这套东西,而随着需求的刺激,陀螺仪也在不断进化。

目前,传统上的机械陀螺仪正在被淘汰,有高精度需求的地方用的是激光陀螺仪,而普及方面则是微机电陀螺仪。
因为微机电陀螺仪(MEMS)属于微电子产品,发展迅速,而且成本越来越低,所以用途越来越广。我们的智能手机因为有检测动态的需求,于是就用上了微机电陀螺仪(MEMS)。

无处不在的陀螺仪
本来陀螺仪是高大上的存在,但是因为微机电陀螺仪(MEMS)的出现,低成本的陀螺仪可以用在很多领域。
三轴陀螺仪自iPhone 4引入之后受到大家的关注,不过陀螺仪目前在手机上的应用其实还不是很广泛,现在比较常用于各种体感游戏、大型游戏,以及厂商开发的扩景应用和手势功能等。游戏方面经常用于第一视角类射击游戏,还有飞行、体育类游戏,随着手机的上下左右摆动,镜头也跟着摆动,就好像手中的手机变成了瞄准器。没有陀螺仪的机型。
除了我们熟悉的智能手机以外,汽车上也用了很多微机电陀螺仪,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器,用来检测汽车不同部位的工作状态,给行车电脑提供信息,让用户更好的控制汽车。
在导航应用上,由于现在网络和GPS已经能比较准确地实现导航效果,只不过如果有陀螺仪,在隧道或高大建筑物没有GPS讯号时,可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移,保持导航的准确性。另外,理论上陀螺仪在拍照和摄像能起到一定防抖作用,当然不能与光学防抖镜头相比。
无人机、穿戴式设备,物联网,甚至现在热炒的工业4.0,互联网+上面,同样离不开它,只要是需要检测运动状态的地方,就有微机电陀螺仪(MEMS)。
165年前,莱昂·傅科发明陀螺仪是为了科学研究。如今,这个小东西却让我们的生活有了翻天覆地的改变,如果没有它,就没有飞机,没有火箭,没有现代生活,这恐怕是他的发明者都没有想到的。小小的陀螺仪,让我们的世界变得更美好。

陀螺仪的原理

陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。

在现实生活中,陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。

陀螺仪的应用

陀螺仪器最早是用于航海导航,但随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见,陀螺仪器的应用范围是相当广泛的,它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位

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