楔子：

    陀螺，相信很多人不會陌生，那個陪伴在我們孩童時代的傳統(tǒng)玩具，一直以來都是我們消遣與嬉戲的最佳伴侶。無論是在冰天雪地的北方，還是南方熱鬧喧囂的廣場，陀螺已成為孩童們一種共同的語言。



    隨著時代科技的進步，傳統(tǒng)的陀螺已不能滿足成年人的娛樂需求，更多的則是關注網(wǎng)絡游戲、大型街機等新興產(chǎn)物，而傳統(tǒng)的陀螺只能夠停限于孩童時代，并沒有成為現(xiàn)在的主流。那么這時有沒有一種“陀螺”，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)陀螺并且與電子科技相結合，成為這個時代或下個時代的最佳娛樂體驗？



   “這個可以有”，并且蘋果iPhone 4手機已經(jīng)為我們交出最好的答案——三軸陀螺儀，應用于航天領域、國防工程的科技技術。我們知道蘋果iPhone 4之所以能在眾多手機中脫穎而出，其自身優(yōu)點數(shù)不勝數(shù)，這里我們只來探討一下，它應用的最新技術——三軸陀螺儀，到底有何玄機。





何為陀螺儀

    在了解三軸陀螺儀之前，我們先知道陀螺儀為何物。

    利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置即為陀螺儀。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺。我們通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉軸。它是由蒼蠅的后翅（退化為平衡棒）仿生得來。這里指的是單軸陀螺儀，并非iPhone 4中的三軸陀螺儀。從數(shù)字上我們也能夠得知，iPhone 4中的陀螺儀有著獨到之處。

    在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進(precession)，又稱為回轉效應(gyroscopic effect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現(xiàn)象，我們在孩童時代玩的陀螺就是典型的例子。



陀螺儀在遙控飛機中的應用

    陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領航儀表使用。

    我們現(xiàn)在常接觸的便是電子式的陀螺儀，有壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀，激光陀螺儀等，并且還可以和加速度計，磁阻芯片，GPS，做成慣性導航控制系統(tǒng)。


“凱撤”原型系統(tǒng)依靠激光陀螺儀作為它的導航與瞄準系統(tǒng)

    而我們今天主要了解的iPhone 4中的陀螺儀可以稱為微機械陀螺儀，那么微機械陀螺儀究竟為何物？三軸陀螺儀又是什么？我們不妨接著往下看。

三軸陀螺儀的基本定義

    三軸陀螺儀：即同時測定6個方向的位置，移動軌跡，加速。單軸的只能測量一個方向的量，也就是一個系統(tǒng)需要三個陀螺儀，而3軸的一個就能替代三個單軸的。 3軸的體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢。對于激光陀螺則更多應用于軍事方面，我們暫且不做討論。不過我們可以看出iPhone 4應用的三軸陀螺儀是較為先進的。   


圖為三軸陀螺儀工作原理，而不是iPhone 4“三軸陀螺儀”的外觀。

    其實iPhone 4采用的“三軸陀螺儀”，也叫微機械陀螺儀也可稱作MEMS陀螺儀，為了讓用戶更為容易理解，俗稱三軸陀螺儀。也就是說iPhone 4采用的是三軸陀螺儀技術，但實體則是微機械陀螺儀。換句話說，微機械陀螺儀是由晶片技術生產(chǎn)的。為了讓大家更容易接近、理解微機械陀螺儀為何物，接下來我們就拆分iPhone 4手機，主要看里面微機械陀螺儀具體是什么。
    
   

拆分iPhone 4內部的三軸陀螺儀

    這是一款iPhone 4的三軸陀螺儀芯片，而該芯片就是意法半導體公司的產(chǎn)品，同時這家公司還為iPhone和iPad產(chǎn)品提供加速度傳感器芯片。


蘋果iPhone 4三軸陀螺儀芯片

    同是蘋果產(chǎn)品，一個是iPhone手機，一個是iPad電腦。但是據(jù)國外TechInsights網(wǎng)站的高級分析師Steve Bitton則發(fā)現(xiàn)在蘋果iPad機型的主板上，有一個空出的芯片位，這個空位的面積正好與iPhone 4中陀螺儀芯片的大小相符合，同時空位的位置也正好設在加速度傳感器芯片的旁邊，而且同樣靠近處理器芯片。

