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3軸/6軸/9軸傳感器是什麼, 加速計/陀螺儀/磁力計又是什麼?

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現在越來越多的裝置中都用到了加速度傳感器(即加速計)、角速度傳感器(即陀螺儀)、磁感應傳感器(即磁力計)。但是很多人對這3類傳感器,以及它們所産生的組合套裝(比如3軸傳感器、6軸傳感器、9軸傳感器等)不是很清楚,下面就進行一下簡單的介紹和區分。

一、名詞解釋

首先對這3個概念進行一下基本的解釋。

1、加速計

加速計(Accelerometer、G-Sensor)也叫重力感應器,實際上是可以感覺任意方向上的加速度(重力加速度則隻是地表垂直方向加速度),加速計通過測量元件在某個軸向的受力情況來得到結果,表現形式為軸向的加速度大小和方向(XYZ),這一點又有點類似于陀螺儀,但陀螺儀的更多關注自身旋轉情況(原位運動),加速計則主要是測量裝置的受力情況,也就是三軸運動情況,盡管加速計也可能在某個小範圍換算出角速度的可能,但設計原理決定似乎更适合于空間運動判斷。

2、陀螺儀

陀螺儀(Gyroscope、GYRO-Sensor)也叫地感器,傳統結構是内部有個陀螺,如下圖所示(三軸陀螺),三軸陀螺儀的工作原理是通過測量三維坐标系内陀螺轉子的垂直軸與裝置之間的夾角,并計算角速度,通過夾角和角速度來判别物體在三維空間的運動狀态。三軸陀螺儀可以同時測定上、下、左、右、前、後等6個方向(合成方向同樣可分解為三軸坐标),最終可判斷出裝置的移動軌迹和加速度。也就是說陀螺儀通過測量自身的旋轉狀态,判斷出裝置目前運動狀态,是向前、向後、向上、向下、向左還是向右呢,是加速(角速度)還是減速(角速度)呢,都可以實作,但是要判斷出裝置的方位(東西南北),陀螺儀就沒有辦法。 

傳統的陀螺儀屬于機械式的,随技術發展,還有出現了振動式陀螺儀、雷射陀螺儀、微機電機械陀螺儀等,無論是在體積微型化、測量精度和易用性上都有大大提高。

3、磁力計

磁力計(Magnetic、M-Sensor)也叫地磁、磁感器,可用于測試磁場強度和方向,定位裝置的方位,磁力計的原理跟指南針原理類似,可以測量出目前裝置與東南西北四個方向上的夾角。是以,陀螺儀知道“我們轉了個身”,加速計知道“我們又向前走了幾米”,而磁力計則知道“我們是向西方向”的。 

是以在實際應用中,由于應用、誤差修正、誤差補償需要,往往會結合使用上述傳感器,充分利用每種傳感器的特長,讓最終的運算結果更準确,比如在Android中,會同時使用磁力計和加速計來運算出Orientation(方位計),運算出的方位資訊需要同時結合磁場方向和方向運動情況才能得到。

二、區分對比

1、概念對比

• 陀螺儀就是内部有一個陀螺,它的軸由于陀螺效應始終與初始方向平行,這樣就可以通過與初始方向的偏差計算出實際方向。手機裡陀螺儀實際上是一個結構非常精密的晶片,内部包含超微小的陀螺。

• 加速計是用來檢測手機受到的加速度的大小和方向的,而手機靜置的時候是隻受到重力加速度(這個高中學過)的.是以很多人把加速計功能又叫做重力感應功能。

• 磁力計是測試磁場強度和方向的。

2、原理對比

• 陀螺儀測量是參考标準是内部中間在與地面垂直的方向上進行轉動的陀螺。通過裝置與陀螺的夾角得到結果。

• 加速計是以内部測量元件在各個方向上的受力情況來得到結果。

• 磁力計的原理就是中學實體中涉及到的那個最簡單的指南針了(那記得那根被磁化的鋼針麼)。

3、應用對比

• 陀螺儀的強項在于測量裝置自身的旋轉運動。對裝置自身運動更擅長。但不能确定裝置的方位。

• 加速計的強項在于測量裝置的受力情況。對裝置相對外部參考物(比如,地面)的運動更擅長。但用來測量裝置相對于地面的擺放姿勢,則精确度不高。

• 磁力計的強項在于定位裝置的方位。可以測量出目前裝置與東南西北四個方向上的夾角。

三、組合套裝

1、三軸傳感器

①、三軸加速計

三軸加速度計是基于加速度的基本原理去實作工作的,加速度是個空間矢量,一方面,要準确了解物體的運動狀态,必須測得其三個坐标軸上的分量;另一方面,在預先不知道物體運動方向的場合下,隻有應用三軸加速度傳感器來檢測加速度信号。 

由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的,是以用三軸加速度傳感器可以實作雙軸正負90度或雙軸0-360度的傾角,通過校正後期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為60度的情況。 

優點:三軸加速度傳感器的好處就是在預先不知道物體運動方向的場合下,隻有應用三維加速度傳感器來檢測加速度信号。三維加速度傳感器具有體積小和重量輕特點,可以測量空間加速度,能夠全面準确反映物體的運動性質。

②、三軸陀螺儀

三軸陀螺儀:同時測定6個方向的位置,移動軌迹,加速度。單軸的隻能測量兩個方向的量,也就是一個系統需要三個陀螺儀,而3軸的一個就能替代三個單軸的。 

優點:三軸陀螺儀體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好、更靈敏、更準确。

③、三軸磁力計

三軸地磁計,又稱電子羅盤,在無人機、智能手表、導航裝置中廣泛普及和應用。

針對需要偵測物體運動變化情況,三軸磁傳感器承載着至關重要的絕對指向作用,為穩定飛行、輔助導航等多樣化功能保駕護航。也正如此,三軸磁傳感器的可靠性是這些裝置穩定運作的基石。

2、六軸傳感器

六軸傳感器通常指的是三軸陀螺儀+三軸加速度計。

六軸傳感器廠家: 

應美盛:ICM-20608、MPU-6555、MPU-6500、MPU-6000、MPU-6050…… 

HTC Vive VR和Oculus Rift VR上就采用了MPU-6500 

ST:6軸傳感器子產品LSM330DL…… 

飛兆:6軸慣性檢測單元(IMU)“FIS1100”。FIS1100由3軸MEMS角速度傳感器(陀螺儀)、3軸MEMS加速度傳感器及動作處理用協處理器“AttitudeEngine”構成。

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