摇一摇即可开始寻找朋友，在锻炼时记录步数，并在激动人心的赛车游戏中使用手机作为方向盘。 为了实现手机自身运动识别的功能，需要使用陀螺仪、加速度传感器等运动传感器来感知手机的运动。 它是利用过程中的线加速度、角加速度、运动方向、重力方向等物理量来实现的。 陀螺仪 1.1 陀螺仪原理 陀螺仪是一种基于角动量守恒定律的装置，用于感知和维持方向。 陀螺仪工作时，必须给它一个力，使其快速旋转。 然后采用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传输到控制系统，控制系统可以及时确定物体的相对位置、方向、角度和水平变化。 最后根据用户的动作输出相应的指令[1]。 陀螺仪的机械结构主要由位于轴中心且能够旋转的转子组成。 一旦陀螺仪开始旋转，由于转子的角动量，它就会倾向于抵抗方向的变化。 如图1.1所示，机械陀螺仪的主要部分是一个绕旋转轴以非常高的角速度旋转的转子。 转子安装在支架上； 通过在穿过旋翼的中心轴上增加内环框架，陀螺仪可以包围飞机的两侧。 轴可自由移动； 然后，在内环框架上添加外环框架。 这个陀螺仪有两个平衡环，可以绕飞机的三个轴自由移动。 这是一个完整的空间陀螺仪。 图1.1 陀螺仪结构示意图。 陀螺仪主要用于导航、定位等系统。 陀螺仪被用作飞机飞行仪表的核心，因为它有两个基本特性：一是轴固定，二是反向运动。 这两个特性都是基于角动量守恒原理[2]。
固定轴。 物体维持自身旋转状态并抵抗变化的能力称为转动惯量，它由相对于特定旋转轴的质量分布决定。 对于多粒子物体来说，转动惯量，概括起来就是：质量越大，离轴越远，转动惯量越大。 越大。 一方面，陀螺转子的轴对称结构使其对于相同质量的物体具有较大的轴间转动惯量，这意味着它可以在更长时间的情况下保持原来的运动状态。阻力矩相同； 另一方面，轴的支点摩擦力小，无角度自由度限制，防止外力产生大的有效阻力矩； 因此，当陀螺仪转子以极高的速度旋转时，其旋转可以保持并且其轴线指向相对固定的方向。 ，这种物理现象称为陀螺仪的轴固定或惯性。 在运行的陀螺仪中，如果对转子施加外力，则该力作用在支点上的力矩可分解为沿轴线和垂直于轴线的两个分力矩； 前者对陀螺仪进行加速和减速，但不改变旋转轴的方向； 后者的时间积分会逐渐改变旋转方向（通常短期内较小，随着时间的推移逐渐增大），并相对于原轴产生章动（新的旋转轴使原轴旋转，如转速陀螺仪在重力作用下下降时出现非垂直旋转，如果在运行过程中对转子的旋转轴施加外力或扭矩，则当转子旋转时，旋转轴不会沿该力的方向移动。向前，沿垂直力施加的方向移动90度，这种现象称为反转，反转的大小与三个因素有关：外力越大，反转的质量越大。惯性越大，反转越小；转子角速度越大，反转越小。
根据反向运动原理，反向方向可以取决于力施加的方向和转子旋转的方向。 1.2 微机电陀螺仪 智能手机中使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）技术是基于微纳技术的21世纪前沿技术，是指设计、加工、制造、测量和控制微纳材料的技术[3]。 它可以将机械部件、光学系统、驱动部件、电子控制系统集成为一个整体的单元微系统。 这种微机电系统不仅可以采集、处理和发送信息或指令，还可以根据获得的信息自主地或按照外部指令行动。 它采用微电子技术和微机械加工技术（包括硅体微机械加工、硅表面微机械加工、LIGA和晶圆键合技术）相结合的制造工艺[4]。 微机电系统（MEMS）是近年来发展起来的一门新兴的多学科技术。 这项技术将对未来人类的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、材料等多个学科。 传统的陀螺仪主要利用角动量守恒原理，因此主要是旋转物体。 但微机械陀螺仪的工作原理并不是这样的，因为利用微机械技术在硅片基板上加工出可旋转的结构并不容易。
微机械陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体沿径向移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 如果物体不在圆盘上作径向运动，则不会产生科里奥利力。 因此，在MEMS陀螺仪的设计中，物体被驱动并不断地在径向方向上来回移动或振荡。 与此对应的科里奥利力在横向上不断地来回变化，可能会导致物体在水平方向上来回移动。 有轻微的水平振荡，相位与驱动力正好相差90度。 MEMS陀螺仪通常具有两个方向可移动的电容板。 径向电容板施加振荡电压以迫使物体径向移动，横向电容板测量横向科里奥利运动引起的电容变化。 由于科里奥利力与角速度成正比，因此可以根据电容的变化计算出角速度。 与传统机械陀螺仪相比，MEMS陀螺仪具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、温漂小、抗冲击能力强、测量范围大等优点[5-9]。 三轴MEMS陀螺仪最早是在苹果iPhone 4上使用的，它可以分别测量X、Y、Z三个方面的加速度值。 值中的值代表了手机空间的垂直方向，然后将相关的加速度值传输给操作系统来确定其大小变化。 图1.3显示了意法半导体的3轴陀螺仪MEMS芯片的结构。 图1.3 意法半导体的3轴陀螺仪MEMS芯片结构如图2.1所示。 常见的加速度计部件：外壳（固定在被测物体上）、参考质量、敏感元件、信号输出装置等。
加速度计要求有一定的量程和精度、灵敏度等，而这些要求往往在某种程度上是矛盾的。 基于不同原理的加速度计具有不同的测量范围（从几克到几十万克），对突然加速频率的灵敏度也不同。 常见的加速度计基于以下原理：参考质量通过弹簧与壳体连接，其与壳体之间的相对位移反映了加速度分量的大小。 该信号通过电位器作为电压输出； 参考质量由细弹性杆和外壳固定组成，加速度引起的动载荷使杆变形。 变形是由应变电阻丝引起的，其输出是与加速板的尺寸成比例的电信号。 参考质量通过压电元件固定在壳体上，质量的动载荷对压电元件产生压力，压电元件输出与压力成正比的电信号，即加速度分量：参考质量为通过弹簧与外壳连接，并置于线圈内部。 反映加速度分量大小的位移改变了线圈的电感。 因此，输出与加速度成比例的电信号。 此外，还有伺服型加速度计，它引入反馈回路以提高测量的准确性。 为了测量平面或空间中的加速度矢量，需要两个或三个加速度计，每个加速度计测量一个加速度分量。 图 2.1 加速度传感器的结构 图 2.2 微机电加速度传感器 MEMS 加速度
