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陀螺儀的工作原理(圖文)

時(shí)間:2018-12-06 09:30:40來源:網(wǎng)絡(luò) 作者:admin 點(diǎn)擊:
在介紹陀螺儀的工作原理之前,先給大家科普一下什么是陀螺儀,在現(xiàn)在電子產(chǎn)品中,陀螺儀應(yīng)用很廣的就是手機(jī),在智能手機(jī)中應(yīng)用最多,如手機(jī)導(dǎo)航、定位、衛(wèi)星三軸陀螺儀定位,陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí),角動(dòng)量很大,旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì),所制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快,或者慣量夠大(也可以說是角動(dòng)量要夠大)。不然,只要一個(gè)很小的力矩,就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。
MEMS陀螺儀并不是最早應(yīng)用在消費(fèi)電子上的運(yùn)動(dòng)傳感器,加速度傳感器、電子羅盤早先一步進(jìn)入了消費(fèi)電子市場(chǎng)。雖然以重力為參照的加速度傳感器和以地磁為參照的電子羅盤可以在地球表面形成垂直和水平面的三維空間覆蓋,但因?yàn)槎呔缘厍蚨⒎俏矬w本身為參照物,因此不能很好地模擬物體的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。此外,由于加速度傳感器容易受到線性運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力的干擾、電子羅盤容易受到諸如金屬及手機(jī)等其他磁場(chǎng)的干擾,其應(yīng)用受到了很大的局限。

陀螺儀這個(gè)測(cè)量角速度的傳感器不僅以物體本身作為參照物,而且具有很高的精度,因此可以對(duì)其他運(yùn)動(dòng)傳感器做有益的補(bǔ)充,從而使得運(yùn)動(dòng)檢測(cè)更加完備。、

  任天堂的Wii最初采用了三軸(X、Y、Z)加速度傳感器,后來又增加了陀螺儀。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。這一情況也發(fā)生在了蘋果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)傳感器無法實(shí)現(xiàn)的。因此,通過了解陀螺儀的工作原理,我們可以切身體會(huì)到任天堂和蘋果對(duì)陀螺儀曾經(jīng)的企盼,而且也可以幫助國內(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。如果在六軸運(yùn)動(dòng)傳感器上加上電子羅盤,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,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)畫面水平和垂直的切換。

  電子羅盤主要偵測(cè)地磁。常見的電子羅盤主要基于霍爾效應(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。因此電子羅盤只能指一個(gè)大致的方向,然后進(jìn)行修正。此外,電子羅盤還容易受到如金屬、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。基于科里奧利力的原理: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。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)涑鰜淼臅r(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)來偵測(cè)出X、Y、Z軸的角速度,并可通過穩(wěn)定的震蕩去掉重力的干擾。
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