Żyroskop

Powrót do słownika

Żyroskop to czujnik, który mierzy prędkość rotacji względem układu odniesienia inercjalnego. W rezultacie rejestruje wszystkie kolejne zmiany orientacji podczas obrotu. Ponadto, ponieważ sam układ współrzędnych Ziemi rotuje, żyroskop leżący na ziemi wykryje również prędkość rotacji Ziemi – wynoszącą około 15° na godzinę. Żyroskopy zazwyczaj wyrażają wynik 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 zasade działania, żyroskopy SBG Systems wykorzystują dwa główne efekty fizyczne do pomiaru rotacji: efekt Coriolisa oraz efekt Sagnaca. W szczególności efekt Coriolisa jest wykorzystywany przez żyroskopy MEMS. Kiedy masa próbna wibruje w kierunku osi X, rotacja wokół prostopadłej osi Z generuje siłę, która wywołuje ruch wzdłuż osi Y.

W związku z tym kilka architektur MEMS wdraża tę zasadę, zazwyczaj wykorzystując wibrujące belki lub pierścienie. Warto zauważyć, że rzeczywista wydajność tych żyroskopów różni się w zależności od takich czynników, jak rozmiar i jakość elementów MEMS, obudowa czujnika oraz techniki przetwarzania mechanicznego i sygnałowego.

Żyroskopy optyczne, takie jak FOG, wykorzystują efekt Sagnaca do pomiaru rotacji. W tej metodzie dwa źródła światła krążą 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 się wydłuża, a druga skraca. W rezultacie generuje to interferencję, którą można zmierzyć, aby wywnioskować prędkość kątową.

Zastosowania żyroskopów w nawigacji inercyjnej

Wszystkie te zasady sprawiają, że żyroskopy dostarczają precyzyjne i wiarygodne dane dotyczące ruchu w szerokim zakresie zastosowań.

Lotnictwo

W lotnictwie mają one kluczowe znaczenie dla nawigacji i stabilności samolotu. Znajdują zastosowanie 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.
• Systemy nawigacji inercyjnej (INS): INS opierają się na żyroskopach w celu śledzenia ruchu i orientacji statku powietrznego, zapewniając dokładne informacje o pozycji nawet wtedy, 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

W przypadku statków kosmicznych i satelitów żyroskopy mają kluczowe znaczenie dla orientacji i sterowania:

• Systemy sterowania położeniem: Żyroskopy pomagają kontrolować orientację statków kosmicznych, zapewniając precyzyjne pomiary ruchów obrotowych, co ma kluczowe znaczenie dla takich zadań, jak dokowanie, pozycjonowanie i manewrowanie.
• Inercyjne jednostki pomiarowe (IMU): IMU, które obejmują żyroskopy, zapewniają nawigację i stabilizację, aby zagwarantować precyzyjne pozycjonowanie i kontrolę w przestrzeni.