    據(jù)悉這個發(fā)現(xiàn)顯示蘋果原來本有計劃在iPad上設置這種三軸陀螺儀，不過他們最后放棄了這個計劃，也許我們會在iPad第二代產(chǎn)品里看到這種芯片。


iPhone 4陀螺儀內部結構

    為了進一步能夠對iPhone 4內的陀螺儀內部結構進行了解，我們不妨繼續(xù)觀看一下該芯片是哪款型號。圖中明顯可以看到芯片的外殼封裝上打有“AGD1 2022 FP6AQ”的字樣。而這就是MEMS（微電機系統(tǒng)）陀螺儀芯片內部集成有微型電機系統(tǒng)，可用于測量手機的運動方向數(shù)據(jù)。

經(jīng)過X光拍攝后的陀螺儀芯片

    如果我們繼續(xù)拆分這個芯片，那么里面還會是什么樣子的？由于設備的有限，我們僅能夠用X光來看清里面的內部情況。我們可以看到，芯片內部包含有一塊微型磁性體，可以在手機進行旋轉運動時產(chǎn)生的科里奧力作用下向X,Y,Z三個方向發(fā)生位移，利用這個原理便可以測出手機的運動方向。而芯片核心中的另外一部分則可以將有關的傳感數(shù)據(jù)轉換為iPhone 4可以識別的數(shù)字格式。所以，當該系統(tǒng)運行時，無論你將iPhone 4上移或者甩動，里面的芯片接受指令就會向iPhone 4的CPU傳輸數(shù)據(jù)，使得iPhone 4能夠做出正確的回應。[!--empirenews.page--]


其他種類陀螺儀放大示意圖

    如果說上圖是某基地的平面示意圖，我想大多數(shù)朋友都會贊同的，其實為了為了讓我們對于MEMS陀螺儀芯片認識更為廣泛，筆者搜羅了幾款其他種類的放大示意圖，讓我們看一下在這個微距下的世界，是如何令我們震撼。

其他種類陀螺儀放大示意圖


三軸陀螺儀的應用

    其實iPhone 4內的三軸陀螺儀它是一種創(chuàng)新而不是傳承，它一開始并不是應用于手機中，更多的則是在工程上。在工程上陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義?？梢娞O果iPhone 4之所以能夠讓眾多消費者吸引，自身的創(chuàng)新才是王道。





三軸陀螺儀的應用

    別看一個小小的陀螺儀，它的進化到現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被我們所認知。上圖中的代步車子，相信我們已經(jīng)有所耳聞，它就是利用三軸加速度計加上地磁加速度的技術。這種交通工具只要站在上面向你想趨向的方向移動重心就可以隨心所遇的出發(fā)。可見三軸陀螺儀在未來的發(fā)展空間還是非常廣闊的，并且在手機領域中前景十分光明。

三軸陀螺儀應用在軍事方面

    三軸陀螺儀的應用很廣泛，比如在飛機上裝上三個定向指示儀，并使三個小飛輪的自轉軸相互垂直，飛行員就可以通過飛輪軸相對于機身的指向來確定飛機的空間取向。船舶上裝上定向指示儀，海員可用它來確定海輪的航向。魚雷，火箭中也裝有定向指示儀，起到自動導航的作用。在魚雷前進的過程中，定向指示儀的軸線方向保持不變。當魚雷因風浪等影響，前進方向改變時，魚雷的縱軸與定向指示儀之間就出現(xiàn)了偏差，這時可啟動有關器械改變舵的角度，使魚雷回復到原來的前進方向。火箭中，則采用改變噴氣方向的方法來校正飛行方向。

    小到手機大到導彈甚至航天飛機，陀螺儀無疑是一個重要的因素，無論是單軸還是三軸或者多軸陀螺儀，此種技術將被更加廣泛的普及的來到我們生活當中。此時此刻，如果你還是沒明白三軸陀螺儀是什么？那么你可以簡單的理解為就是3D版的重力感應。而現(xiàn)在對于絕大多數(shù)手機游戲中應用此技術的可以說寥寥無幾，那么筆者就給您介紹一款iPhone 4手機中，擁有三軸陀螺儀技術的游戲——《Gun Range》。

蘋果iPhone 4的三軸陀螺示意圖

總結：

    筆者在之前的一篇文章《淺析：同是電容屏為何不能多點觸控》中提到，多點觸控在我們日常生活中的應用型以及普及性，那么今天我們了解到陀螺儀同樣與我們的生活密不可分，前者多點觸控技術注重于操控方面，而后者陀螺儀則更側重于應用方面，那么如果兩者相結合起來，會有怎的驚人之作？相信蘋果iPhone 4應該會讓你找到答案。