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加速傳感器

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件之一,加速度計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)振蕩系統(tǒng),安裝于運(yùn)動(dòng)載體的內(nèi)部,可以用來測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)加速度。

MEMS類加速度計(jì)的工作原理是當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體(該物體的加速度就是待測(cè)的加速度)一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制,通過輸出電壓就能測(cè)得外界的加速度大小。

三軸陀螺儀與加速傳感器配合是如何實(shí)現(xiàn)輔助GPS進(jìn)行定位導(dǎo)航的呢

從MEMS陀螺儀的應(yīng)用方向來看,陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度,可與MEMS加速度計(jì)(加速計(jì))形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),如果組合使用加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器,設(shè)計(jì)者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng),為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

要準(zhǔn)確地描述線性(直線運(yùn)動(dòng))和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(有轉(zhuǎn)彎變化的運(yùn)動(dòng)),需要設(shè)計(jì)者同時(shí)用到陀螺儀和加速度計(jì)。

單純使用陀螺儀的方案可用于需要高分辨率和快速反應(yīng)的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)

單純使用加速度計(jì)的方案可用于有固定的重力參考坐標(biāo)系、存在線性或傾斜運(yùn)動(dòng)但旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被限制在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用。但同時(shí)處理直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),就需要使用加速度和陀螺儀計(jì)的方案。

此外,為讓設(shè)計(jì)和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機(jī)械噪聲,或?yàn)樾Ｕ�加速度�?jì)的旋轉(zhuǎn)誤差,一些廠商會(huì)使用磁力計(jì)來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能,以完成相應(yīng)定位,讓陀螺儀術(shù)業(yè)有專攻。這表明,混合的陀螺儀、加速度計(jì)或磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合的方案正成為MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。若只使用傳統(tǒng)的加速度計(jì),用戶得到的要么是反應(yīng)敏捷的但噪聲較大的輸出,要么是反應(yīng)慢但較純凈的輸出,而如將加速度計(jì)與陀螺儀相結(jié)合,就能得到既純凈又反應(yīng)敏捷的輸出。

利用已知的GPS測(cè)量等等的初始速度,對(duì)加速度積分,就可知道載體的速度和位置等信息。因此,加速度計(jì)的性能和精度直接影響導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的精度。

簡而言之,言而簡之

室外

GPS——用于在室外能夠搜索到足夠衛(wèi)星情況下的導(dǎo)航。

室內(nèi)

加速度計(jì)用于測(cè)量加速度,結(jié)合GPS所提供的初始速度,可以計(jì)算出現(xiàn)有的速度運(yùn)動(dòng)的距離。

陀螺儀用于測(cè)量設(shè)備的轉(zhuǎn)彎或坡度變化大小。

在GPS信號(hào)被阻擋或受到干擾而不能進(jìn)行定位的環(huán)境中,通過陀螺儀與加速度計(jì)就可以進(jìn)行另一種方式的導(dǎo)航,可以大幅提升定位導(dǎo)航的效率與準(zhǔn)確度。IPhone裝上陀螺儀與加速度計(jì)后,會(huì)帶動(dòng)一大批手機(jī)廠商的跟進(jìn),這將會(huì)有力地推動(dòng)LBS服務(wù)的進(jìn)一步增長。

如果在飛機(jī)上裝上三個(gè)定向指示儀,并使三個(gè)小飛輪的自轉(zhuǎn)軸相互垂直,飛行員就可以通過飛輪軸相對(duì)于機(jī)身的指向來確定飛機(jī)的空間取向。船舶上裝上定向指示儀,海員可用它來確定海輪的航向。魚雷,火箭中也裝有定向指示儀,起到自動(dòng)導(dǎo)航的作用。在魚雷前進(jìn)的過程中,定向指示儀的軸線方向保持不變。當(dāng)魚雷因風(fēng)浪等影響,前進(jìn)方向改變時(shí),魚雷的縱軸與定向指示儀之間就出現(xiàn)了偏差,這時(shí)可啟動(dòng)有關(guān)器械改變舵的角度,使魚雷回復(fù)到原來的前進(jìn)方向�；鸺�中,則采用改變噴氣方向的方法來校正飛行方向。

汽車級(jí)陀螺儀能提供精確的測(cè)量結(jié)果,可大幅提升汽車導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)端資訊處理系統(tǒng)的航位推算(Dead-ReckoNIng)和/或地圖對(duì)照(Map-Matching)功能。在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星訊號(hào)很差的室內(nèi)和高樓林立的區(qū)域,航位推算系統(tǒng)可彌補(bǔ)訊號(hào)消失的影響,代替衛(wèi)星檢測(cè)物體的動(dòng)作和高度。陀螺儀的精確測(cè)量資料還能提高地圖對(duì)照準(zhǔn)確度;地圖對(duì)照是在數(shù)位地圖的道路網(wǎng)路上描述衛(wèi)星或感測(cè)器觀測(cè)的用戶位置的動(dòng)作軌跡的過程,地圖對(duì)照被用于各種導(dǎo)航定位系統(tǒng),包括交通流量分析和車輛行駛方向。

