基于移动便携式设备的MEMS陀螺仪.doc

基于移动便捷式设备的MEMS陀螺仪2011/5/27 基于移动便捷式设备的MEMS陀螺仪很多人玩游戏时都会伴随着游戏画面的流转而手舞足蹈、摇头摆脑。在这时候，手中的鼠标或游戏手柄常被想象成一件游戏道具，纵横驰骋。为此，任天堂的Wii游戏主机在人机交互上开创了一个新时代，它可通过多种外设的不同游戏操控方式来模拟真实的场景，为玩家带来更多的游戏乐趣乃至健身体验。万众瞩目的iPhone 4手机刚刚推出，而在其众多的新特性中，也有一项人们陌生的操控新功能——三轴陀螺仪。 苹果公司称，三轴陀螺仪操控技术的引入可使手机游戏方面的重力感应特性更加突出和直观，游戏效果大大提升，其与iPhone原有的感应器结合可让iPhone 4的人机交互功能达到一个新高度。甚至有专家预言，三轴陀螺仪将成为未来游戏设备、便携设备、手持智能设备的标配，引领技术潮流。什么是陀螺仪呢?三轴陀螺仪又有何奇妙之处，其真能改变游戏世界吗? 游戏设备进入操控体验时代 “手是最好用的工具！”Wii的标准控制器Wiimote具备指向定位及动作感应功能，可临空控制萤幕上的光标、侦测三维空间当中的移动及旋转，从而实现“体感操作”。此后，多点触控(Multi-Touch)技术在苹果公司的推动下，渐成主流。各种多点触控技术、体感技术除了在触摸液晶屏中广泛应用，为人们带来新奇的操控体验、游戏体验外，在鼠标等设备中也开始兴起。如苹果的Magic Mouse、雷柏的Tseries都是这样的代表产品，这类设备表面上看不到任何按钮，却具备强劲的操控功能，可充分发挥世界上最灵巧的人手的作用，这不得不让人感叹，游戏设备、便携设备正进入体感操控体验时代。 陀螺仪正是符合这种趋势的新的操控体验技术，什么是陀螺仪技术呢？这还得从陀螺谈起。陀螺(top)很多人都玩过，玩时用绳子缠绕陀螺后一抛，待陀螺旋转后，用绳抽，便可让其一直维持直立旋转状态。而陀螺仪(gyroscope)正是依据陀螺的角动量守恒的力学原理研究而成的一种仪器。陀螺仪做为一种用来传感与维持方向的装置，位于轴心可以旋转的轮子是其核心架构，其一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪便具备了定轴性和逆动性两种特性，陀螺转子以极高速度旋转时产生的惯性(定轴性)，具备反抗任何改变转子轴向的力量，有抗拒方向改变的趋向；并且，陀螺仪天生具备一种反作用力(逆动性)，当外力施加在旋转轴上时，旋转轴不会沿施力方向运动，而会顺着转子旋转向前90°垂直施力方向运动。 陀螺仪能提供准确的惯性、反作用力、方位、速度和加速度等信号，利用陀螺仪的这些特性，用户可在游戏中体验到更真实的感觉。例如，利用陀螺仪的定轴性可在飞行游戏中在控制姿态的同时还能获得真实的滑行或飞行体验，利用陀螺仪的逆动性可在冲浪、滑板、球类等游戏中让你更有浪奔浪涌的操控体验。总之，陀螺仪技术正在成为万众瞩目的新的体感操控技术，可让你的“手感”更好。 图：以单轴陀螺仪为例，只要陀螺仪的输入轴一旋转，陀螺仪就在一个振荡元件中感知产生的科里奥利力，力的大小和旋转的角速度成正比。与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体，其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来，显然难上加难。为此，MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。什么是科里奥利力呢？科里奥利力(Coriolis force)也就时常说的哥里奥利力、科氏力，它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，其来自于物体运动所具有的惯性，由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力就是这样的代表，地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。MEMS陀螺仪是科里奥利力的最常见应用，MEMS陀螺仪利用科里奥利力(旋转物体在径向运动时所受到的切向力)，旋转中的陀螺仪可对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。为了产生这种力，MEMS陀螺仪通常安装有两个方向的可移动电容板，“径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。”这样，MEMS陀螺仪内的“陀螺物体”在驱动下就会不停地来回做径向运动或震荡，从而模拟出科里奥利力不停地在横向来回变化的运动，并可在横向作与驱动力差90°的微小震荡。这种科里奥利力好比角速度，所以由电容的变化便可以计算出MEMS陀螺仪的角速度。图：三轴角速度与旋转速率成正比MEMS陀螺仪（gyroscope）的工作原理 在空间设立动态坐标系。用以下方程计算加速度可以得到三项，分别来自径向加速、科