陀螺仪在3C电子产品领域的应用

除了我们熟悉的导航以外,智能手机、扫地机器人、无人机、数码相机、游戏机等,都会用到多个陀螺仪。如今陀螺仪已经无处不在。

  陀螺仪,又称角速度传感器,与倾角传感器一样,陀螺仪是一种测量物体倾斜角度的传感器。两者不同的是,倾角传感器测量的是物体相对静态时的倾角,而陀螺仪是测量物体运动状态下的角度变化。

  其实陀螺仪器最早用于导航,通过测量及记录物体在运动过程中的角度变化,对比初始方向,可以知道物体在运动过程中的方向变化情况。经过多年的发展,陀螺仪更多的应用也被开发出来,同时,得益于传感器技术与生产工艺的发展,如今的陀螺仪体积越来越小,尤其是只有一丁点大的MEMS陀螺仪(小芯片)的出现,让众多小型的数码产品(如手机)得以应用陀螺仪,实现更丰富的功能。

  除了我们熟悉的导航以外,智能手机、扫地机器人、无人机、数码相机、游戏机等,都会用到多个陀螺仪。

  如今陀螺仪已经无处不在。

  手机

  在智能手机中的,陀螺仪能检测和感应3D空间的线性和动作。从而能够辨认方向,确定姿态,计算角速度,其作用主要体现在手机导航、摄像防抖、游戏操作等方面。

  在导航方面,陀螺仪配合GPS,能使手机的导航能力达到前所未有的水准。一般情况下,GPS可保证手机基本的导航功能,而加入陀螺仪,可实现GPS的惯性导航,让手机导航功能更强。当我们进入到隧道或城市高大建筑物附近,GPS讯号弱甚至没有时,可以通过陀螺仪来测量手机的偏航或直线运动位移,从而继续导航。

 

  在摄像防抖方面,陀螺仪配合手机摄像头使用,可在拍照时的维持图像的稳定,防止由于手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时,记录手的抖动动作,将手的抖动反馈给图像处理器,可以让手机捕捉到更清晰稳定的画面。

  在游戏操作方面,陀螺仪可以完整监测游戏者手的位移,从而实现各种游戏操作效果。比如在飞行游戏、体育类游戏、射击游戏等游戏里,陀螺仪能对用户的手机转动、偏转动作做出较为精准的测量,判断出用户对手机的操作动作,从而进行相应的反馈。陀螺仪就相当于一个控制器,我们通过小幅度的倾斜、偏转手机,就能实现游戏操作的执行。

  无人机

  在目前的无人机实际制造与应用中,大多是基于三轴陀螺仪和倾角传感器,来构成全姿态增稳控制系统,可让无人机室内的平稳飞行和低空精确定位悬停变得更加容易。

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  无人机姿态增稳控制包括姿态保持与控制、速度控制等模式,在三轴陀螺仪和倾角传感器获取无人机飞行姿态的基础上,通过对升降舵、方向舵的控制,完成飞行姿态的稳定与控制。其中,三轴陀螺仪主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度,并根据角速度积分计算角度的改变。

  另外,通过较为复杂的捷联算法,可使无人机姿态精度得到很大提高。首先,陀螺仪测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制,使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些,从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角,然后将陀螺仪测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算,得到融合后的姿态信息。

  扫地机器人

  扫地机器人是如何进行全方位有效自动打扫的呢?

  其实主要是依靠它内部的陀螺仪传感器来保证精确的位置信息,通过测量扫地机器人移动的方向及角速度,然后计算出角度信息,再根据距离信息并利用“推算定位DR(Dead Reckoning)”的方法推算出位置,以此实现更加精确的路径导航。

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  因此,陀螺仪传感器性能的优劣,直接影响到导航式扫地机器人的导航精度及消费者的使用体验。

  相机、摄像机

  我们都知道,只有当相机相对“稳定”我们才能拍出精美的画面或视频,而能够让相机始终保持稳定的核心功臣之一就是陀螺仪。

  通过镜头内的陀螺仪侦测到相机微小的移动,将信号传至微处理器,计算出需要补偿的位移量,然后通过补偿镜片组,根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿,从而有效的克服因相机的振动产生的影像模糊。

  简单点来说就是,陀螺仪对相机进行实时姿态检测,然后控制相机电机做相应动作,而只要相机电机控制的够快,就能保证相机始终稳定在固定位置。所以,不管你的手左右晃动还是上下晃动,在传感器的控制下相机依然会雷打不动,从而拍出清晰的照片和录制出稳定的画面。


  电动独轮车(平衡车)

   最简单的自平衡车系统应包括控制器、姿态传感器和执行器,以及必要的电源和方向控制柄等结构零件。 其中姿态传感器是由陀螺仪和加速度传感器组合形成的,是平衡车最重要的平衡感应组件,通过三轴陀螺仪和三轴加速度传感器,能够解算出平衡车所处的俯仰、滚转、方向的空间姿态。。

  可以说,姿态传感器和控制器是自平衡车的核心,它们在很大程度上决定了车子的 性能。


   另外,值得注意的是,未经校准的陀螺仪,在某个温度范围或者某个角速率区间内,其输出信号可能会出现大幅度跳变,导致电机运转方向不正确,导致平衡车性能的降低。所以,厂家需要在车子出厂前,对平衡车的姿态传感器进行校准。

  除了以上产品,在智能手表、体感游戏设备等常见电子产品中,也有使用陀螺仪来检测数据,实现更多的功能。


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