前言

看過盜夢空間的同誌們一定對電影中的跟上圖的小物件很熟悉——陀螺儀，那麼它的工作原理是什麼呢?在手機等移動設備中是怎麼應用的呢?現如今的技術又是怎麼樣的呢?本文將帶你深入了解!

 

一
、陀螺儀的曆史

 

最早的陀螺儀

 

陀螺儀最早是法國科學家在1850年(nian)在(zai)研(yan)究(jiu)地(di)球(qiu)自(zi)轉(zhuan)中(zhong)獲(huo)得(de)靈(ling)感(gan)而(er)發(fa)明(ming)的(de)，如(ru)上(shang)圖(tu)所(suo)示(shi)，將(jiang)一(yi)個(ge)高(gao)速(su)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)陀(tuo)螺(luo)放(fang)到(dao)一(yi)個(ge)萬(wan)向(xiang)支(zhi)架(jia)上(shang)，靠(kao)陀(tuo)螺(luo)的(de)方(fang)向(xiang)來(lai)計(ji)算(suan)角(jiao)速(su)度(du)，其(qi)簡(jian)易(yi)圖(tu)如(ru)下(xia)所(suo)示(shi)。

 

中間金色的轉子即為陀螺，它因為慣性作用是不會受到影響的
，周邊的三個“鋼圈”則會因為設備的改變姿態而跟著改變
，通過這樣來檢測設備當前的狀態
，而這三個“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀裏麵的“三軸”，即X軸、y軸
、Z軸，三個軸圍成的立體空間聯合檢測手機的各種動作，陀螺儀的最主要的作用在於可以測量角速度。

 

 

陀(tuo)螺(luo)儀(yi)發(fa)明(ming)之(zhi)後(hou)，首(shou)先(xian)應(ying)用(yong)在(zai)飛(fei)機(ji)上(shang)，後(hou)來(lai)有(you)被(bei)德(de)國(guo)用(yong)在(zai)導(dao)彈(dan)中(zhong)，德(de)國(guo)人(ren)設(she)計(ji)出(chu)慣(guan)性(xing)指(zhi)導(dao)係(xi)統(tong)，慣(guan)性(xing)製(zhi)導(dao)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)確(que)定(ding)方(fang)向(xiang)和(he)角(jiao)速(su)度(du)，用(yong)加(jia)速(su)度(du)計(ji)測(ce)試(shi)加(jia)速(su)度(du)
，就(jiu)可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)導(dao)彈(dan)的(de)路(lu)線(xian)
，從(cong)而(er)進(jin)行(xing)飛(fei)行(xing)姿(zi)態(tai)的(de)控(kong)製(zhi)。

 

 

傳chuan統tong的de慣guan性xing陀tuo螺luo儀yi主zhu要yao是shi機ji械xie式shi的de陀tuo螺luo儀yi

，機ji械xie式shi的de陀tuo螺luo儀yi對dui工gong藝yi結jie構gou等deng要yao求qiu很hen高gao，結jie構gou複fu雜za，它ta的de精jing度du受shou到dao了le很hen多duo方fang麵mian的de製zhi約yue。隨sui著zhe技ji術shu的de逐zhu漸jian發fa展zhan，漸jian漸jian的de發fa展zhan處chu了le光guang纖xian

、激光陀螺儀等等各種較為先進的陀螺儀，目前手機中使用的為MEMS原理的陀螺儀
，即矽微機電陀螺儀。(MEMS：是指集中機械元素、微型傳感器
、微型執行器以及信號處理和控製電路、接口電路、通信和電源於一體的完整微型機電係統。

 

二

、MEMS陀螺儀的工作原理

 

MEMS陀螺儀采用的是依賴於相互正交的震動和轉動引起的交變科裏奧利力。

 

 

MEMS陀螺儀利用coriolis，將旋轉物體的角速度轉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、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產的。

 

 

陀螺儀的內部原理是這樣的：對固定指施加電壓
，並交替改變電壓，讓一個質量塊做振蕩式來回運動，當旋轉時
，會產生科裏奧利加速度，此時就可以對其進行測量;這有點類似於加速度計
，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果決定

科氏加速度 = 2 × (w × 質量塊速度)

w是施加的角速率(w = 2 πf)

通過14 kHz共振結構施加的速度(周期性運動)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

該機械係統的結構與加速度計相似(微加工多晶矽)

信號調理(電壓轉換偏移)采用與加速度計類似的技術

施shi加jia變bian化hua的de電dian壓ya來lai回hui移yi動dong器qi件jian
，此ci時shi器qi件jian隻zhi有you水shui平ping運yun動dong沒mei有you垂chui直zhi運yun動dong。如ru果guo施shi加jia旋xuan轉zhuan，可ke以yi看kan到dao器qi件jian會hui上shang下xia移yi動dong
，外wai部bu指zhi將jiang感gan知zhi該gai運yun動dong
，從cong而er就jiu能neng拾shi取qu到dao與yu旋xuan轉zhuan相xiang關guan的de信xin號hao。

 

 

上麵的動畫，隻是抽象展示了陀螺儀的工作原理，而真實的陀螺儀內部構造是下麵這個樣子
，別不小心誤會了哦~

 

 

三
、陀螺儀的應用

 

“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某一軸向的線性動作，而陀螺儀能檢測和感應3D空間的線性和動作，從而能夠辨認方向、確認姿態
、計算角速度。

 

自喬布斯發布第一款帶陀螺儀的手機時
，讓手機玩極品飛車類的遊戲就成為了可能。

 

 

首先就是能夠對駕駛類遊戲做出更真實的模擬。通過陀螺儀，能夠對手機的偏轉角度、速度、時間等進行測量，從而實現對遊戲視野的變化和車輛方向速度的改變，讓遊戲的體驗有了質的提升!

 

其次是能夠幫助攝像頭進行防抖(OIS)，通tong俗su來lai說shuo就jiu是shi當dang你ni按an下xia快kuai門men的de那na一yi刻ke
，陀tuo螺luo儀yi檢jian測ce手shou機ji抖dou動dong的de角jiao度du，然ran後hou根gen據ju角jiao度du來lai算suan出chu鏡jing頭tou模mo組zu需xu要yao補bu償chang的de距ju離li
，讓rang鏡jing頭tou通tong過guo反fan向xiang運yun動dong來lai抵di消xiao手shou機ji的de抖dou動dong，從cong而er實shi現xian鏡jing頭tou在zai拍pai攝she的de那na一yi刻ke的de絕jue對dui靜jing止zhi
，提ti高gao成cheng片pian率lv。

 

再次就是輔助GPS導航
，在某些gps信xin號hao弱ruo或huo者zhe無wu信xin號hao的de地di方fang
，比bi如ru隧sui道dao等deng，手shou機ji就jiu可ke以yi根gen據ju之zhi前qian定ding位wei的de地di點dian和he陀tuo螺luo儀yi檢jian測ce的de運yun動dong速su度du和he時shi間jian和he方fang向xiang，推tui算suan出chu當dang前qian的de位wei置zhi，來lai達da到dao暫zan時shi定ding位wei的de目mu的de。

 

在手機的具體應用中，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，從而節省一路I2C。