一文讀懂三軸陀螺儀工作原理和應用

在最新款的iPhone 4手機中內置三軸陀螺儀，它可以與加速器和指南針一起工作，可以實現6軸方向感應，三軸陀螺儀更多的用途會體現在GPS和遊戲效果上。一般來說，使用三軸陀螺儀后，導航軟體就可以加入精準的速度顯示，對於現有的GPS導航來說是個強大的衝擊，同時遊戲方面的重力感應特性更加強悍和直觀，遊戲效果將大大提升。這個功能可以讓手機在進入隧道丟失GPS信號的時候，憑藉陀螺儀感知的加速度方向和大小繼續為用戶導航。而三軸陀螺儀將會與iPhone原有的距離感應器、光線感應器、方向感應器結合起來讓iPhone 4的人機交互功能達到了一個新的高度。

二、三軸陀螺儀的應用

在工程上，陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發展對一個國家的工業，國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。傳統的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高，結構複雜，它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀七十年代以來，現代陀螺儀的發展已經進入了一個全新的階段。1976年美國Utah大學的Vali和Shorthill提出了現代光纖陀螺儀的基本設想，到八十年代以後，現代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展，與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發展。由於光纖陀螺儀具有結構緊湊，靈敏度高，工作可靠等等優點，所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統的陀螺儀，成為現代導航儀器中的關鍵部件。和光纖陀螺儀同時發展的除了環式激光陀螺儀外，還有現代集成式的振動陀螺儀，集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度，體積更小，也是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。

現代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種，它們都是根據塞格尼克的理論發展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的：當光束在一個環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那幺光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。也就是說當光學環路轉動時，在不同的前進方向上，光學環路的光程相對於環路在靜止時的光程都會產生變化。利用這種光程的變化，如果使不同方向上前進的光之間產生干涉來測量環路的轉動速度，這樣就可以製造出干涉式光纖陀螺儀，如果利用這種環路光程的變化來實現在環路中不斷循環的光之間的干涉，也就是通過調整光纖環路的光的諧振頻率進而測量環路的轉動速度，就可以製造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出，干涉式陀螺儀在實現干涉時的光程差小，所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度，而諧振式的陀螺儀在實現干涉時，它的光程差較大，所以它所要求的光源必須有很好的單色性。

2010年，蘋果公司創新性地在新產品iPhone 4 中置入“三軸陀螺儀”，讓iPhone的方向感應變得更加智能，從此手機也有了像飛機一樣的“感應”，能夠知道自己“處在什幺樣的位置”。

三、iphone手機中的三軸陀螺儀

陀螺儀是用於測量或維持方向的設備，基於角動量守恆原理。這句話的要點是測量或維持方向，這是iPhone 4為何搭載此類設備的原因。iPhone 4採用了微型的，電子化的振動陀螺儀，也叫微機電陀螺儀。iPhone 4是世界上第一台內置MEMS（微機電系統）三軸陀螺儀的手機，可以感知來自六個方向的運動，加速度，角度變化。

Iphone 4手機採用了意法半導體的MEMS（微電機系統）陀螺儀晶元，晶元內部包含有一塊微型磁性體，可以在手機進行旋轉運動時產生的科里奧力作用下向X，Y，Z三個方向發生位移，利用這個原理便可以測出手機的運動方向。而晶元核心中的另外一部分則可以將有關的感測數據轉換為iPhone4可以識別的數字格式。

圖2 蘋果手機的三軸陀螺儀晶元

微機電系統（MEMS）是一種嵌入式系統，在極小的空間內集成了電子和機械構件。一個基本的 MEMS設備由專用集成電路（ASIC）和微機械硅感測器組成。當用戶旋轉手機，在科里奧利力（Coriolis force）的作用下，在 X，Y 及 Z 軸產生偏移。專用集成電路處理器感知到待驗質量通過其下電容器板和位於邊緣的指電容的偏移。