智能手机实现自身运动识别的传感器原理资料

智能手机实现自身运动识别的传感器原理

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摘要：随着电子技术应用的飞速发展，传感器已经由测量仪器的一部分逐渐向功能化的产品转化。在智能手机的发展历程中，传感器起到了不可忽视的作用，其中的陀螺仪、加速度传感器和重力计在手机运动识别中起着至关重要的作用，是智能手机不可或缺的传感元件。有了它们，使用者才能在横屏播放视频时启动自动旋转，使用微信“摇一摇”功能，或者身临其境地参与手机体感类游戏。本文介绍了陀螺仪和加速度传感器以及重力传感器的原理、分类，以及它们在手机中的具体应用，最后总结了这几类传感器的区别与联系。

引言

随着科学技术的进步，手机已经不再仅仅是一个简单的通信工具，而是一种具有多元化、智能化的便携式电子设备。消费者可以使用手机听音乐、看电影、拍照、看书、玩游戏、收发邮件等，手机的功能日益强大：通信、娱乐、办公，无所不能。智能手机已经成为日常生活中必不可少的工具，而让手机具备这些强大功能的，就是触摸屏、陀螺仪、加速度传感器、光线传感器、重力传感器等各式各样的传感器。

现代的智能手机一个非常大的发展就在于，为了实现人机交互的多样化与操作动作的直观性，基于手机自身运动识别的传感器开始应用于智能手机当中。摇一摇开始寻找好友、运动时记录步数、刺激的赛车游戏中把手机当作方向盘来操控，为了实现手机自身运动识别的功能，必须利用陀螺仪、加速度传感器等运动传感器，通过感知手机运动过程中的线性加速度、角加速度、运动方向、重力方向等物理量来实现。

1．陀螺仪

1.1陀螺仪的原理

陀螺仪，是一种基于角动量守恒原理，用来感测与维持方向的装置。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统，能判断物体在幸间中的相对位置、方向、角度以及水平的变化作用。最终根据用户的动作输出相对应的指令[1]。机械结构的陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。如图1.1，机械陀螺仪的主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪。

图1.1陀螺仪结构原理图

陀螺仪多用于导航、定位等系统。陀螺仪用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于其两个基本特性：一为定轴性，另一是逆动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下[2]。

定轴性。物体维持自身转动状态并对抗改变的能力称为转动惯量，其由相对于特定旋转轴的质量分布决定，对多质点物体转动惯量，概言之：质量越大、对轴距离越远，转动惯量越大。一方面陀螺转子的的对轴对称性结构使得其具备了同质量物体较大的对轴转动惯量，意味着其在同阻力扭矩情况下能够更长时间保持原始运动状态；另一方面在轴的、小摩擦与无角自由度限制的支点使得外力无法籍此产生较大且有效的阻力扭矩；因此当陀螺转子以极高速度旋转时，其转动得以维持并保持其轴指向一个相对固定的方向，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。在运转中的陀螺仪，如果外界施一力在转子上，此力对支点的力矩当可分解为顺轴方向和垂直于轴方向两个分力矩；前者使陀螺加速、减速，但不会改变转轴方向；后者的时间积分将会逐渐改变转动方向（通常是短时较小而随时间逐渐积累增大），并产生相对于原轴的章动（新的旋转轴原轴旋转，如转速降低时陀螺受重力作用时的非垂直旋转。

逆动性。在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。逆动性的大小也有三个影响的因素：外界作用力愈大，其逆动性也愈大；转子的质量惯性矩愈大，逆动性愈小；转子的角速度愈大，逆动性愈小。而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。

1.2微机电陀螺仪

在智能手机中应用的陀螺仪不是机械陀螺仪，而是微机械（MEMS）陀螺仪。微机械MEMS 是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术[3]。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺[4]。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构并不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受

到的切向力，如图1.2所示。

图1.2科里奥利力原理

如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。

相比于传统的机械陀螺,MEMS陀螺仪具有成本低、体积小、质量轻、可靠性高、温度漂移小、抗冲击力强、测量范围大等优点[5-9]。三轴MEMS陀螺仪最早由苹果iPhone 4采用，它能够分别测量X, Y, Z三个方面的加速度值，X方向值的大小代表手机水平移动，Y方向值的大小代表手机垂直移动，Z方向值的大小代表手机的空间垂直方向，然后把相关的加速度值传输给操作系统，通过判断其大小变化。如图1.3所示为意法半导体的3轴陀螺仪MEMS 芯片结构。

