动作感应背后的秘密

 看过汤姆-嗑螺丝的《少数派报告（Minority Report）》吗？在这部电影里面，汤姆-嗑螺丝动动手指，就把电脑耍的团团转，打个手势，机器人就会按照他的想法干活去。整部电影里几乎没出现过什么键盘鼠标。事实上，几乎所有未来派人士都认为，键盘鼠标这种老旧的输入设备终究会变成历史。在未来我们输入文字只需要动嘴，指示电脑运行只要比划几下。

你觉得这样的日子很遥远吗？其实在任天堂Wii上我们已经看到了简单运动感应的雏形，究竟老任用了什么方法让WIi了解我们正在比划些什么？水果牌又是怎么样在你把iPhone放倒的时候自动转换屏幕？接下来的新技术研习社，会带你逐步靠近动作感应背后的秘密。

动作感应真的那么神奇？让我们从Wiimote入手

如果你玩过Wii的首发游戏Wii Sport，你不难发现网球游戏中你每个挥拍动作，都将实时反映在屏幕上，在拳击游戏中你左右手出拳也将即时看到效果。许多人以为这是Wii附带的那个红外感应条的功劳，认为红外感应条可以探测和感知玩家的动作。而实际上当我们拆开Wii附带的红外感应条后，发现里面只有几个发光二极管而已。究竟任天堂施展了什么魔法，让WIi具有动作感应功能？

在玩各种Wii游戏时我们发现，即便控制器没有瞄准电视机上方的接收器，游戏也同样可以感受到你的运动。这就意味着Wii的游戏控制器并不需要进行红外线接受和发送，就能知道用户的动作和速度。而Wii游戏控制器上的红外线功能，更多的是为瞄准射击等操作准备的。带着这样的疑问，我们拆开了Wiimote控制器，在Wiimote控制器上除了一颗Boardcom蓝牙芯片外，我们找到了动作感应的答案——三轴加速度感应芯片。

 

在Wiimote上使用的是一片来自Analog Device的ADXL330 MEMS（微机电系统）三轴加速度传感芯片。这个传感芯片能够在三个轴向（x,y,z）上感知+-3G的加速度，并且采用模拟的方式输出结果。这就意味着在三个轴向上我们运动速度越大，ADXL330输出的电压越强，反之输出的电压越小。看到这里许多读者会有一个疑问，这个三轴加速度计只能感应速度大小，那怎么Wii得知我做了哪些动作呢？其实只要得知加速度以后，根据各种计算公式，就可以很容易的得知倾斜角、重量、位置等信息，在Wiimote将这些信息通过蓝牙发回主机以后，程序就能轻松得知用户当前做了什么动作。在Wii的左手控制器上，同样安装了一颗来自意法半导体的MEMS三轴加速度计，通过小小的两颗芯片，Wii让动作感应走进了普通家庭，也让SONY PS3吃了大亏。

接下来我们顺藤摸瓜，顺流至上，顺应民意的在Analog Device公司网站上找到了ADXL330 MEMS传感器详细介绍。这时候我们才发现个传感器的售价还不到6美元！都说姜还是老的辣，老任让众多MM为之倾倒的独门秘籍，实现起来只花费了不到10美元！

你千万别小看身价低贱的三轴加速度传感器——就在这片如指甲大小的芯片背后，蕴涵着人类科技的巨大进步。要知道，在MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）技术问世以前，一个普通三轴加速度传感器的体积有快餐饭盒那么大。

早期MEMS加速度传感器是根据压电效应的原理来工作。所谓的压电效应就是 “对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 “。加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。

而压电式加速度传感器由于测量精度低下，已经逐步沦落低端。包括任天堂在内的大部分厂商，都采用了电容式加速度传感器。电容式加速度传感器采用交叉式梳形硅结构来感应加速度。在电容式加速度传感器内部，具有较大质量的硅质量块和梳形感应器。除此以外，质量块还与活动臂相连，而固定臂与周围的活动臂形成了固定电容结构。至于梳状感应器则由硅材料经过加工形成的类似于弹簧的力学结构，它可以产生一定的形变，让质量块做小幅度的移动。

当加速度计连同外界物体一起加速运动时，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梳装感应器和阻尼器的限制。该位移与外界加速度具有对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时，质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，活动臂和固定臂之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了质量块的位移

既然质量块的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。在三轴电容式加速度传感器中，多个可移动梳状传感器单元以正交群封装，每个方向上的加速通过测量实现与该轴相关的可移动元件的变动原理，然后检测到的运作由传感器转化成模拟或数字信号。

动作感应还能用在那些东西上面？

尽管我们在文章中多次提及Wii，但Wii不过是这场由传感器发起的消费电子革命的启蒙者而已。在过去的一年间，许多消费电子厂商都将加速度传感器作为旗下产品卖点。韩国LG电子公司手机滑雪板游戏，屏幕里的滑雪板利用加速度传感器操作。左右倾斜机身，滑雪板会根据机身动作改变行进方向；前后倾斜机身，滑雪板则根据机身动作加减速度。

 

Pantech公司的手机“PH-S6500”具有跑步测量功能。内置3轴加速度传感器，可以检测行走或跑步动作，在屏幕上显示步数、移动距离与移动速度等。该款手机还内置地磁传感器，从而具备高度计（altimeter）与电子指南针功能。三星手机内置3轴加速度传感器与地磁传感器。如果拿着手机在空中划出“2”的字样，手机可以识别出“2”。可识别的数字有“1”～“5”，如果将这五个数字分别分配给特定的电话号码，可以做为缩位拔号功能来使用。

 

除了手机以外，Thinkpad笔记本电脑里面的硬盘保护功能，实际上也是通过三轴加速度传感器来监控笔记本姿态。而Nikon D3等顶级数码单反中的水平仪功能也是三轴传感器的功劳。值得一提的是，当今所有汽车都采用三轴传感器来控制冲击器，以确认受到撞击的时候气囊是否应该弹出。

随着微电机技术的发展和传感器的不断进步，未来我们手表衣服鞋子里面，可能都会有他们的身影。到时候我们随便做个动作，就能控制电脑或者机器人做各种操作。下次你再看见有人炫耀iPhone的屏幕自动翻转功能，或者索尼爱立信手机的晃动选曲功能时，大可以语重心长的告诉他们，这不过是MEMS三轴加速度传感器的功劳而已