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發(fā)布日期:2022-10-09 點(diǎn)擊率:552
傳感器和加速度傳感器的區(qū)別與聯(lián)系
陀螺儀原理?
陀螺儀的原理就是,一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí),是不會改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理,用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指 示的方向,并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。我們騎自行車其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒,因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量。
陀螺儀又叫角速度傳感器,是不同于加速度(G-sensor)的,他的測量物理量是偏轉(zhuǎn)、傾斜時(shí)的轉(zhuǎn)動角速度。在手機(jī)上,僅用加速度計(jì)沒辦法測量或重構(gòu)出完整的3D動作,測不到轉(zhuǎn)動的動作的,G-sensor只能檢測軸向的線性動作。但陀螺儀則可以對轉(zhuǎn)動、偏轉(zhuǎn)的動作做很好的測量,這樣就可以精確分析判斷出使用者的實(shí)際動作。
陀螺儀,原理:用在手機(jī)里面的陀螺儀都是MEMS陀螺儀,里面的微機(jī)械結(jié)構(gòu)為振動件,如下圖(不同意排名最高的說法,有旋轉(zhuǎn)件的是傳統(tǒng)的陀螺儀),通過測量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏加速度來獲得角速度。用途:照相防抖,以及配合加速度計(jì)(有的還有磁傳感器)形成的組合傳感器來完成特定的功能(如慣性導(dǎo)航,還有玩游戲時(shí)的一些角速度測試)
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加速度計(jì)原理
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是個(gè)常量,比如g,也可以是變量。加速度計(jì)有兩種:一種是角加速度計(jì),是由陀螺儀(角速度傳感器)的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
線加速度計(jì)的原理是慣性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(慣性力)/M(質(zhì)量) 我們只需要測量F就可以了。怎么測量F?用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。
通過測量由于重力引起的加速度,你可以計(jì)算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。
?加速度計(jì),原理:用在手機(jī)里的加速度計(jì)同樣是MEMS的,也是由振動結(jié)構(gòu),由于外界加速度會影響結(jié)構(gòu)的振動特性,由此來測量加速度。
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?什么是線性加速度計(jì)?由于加速度計(jì)的輸出包含了重力加速度,線性加速度計(jì)簡單來說就是排除了重力加速度的影響得到的值。
?線性加速度傳感器是加速度傳感器減去重力影響獲取的數(shù)據(jù)。
單位是m/s^2,坐標(biāo)系統(tǒng)與加速度傳感器相同。
加速度傳感器、重力傳感器和線性加速度傳感器的計(jì)算公式如下:
加速度 = 重力 + 線性加速度(acceleration = gravity?+ linear_acceleration?)
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陀螺儀傳感器和加速度傳感器的區(qū)別:
陀螺儀測角速度的,加速度是測線性加速度的。前者是慣性原理,后者是利用的力平衡原理。
加速度計(jì)在較長時(shí)間的測量值是正確的,而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號噪聲的存在,而有誤差。陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確而較長時(shí)間則會有與漂移而存有誤差。因此,需要兩者(相互調(diào)整)來確保航向的正確。
區(qū)別:從原理來說,陀螺儀和加速度計(jì)都是通過振動測量加速度的,只不過陀螺儀測量的是科氏加速度,而加速度計(jì)是測量的直接加速度。MEMS陀螺儀可以簡單理解為一個(gè)諧振器+加速度計(jì)。因此陀螺儀的結(jié)構(gòu)要比加速度計(jì)復(fù)雜得多,技術(shù)也難得多。?
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當(dāng)前Android設(shè)備中已經(jīng)集成進(jìn)數(shù)十個(gè)傳感器,我們比較常見的有加速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器等。
雖然種類繁多,但在framework中僅僅提供了幾個(gè)類和接口就把傳感器相關(guān)的功能搞定了。下面我們以加速度傳感器為例,引領(lǐng)大家走入Android傳感器的世界。
傳感器世界的坐標(biāo)系
x軸:從左到右
y軸:從下到上
z軸:從內(nèi)到外
這個(gè)坐標(biāo)系與Android 2D API中的不同,傳感器中的返回值都以此坐標(biāo)系為準(zhǔn)。
API概況
sensor相關(guān)API被放到了android.hardware包下,我們主要使用的類有三個(gè):Sensor、SensorEvent、SensorManager以及一個(gè)SensorEventListener接口。
SensorManager順其自然的擔(dān)任起管理的工作,負(fù)責(zé)注冊監(jiān)聽某Sensor的狀態(tài);Sensor的數(shù)據(jù)通過SensorEvent返回。
獲得設(shè)備中所有可用sensor
SensorManager提供getSensorList方法,傳入TYPE_ALL,即可得到當(dāng)前設(shè)備所有傳感器。
Sensor編碼套路
不同的傳感器被提取共性后,由上面的編碼套路規(guī)定起來,一切就變得如此簡單啦。
加速度傳感器的背景
這里的加速度特指重力加速度,所以在靜止時(shí)重力傳感器的返回值與加速度傳感器值相同。
地表上靜止物體的重力加速度約為9.8 m/s^2.
