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。”Invensense移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部系統(tǒng)工程總監(jiān)林尚宏表示。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。” Invensense移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部副總裁姜正耀表示。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。”林尚宏用一個(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。”林尚宏解釋道。

圖2：MEMS陀螺儀工作原理模擬圖示

“加速度傳感器和電子羅盤以地球?yàn)閰⒄瘴镞M(jìn)行方向的偵測(cè)。加速度傳感器偵測(cè)物體和重力角度的差異，電子羅盤偵測(cè)物體和北方角度的差異，如果偵測(cè)到地心和北方，就能定三軸。但是加速度傳感器不光偵測(cè)重力，所有各個(gè)方向的力都會(huì)被偵測(cè)到；而電子羅盤偵測(cè)的磁場(chǎng)會(huì)被其他磁場(chǎng)所干擾。因此二者在檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，有很多不足的地方。陀螺儀的參照物是自己本身，因此可以偵測(cè)出物體轉(zhuǎn)換位置的過程。如果物體平放不動(dòng)的時(shí)候，則只要使用加速度傳感器或電子羅盤就夠了。通過上述原理，我們可以把幾種傳感器配合使用，比如相互做精度校正，或一起完備地偵測(cè)出物體的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡等。”林尚宏表示。

表一：常見傳感器使用概況與分析

陀螺儀開啟消費(fèi)電子創(chuàng)新應(yīng)用

陀螺儀的出現(xiàn)，給了消費(fèi)電子很大的應(yīng)用發(fā)揮空間。比如就設(shè)備輸入的方式來說，在鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來了手勢(shì)輸入，由于它的高精度，甚至還可以實(shí)現(xiàn)電子簽名；還比如讓智能手機(jī)變得更智慧：除了移動(dòng)上網(wǎng)、快速處理數(shù)據(jù)外，還能“察言觀色”，知道主人在哪里，興趣是什么，并提供相應(yīng)的服務(wù)。除了以上幾種，還有很多應(yīng)用領(lǐng)域值得廠商們?nèi)ヌ剿鳌Ａ稚泻?a href="http://m.1cnz.cn/v/" target="_blank">推薦了下面幾種創(chuàng)新的應(yīng)用方式供參考。

1. 游戲

可通過陀螺儀實(shí)現(xiàn)高速游戲，如高爾夫、羽毛球和斗劍等。這些游戲要偵測(cè)到很快速的揮動(dòng)，這對(duì)目前的加速度傳感器來說，是很大__的挑戰(zhàn)。“泰格?伍茲揮桿時(shí)，桿頭在0.2s內(nèi)達(dá)到180km/s的速度，這相當(dāng)于瞬間的加速度達(dá)到11個(gè)重力加速度。現(xiàn)在面向消費(fèi)電子類的加速度傳感器測(cè)量范圍達(dá)不到這么大。如果利用陀螺儀則可以精確地偵測(cè)到這個(gè)快速揮動(dòng)，揮桿時(shí)桿頭角速度約為1,800°/s，相當(dāng)于1s揮5~6圈，這在陀螺儀角速度偵測(cè)范圍內(nèi)，因此可以很好地模擬出這個(gè)游戲的真實(shí)場(chǎng)景。”林尚宏表示。

另一種如射擊類游戲要求設(shè)備保持不動(dòng)，然后做很細(xì)微的調(diào)整后進(jìn)行射擊。這種游戲要求高精度和低干擾，現(xiàn)有的加速度傳感器不能達(dá)到該要求。林尚宏舉例說，“我們假設(shè)射擊游戲的誤差角度為±5°，換算給加速度傳感器后，cos5°相當(dāng)于3~4‰的重力加速度，現(xiàn)有的加速度傳感器精度達(dá)不到這個(gè)量級(jí)，沒法瞄準(zhǔn)射擊。陀螺儀可以偵測(cè)到很細(xì)微的手的抖動(dòng)，干擾也很低，拿著10s不動(dòng)時(shí)偏移才0.05°左右，很適合用于這種瞄準(zhǔn)的游戲。”

