陀螺仪工作原理 动画(mems陀螺仪工作原理)

MEMS并不是消费电子产品中使用的第一个运动传感器。加速度传感器和电子罗盘较早进入消费电子市场。虽然以重力为参考的加速度传感器和以地磁为参考的电子罗盘可以在地球表面的垂直面和水平面之间形成三维[/k0/]的覆盖，但这两者都不能很好地模拟物体的整个运动过程，因为它们参考的是地球而不是物体本身。此外，由于加速度传感器容易受到直线运动时产生的力的干扰，电子罗盘容易受到金属、手机等其他磁场的干扰，其应用受到很大限制。陀螺仪这种测量角速度的传感器，不仅以物体本身为参考，而且精度较高，可以作为其他运动传感器的有益补充，从而使运动检测更加完整。

任天堂的Wii最初采用了三轴(X，Y，Z)加速度传感器，后来又增加了陀螺仪。任天堂早就知道，只有三轴加速度传感器是不够的。然而，当时市场上并没有消费电子陀螺仪，直到Invensense推出了第一款用于消费电子的MEMS陀螺仪。这种情况也发生在苹果CEO史蒂夫·乔布斯身上。在2010年6月iPhone 4的发布会上，乔布斯亲自演示了陀螺仪检测物体水平旋转的创新应用——这种应用仅靠其他运动传感器无法实现。因此，通过了解陀螺仪的工作原理，可以实现任天堂和苹果对陀螺仪的期望，也有助于国内消费电子终端厂商熟练应用这一设备，实现多样化的创新应用。

陀螺仪可以成为加速度传感器和电子罗盘的有益补充。当三轴陀螺仪和三轴加速度传感器组成六轴运动传感器时，基本上可以检测所有形式的运动，包括速度、方向、位移等参数。物体的运动只有六种，分别是X、Y、Z三个方向的位移和X、Y、Z三个方向的转动，这六种运动构成了一个物体完整的运动轨迹。如果在六轴运动传感器中加入电子罗盘，在检测运动轨迹的同时可以修正绝对位置，实现完美的物体运动轨迹跟踪。因此，未来陀螺仪的进一步发展和应用与加速度传感器和电子罗盘密切相关。

加速度传感器相当于一个弹簧系统，中间有一个重锤，各个方向都有弹簧支撑。平躺在桌面上时，有的弹簧被拉伸，有的被压扁。当它改变时，不同的弹簧受到不同的压缩，从而检测不同方向的力。其典型应用包括移动电话/照相机图片的水平和垂直切换。

电子罗盘主要检测地磁。常见的电子罗盘主要是基于霍尔效应。然而，地磁环境并不完美。比如地磁南极不一定指地球不同表面的同一个北极；在地球的不同纬度，地磁方向与水平方向的夹角也不同。所以电子罗盘只能指向一个大概的方向，然后进行修正。另外，电子罗盘容易受到金属、扬声器、天线等磁场的干扰。尤其是应用在手机上的时候，需要特别小心的在PCB上选择合适的位置。

陀螺仪检测角速度。基于科里奥利力原理:物体在坐标系中做直线运动时，假设坐标系旋转，物体在旋转过程中会感受到一个垂直方向的力和垂直方向的加速度。“台风的形成就是基于这个原理。地球的旋转带动了大气的旋转。如果大气旋转时受到一个切向力，就容易形成台风。然而，北半球和南半球的台风旋转方向不同。用一个形象的比喻解释科里奥利力的原理。

然而，在MEMS器件中实现这一原理来制作陀螺仪要复杂得多。第一，利用MEMS作为振动系统，通过快速稳定的振动产生直线运动V。当V的平面具有旋转拓扑时，可检测出科里奥利力的方向，根据公式可计算出角速度。通过不同方向的振动可以检测出X、Y、Z轴的角速度，通过稳定的振动可以排除重力的干扰。

MEMS陀螺仪工作原理仿真图

加速度传感器和电子罗盘以地球为参照物来检测方向。加速度传感器检测物体与重力的角度差，电子罗盘检测物体与北方的角度差。如果检测到地心和北方，就可以设置三个轴。但是加速度传感器不仅检测重力，还检测各个方向的所有力。电子罗盘检测到的磁场会受到其他磁场的干扰。所以两者在检测物体运动时都有很多缺点。陀螺仪的参照物是自身，所以可以检测物体改变位置的过程。如果物体是平躺的，使用加速度传感器或电子罗盘就足够了。通过上述原理，我们可以将几种传感器一起使用，比如相互进行精度校正，或者一起完成对物体运动方向和轨迹的检测。

