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陀螺仪、加速计和磁力计

现代移动及车载终端包含越来越多的传感器,陀螺仪、加速计、磁力计、感光器等等,从原理上讲,这些传感器的本质都是相同的,都是把外部环境变化转化为通信系统可理解的电信号的过程。像温度计、光感器等传感器,因为功能单一非常容易理解,而陀螺仪、加速计和磁力计则因为原理及结构复杂,导致实际功能出现重叠,但又各有特点和局限性,在实际应用中很容易对其应用边界产生混淆,本文总结它们三者概念要点,如有理解错误,敬请指出。

一、陀螺仪

陀螺仪(Gyroscope、GYRO-Sensor)也叫地感器,传统结构是内部有个陀螺,如下图所示(三轴陀螺),三轴陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。三轴陀螺仪可以同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向(合成方向同样可分解为三轴坐标),最终可判断出设备的移动轨迹和加速度。

也就是说陀螺仪通过测量自身的旋转状态,判断出设备当前运动状态,是向前、向后、向上、向下、向左还是向右呢,是加速(角速度)还是减速(角速度)呢,都可以实现,但是要判断出设备的方位(东西南北),陀螺仪就没有办法。

传统的陀螺仪属于机械式的,随技术发展,还有出现了振动式陀螺仪、激光陀螺仪、微机电机械陀螺仪等,无论是在体积微型化、测量精度和易用性上都有大大提高。

二、加速计

加速计(Accelerometer、G-Sensor)也叫重力感应器,实际上是可以感知任意方向上的加速度(重力加速度则只是地表垂直方向加速度),加速计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果,表现形式为轴向的加速度大小和方向(XYZ),这一点又有点类似于陀螺仪,但陀螺仪的更多关注自身旋转情况(原位运动),加速计则主要是测量设备的受力情况,也就是三轴运动情况,尽管加速计也可能在某个小范围换算出角速度的可能,但设计原理决定似乎更适合于空间运动判断。

三、磁力计

磁力计(Magnetic、M-Sensor)也叫地磁、磁感器,可用于测试磁场强度和方向,定位设备的方位,磁力计的原理跟指南针原理类似,可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。所以,陀螺仪知道“我们转了个身”,加速计知道“我们又向前走了几米”,而磁力计则知道“我们是向西方向”的。

所以在实际应用中,由于应用、误差修正、误差补偿需要,往往会结合使用上述传感器,充分利用每种传感器的特长,让最终的运算结果更准确,比如在Android中,会同时使用磁力计和加速计来运算出Orientation(方位计),运算出的方位信息需要同时结合磁场方向和方向运动情况才能得到。

注意:

上述三种实际使用中,还会延伸出重力感应器(重力传感器,Gravity Sensor,GV-Sensor)、线性加速度传感器(LA-Sensor)、旋转矢量传感器(RV-Sensor)等综合类型传感器(虚拟)。实际上,方向传感器(O-Sensor)也属于综合类型传感器,这类综合类型传感器,就是下面参考资料中提到的"传感器融合"概念。

参考文章:

Android操作系统11种传感器介绍

http://www.oschina.net/question/163910_28354

在 Windows 8 中支持传感器

http://blogs.msdn.com/b/b8_cn/archive/2012/02/06/windows-8-supporting-sensors.aspx

什么是传感器融合?

http://mems.baike.com/article-78891.html

android 重力感应和屏幕旋转关系

http://blog.csdn.net/lzx_bupt/archive/2010/04/20/5507165.aspx

加速度计和陀螺仪的区别

http://www.cnblogs.com/liuq0s/archive/2010/09/02/1816394.html

三轴陀螺仪与加速度计如何辅助Iphone定位的

http://www.weizhiquan.com/archives/1072

ST集成传感器方案实现电子罗盘功能

http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0408/article_5352.html

Android设备中实现陀螺仪(Orientation Sensor)

http://blog.csdn.net/beeboobeeboo/article/details/6536941

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