借用SensorManager中的常量:
public static final float STANDARD_GRAVITY = 9.F;
我們可以借助三軸上的值來確定設(shè)備的狀態(tài)(請參考上面的坐標(biāo)圖),比如:
1、當(dāng)x軸的值接近重力加速度時(shí),說明設(shè)備的左邊朝下。
2、當(dāng)x軸的值接近負(fù)的g值時(shí),說明設(shè)備的右邊朝下。
3、當(dāng)y軸的值接近g值時(shí),說明設(shè)備的下邊超下(與上圖一樣)。
4、當(dāng)y軸的值接近負(fù)的g值時(shí),說明設(shè)備的上邊朝下(倒置)。
5、當(dāng)z軸的值接近g值時(shí),說明設(shè)備的屏幕朝上。
6、當(dāng)z軸的值接近負(fù)的g值時(shí),說明設(shè)備屏幕朝下。
具體代碼如下:
文章內(nèi)容部分參考于:
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百度google上確實(shí)有專業(yè)的科學(xué)的回答,但大家從原理,區(qū)別,用途三點(diǎn)討教一下。
我總結(jié)的,請各位批評指正:
前提:手機(jī)左右方向是x軸、上下方向是y軸、垂直于屏幕的是z軸。
1. 線性加速度器
| 施力者:線性加速度引起的慣性力;
| 原理:測量x、y、z軸的線性加速度,計(jì)算出速度和路徑
| 用途:微信搖一搖
2. 陀螺儀(三軸)
| 施力者:角動量引起的扭力
| 原理:測量x、y、z軸的轉(zhuǎn)動加斯度
| 用途:google星空,iOS的射擊游戲
3. 重力感應(yīng)器
| 施力者:地球的萬有引力
| 原理:測量萬有引力對x、y、z軸的作用力,來判斷手機(jī)的水平面,從而計(jì)算出手機(jī)屏幕和水平面的交角?
| 用途:iOS的照片自動翻轉(zhuǎn)、重力滾珠迷宮
陀螺儀就是內(nèi)部有一個(gè)陀螺,陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn),由于輪子的角動量,陀螺儀有抗拒方向改變的特性,它的軸由于陀螺效應(yīng)始終與初始方向平行,這樣就可以通過與初始方向的偏差計(jì)算出實(shí)際方向。手機(jī)里陀螺儀實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)非常精密的芯片,內(nèi)部包含超微小的陀螺。陀螺儀測量是參考標(biāo)準(zhǔn)是內(nèi)部中間在與地面垂直的方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動的陀螺。通過設(shè)備與陀螺的夾角得到結(jié)果。陀螺儀的強(qiáng)項(xiàng)在于測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對設(shè)備自身運(yùn)動更擅長。但不能確定設(shè)備的方位。(線性)加速計(jì)是用來檢測手機(jī)受到的加速度的大小和方向的,而手機(jī)靜置的時(shí)候是只受到重力加速度。所以很多人把加速計(jì)功能又叫做重力感應(yīng)功能。加速計(jì)是以內(nèi)部測量組件在各個(gè)方向上的受力情況來得到結(jié)果。加速計(jì)的強(qiáng)項(xiàng)在于測量設(shè)備的受力情況。對設(shè)備相對外部參考物(比如,地面)的運(yùn)動更擅長。另外,磁力計(jì)和GPS定位有時(shí)候也會同時(shí)輔助來做一項(xiàng)探測。不認(rèn)為陀螺儀等同于非線性加速器。
重力傳感器,重力感應(yīng)器,加速度傳感器,g sensor,加速度計(jì)是一回事。
陀螺儀
原理:用在手機(jī)里面的陀螺儀都是MEMS陀螺儀,里面的微機(jī)械結(jié)構(gòu)為振動件,如下圖(不同意排名最高的說法,有旋轉(zhuǎn)件的是傳統(tǒng)的陀螺儀),通過測量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏加速度來獲得角速度。
用途:照相防抖,以及配合加速度計(jì)(有的還有磁傳感器)形成的組合傳感器來完成特定的功能(如慣性導(dǎo)航,還有玩游戲時(shí)的一些角速度測試)
來源:百度圖片。意法半導(dǎo)體的3軸陀螺儀MEMS芯片結(jié)構(gòu)
加速度計(jì)
原理:用在手機(jī)里的加速度計(jì)同樣是MEMS的,也是由振動結(jié)構(gòu),由于外界加速度會影響結(jié)構(gòu)的振動特性,由此來測量加速度。