2. 人機(jī)界面

在人機(jī)界面領(lǐng)域，陀螺儀也可以進(jìn)行很好的創(chuàng)新。早在兩三年前，羅技就在其鼠標(biāo)上添加陀螺儀和加速度傳感器實(shí)現(xiàn)指示器(激光筆)的功能。現(xiàn)在，通過陀螺儀，可以在消費(fèi)電子產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)手勢(shì)的輸入，比如在空中寫字，或者通過晃動(dòng)、振蕩等方式實(shí)現(xiàn)手勢(shì)對(duì)設(shè)備功能的控制。陀螺儀對(duì)角速度的偵查很精準(zhǔn)，甚至還可以實(shí)現(xiàn)識(shí)別簽名等生物特征，因此可以用手勢(shì)簽信用卡、支票，實(shí)現(xiàn)E Cash的應(yīng)用。“手勢(shì)控制的另一個(gè)好處是可以為消費(fèi)電子省電。當(dāng)你依靠手勢(shì)進(jìn)行某些功能的控制時(shí)，不需要開啟屏幕背光。例如打電話給爸爸，握著手機(jī)在空中寫一個(gè)‘D’，手機(jī)就自動(dòng)撥號(hào)給爸爸，而不需點(diǎn)亮屏幕進(jìn)行撥號(hào)，這種方式可以大大節(jié)省屏幕背光的耗電量。”林尚宏補(bǔ)充道。

3. 定位功能

利用陀螺儀可以對(duì)GPS和電子羅盤進(jìn)行補(bǔ)充。例如在隧道或停車場(chǎng)等地，GPS會(huì)丟失信號(hào)，這時(shí)陀螺儀可以根據(jù)車子運(yùn)動(dòng)的方向和速度，輔助盲區(qū)導(dǎo)航；在立交橋等立體道路上，GPS無法識(shí)別汽車在哪一層，陀螺儀則可以通過偵測(cè)到汽車上坡的動(dòng)作，根據(jù)速度推算汽車到了第幾層。盲區(qū)導(dǎo)航功能如果用加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)，需要先去除重力加速度，測(cè)得線性加速度，再根據(jù)車速推算車的行徑軌跡，運(yùn)算起來比較復(fù)雜；而如果用電子羅盤來實(shí)現(xiàn)盲區(qū)導(dǎo)航時(shí)，則容易出現(xiàn)漂移，需要對(duì)導(dǎo)航儀畫“8”字形進(jìn)行校正，從而識(shí)別和去掉雜磁。這個(gè)校正的動(dòng)作對(duì)司機(jī)來說很不方便，但如果配合陀螺儀使用，則可以在很小的位移范圍內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)電子羅盤的校正。

除了汽車導(dǎo)航外，還可以通過陀螺儀實(shí)現(xiàn)行人盲區(qū)導(dǎo)航。不過林尚宏指出，行人的盲區(qū)導(dǎo)航比車子的盲區(qū)導(dǎo)航更難，因?yàn)檐囎拥倪\(yùn)行相對(duì)簡(jiǎn)單，而行人將設(shè)備放在不同位置時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)相差很大，例如放腰部和放腿部檢測(cè)到的信號(hào)跳動(dòng)不一樣，需要傳感器濾波。實(shí)現(xiàn)行人的盲區(qū)導(dǎo)航是一項(xiàng)浩大的工程，目前還正在探討過程中。

4. 影像防手震

目前有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是EIS(電子防手震)，另一種是OIS(光學(xué)防手震)。陀螺儀目前已經(jīng)被廣泛使用在了EIS上，通過兩軸陀螺儀檢測(cè)到手震動(dòng)，快速實(shí)現(xiàn)幾次重復(fù)拍照，然后把手震動(dòng)前后拍下的照片中影像重復(fù)的地方切下來。如果配合電子羅盤使用，還可以做到絕對(duì)位置的修正。“用陀螺儀實(shí)現(xiàn)防手震有很多好處，比如精確，使得圖片疊加的質(zhì)量更好；陀螺儀檢測(cè)到的是攝像頭本身的震動(dòng)，可以與物體的震動(dòng)區(qū)分開來，避免誤操作；同時(shí)還可以與其他傳感器做配合等。”林尚宏指出。姜正耀則表示，影像防抖動(dòng)的功能即將被應(yīng)用到手機(jī)中去。“陀螺儀應(yīng)用在游戲機(jī)中時(shí)，只需要6%的精度就夠用，而手機(jī)需要的精度高很多。Invensense現(xiàn)在有1%精度的產(chǎn)品供手機(jī)使用，在2011年上半年，就將有實(shí)現(xiàn)了影像防抖動(dòng)技術(shù)的手機(jī)面市。”他介紹道。當(dāng)手機(jī)借助陀螺儀實(shí)現(xiàn)了EIS之后，對(duì)可視電話功能有很大的幫助。因?yàn)橛跋穸秳?dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)量很大，陀螺儀對(duì)影像進(jìn)行防抖處理后數(shù)據(jù)量將大幅減少，再傳輸時(shí)既可以節(jié)省無線帶寬，又可提高幀幅，從而優(yōu)化視頻的清晰度和流暢度。

此外，還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)步器應(yīng)用，以及通過攝像頭將設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和實(shí)景相結(jié)合等應(yīng)用。

表二：傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用