三轴陀螺仪与加速度计如何辅助Iphone定位

去年的6月8日，伟大的苹果公司发布了最新一代iPhone 4G，这款新机器有很多硬件方面的升级，其中对游戏玩家来说来说，最大的一个“三轴陀螺仪”！

第一次听说这个“三轴陀螺仪”是前一段时间，偶尔发现有Apple玩家测试Ipod Touch的定位功能,具体详见“不同移动设备的定位偏移问题”。 感觉很新奇–因为Ipod touch 无GPS也能够实现定位，特地研究了一下。
后研究发现，这个三轴陀螺仪对我们这这些位置定位爱好者也是一个相当棒的消息， 因为有了wifi与这个陀螺仪和加速度传感器，也能够实现定位，虽然定位精度有待考证，废话少说，先和大家分享一下我搜集的这个Iphone的三轴陀螺仪与加速度传感器的知识吧！

在所有之前解释一下陀螺仪

根据Wiki的定义：「陀螺仪是用于测量角度或维持方向的设备，基于角动量守恒原理。」

这句话的要点是测量角度或维持方向，这是 iPhone 4 为何搭载此类设备的原因。机械陀螺仪–例如下面这只–中间有一转盘，用以侦测方向的改变。iPhone 4 采用了微型的，电子化的振动陀螺仪，也叫微机电陀螺仪。
这东西应该就是这个样子一个东西(下图)，看起来很像手表里的一个机密零件！

三轴陀螺仪动态展示图

三轴陀螺仪工作原理

注意上图的中间是一个高速旋转的金黄颜色的转子，由于惯性作用它是不会受到外力的影响而改变姿态的，而周边的设备的任何姿态的改变就可以检测出来，用来判别物体在各个方向上旋转的角度。

这里插一句，大家小时候玩过陀螺的，知道在一定的速度下，就能一直保持一个竖直的方向。

三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也称为运动传感器“，换句话说，这东西可以让我们的iPhone知道自己”在哪儿和去哪儿“（where they are or where they’re going）！

加速传感器

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，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度。

MEMS类加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体(该物体的加速度就是待测的加速度)一起作加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压就能测得外界的加速度大小。

加速度计工作原理图

三轴陀螺仪与加速传感器配合是如何实现辅助GPS进行定位导航的呢

从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计(加速计)形成优势互补，如果组合使用加速度 计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

要准确地描述线性（直线运动）和旋转运动（有转弯变化的运动），需要设计者同时用到陀螺仪和加速度计。

• 单纯使用陀螺仪的方案可用于需要高分辨率和快速反应的旋转检测；
• 单纯使用加速度计的方案可用于有固定的重力参考坐标系、存在线性或倾斜运动但旋转运动被限制在一定范围内的应用。但同时处理直线运动和旋转运动时，就需要使用加速度和陀螺仪计的方案。

此外，为让设计和制作的陀螺仪具有较高的加速度和较低的机械噪声，或为校正加速度计的旋转误差，一些厂商会使用磁力计来完成传统上用陀螺仪实现的传 感功能，以完成相应定位，让陀螺仪术业有专攻。这表明，混合的陀螺仪、加速度计或磁感应计结合的方案正成为MEMS陀螺仪技术应用的趋势。若只使用传统的 加速度计，用户得到的要么是反应敏捷的但噪声较大的输出，要么是反应慢但较纯净的输出，而如将加速度计与陀螺仪相结合，就能得到既纯净又反应敏捷的输出。

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，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度，利用 已知的GPS测量等等的初始速度，对加速度积分，就可知道载体的速度和位置等信息。因此，加速度计的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度。

简而言之，言而简之

室外

• GPS——用于在室外能够搜索到足够卫星情况下的导航

室内

• 加速度计用于测量加速度，结合GPS所提供的初始速度，可以计算出现有的速度运动的距离。
• 陀螺仪用于测量设备的转弯或坡度变化大小

在GPS信号被阻挡或受到干扰而不能进行定位的环境中，通过陀螺仪与加速度计就可以进行另一种方式的导航，可以大幅提升定位导航的效率与准确度。IPhone装上陀螺仪与加速度计后，会带动一大批手机厂商的跟进，这将会有力地推动LBS服务的进一步增长。

相关知识：

MEMS

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，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、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS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MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。