陀螺儀,又稱角速度傳感器,與傾角傳感器一樣,陀螺儀是一種測量物體傾斜角度的傳感器。兩者不同的是,傾角傳感器測量的是物體相對靜態時的傾角,而陀螺儀是測量物體運動狀態下的角度變化。
其實陀螺儀器最早用于導航,經過多年的發展,陀螺儀更多的應用被開發出來了。同時,得益于傳感器技術與生產工藝的發展,如今的陀螺儀體積越來越小,尤其是只有一丁點大的MEMS陀螺儀(小芯片)的出現,讓眾多小型的數碼產品(如手機)得以應用陀螺儀,實現更豐富的功能。
除了我們熟悉的導航以外,智能手機、掃地機器人、無人機、攝像機、游戲機等,都會用到多個陀螺儀。
如今陀螺儀已經無處不在。
手機
在智能手機中的,陀螺儀能檢測和感應3D空間的線性和動作。從而能夠辨認方向,確定姿態,計算角速度,其作用主要體現在手機導航、攝像防抖、游戲操作等方面。
在導航方面,陀螺儀配合GPS,能使手機的導航能力達到前所未有的水準。一般情況下,GPS可保證手機基本的導航功能,而加入陀螺儀,可實現GPS的慣性導航,讓手機導航功能更強。當我們進入到隧道或城市高大建筑物附近,GPS訊號弱甚至沒有時,可以通過陀螺儀來測量手機的偏航或直線運動位移,從而繼續導航。
在攝像防抖方面,陀螺儀配合手機攝像頭使用,可在拍照時的維持圖像的穩定,防止由于手的抖動對拍照質量的影響。在按下快門時,記錄手的抖動動作,將手的抖動反饋給圖像處理器,可以讓手機捕捉到更清晰穩定的畫面。
在游戲操作方面,陀螺儀可以完整監測游戲者手的位移,從而實現各種游戲操作效果。比如在飛行游戲、體育類游戲、射擊游戲等游戲里,陀螺儀能對用戶的手機轉動、偏轉動作做出較為精準的測量,判斷出用戶對手機的操作動作,從而進行相應的反饋。陀螺儀就相當于一個控制器,我們通過小幅度的傾斜、偏轉手機,就能實現游戲操作的執行。
在目前的無人機實際制造與應用中,大多是基于三軸陀螺儀和傾角傳感器,來構成全姿態增穩控制系統,可讓無人機室內的平穩飛行和低空精確定位懸停變得更加容易。
無人機姿態增穩控制包括姿態保持與控制、速度控制等模式,在三軸陀螺儀和傾角傳感器獲取無人機飛行姿態的基礎上,通過對升降舵、方向舵的控制,完成飛行姿態的穩定與控制。其中,三軸陀螺儀主要用來測量無人機在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度,并根據角速度積分計算角度的改變。
另外,通過較為復雜的捷聯算法,可使無人機姿態精度得到很大提高。首先,陀螺儀測量得到的角速度信息用作增穩反饋控制,使飛機操縱起來變的更“遲鈍”一些,從而利用傾角傳感器測得飛機橫滾角和俯仰角,然后將陀螺儀測得的角速率信息和傾角傳感器測得的姿態角進行捷聯運算,得到融合后的姿態信息。
掃地機器人
掃地機器人是如何進行全方位有效自動打掃的呢?
其實主要是依靠它內部的陀螺儀傳感器來保證精確的位置信息,通過測量掃地機器人移動的方向及角速度,然后計算出角度信息,再根據距離信息并利用“推算定位DR(DeadReckoning)”的方法推算出位置,以此實現更加精確的路徑導航。
因此,陀螺儀傳感器性能的優劣,直接影響到導航式掃地機器人的導航精度及消費者的使用體驗。
相機、攝像機
我們都知道,只有當相機相對“穩定”我們才能拍出精美的畫面或視頻,而能夠讓相機始終保持穩定的核心功臣之一就是陀螺儀。
通過鏡頭內的陀螺儀偵測到相機微小的移動,將信號傳至微處理器,計算出需要補償的位移量,然后通過補償鏡片組,根據鏡頭的抖動方向及位移量加以補償,從而有效的克服因相機的振動產生的影像模糊。
簡單點來說就是,陀螺儀對相機進行實時姿態檢測,然后控制相機電機做相應動作,而只要相機電機控制的夠快,就能保證相機始終穩定在固定位置。所以,不管你的手左右晃動還是上下晃動,在傳感器的控制下相機依然會雷打不動,從而拍出清晰的照片和錄制出穩定的畫面。
電動獨輪車(平衡車)
最簡單的自平衡車系統應包括控制器、姿態傳感器和執行器,以及必要的電源和方向控制柄等結構零件。其中姿態傳感器是由陀螺儀和加速度傳感器組合形成的,是平衡車最重要的平衡感應組件,通過三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器,能夠解算出平衡車所處的俯仰、滾轉、方向的空間姿態。
可以說,姿態傳感器和控制器是自平衡車的核心,它們在很大程度上決定了車子的性能。
另外,值得注意的是,未經校準的陀螺儀,在某個溫度范圍或者某個角速率區間內,其輸出信號可能會出現大幅度跳變,導致電機運轉方向不正確,導致平衡車性能的降低。所以,廠家需要在車子出廠前,對平衡車的姿態傳感器進行校準。
除了以上產品,在智能手表、體感游戲設備等常見電子產品中,也有使用陀螺儀來檢測數據,實現更多的功能。
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