图1.3意法半导体的3轴陀螺仪MEMS芯片结构

陀螺仪传感器在智能手机上的应用有很多，比如，前后倾斜手机，实现通讯录条目的上下滚动;左右倾斜手机，实现浏览页面的左右移动或者页面的放大或缩小;拍照时的图像稳定，防止手的抖动对拍照质量的影响。在按下快门时，记录手的抖动动作，将手的抖动反馈给图像处理器，可以抓到更清晰稳定的图片。GPS的惯性导航：当汽车行驶到隧道或城市高大建筑物附近，没有GPS讯号时，可通过陀螺仪来测量汽车的偏航或直线运动位移，从

而继续导航[10]。通过动作感应控制游戏:可以给APP开发者更多创新空间的地方。开发者可以通过陀螺仪对动作检测的结果(3D范围内手机的动作)实现对游戏的操作。著名游戏“现代战争3”就是可以依靠陀螺仪进行瞄准射击的，通过晃动手机可以起到代替鼠标的用途。听以开启陀螺仪之后，这就意味着我们需要不断转动身体进行操作。

2．加速度传感器

2.1 加速度传感器原理

传统的机械加速度传感器发明出来是为了应用于如飞机、火箭这样具有较大质量和加速度的物体。物体如具有很大的加速度时，物体及其所载的仪器设备和其他无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力，即受到动载荷。为了求得动载荷就要测出加速度。其次，要知道各瞬时飞机、火箭和舰艇所在的空间位置，可通过惯性导航(见陀螺平台惯性导航系统)连续地测出其加速度，然后经过积分运算得到速度分量，再次积分得到一个方向的位置坐标信号，而三个坐标方向的仪器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置[11-13]。

如图 2.1，常见加速度计的构件：外壳(与被测物体固连)、参考质量，敏感元件、信号输出器等。加速度计要求有一定量程和精确度、敏感性等，这些要求在某种程度上往往是矛盾的。以不同原理为依据的加速度计，其量程不同(从几个g到几十万个g)，它们对突变加速度频率的敏感性也各不相同。常见的加速度计所依据的原理有：①参考质量由弹簧与壳体相连，它和壳体的相对位移反映出加速度分量的大小，这个信号通过电位器以电压量输出；

②参考质量由弹性细杆与壳体固连，加速度引起的动载荷使杆变形，用应变电阻丝感应变形的大小，其输出量是正比于加速度分盘大小的电信号；③参考质量通过压电元件与壳体固连，质量的动载荷对压电元件产生压力，压电元件输出与压力即加速度分量成比例的电信号：④参考质量由弹簧与壳体连接，放在线圈内部，反映加速度分量大小的位移改变线圈的电感，从而输出与加速度成正比的电信号。此外，尚有伺服类型的加速度计，其中引入一个反馈回路，以提高测量的精度。为了测出在平面或空间的加速度矢量，需要两个或三个加速度计，各测量一个加速度分量。[14]

图2.1加速度传感器结构图

2.2 微机电加速度传感器

MEMS加速度传感器分类包括，压阻式微加速度计，电容式微加速度计，扭摆式微加速度计，隧道式微加速度计。手机中的MEMS加速度传感器一般为电容式微加速度计。其原理如图2.2所示，由于中间电容板质量很大，且是一种悬臂结构，当速度变化或加速度达

到足够大时，它所受的惯性力超过固定或支撑它的力，这时它会移动，它和上下电容板之间的距离也因此改变。电容的变化和加速度成正比。依据不同应用，中间电容板悬臂结构的强度或弹性系数设计也不同，且不同方向的加速度也会使MEMS结构有很大的不同。电容的变化会由另一晶片转或成电压讯号，有时也会把电压讯号放大。讯号再经转化处理，在零点和灵敏度校正后输出。[15]

图2.2电容式微加速度计

3．重力感应仪

3.1重力感应仪的原理

严格来说，重力感应仪就是加速度计。像手机里面说的重力感应器、方向感应器等等都是基于加速度计、陀螺仪、磁传感器（有的还有GPS）的数据获得的派生传感器[16]。

手机重力感应技术是由苹果公司率先开发出来的。它是利用压电效应实现，简单来说是是测量内部一片重物，靠重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。一般默认手机水平放置时为重力感应中心点。不过在实际的操作中，用户很难掌握重力中心点，听以一般会有单独的设定模式让你自己控制重力感应。现阶段多数智能手机都采用了G-sensor重力感应器，搭配三轴加速度计的组合实现360度的旋转重力感应装置，包括感应器、处理器和控制器三个部分。感应器负责侦测存储器的状态，计算存储器的重力加速度值，处理器则对加速度值是否超出安全范围进行判断；而控制器则负责控制将磁头锁定或者释放出安全停泊区，一旦感应器侦测并经处理器判断当前的重力加速度超过安全值之后，控制器就会通过硬件控制磁头停止读写工作并快速归位，锁定在专有的磁头停泊区。这一系列动作会在200毫秒内完成。当感应装置探测到加速度值恢复到正常，当感应装置探测到加速度值恢复到正常值范围之后，产品才会恢复工作。[17]