用途:用途很多,只要跟手機(jī)運(yùn)動相關(guān)的幾乎都與加速度計(jì)有關(guān)(計(jì)步、手機(jī)的姿態(tài)測量、相關(guān)的游戲等等)
什么是線性加速度計(jì)?由于加速度計(jì)的輸出包含了重力加速度,線性加速度計(jì)簡單來說就是排除了重力加速度的影響得到的值。
重力感應(yīng)儀
原理:嚴(yán)格來說,重力感應(yīng)儀就是加速度計(jì)。像手機(jī)里面說的重力感應(yīng)器、方向感應(yīng)器等等都是基于加速度計(jì)、陀螺儀、磁傳感器(有的還有GPS)的數(shù)據(jù)獲得的派生傳感器。
區(qū)別:
加速度計(jì)和陀螺儀:從原理來說,陀螺儀和加速度計(jì)都是通過振動測量加速度的,只不過陀螺儀測量的是科氏加速度,而加速度計(jì)是測量的直接加速度。MEMS陀螺儀可以簡單理解為一個(gè)諧振器+加速度計(jì)。因此陀螺儀的結(jié)構(gòu)要比加速度計(jì)復(fù)雜得多,技術(shù)也難得多。
重力傳感器,方向傳感器(電子羅盤),旋轉(zhuǎn)傳感器(姿態(tài)傳感器):這三種都是派生的3D傳感器。重力傳感器是通過測量重力加速度方向來判斷重力的方向,那跟旋轉(zhuǎn)傳感器有什么區(qū)別呢?旋轉(zhuǎn)傳感器用到了陀螺儀的數(shù)據(jù),在動態(tài)情況(比如你在邊走邊看手機(jī))也能很好的判斷手機(jī)的姿態(tài)角。方向傳感器則是主要通過磁傳感器來測量地磁場來判斷方向(類似指南針的作用),有時(shí)還需要配合GPS(各地的磁場不一樣)。這些傳感器能配合非常多的應(yīng)用,如地圖導(dǎo)航(手機(jī)上傳感器的精度還不能滿足慣導(dǎo),主要是充當(dāng)輔助的作用,比如判斷你的朝向)。
--利益相關(guān)---
傳感器方向博士僧
我寫了一個(gè)安卓的手勢軟件-微動手勢,專門使用陀螺儀來檢測微小的手勢,當(dāng)初我也嘗試檢測了各種傳感器,最終發(fā)現(xiàn)陀螺儀是最合適的,簡單的說:
陀螺儀適合檢測轉(zhuǎn)動角速度,并且一般手機(jī)都可以做到三軸,識別精度可以很高,參考下面的視頻。加速度傳感器和重力傳感器在手機(jī)里通常是一個(gè)物理傳感器,只是推導(dǎo)得到不同的數(shù)據(jù),適合檢測線性的運(yùn)行加速度和手機(jī)姿態(tài)。
使用陀螺儀的演示視頻:
對于不熟悉這類產(chǎn)品的人來說,陀螺儀傳感器是一個(gè)簡單易用的基于自由空間移動和手勢的定位和控制系統(tǒng)。在假想的平面上揮動鼠標(biāo),屏幕上的光標(biāo)就會跟著移動,并可以繞著鏈接畫圈和點(diǎn)擊按鍵。當(dāng)你正在演講或離開桌子時(shí),這些操作都能夠很方便地實(shí)現(xiàn)。 陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)模型上的,已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于手機(jī)這類移動便攜設(shè)備上(IPHONE的三軸陀螺儀技術(shù))。
陀螺儀傳感器工作原理:
陀螺儀的原理就是,一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí),是不會改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理,用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指 示的方向,并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。我們騎自行車其實(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒,因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量。現(xiàn)代陀螺儀可以 精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器,它在現(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(dǎo)航儀器。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要部分有機(jī)械式的陀螺儀,而機(jī)械 式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高。