九轴传感器的原理和在VR中的应用

李凯生

2018-11-7 16:03:31

2380 九轴传感器陀螺仪

九轴传感器、九轴体感追踪、感测芯片……越来越多的VR在都在宣传“九轴传感器”的概念，这似乎成了VR硬件的新标准。到底什么是九轴传感器？如何发挥作用呢？

　　什么是九轴传感器

　　传感器（sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将信息按一定规律转换成电信号，进行传输、处理、存储、显示、记录等。传感器的类型有很多，如声音传感器（常见的声控灯）、温度传感器（电水壶）等等，被广泛应用在各类电子产品中。

　　所谓九轴传感器，其实三种传感器的组合：3轴加速传感器、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘（地磁传感器）。三个部分作用不同，相互配合，是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件，应用于各类软件、游戏中的交互控制。

　　加速传感器

　　加速传感器是测量空间中各方向加速度的。它利用一个“重力块”的惯性，传感器在运动的时候，“重力块”会对X、Y、Z方向（前后左右上下）产生压力，再利用一种压电晶体，把这种压力转换成电信号，随着运动的变化，各方向压力不同，电信号也在变化，从而判断手机的加速方向和速度大小。比如你突然把手机往前推，传感器就知道你是在向前加速了。

　　陀螺仪

　　陀螺仪是一种用于测量角度以及维持方向的设备，在飞行游戏，体育类游戏和第一视角类射击等游戏中，可以完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果。下图是一个最基础的机械陀螺仪模型，中间金色的转子在整个仪器的运动中，它因为惯性作用不受影响，而周边三个“钢圈”则会因为设备改变姿态而改变，通过这样来检测设备当前的旋转状态。

　　其实，在我们的手机等电子产品中的陀螺仪并不长这个样子。它和加速传感器一样也是一个微电子元件，利用科里奥利力，通过连续震动的振子在旋转系统中的运动偏移，改变威廉希尔官方网站状态，引起相关电参数的变化，从而可以反映出左右倾斜、前后倾斜和左右摇摆等运动情况。

　　什么是科里奥利力？假设在一个逆时针转动的圆盘中央O点有个运动员（O点不动），要把篮球传给站在边缘A点的另一个运动员，当他沿OA直线方向投球后，A点的运动员会发现篮球向右偏转，最终落在A'点。以转动的圆盘为参照系，篮球仿佛受到一股向右的力，从而发生偏移，这个力就称为科里奥利力。

电子罗盘（地磁传感器）

　　利用加速传感器和陀螺仪，基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动，也会产生累计偏差，不能准确描述运动姿态，比如操控画面发生倾斜。电子罗盘（地磁传感器）利用测量地球磁场，通过绝对指向功能进行修正补偿，可以有效解决累计偏差，从而修正人体的运动方向、姿态角度、运动力度和速度等。

　　传感器需配合算法程序

　　九轴传感器作为集成化传感器模块，减少了威廉希尔官方网站板和整体空间，更适合用在轻巧便携的电子设备和可穿戴产品中。集成化传感器的数据准确度除了器件本身的精度外，还涉及到焊接装配后的矫正，以及针对不同应用的配套算法。合适的算法可以将来自多种传感器的数据融合，弥补了单个传感器在计算准确的位置和方向时的不足，从而实现高精度的运动检测。

　　九轴传感器在VR中的应用

　　九轴传感器已经被应用于多哚H1等高端手机VR产品中，区别于市面上几十元的Carboard类玩具版VR，拥有自带传感器并实时采样，并利用复杂的融合运算提高精度减小误差，极大提高了VR的体验效果，尤其在体感交互、游戏等方面优势更加突出。如今，传感器作为手机VR的门槛，已经成为消费者购买VR产品的重要选择标准。