三轴陀螺仪与加速度计如何辅助iPhone定位

三轴陀螺仪与加速度计如何辅助iPhone定位

iPhone 4G的发布带来了硬件升级，其中最引人注目的是"三轴陀螺仪"。这个传感器不仅为游戏玩家带来了新的体验，还为位置定位技术开辟了新的可能性。本文将深入探讨三轴陀螺仪和加速度计的工作原理，以及它们如何在没有GPS信号的情况下实现定位。

什么是陀螺仪？

根据维基百科的定义，陀螺仪是一种用于测量角度或维持方向的设备，基于角动量守恒原理。传统的机械陀螺仪中间有一个高速旋转的转子，由于惯性作用，转子不会受到外力的影响而改变姿态，从而可以检测物体在各个方向上的旋转角度。

在iPhone 4中，采用了微型的、电子化的振动陀螺仪，也称为微机电陀螺仪。这种陀螺仪最大的作用是"测量角速度，以判别物体的运动状态"，换句话说，它可以感知设备的旋转和倾斜，帮助iPhone确定自身的位置和方向。

加速度计的工作原理

加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，可以用来测量载体的运动加速度。MEMS（微机电系统）加速度计的工作原理是：当加速度计与外界物体一起作加速运动时，质量块受到惯性力的作用向相反的方向运动。通过测量质量块的位移，可以得到外界的加速度大小。

陀螺仪与加速度计的互补优势

要准确描述线性和旋转运动，需要同时使用陀螺仪和加速度计：

• 单纯使用陀螺仪适用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测
• 单纯使用加速度计适用于有固定重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动受限的应用
• 同时处理直线运动和旋转运动时，需要结合使用加速度计和陀螺仪

此外，为了提高传感器的性能，一些厂商还会使用磁力计来校正加速度计的旋转误差，形成陀螺仪、加速度计和磁感应计的混合方案。这种组合可以提供更纯净且反应敏捷的输出。

室内外定位应用

• 室外定位：主要依赖GPS进行导航
• 室内定位：
• 加速度计用于测量加速度，结合GPS提供的初始速度，可以计算速度和运动距离
• 陀螺仪用于测量设备的转弯或坡度变化

在GPS信号被阻挡或受到干扰的情况下，通过陀螺仪与加速度计可以进行另一种方式的导航，大幅提升定位导航的效率与准确度。iPhone 4G引入陀螺仪和加速度计后，推动了LBS（基于位置的服务）的进一步发展。

相关知识：MEMS技术

MEMS是微机电系统的英文缩写，是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路于一体的微型器件或系统。MEMS技术是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，用于生物化学等实验室技术的芯片集成化。