解析:iPhone 4中的三軸陀螺儀為何物

楔子

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。

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    隨著時代科技的進步，傳統的陀螺已不能滿足成年人的娛樂需求，更多的則是關注網路遊戲、大型街機等新興產物，而傳統的陀螺只能夠停限於孩童時代，並沒有成為現在的主流。那麼這時有沒有一種「陀螺」，能夠代替傳統陀螺並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」，並且蘋果iPhone 4手機已經為我們交出最好的答案——三軸陀螺儀，應用於航天領域、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，其自身優點數不勝數，這裡我們只來探討一下，它應用的最新技術——三軸陀螺儀，到底有何玄機。

何為陀螺儀

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。

    利用高速迴轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交於自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置即為陀螺儀。利用其他原理製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。它是由蒼蠅的後翅（退化為平衡棒）仿生得來。這裡指的是單軸陀螺儀，並非iPhone 4中的三軸陀螺儀。從數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)，又稱為迴轉效應(gyroscopic effect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，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。傳感陀螺儀用於飛行體運動的自動控制系統中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用於飛行狀態的指示，作為駕駛和領航儀表使用。

    我們現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，雷射陀螺儀等，並且還可以和加速度計，磁阻晶片，GPS，做成慣性導航控制系統。

「凱撤」原型系統依靠雷射陀螺儀作為它的導航與瞄準系統

    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，那麼微機械陀螺儀究竟為何物？三軸陀螺儀又是什麼？我們不妨接著往下看。

三軸陀螺儀的基本定義

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，是雷射陀螺的發展趨勢。對於雷射陀螺則更多應用於軍事方面，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採用的「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採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，主要看裡面微機械陀螺儀具體是什麼。

拆分iPhone 4內部的三軸陀螺儀

拆分iPhone 4內部的三軸陀螺儀

    這是一款iPhone 4的三軸陀螺儀晶片，而該晶片就是意法半導體公司的產品，同時這家公司還為iPhone和iPad產品提供加速度傳感器晶片。

蘋果iPhone 4三軸陀螺儀晶片

    同是蘋果產品，一個是iPhone手機，一個是iPad電腦。但是據國外TechInsights網站的高級分析師Steve Bitton則發現在蘋果iPad機型的主板上，有一個空出的晶片位，這個空位的面積正好與iPhone 4中陀螺儀晶片的大小相符合，同時空位的位置也正好設在加速度傳感器晶片的旁邊，而且同樣靠近處理器晶片。

    據悉這個發現顯示蘋果原來本有計劃在iPad上設置這種三軸陀螺儀，不過他們最後放棄了這個計劃，也許我們會在iPad第二代產品裡看到這種晶片。

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，我們不妨繼續觀看一下該晶片是哪款型號。圖中明顯可以看到晶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）陀螺儀晶片內部集成有微型電機系統，可用於測量手機的運動方向數據。

經過X光拍攝後的陀螺儀晶片 

    如果我們繼續拆分這個晶片，那麼裡面還會是什麼樣子的？由於設備的有限，我們僅能夠用X光來看清裡面的內部情況。我們可以看到，晶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生的科裡奧力作用下向X,Y,Z三個方向發生位移，利用這個原理便可以測出手機的運動方向。而晶片核心中的另外一部分則可以將有關的傳感數據轉換為iPhone 4可以識別的數字格式。所以，當該系統運行時，無論你將iPhone 4上移或者甩動，裡面的晶片接受指令就會向iPhone 4的CPU傳輸數據，使得iPhone 4能夠做出正確的回應。

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，我想大多數朋友都會贊同的，其實為了為了讓我們對於MEMS陀螺儀晶片認識更為廣泛，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

三軸陀螺儀的應用

    其實iPhone 4內的三軸陀螺儀它是一種創新而不是傳承，它一開始並不是應用於手機中，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，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發展對一個國家的工業，國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。可見蘋果iPhone 4之所以能夠讓眾多消費者吸引，自身的創新才是王道。

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三軸陀螺儀的應用

    別看一個小小的陀螺儀，它的進化到現在已經逐漸被我們所認知。上圖中的代步車子，相信我們已經有所耳聞，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。可見三軸陀螺儀在未來的發展空間還是非常廣闊的，並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，並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於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，則採用改變噴氣方向的方法來校正飛行方向。

    小到手機大到飛彈甚至太空梭，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麼？那麼你可以簡單的理解為就是3D版的重力感應。而現在對於絕大多數手機遊戲中應用此技術的可以說寥寥無幾，那麼筆者就給您介紹一款iPhone 4手機中，擁有三軸陀螺儀技術的遊戲——《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，那麼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於操控方面，而後者陀螺儀則更側重於應用方面，那麼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。