3.2重力感应仪与加速度计的区别

三轴加速度计是智能手机上的一个输出传感器。我们可以根据由于重力感应产生的加速度来计算出设备相对于水平面的倾斜度，因此该技术也经常被人们和重力感应传感器混为一谈，实际上这里有一些明显的标志分清它们。首先，三轴加速度计可以感知重力、手机的静态姿态以及运动方向；其次，带有加速度计的手机屏幕会随着角度的不同智能旋转；此外，最重要的是可以感知某一时间内的瞬间加速，比如音乐播放器软件中热门的甩歌功能。聊天软件微信摇一摇功能也基于加速度计。当然，游戏方面也充分利用了该功能，例如赛车游戏中的漂移触发。[18]

5．结语

从原理上看来，陀螺仪和加速度计都是通过振动测量加速度的，只不过陀螺仪测量的是科氏加速度，而加速度计是测量的直接加速度。MEMS陀螺仪可以简单理解为一个谐振器+加速度计。因此陀螺仪的结构要比加速度计复杂得多，技术也难得多。重力传感器，还有方向传感器（电子罗盘）、旋转传感器（姿态传感器）。这三种都是派生的3D传感器。重力传感器是通过测量重力加速度方向来判断重力的方向，那跟旋转传感器有什么区别在于：旋转传感器用到了陀螺仪的数据。在动态情况（比如边走路边看手机）也能很好的判断手机的姿态角。方向传感器则是主要通过磁传感器来测量地磁场来判断方向（类似指南针的作用），有时还需要配合GPS。这些传感器能配合非常多的应用，如地图导航中判断使用者的朝向。

总之，各种传感器在手机中的应用前景非常广阔，为了扩展手机功能、丰富交互体验，基于手机运动状态的识别的传感器正朝着多样化和集成化方向发展。相信随着科技的进步，智能手机的功能还会继续拓展，更加便利并丰富每一个现代人的生活。

参考文献

[1] Z F Syed,P Aggarwal,C Goodall,X Niu,N El-Sheimy.A new multi-positioncalibration method for MEMS inertial navigation systems. Measurement Science andTechnology . 2007.11-13.

[2] MacKenzie, Donald. Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. Cambridge: MIT Press, 1990.31–40.

[3] 冀海燕. 高精度惯性陀螺仪误差系数的快速自标定方法研究. 工程与试验. 2009(04).18-20.

[4] 李杰,洪惠惠,张文栋. MEMS微惯性测量组合标定技术研究[J]. 传感技术学报. 2008(07).25-27.

[6] 李荣冰,刘建业,曾庆化,华冰. 基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状[J]. 中国惯性技术学报. 2004(06).30-31.

[7] 陈春阳,郭英,毕京学. 手机陀螺仪与加速度计联合定位初步分析[J]. 导航定位学报,2014,04:74-77.

[8] 吴志强. 基于智能手机的人体跌倒检测技术的研究与应用[D].南方医科大学,2014.03:10-13.

[9] 钱可强. MEMS加速度计与读出电路的研究[D].电子科技大学,2012,11:32-33.

[10] 刘献强. 线性加速度计的现状和发展动向[J]. 测控技术,1995,03:6-10.

[11] 宁菲. 线加速度计标定误差分析及不确定度研究[D].中国工程物理研究院,2013,12:12-15.

[12]王善德. 基于惯性传感器的智能手环手势识别系统[D].吉林大学,2016,05:30-33.

[13]张福学. 应用压电材料的线性加速度计[J]. 电子元件与材料,1984,05:51-56.

[14]苏惠妮. 一种重力传感器校准功能实现方案[J]. 科技展望,2016,16:114+116.

[15]刘茂军,杜金红,朱玉成,肖利. 利用传感器测量重力加速度大小的实验设计[J]. 物理教师,2013,09:54-55.

[16]李以赫,文剑光. 重力方向传感器[J]. 武汉测绘科技大学学报,1995,03:263-268.

[17]王学水,池金波,马建玲. 基于重力加速度传感器的三维高斯计的设计[J]. 仪表技术与传感器,2015,08:23-25.

[18]周静,胡毅,付浩. 三轴重力加速度传感器标定方法研究[J]. 石油仪器,2010,04:44-46+101.