70年代提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想,到八十年代以后,光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展,激光諧振陀螺儀也有了很 大的發(fā)展。光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊,靈敏度高,工作可靠。光纖陀螺儀在很多的領(lǐng)域已經(jīng)完全取代了機(jī)械式的傳統(tǒng)的陀螺儀,成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中的關(guān)鍵部件。光纖陀螺儀同時(shí)發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外。
陀螺儀傳感器應(yīng)用:
1、國防工業(yè)
陀螺儀傳感器原本是運(yùn)用到直升機(jī)模型上的,而它現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于手機(jī)這類移動便攜設(shè)備上,不僅僅如此現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器,所以陀螺儀傳感器是現(xiàn)代航空,航海,航天和國防工業(yè)應(yīng)用中的必不可少的控制裝置。陀螺儀傳感器是法國的物理學(xué)家萊昂·傅科在研究地球自轉(zhuǎn)時(shí)命名的,到如今一直是航空和航海上航行姿態(tài)及速率等最方便實(shí)用的參考儀表。
2、開門報(bào)警器
陀螺儀傳感器新的應(yīng)用:測量開門的角度,當(dāng)門被打開一個(gè)角度后,發(fā)出報(bào)警聲,或者結(jié)合GPRS模塊發(fā)送短信以提醒門被打開了。另外,陀螺儀傳感器集 成了加速度傳感器的功能,當(dāng)門被打開的瞬間,將產(chǎn)生一定的加速度值,陀螺儀傳感器將會測量到這個(gè)加速度值,達(dá)到預(yù)設(shè)的門檻值后,將發(fā)出報(bào)警聲,或者結(jié)合 GPRS模塊發(fā)送短信以提醒門被打開了。報(bào)警器內(nèi)還可以集成雷達(dá)感應(yīng)測量功能,主要有人進(jìn)入房間內(nèi)移動時(shí)就會被雷達(dá)測量到。雙重保險(xiǎn)提醒防盜,可靠性高, 誤報(bào)率低,非常適合重要場合的防盜報(bào)警。
加速度傳感器
加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力,就好比地球引力,也就是重力。加速力可以是個(gè)常量,比如g,也可以是變量。加速度計(jì)有兩種:一種是角加速度計(jì),是由陀螺儀(角速度傳感器)的改進(jìn)的。另一種就是線加速度計(jì)。
加速度傳感器工作原理:
線加速度計(jì)的原理是慣性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F(慣性力)/M(質(zhì)量) 我們只需要測量F就可以了。怎么測量F?用電磁力去平衡這個(gè)力就可以了。就可以得到 F對應(yīng)于電流的關(guān)系。只需要用實(shí)驗(yàn)去標(biāo)定這個(gè)比例系數(shù)就行了。當(dāng)然中間的信號傳輸、放大、濾波就是電路的事了。
多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。
加速度傳感器應(yīng)用:
通過測量由于重力引起的加速度,你可以計(jì)算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度,你可以分析出設(shè)備移動的方式。但是剛開始的時(shí)候,你會發(fā)現(xiàn)光測量傾角和加速度好像不是很有用。但是,工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。
陀螺儀傳感器和加速度傳感器的區(qū)別:
陀螺儀測角速度的,加速度是測線性加速度的。前者是慣性原理,后者是利用的力平衡原理。
加速度計(jì)在較長時(shí)間的測量值是正確的,而在較短時(shí)間內(nèi)由于信號噪聲的存在,而有誤差。陀螺儀在較短時(shí)間內(nèi)則比較準(zhǔn)確而較長時(shí)間則會有與漂移而存有誤差。因此,需要兩者(相互調(diào)整)來確保航向的正確。
今天找pid的資料突然找到了一個(gè),然后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)平衡車的教程,所以就記錄了下來,方便以后看,下面有鏈接所以可以去看一下這個(gè)網(wǎng)站。
