Ein Gyroskop ist ein Sensor, der die Drehrate in Bezug auf ein Inertialsystem misst. Folglich erfasst es alle anschließenden Änderungen der Ausrichtung, wenn es sich dreht. Da sich das Koordinatensystem der Erde selbst dreht, erfasst ein auf dem Boden liegendes Gyroskop auch die Rotationsrate der Erde - etwa 15° pro Stunde. Gyroskope geben ihre Leistung in der Regel in Grad pro Sekunde (°/s) oder Bogenmaß pro Sekunde (rad/s) an.
Wie funktioniert das?
In praktischen Anwendungen integrieren die Systeme Drehraten mit hoher Frequenz, um die Sensorausrichtung mit großer Präzision zu bestimmen. Daher bildet dieses Prinzip die Grundlage aller Trägheitssensoren, einschließlich vertikaler Gyroskope, lage und richtung (AHRS), Bewegungsreferenzeinheiten (MRU) und TrägheitsnavigationssystemeINS).
Darüber hinaus spielen diese eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung von Position und Geschwindigkeit in INS . Darüber hinaus messen die leistungsfähigsten Gyroskope - in der Regel faseroptische GyroskopeFOG) mit geschlossenem Regelkreis - direkt die Erdrotation, ohne dass eine Schätzung der Vorspannung erforderlich ist. Folglich können diese Sensoren die richtung bestimmen, ohne auf eine externe Referenz angewiesen zu sein, eine Funktion, die als Kreiselkompass bekannt ist. Es gibt jedoch auch alternative Techniken zur Bestimmung der richtung, was dazu beiträgt, die strengen Auflagen für diese Technologie zu verringern.
Der Coriolis- und der Sagnac-Effekt in Kreiseln
Die Kreisel von SBG Systems nutzen zwei wesentliche physikalische Effekte zur Messung der Rotation: den Coriolis-Effekt und den Sagnac-Effekt. MEMS-Gyroskope nutzen insbesondere den Coriolis-Effekt. Wenn eine Prüfmasse in X-Richtung schwingt, erzeugt eine Drehung um die senkrechte Z-Achse eine Kraft, die eine Bewegung entlang der Y-Achse bewirkt.
Dementsprechend setzen mehrere MEMS-Architekturen dieses Prinzip um, in der Regel mit vibrierenden Balken oder Ringen. Die tatsächliche Leistung dieser Gyroskope hängt von Faktoren wie der Größe und Qualität der MEMS-Elemente, der Anordnung der Sensoren und den mechanischen und Signalverarbeitungstechniken ab.
Optische Gyroskope, wie z. B. FOGs, nutzen den Sagnac-Effekt zur Messung der Rotation. Bei dieser Methode drehen sich zwei Lichtquellen in entgegengesetzte Richtungen - eine im Uhrzeigersinn und die andere gegen den Uhrzeigersinn. Wenn keine Drehung stattfindet, treffen die Lichtwellen gleichzeitig ein; während der Drehung verlängert sich jedoch ein Pfad, während sich der andere verkürzt. Dies führt zu Interferenzen, die gemessen werden können, um die Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen.
Anwendungen von Gyroskopen in der Trägheitsnavigation
Dank dieser Prinzipien liefern Gyroskope präzise und zuverlässige Bewegungsdaten für ein breites Spektrum von Anwendungen.
Luftfahrt
In der Luftfahrt sind sie entscheidend für die Navigation und Stabilität von Flugzeugen. Sie werden in den folgenden Systemen verwendet:
- lage : Diese Instrumente zeigen die Ausrichtung des Flugzeugs in Bezug auf den Horizont an und helfen dem Piloten, den richtigen nicken und rollen einzuhalten.
- Autopilot-Systeme: Gyroskope liefern Rückmeldungen an Autopilot-Systeme, die eine automatische Steuerung von richtung, Höhe und Kurs des Flugzeugs ermöglichen.
- Trägheitsnavigationssysteme (INS): INS nutzen Gyroskope, um die Bewegung und Ausrichtung des Flugzeugs zu verfolgen und liefern genaue Positionsdaten, selbst wenn keine GPS-Signale verfügbar sind.
Maritime Navigation
Im Bereich der Seeschifffahrt helfen Kreisel bei der Aufrechterhaltung der Stabilität und des Kurses von Schiffen und U-Booten:
- Kreiselkompasse: Kreiselkompasse liefern genaue, vom Erdmagnetfeld unabhängige Richtungsinformationen und helfen den Navigatoren, einen stabilen Kurs zu halten.
- Stabilisierungssysteme nutzen diese Sensoren, um Roll- und Nickbewegungen zu reduzieren und so den Fahrgastkomfort zu erhöhen und die Sicherheit zu gewährleisten.
Weltraum
Für Raumfahrzeuge und Satelliten sind Gyroskope für die Orientierung und Steuerung unerlässlich:
- lage : Gyroskope helfen bei der Steuerung der Ausrichtung von Raumfahrzeugen, indem sie präzise Messungen der Rotationsbewegungen liefern, die für Aufgaben wie Andocken, Positionierung und Manövrieren entscheidend sind.
- Trägheitsmessgeräte (IMUs): IMUs, zu denen auch Gyroskope gehören, dienen der Navigation und Stabilisierung, um eine genaue Positionierung und Steuerung im Weltraum zu gewährleisten.