方寸之间 自由把控——从iPhone 4谈陀螺仪技术
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iPhone不是第一个使用重力感应器的手机，但它肯定是把这个小组件功能发挥得淋漓尽致的第一款手机。在WWDC 2010（苹果全球开发者大会）的iPhone 4发布会上，很多人对其中的一幕记忆犹新：乔布斯拿着iPhone 4自己转圈玩拆砖块游戏，当乔布斯玩得兴起的时候，台下许多人也被iPhone 4强悍的功能惊得目瞪口呆。很多人也许由此记住了iPhone 4的强大，但是iPhone 4能如此大出风头实际上还要拜MEMS（微机电系统）陀螺仪所赐，陀螺仪这项技术并不新鲜，但长期以来始终给人以神秘感，而iPhone 4的发布也将这项看上去高深莫测的陀螺仪技术直接带到了我们的眼前！
陀螺仪是怎样转动的
如果从科学理论来理解，陀螺仪是用于测量或维持方向的设备，它基于角动量守恒原理。换句话说，陀螺仪是按照一个旋转物体的旋转轴所指的方向不受外力影响的原理来制作的。陀螺仪在工作时只要给它一个力，使它快速旋转起来，就可以工作很长时间，采用陀螺仪的仪器会用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。这个听起来或许有点抽象，如果你玩过陀螺玩具，就能发现陀螺能在细线或手指上保持平衡，能以非常奇妙的方式抵制转动中的角度倾斜，我们称这种奇妙的方式为“进动”。
一般情况下，进动的发生过程是：如果有一个陀螺仪正在旋转，施力转动它的自转轴，则陀螺仪反而会围绕与力轴成直角的轴转动。那么陀螺仪为何会发生这种运动？只要想想陀螺仪在旋转时不同部位实际上都发生了什么，就会明白这种运动完全正常！在向轮轴施力时，陀螺仪的顶端部位将试图向左运动，底端部位则试图向右运动。如果陀螺仪没有旋转，则车轮会倒下。如果陀螺仪正在旋转，那么试想一下这两个部位都发生了什么：牛顿第一运动定律指出，运动中的物体会持续沿直线匀速运动，直到受到不平衡力的作用为止。因此，陀螺仪顶点受施加到轮轴的力的作用，开始向左运动。根据牛顿第一运动定律，它会继续向左运动，但在陀螺仪的自转作用下又开始旋转。这种效应就是进动的成因。总的来说，进动效应就是一旦开始旋转陀螺仪，它的轴就总是试图指往同一方向。
如果在一个平台上装两个陀螺仪，并让它们的轴互成直角，然后把平台放入一套平衡环中，那么无论平衡环怎样转动，平台都将完全保持稳定，这是惯性导航系统的基本原理。如果为平台添加一套带有三个敏感加速计的装置，就能准确辨别交通工具驶向何方及其在三个方向的所有运动变化。正是陀螺仪这些特殊属性使其在各个方面都有极为重要的用途。比如一般的飞机要用10多个陀螺仪，遍布在罗盘和自动驾驶仪等各个地方；俄罗斯米尔空间站曾使用11个陀螺仪保持其方向对准太阳；哈勃太空望远镜也安装了大量导航陀螺仪。需要说明的是，现代陀螺仪在结构上已不具备最初的“陀螺”模样，只是在功能上与传统的机械陀螺仪相同罢了。特别是微机电系统（MEMS）技术的快速发展，已经能让制造商在微型芯片上制造出完整的陀螺装置，而且成本低、体积小等优点已经让MEMS陀螺仪应用于许多消费类领域。
iPhone 4+陀螺仪=全新体验
首先必须声明的是，iPhone 4是世界上第一台内置MEMS（微机电系统）三轴陀螺仪的手机，可以感知来自六个方向的运动、加速度以及角度的变化。从这个角度而言，尽管很多智能手机都内置了陀螺仪技术，但iPhone 4的确是目前科技含量最高的手机。
MEMS是一种嵌入式系统，在极小的空间内集成了电子和机械构件。一个基本的MEMS设备由专用集成电路和微机械硅传感器组成。MEMS器件需要极其复杂和敏感的制造工艺，才能生产出准确可靠的传感器。大多数MEMS器件需通过膜的沉积，在蚀刻后保持无遮罩区域的形状，最后蚀去多余的膜，完成最终产品。传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑它并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的，固定极板通过方波的每π个相位控制。加速度计受到加速度力后改变了可变电容的平衡，使输出方波的振幅与加速度成正比。而相位解调技术用来提取信息，判断加速方向。
