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詳解冷門但很重要的手機陀螺儀 - 全文

2016年04月22日 11:20 PConline 作者:佚名 用戶評論(0

  手機里最常被忽略的東西是什么?音頻芯片?揚聲器?接口?還是傳感器?作為被廠商營銷影響已久的我們,購機時多關(guān)注處理器、攝像頭、內(nèi)存這些大的參數(shù),對一些小的細節(jié)卻知之甚少,這其中又以傳感器最為明顯。

  手機上常見的傳感器有光線傳感器、距離傳感器、氣壓計、陀螺儀、磁力傳感器、溫度傳感器、心率傳感器、指紋傳感器等等,它們是手機之所以智能的核心。上述傳感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(dāng)下手機的標配,那陀螺儀到底是什么玩意兒呢?

  陀螺儀用于重構(gòu)空間動作

  2010年,iPhone 4的誕生絕對是手機發(fā)展史中里程碑式的事件,作為喬布斯生前發(fā)布的最后一款手機,它身上實在有太多亮點,雙玻璃的經(jīng)典外觀、蘋果自研的第一款A(yù)4處理器、視網(wǎng)膜屏幕等等,以至于另一個重大亮點“陀螺儀”有些被埋沒,然而這的確是第一款采用了陀螺儀傳感器的手機。

  

  作為定義來講,維基百科解釋“陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置,基于角動量守恒的理論設(shè)計出來“,這句話很好地解釋了陀螺儀的作用在于測量和維持方向。之所以把它加入到手機中,是因為傳統(tǒng)采用的加速度計只能檢測軸向的線性動作,沒法測量、重構(gòu)完整的3D動作。而陀螺儀就是為了幫助了計算機重構(gòu)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(xué)家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發(fā)明出來的,類似像是把一個高速旋轉(zhuǎn)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(xiàn)在小巧的芯片造型大相徑庭。在發(fā)明的初期,陀螺儀主要用在航海中,之后逐漸拓寬到飛機和導(dǎo)彈中,如今已經(jīng)憑借出色的制導(dǎo)性能被廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度一般、易受震動等外界因素影響,對制造工藝有極高要求,所以自上個世紀七十年代以來,陀螺儀的發(fā)展進入了一個全新的階段。

  十九世紀八十年代,以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)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(tài)范圍大、瞬時啟動快、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角速度,優(yōu)點和光纖陀螺儀差不多,但成本高一些。

  而我們現(xiàn)在智能手機上采用的陀螺儀是MEMS(微機電)陀螺儀,它精度并不如前面說到的光纖和激光陀螺儀,需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)功能,但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化,特別是成本低,易于批量生產(chǎn),非常適合手機、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備。

  

  手機中陀螺儀的作用

  將用于測量和維持方向的MEMS陀螺儀用在手機上有什么作用呢?

  首先就是喬布斯在發(fā)布會重點講解的游戲控制。相比傳統(tǒng)重力感應(yīng)器只能感應(yīng)左右兩個維度的(多軸的重力感應(yīng)是可以檢測到物體豎直方向的轉(zhuǎn)動,但角度難判斷)變化,陀螺儀通過對偏轉(zhuǎn)、傾斜等動作角速度的測量,可以實現(xiàn)用手控制游戲主角的視野和方向。比如在飛行游戲中,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(yīng)做出上下左右前后的聯(lián)動。類似的游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(zhuǎn)的角度,將手抖產(chǎn)生的偏差反饋給圖像處理器,用計算出的結(jié)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(xiàn)更清晰的拍照效果。

  再者,是能輔助GPS進行慣性導(dǎo)航。特別是在沒有GPS信號的隧道、橋梁或高樓附近,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(xiàn)精確定位導(dǎo)航,并能修正導(dǎo)航線路。這也是目前導(dǎo)航儀和汽車上的標配了。

  最后,還可協(xié)助用戶界面實現(xiàn)動作感應(yīng)。這也是最常見的功能,比如iOS的動態(tài)壁紙,之所以能隨著手機角度調(diào)整發(fā)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后傾斜手機實現(xiàn)通訊錄的上下滾動,左右傾斜手機實現(xiàn)瀏覽頁面的左右移動或者放大縮小,都是相同的原理。

  總結(jié)

  總的說來,陀螺儀看似不起眼,但實用性卻是非常高的。而目前主流的智能機基本都配備了陀螺儀,只是我們在日常使用中沒有感受到它的作用罷了。隨著智能手機能實現(xiàn)的功能越來越多,陀螺儀也會配合其他傳感器去完成各種任務(wù),而對于我們用戶來說,當(dāng)然是坐享其成啦。

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( 發(fā)表人:方泓翔 )

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