1. 加速度傳感器
加速度傳感器,有些人也叫它加速度計(jì),你只要記住其實(shí)是一個(gè)東西兩個(gè)名字而已。
加速度傳感器,顧名思義,用于測量由地球引力作用或者物體運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度。
為了方便理解,我將加速度分為兩種:由地球引力產(chǎn)生的重力加速度,只要地球還在,重力就不會消失;由物體運(yùn)動產(chǎn)生的運(yùn)功加速度,根據(jù)牛二定理,只要有外力作用,便產(chǎn)生加速度。加速度傳感器測量的是這個(gè)加速度的總和。物體靜止加速度計(jì)測量的就是重力加速度。
2.陀螺儀
陀螺儀,沒錯(cuò),它就只叫陀螺儀,沒有其他名字。
陀螺儀,顧名思義,你猜不出它是干嘛的也很正常。但是,現(xiàn)在你要記住了,陀螺儀可以用來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。
我們小時(shí)候玩四驅(qū)車的時(shí)候,常說這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)每秒很牛逼,單位轉(zhuǎn)/秒,那你怎么知道它轉(zhuǎn)每秒,它這樣寫你就信了?如果我們有陀螺儀,把陀螺儀掛到電機(jī)軸上,那么陀螺儀測量的是旋轉(zhuǎn)角速度,再除于三百六十度(一轉(zhuǎn))就可以知道這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速了。實(shí)際上我們不會這樣測轉(zhuǎn)速-。 -,這里僅舉個(gè)例子讓你明白陀螺儀是干啥的。
陀螺儀利用了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物體會受到科里奧利力的原理。在陀螺儀中利用壓電陶瓷做成振動單元,當(dāng)旋轉(zhuǎn)(陀螺儀)時(shí)會改變振動頻率從而反映出物體旋轉(zhuǎn)的角速度。
要獲得角度,就需要對陀螺儀角速度進(jìn)行積分Angle+ 。Angle是帶有正負(fù)的,正值表示按正向旋轉(zhuǎn),負(fù)值表示按負(fù)向旋轉(zhuǎn)。具體怎么定義正負(fù)方向,就得看你的運(yùn)用了。
圖5 MPU-6050方向正負(fù)示意圖
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息,需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號存在微小 的偏差和漂移,經(jīng)過積分運(yùn)算之后,變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會隨著時(shí)間延長逐步 增加,最終導(dǎo)致電路飽和,無法形成正確的角度信。如圖6所示。
為什么要用加速度計(jì)和陀螺儀兩個(gè)傳感器?
似乎只需要加速度傳感器就可以獲得車模的傾角,再對此角度值進(jìn)行微分便可以獲得傾角速度。但在實(shí)際車體運(yùn)行過程中,由于車體本身的擺動所產(chǎn)生的加速度會產(chǎn)生很大的干擾信號,它疊加在上述測量信號上使得輸出信號無法準(zhǔn)確反映車體的傾角,如圖7所示。
圖7 車體運(yùn)動引起加速度信號波動
由于陀螺儀輸出的是車體的角速度,不會受到車體運(yùn)動的影響,因此該信號中噪聲很小。車體的角度又是通過對角速度積分而得,這可進(jìn)一步平滑信號,從而使得角度信號更加穩(wěn)定。因此車??刂扑枰慕嵌群徒撬俣瓤梢允褂猛勇輧x所得到的信號。
由于從陀螺儀角速度獲得角度信息,需要經(jīng)過積分運(yùn)算。如果角速度信號存在微小的偏差和漂移,經(jīng)過積分運(yùn)算之后,變化形成積累誤差。這個(gè)誤差會隨著時(shí)間延長逐步增加,最終導(dǎo)致電路飽和,無法形成正確的角度信號,如圖8所示。
圖8 陀螺儀積分誤差
如何消除陀螺儀的累積誤差呢?
一種簡單的方法就是通過加速度傳感器獲得的角度信息對此進(jìn)行校正。通過對比陀螺儀積分所得到的角度與重力加速度所得到的角度,使用它們之間的偏差改變陀螺儀的輸出,從而積分的角度逐步跟蹤到加速度傳感器所得到的角度。
一言蔽之,陀螺儀噪聲很小,角速度數(shù)據(jù)精準(zhǔn),通過積分得到角度,但是長期積分會產(chǎn)生累積誤差,需要加速度傳感器來校正此誤差,獲得正確的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
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