Żyroskop to czujnik, który mierzy prędkość obrotu względem układu inercjalnego. W konsekwencji rejestruje wszystkie kolejne zmiany orientacji podczas obrotu. Ponadto, ponieważ układ współrzędnych Ziemi sam się obraca, żyroskop leżący na ziemi również wykryje prędkość obrotu Ziemi — około 15° na godzinę. Żyroskopy zazwyczaj wyrażają dane wyjściowe w stopniach na sekundę (°/s) lub radianach na sekundę (rad/s).
Jak to działa?
W zastosowaniach praktycznych systemy integrują prędkości obrotowe z wysoką częstotliwością, aby określić orientację czujnika z dużą precyzją. Dlatego też zasada ta stanowi podstawę wszystkich czujników inercyjnych, w tym pionowych żyroskopów, systemów odniesienia położenia i heading (AHRS), modułów odniesienia ruchu (MRU) i inercyjnych systemów nawigacyjnych (INS).
Ponadto odgrywają one kluczową rolę w określaniu pozycji i prędkości w ramach INS. Dodatkowo, żyroskopy o najwyższej wydajności – zazwyczaj zamknięte pętle światłowodowe (FOG) – bezpośrednio mierzą obrót Ziemi bez potrzeby szacowania odchyleń. W rezultacie czujniki te mogą określić heading bez polegania na jakimkolwiek zewnętrznym odniesieniu, co jest funkcjonalnością znaną jako gyrokompasowanie. Istnieją jednak alternatywne techniki określania heading, które pomagają zmniejszyć surowe ograniczenia dotyczące tej technologii.
Efekty Coriolisa i Sagnaca w żyroskopach
Jeśli chodzi o zasadę działania, żyroskopy SBG Systems wykorzystują dwa podstawowe efekty fizyczne do pomiaru obrotu: efekt Coriolisa i efekt Sagnaca. W szczególności efekt Coriolisa jest wykorzystywany przez żyroskopy MEMS. Kiedy masa testowa wibruje w kierunku X, obrót wokół prostopadłej osi Z generuje siłę, która powoduje ruch wzdłuż osi Y.
W związku z tym, kilka architektur MEMS wykorzystuje tę zasadę, zazwyczaj używając wibrujących belek lub pierścieni. Warto zauważyć, że rzeczywista wydajność tych żyroskopów różni się w zależności od czynników, takich jak rozmiar i jakość elementu MEMS, obudowa czujnika oraz techniki mechaniczne i przetwarzania sygnałów.
Żyroskopy optyczne, takie jak FOG, wykorzystują efekt Sagnaca do pomiaru rotacji. W tej metodzie dwa źródła światła poruszają się w przeciwnych kierunkach—jedno zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a drugie przeciwnie. Gdy nie ma rotacji, fale świetlne docierają jednocześnie; jednak podczas rotacji jedna ścieżka wydłuża się, a druga skraca. W konsekwencji generuje to interferencję, którą można zmierzyć, aby wywnioskować prędkość kątową.
Zastosowania żyroskopów w nawigacji inercyjnej
Wspólnie, te zasady umożliwiają żyroskopom dostarczanie precyzyjnych i niezawodnych danych o ruchu w szerokim zakresie zastosowań.
Lotnictwo
W lotnictwie są one kluczowe dla nawigacji i stabilności statków powietrznych. Są one używane w następujących systemach:
- Wskaźniki położenia: Przyrządy te wyświetlają orientację statku powietrznego względem horyzontu, pomagając pilotom w utrzymaniu prawidłowego kąta pitch i roll.
- Systemy autopilota: Żyroskopy dostarczają informacji zwrotnych do systemów autopilota, umożliwiając automatyczne sterowanie heading, wysokością i kierunkiem lotu statku powietrznego.
- Inercyjne systemy nawigacyjne (INS): INS wykorzystują żyroskopy do śledzenia ruchu i orientacji statku powietrznego, zapewniając dokładne informacje o położeniu, nawet gdy sygnały GPS są niedostępne.
Nawigacja morska
W nawigacji morskiej, żyroskopy pomagają w utrzymaniu stabilności i kursu statków oraz okrętów podwodnych:
- Żyrokompasy: Żyrokompasy dostarczają precyzyjne informacje o kierunku, niezależne od pola magnetycznego Ziemi, pomagając nawigatorom w utrzymaniu stabilnego kursu.
- Systemy stabilizacji wykorzystują te czujniki do redukcji rolling i pitching, zwiększając komfort pasażerów i zapewniając bezpieczeństwo.
Przestrzeń kosmiczna
W przypadku statków kosmicznych i satelitów, żyroskopy są niezbędne do orientacji i kontroli:
- Systemy Kontroli Orientacji: Żyroskopy pomagają kontrolować orientację statku kosmicznego, dostarczając precyzyjne pomiary ruchów obrotowych, kluczowe dla zadań takich jak dokowanie, pozycjonowanie i manewrowanie.
- Inercyjne Jednostki Pomiarowe (IMU): IMU, które zawierają żyroskopy, zapewniają nawigację i stabilizację, aby zapewnić dokładne pozycjonowanie i kontrolę w przestrzeni kosmicznej.