iPhone 4所采用的加速计是三轴加速计，分为X轴、Y轴和Z轴。这三个轴所构成的立体空间足以侦测到你在iPhone上的各种动作。在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值。当驱动信号加载于驱动电容片时，导致其产生振动（振荡）。当用户旋转手机，在科里奥利力（Coriolis force）的作用下，X、Y及Z轴产生偏移。专用集成电路处理器感知到电容的偏移，并将微小的电容信号转换成iPhone 4可以接收的数字信号，该数据可用于如视频游戏中的方向盘转动或枪眼瞄准等等。
至于iPhone 4装上陀螺仪有什么用呢？首先是导航精度提高了，它可以让手机在进入隧道丢失GPS信号的时候，凭借陀螺仪感知的加速度方向和大小继续为用户导航。其次它最重要的作用就是为游戏和应用增加了控制方式。你在游戏厅时玩过射击游戏吗，举着枪冲屏幕射击那种？有了陀螺仪，在iPhone 4上也可以这样玩了。
再试想一下，你在看电视时，只要用iPhone 4启动一个应用程序，手机就变成一个遥控器，动一下手机就可以选择操作相应的菜单，或者改变频道！或者你在向客户做PPT演示时需要一个“电子棒”来提示听众你在讲的内容，你的iPhone 4手机可以帮你搞定——因为有陀螺仪！如果你是个运动员，你的iPhone 4可以帮你提高运动技能：陀螺仪帮你记录你投球的手臂运动轨迹、出手的角度，并帮你记录出手的力度，手机上的应用程序会给你改进的意见！除了日常交互应用外，陀螺仪还可实现所谓的扩增实境应用以及大幅拓展动作指令的范围，比如在用手机的数字相机指向某个目标时，能显示出该物体的相关信息，把手机拿来在半空中签名作为交易凭证等。这些都是陀螺仪的妙用之处！
陀螺仪玩出的新花样
微型化陀螺仪早已走进目前的智能型手机中，为用户接口、手机游戏以及定位服务等功能带来新的体验。不过电子式陀螺仪应用并不仅仅局限于智能手机领域，比如鼠标、游戏机、数码相机防抖动、体育竞技等，都是陀螺仪可以大展拳脚的地方，MEMS将极大地丰富人和电子设备互动的方式。
相机防抖功能
MEMS陀螺仪最早也是被用来提供嵌入式数字相机的防抖功能：目前在500万像素以上的数字相机与数字摄影机产品中，几乎都有内建陀螺仪。而且随着智能型手机整合较高像素的拍照功能，这些手机相机所拍摄出的影像质量非常依赖防震的功能，这也是未来MEMS陀螺仪的应用方向。
遥控挥洒自如
鼠标是大家所接触最多的产品之一，你可曾设想到未来只要在脑海中想象的画面上挥动鼠标，屏幕上的光标就会跟着移动；围绕着一个网页链接盘旋画圈便可点选按键登入；当你在进行简报或远离桌面作业时，一切操作都将变得非常方便。这一切借助陀螺仪技术就可以帮你实现。当然，以上这种采用手势控制的概念还可以扩展到更多可能的领域中，包括基于PC的全球通用电视遥控器。
让游戏更具可玩性
任天堂的Wii游戏机就是采用了三轴陀螺仪方案。Wii所使用的MotionPlus游戏杆采用了三轴加速度计加上三轴陀螺仪技术，这样它就解决了如何能让动作识别接口更顺畅与精确的问题。对于一般游戏杆而言，若只使用加速度计，要么会得到反应敏捷但噪声较大的效果，要么就是反应很慢但相对安静的效果；但如果将加速度计与陀螺仪结合，就能得到既安静又反应敏捷的动作输出。Wii的MotionPlus游戏杆能侦测3D全方位的角动，具有更灵敏的动作感应及输出。
苹果的iPhone和设计师的无限创意，让我们认识到了陀螺仪感测技术正使得众多创新应用成为可能，然而我们也需要认识到基本陀螺仪技术的方案在主流应用中仍缺乏足够的推动力量。技术创新、小尺寸和低价格已不足以应付目前市场需求，而有关“附加价值”这一个最为重要的问题似乎被厂商们忽略了。虽然目前越来越多的厂商将MEMS陀螺仪整合到产品中，但这些产品并不属于大众市场，而唯有进入主流市场最终才能带动MEMS陀螺仪的成长。我们相信这一点不久的将来就可以实现。