解析：iPhone 4中的三轴陀螺仪为何物

楔子：

    陀螺，相信很多人不会陌生，那个陪伴在我们孩童时代的传统玩具，一直以来都是我们消遣与嬉戏的最佳伴侣。无论是在冰天雪地的北方，还是南方热闹喧嚣的广场，陀螺已成为孩童们一种共同的语言。



    随着时代科技的进步，传统的陀螺已不能满足成年人的娱乐需求，更多的则是关注网络游戏、大型街机等新兴产物，而传统的陀螺只能够停限于孩童时代，并没有成为现在的主流。那么这时有没有一种“陀螺”，能够代替传统陀螺并且与电子科技相结合，成为这个时代或下个时代的最佳娱乐体验？



   “这个可以有”，并且苹果iPhone 4手机已经为我们交出最好的答案——三轴陀螺仪，应用于航天领域、国防工程的科技技术。我们知道苹果iPhone 4之所以能在众多手机中脱颖而出，其自身优点数不胜数，这里我们只来探讨一下，它应用的最新技术——三轴陀螺仪，到底有何玄机。





何为陀螺仪

    在了解三轴陀螺仪之前，我们先知道陀螺仪为何物。

    利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置即为陀螺仪。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。我们通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。它是由苍蝇的后翅（退化为平衡棒）仿生得来。这里指的是单轴陀螺仪，并非iPhone 4中的三轴陀螺仪。从数字上我们也能够得知，iPhone 4中的陀螺仪有着独到之处。

    在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，我们在孩童时代玩的陀螺就是典型的例子。



陀螺仪在遥控飞机中的应用

    陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。

    我们现在常接触的便是电子式的陀螺仪，有压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪等，并且还可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。


“凯撤”原型系统依靠激光陀螺仪作为它的导航与瞄准系统

    而我们今天主要了解的iPhone 4中的陀螺仪可以称为微机械陀螺仪，那么微机械陀螺仪究竟为何物？三轴陀螺仪又是什么？我们不妨接着往下看。

三轴陀螺仪的基本定义

    三轴陀螺仪：即同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。 3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。对于激光陀螺则更多应用于军事方面，我们暂且不做讨论。不过我们可以看出iPhone 4应用的三轴陀螺仪是较为先进的。   


图为三轴陀螺仪工作原理，而不是iPhone 4“三轴陀螺仪”的外观。

    其实iPhone 4采用的“三轴陀螺仪”，也叫微机械陀螺仪也可称作MEMS陀螺仪，为了让用户更为容易理解，俗称三轴陀螺仪。也就是说iPhone 4采用的是三轴陀螺仪技术，但实体则是微机械陀螺仪。换句话说，微机械陀螺仪是由晶片技术生产的。为了让大家更容易接近、理解微机械陀螺仪为何物，接下来我们就拆分iPhone 4手机，主要看里面微机械陀螺仪具体是什么。
    
   

拆分iPhone 4内部的三轴陀螺仪

    这是一款iPhone 4的三轴陀螺仪芯片，而该芯片就是意法半导体公司的产品，同时这家公司还为iPhone和iPad产品提供加速度传感器芯片。


苹果iPhone 4三轴陀螺仪芯片

    同是苹果产品，一个是iPhone手机，一个是iPad电脑。但是据国外TechInsights网站的高级分析师Steve Bitton则发现在苹果iPad机型的主板上，有一个空出的芯片位，这个空位的面积正好与iPhone 4中陀螺仪芯片的大小相符合，同时空位的位置也正好设在加速度传感器芯片的旁边，而且同样靠近处理器芯片。

