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陀螺儀的工作原理(圖文)

時(shí)間:2018-12-06 09:30:40來(lái)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(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快,或者慣量夠大(也可以說(shuō)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(pán)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(pán)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(guò)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(pán)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(lái)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(méi)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(píng)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(lái)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此,通過(guò)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(píng)果對(duì)陀螺儀曾經(jīng)的企盼,而且也可以幫助國(guó)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(pán)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(wú)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(pán),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(lái)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(pán)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(zhǎng),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(huà)面水平和垂直的切換。

  電子羅盤(pán)主要偵測(cè)地磁。常見(jiàn)的電子羅盤(pán)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(pán)只能指一個(gè)大致的方向,然后進(jìn)行修正。此外,電子羅盤(pán)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;诳评飱W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(guò)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(guò)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?lái)的時(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(lái)偵測(cè)出X、Y、Z軸的角速度,并可通過(guò)穩(wěn)定的震蕩去掉重力的干擾。
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