星期五, 1月 29

陀螺儀

 
   手機上常見的傳應器有光線傳應器、距離傳應器、氣壓計、陀螺儀、磁力傳應器、溫度傳應器、心率傳應器、指紋傳應器等等,它們是手機之所以智能的核心。上述傳應器大多從命名中就能知曉大概作用,只有陀螺儀較難讓人理解,但它幾乎又是當下手機的標配,那陀螺儀到底是什麼玩意兒呢?



  陀螺儀用於重構空間動作

  2010年,iPhone 4的誕生絕對是手機發展史中里程碑式的事件,作為喬布斯生前發布的最後一款手機,它身上實在有太多亮點,雙玻璃的經典外觀、蘋果自研的第一款A4處理器、Retina 屏幕等等,以至於另一個重大亮點“陀螺儀”有些被埋沒,然而這的確是第一款採用了陀螺儀傳應器的手機。


  陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置,基於角動量守恆的理論設計出來“,這句話很好地解釋了陀螺儀的作用在於測量和維持方向。之所以把它加入到手機中,是因為傳統採用的加速度計只能檢測軸向的線性動作,沒法測量、重構完整的3D動作。而陀螺儀就是為了幫助了計算機重構空間上的動作模型。

  陀螺儀的前世今生

  陀螺儀由1850年法國物理學家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發明出來的,類似像是把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上,靠陀螺的方向來計算角速度,和現在小巧的芯片造型大相徑庭。在發明的初期,陀螺儀主要用在航海中,之後逐漸拓寬到飛機和導彈中,如今已經憑藉出色的製導性能被廣泛應用於航天領域。


  但是,這種體積巨大的機械式陀螺儀顯然不符合電子時代的要求,它結構複雜、精度一般、易受震動等外界因素影響,對製造工藝有極高要求,所以自上個世紀七十年代以來,陀螺儀的發展進入了一個全新的階段。

  十九世紀八十年代,以光導纖維線圈為基礎敏感元件的光纖陀螺儀流行起來,它通過光傳播的路徑變化計算角位移,相較機械陀螺儀壽命長、動態範圍大、瞬時啟動快、結構簡單、尺寸小而輕。同時,激光陀螺儀也有突破,它通過光程差來測量旋轉角速度,優點和光纖陀螺儀差不多,但成本高一些。


  而我們現在智能手機上採用的陀螺儀是MEMS(微機電)陀螺儀,它精度並不如前面說到的光纖和激光陀螺儀,需要參考其他傳應器的數據才能實現功能,但其體積小、功耗低、易於數字化和智能化,特別是成本低,易於批量生產,非常適合手機、汽車牽引控制系統、醫療器材這些需要大規模生產的設備。


  手機中陀螺儀的作用

  將用於測量和維持方向的MEMS陀螺儀用在手機上有什麼作用呢?

  首先就是喬布斯在發布會重點講解的遊戲控制。相比傳統重力感應器只能感應左右兩個維度的(多軸的重力感應是可以檢測到物體豎直方向的轉動,但角度難判斷)變化,陀螺儀通過對偏轉、傾斜等動作角速度的測量,可以實現用手控制遊戲主角的視野和方向。比如在飛行遊戲中,手機即可作為方向盤控制飛機,只需變換不同角度傾斜手機,飛機就會相應做出上下左右前後的聯動。類似的遊戲主要以競速和模擬駕駛類居多。


  其次,可以幫助手機攝像頭防抖。在我們按下快門時,陀螺儀測量出手機翻轉的角度,將手抖產生的偏差反饋給圖像處理器,用計算出的結果控制補償鏡片組,對鏡頭的抖動方向以及位移作出補償,實現更清晰的拍照效果。

  再者,是能輔助GPS進行慣性導航。特別是在沒有GPS信號的隧道、橋樑或高樓附近,陀螺儀會測量運動的方向和速度,將速度乘以時間獲得運動的距離,實現精確定位導航,並能修正導航線路。這也是目前導航儀和汽車上的標配了。


  最後,還可協助用戶界面實現動作感應。這也是最常見的功能,比如iOS的動態壁紙,之所以能隨著手機角度調整髮生偏移,就是靠陀螺儀檢測完成的。另外,有些手機還能通過前後傾斜手機實現通訊錄的上下滾動,左右傾斜手機實現瀏覽頁面的左右移動或者放大縮小,都是相同的原理。
張貼留言