    据悉这个发现显示苹果原来本有计划在iPad上设置这种三轴陀螺仪，不过他们最后放弃了这个计划，也许我们会在iPad第二代产品里看到这种芯片。


iPhone 4陀螺仪内部结构

    为了进一步能够对iPhone 4内的陀螺仪内部结构进行了解，我们不妨继续观看一下该芯片是哪款型号。图中明显可以看到芯片的外壳封装上打有“AGD1 2022 FP6AQ”的字样。而这就是MEMS（微电机系统）陀螺仪芯片内部集成有微型电机系统，可用于测量手机的运动方向数据。

经过X光拍摄后的陀螺仪芯片

    如果我们继续拆分这个芯片，那么里面还会是什么样子的？由于设备的有限，我们仅能够用X光来看清里面的内部情况。我们可以看到，芯片内部包含有一块微型磁性体，可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X,Y,Z三个方向发生位移，利用这个原理便可以测出手机的运动方向。而芯片核心中的另外一部分则可以将有关的传感数据转换为iPhone 4可以识别的数字格式。所以，当该系统运行时，无论你将iPhone 4上移或者甩动，里面的芯片接受指令就会向iPhone 4的CPU传输数据，使得iPhone 4能够做出正确的回应。[!--empirenews.page--]


其他种类陀螺仪放大示意图

    如果说上图是某基地的平面示意图，我想大多数朋友都会赞同的，其实为了为了让我们对于MEMS陀螺仪芯片认识更为广泛，笔者搜罗了几款其他种类的放大示意图，让我们看一下在这个微距下的世界，是如何令我们震撼。

其他种类陀螺仪放大示意图


三轴陀螺仪的应用

    其实iPhone 4内的三轴陀螺仪它是一种创新而不是传承，它一开始并不是应用于手机中，更多的则是在工程上。在工程上陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。可见苹果iPhone 4之所以能够让众多消费者吸引，自身的创新才是王道。





三轴陀螺仪的应用

    别看一个小小的陀螺仪，它的进化到现在已经逐渐被我们所认知。上图中的代步车子，相信我们已经有所耳闻，它就是利用三轴加速度计加上地磁加速度的技术。这种交通工具只要站在上面向你想趋向的方向移动重心就可以随心所遇的出发。可见三轴陀螺仪在未来的发展空间还是非常广阔的，并且在手机领域中前景十分光明。

三轴陀螺仪应用在军事方面

    三轴陀螺仪的应用很广泛，比如在飞机上装上三个定向指示仪，并使三个小飞轮的自转轴相互垂直，飞行员就可以通过飞轮轴相对于机身的指向来确定飞机的空间取向。船舶上装上定向指示仪，海员可用它来确定海轮的航向。鱼雷，火箭中也装有定向指示仪，起到自动导航的作用。在鱼雷前进的过程中，定向指示仪的轴线方向保持不变。当鱼雷因风浪等影响，前进方向改变时，鱼雷的纵轴与定向指示仪之间就出现了偏差，这时可启动有关器械改变舵的角度，使鱼雷回复到原来的前进方向。火箭中，则采用改变喷气方向的方法来校正飞行方向。

    小到手机大到导弹甚至航天飞机，陀螺仪无疑是一个重要的因素，无论是单轴还是三轴或者多轴陀螺仪，此种技术将被更加广泛的普及的来到我们生活当中。此时此刻，如果你还是没明白三轴陀螺仪是什么？那么你可以简单的理解为就是3D版的重力感应。而现在对于绝大多数手机游戏中应用此技术的可以说寥寥无几，那么笔者就给您介绍一款iPhone 4手机中，拥有三轴陀螺仪技术的游戏——《Gun Range》。

苹果iPhone 4的三轴陀螺示意图

总结：

    笔者在之前的一篇文章《浅析：同是电容屏为何不能多点触控》中提到，多点触控在我们日常生活中的应用型以及普及性，那么今天我们了解到陀螺仪同样与我们的生活密不可分，前者多点触控技术注重于操控方面，而后者陀螺仪则更侧重于应用方面，那么如果两者相结合起来，会有怎的惊人之作？相信苹果iPhone 4应该会让你找到答案。