表1:常用传感器概况及分析

陀螺仪在消费电子领域的开放式创新应用

陀螺仪的出现给了消费电子空很大的应用空间。比如就设备输入的方式而言，继键盘、鼠标、触摸屏之后，陀螺仪带给我们的是手势输入。由于精度高，甚至可以实现电子签名。比如，它还让智能手机变得更加智能:除了可以移动上网和快速处理数据，它还可以“观察人们说什么”，知道主人在哪里，他的兴趣是什么，并提供相应的服务。

1.比赛

高尔夫、羽毛球、斗剑等高速游戏都可以通过陀螺仪实现。这些游戏必须检测非常快的挥杆，这对目前的加速度传感器来说是一个巨大的挑战。“老虎伍兹挥杆时，杆头在0.2s内达到180km/s的速度，相当于11个重力加速度的瞬间加速度。目前消费电子的加速度传感器的测量范围还达不到这么大的范围。如果使用陀螺仪，可以准确地检测到这种快速摆动。挥杆时球杆头的角速度约为1800/s，相当于1s转5~6圈，在陀螺仪的角速度检测范围内，可以很好的模拟这场比赛的真实场景。”

另一类游戏，比如射击游戏，要求设备保持静止，然后在射击前进行细微调整。这种游戏要求高精度、低干扰，而现有的加速度传感器无法满足这一要求。比如“假设射击游戏的误差角为5°，换算成加速度传感器后，cos5相当于3~4‰的重力加速度。现有的加速度传感器精度达不到这个量级，无法瞄准射击。陀螺仪可以检测到细微的手抖，干扰很低。握持10s时，偏移量只有0.05左右，非常适合这类瞄准游戏。”

2.人机界面

在人机界面领域，陀螺仪也可以做出很好的创新。早在两三年前，罗技就在其鼠标中加入了陀螺仪和加速度传感器，实现了指针(激光笔)的功能。现在，通过陀螺仪，可以在消费电子产品上输入手势，例如写入空，或者通过摇动和振荡，用手势控制设备的功能。陀螺仪可以精确检测角速度，甚至可以识别签名等生物特征。因此，你可以用手势签署信用卡和支票，实现电子现金的应用。“手势控制的另一个优势是可以为消费电子产品省电。当你依靠手势控制某些功能时，你不需要打开屏幕背光。比如给爸爸打电话，拿着手机在空里写一个‘D’，手机会自动给爸爸拨号，不会点亮屏幕进行拨号。这种方法可以大大节省屏幕背光的功耗。”

3.定位功能

陀螺仪可以补充GPS和电子罗盘。比如在隧道或者停车场等地方，GPS会失去信号。此时陀螺仪可以根据汽车运动的方向和速度辅助盲区导航；在立交桥等立体道路上，GPS无法识别汽车在哪一层，陀螺仪通过检测汽车的上坡运动，可以根据速度计算出汽车已经到达哪一层。如果用加速度传感器实现盲区导航功能，需要先去掉重力加速度，测量线加速度，再根据车速计算出车辆的路径，计算起来比较复杂。但如果用电子罗盘实现盲区导航，则容易漂移，需要对导航仪的数字8进行校正，以识别并去除杂散磁。这种校正对驾驶员来说不方便，但如果配合陀螺仪使用，电子罗盘可以在很小的位移范围内快速校正。

除了车载导航，还可以通过陀螺仪实现行人盲区导航。而行人的盲区导航比汽车的盲区导航更难，因为汽车的行驶相对简单，行人把设备放在不同位置时测得的数据差异较大。比如放腰和放腿检测到的信号节拍不一样，就需要传感器滤波。实现行人盲区导航是一个庞大的工程，目前还在探讨中。

4.图像防抖

目前有两种实现方式，一种是e is(电子防手震)，另一种是OIS(光学防手震)。陀螺仪目前已广泛应用于EIS中。双轴陀螺仪可以检测手的振动，快速拍摄多次重复的照片，然后将手振动前后拍摄的照片中的重复图像裁剪掉。如果配合电子罗盘使用，还可以修正绝对位置。“用陀螺仪防手震有很多好处，比如精准，让画面叠加质量更好；陀螺仪检测摄像头本身的振动，可以和物体的振动区分开来，避免误操作；同时，它还可以与其他传感器配合工作。”图像稳定器的功能将很快应用到手机上。“陀螺仪用在游戏机上，只需要6%的精度就够了，而手机要求的精度要高得多。

此外，还可以实现计步器应用，以及通过摄像头将设备的运动与真实场景相结合的应用。

表2:传感器在消费电子产品中的应用

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