在工程上,陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器,它是現(xiàn)代航空,航海,航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器,它的發(fā)展對(duì)一個(gè)國家的工業(yè),國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀,機(jī)械式的陀螺儀對(duì)工藝結(jié)構(gòu)的要求很高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個(gè)世紀(jì)七十年代以來,現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。1976年美國Utah大學(xué)的Vali和Shorthill提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想,到八十年代以后,現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展,與此同時(shí)激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優(yōu)點(diǎn),所以光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀,成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。和光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外,還有現(xiàn)代集成式的振動(dòng)陀螺儀,集成式的振動(dòng)陀螺儀具有更高的集成度,體積更小,也是現(xiàn)代陀螺儀的一個(gè)重要的發(fā)展方向。

現(xiàn)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(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點(diǎn)是這樣的:當(dāng)光束在一個(gè)環(huán)形的通道中前進(jìn)時(shí),如果環(huán)形通道本身具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度,那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動(dòng)的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要比沿著這個(gè)通道轉(zhuǎn)動(dòng)相反的方向前進(jìn)所需要的時(shí)間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在不同的前進(jìn)方向上,光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,這樣就可以制造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環(huán)路光程的變化來實(shí)現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉,也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測(cè)量環(huán)路的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個(gè)簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實(shí)現(xiàn)干涉時(shí)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(shí)現(xiàn)干涉時(shí),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(chuàng)新性地在新產(chǎn)品iPhone 4 中置入"三軸陀螺儀",讓iPhone的方向感應(yīng)變得更加智能,從此手機(jī)也有了像飛機(jī)一樣的"感應(yīng)",能夠知道自己"處在什么樣的位置"。

UBMTechInsights網(wǎng)站經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)iPhone4中所用的陀螺儀芯片其實(shí)是意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品,這是一款三軸陀螺儀芯片,這家公司還同時(shí)為iPhone、和iPad產(chǎn)品提供加速度傳感器芯片。

TechInsights網(wǎng)站的高級(jí)分析師Steve Bitton則發(fā)現(xiàn)在蘋果iPad機(jī)型的主板上,有一個(gè)空出的芯片位,這個(gè)空位的面積正好與iPhone4中陀螺儀芯片的大小相符合,同時(shí)空位的位置也正好設(shè)在加速度傳感器芯片的旁邊,而且同樣靠近處理器芯片。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)顯示蘋果原來本有計(jì)劃在iPad上設(shè)置這種三軸陀螺儀,不過他們最后放棄了這個(gè)計(jì)劃,也許將來他們會(huì)向iPad里加入這款芯片吧。

不過iPad主板上這個(gè)空位預(yù)留的針腳數(shù)目卻與意法半導(dǎo)體為iPhone4開發(fā)的陀螺儀芯片不相吻合,而與另外一家廠商 InvenSense開發(fā)的同類功能芯片相吻合。

Gyroscope

"當(dāng)蘋果iPad剛剛上市時(shí),InvenSense還是市場(chǎng)上獨(dú)家能夠提供三軸數(shù)字型陀螺儀芯片的廠商,因此當(dāng)時(shí)蘋果可能打算選用這家廠商的芯片。可見蘋果確實(shí)曾經(jīng)計(jì)劃在iPad中加入陀螺儀芯片,不過最后放棄了這個(gè)計(jì)劃而已。"

iFixit公司則更進(jìn)一步,對(duì)iPhone4的陀螺儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拍照分析,他們也發(fā)現(xiàn)這款芯片是意法半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品,芯片的外殼封裝上打有" AGD1 2022 FP6AQ"的字樣。而這款MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))陀螺儀芯片內(nèi)部集成有微型電機(jī)系統(tǒng),可用于測(cè)量手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)。

通過拍攝芯片的X光照片,研究人員發(fā)現(xiàn)這款芯片與意法半導(dǎo)體公司推出的 L3G4200D 非常相似,芯片內(nèi)部包含有一塊微型磁性體,可以在手機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的科里奧力作用下向X,Y,Z三個(gè)方向發(fā)生位移,利用這個(gè)原理便可以測(cè)出手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。而芯片核心中的另外一部分則可以將有關(guān)的傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為iPhone4可以識(shí)別的數(shù)字格式。