手機(jī)中的三軸陀螺儀工作原理

iPhone 4采用了微型的、電子化的振動(dòng)陀螺儀，也叫微機(jī)電陀螺儀。iPhone 4是世界上第一臺(tái)內(nèi)置MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）三軸陀螺儀的手機(jī)，可以感知來(lái)自六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，加速度，角度變化。

每一次iPhone產(chǎn)品的的發(fā)布總能給我們帶來(lái)一些全新的應(yīng)用。iPhone 4給我們帶來(lái)了什么呢？三軸陀螺儀應(yīng)該是iPhone 4在硬件配置方面的一大亮點(diǎn)了。

一、三軸陀螺儀工作原理

三軸陀螺儀：同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。 單軸的只能測(cè)量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢(shì)。

三軸陀螺儀原理如圖所示。



圖1 三軸陀螺儀原理

在最新款的iPhone 4手機(jī)中內(nèi)置三軸陀螺儀，它可以與加速器和指南針一起工作，可以實(shí)現(xiàn)6軸方向感應(yīng)，三軸陀螺儀更多的用途會(huì)體現(xiàn)在GPS和游戲效果上。一般來(lái)說(shuō)，使用三軸陀螺儀后，導(dǎo)航軟件就可以加入精準(zhǔn)的速度顯示，對(duì)于現(xiàn)有的GPS導(dǎo)航來(lái)說(shuō)是個(gè)強(qiáng)大的沖擊，同時(shí)游戲方面的重力感應(yīng)特性更加強(qiáng)悍和直觀，游戲效果將大大提升。這個(gè)功能可以讓手機(jī)在進(jìn)入隧道丟失GPS信號(hào)的時(shí)候，憑借陀螺儀感知的加速度方向和大小繼續(xù)為用戶(hù)導(dǎo)航。而三軸陀螺儀將會(huì)與iPhone原有的距離感應(yīng)器、光線(xiàn)感應(yīng)器、方向感應(yīng)器結(jié)合起來(lái)讓iPhone 4的人機(jī)交互功能達(dá)到了一個(gè)新的高度。

二、三軸陀螺儀的應(yīng)用

在工程上，陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來(lái)，現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年美國(guó)Utah大學(xué)的Vali和Shorthill提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想，到八十年代以后，現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展，與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優(yōu)點(diǎn)，所以目前光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外，還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀，集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來(lái)的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的：當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí)，如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，那么光線(xiàn)沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說(shuō)當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來(lái)測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環(huán)路光程的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉，也就是通過(guò)調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡(jiǎn)單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

2010年，蘋(píng)果公司創(chuàng)新性地在新產(chǎn)品iPhone 4 中置入“三軸陀螺儀”，讓iPhone的方向感應(yīng)變得更加智能，從此手機(jī)也有了像飛機(jī)一樣的“感應(yīng)”，能夠知道自己“處在什么樣的位置”。

三、iphone手機(jī)中的三軸陀螺儀

陀螺儀是用于測(cè)量或維持方向的設(shè)備，基于角動(dòng)量守恒原理?！惯@句話(huà)的要點(diǎn)是測(cè)量或維持方向，這是 iPhone 4 為何搭載此類(lèi)設(shè)備的原因。

iPhone 4采用了微型的，電子化的振動(dòng)陀螺儀，也叫微機(jī)電陀螺儀。iPhone 4是世界上第一臺(tái)內(nèi)置MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）三軸陀螺儀的手機(jī)，可以感知來(lái)自六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，加速度，角度變化。

Iphone 4手機(jī)采用了意法半導(dǎo)體的MEMS（微電機(jī)系統(tǒng)）陀螺儀芯片，芯片內(nèi)部包含有一塊微型磁性體，可以在手機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧力作用下向X，Y，Z三個(gè)方向發(fā)生位移，利用這個(gè)原理便可以測(cè)出手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。而芯片核心中的另外一部分則可以將有關(guān)的傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為iPhone4可以識(shí)別的數(shù)字格式。



圖2 蘋(píng)果手機(jī)的三軸陀螺儀芯片

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一種嵌入式系統(tǒng)，在極小的空間內(nèi)集成了電子和機(jī)械構(gòu)件。一個(gè)基本的 MEMS 設(shè)備由專(zhuān)用集成電路（ASIC）和微機(jī)械硅傳感器組成。當(dāng)用戶(hù)旋轉(zhuǎn)手機(jī)，在科里奧利力（Coriolis force）的作用下，在 X，Y 及 Z 軸產(chǎn)生偏移。專(zhuān)用集成電路處理器感知到待驗(yàn)質(zhì)量通過(guò)其下電容器板和位于邊緣的指電容的偏移。