Гіроскоп

Повернутися до глосарію

Гіроскоп — це датчик, який вимірює швидкість обертання відносно інерціальної системи координат. Отже, він фіксує всі подальші зміни орієнтації під час обертання. Крім того, оскільки сама система координат Землі обертається, гіроскоп, що лежить на землі, також виявить швидкість обертання Землі — приблизно 15° на годину. Гіроскопи зазвичай виражають вихідні дані в градусах за секунду (°/с) або радіанах за секунду (рад/с).

Як це працює?

У практичних застосуваннях системи інтегрують швидкості обертання з високою частотою для визначення орієнтації датчика з великою точністю. Тому цей принцип становить основу всіх інерціальних датчиків, включаючи вертикальні гіроскопи, системи орієнтації та курсозадання (AHRS), блоки вимірювання руху (MRU) та інерціальні навігаційні системи (INS).

Крім того, вони відіграють вирішальну роль у визначенні положення та швидкості в рамках систем INS. На додаток до цього, найпродуктивніші гіроскопи — зазвичай волоконно-оптичні гіроскопи із замкнутим контуром (FOG) — безпосередньо вимірюють обертання Землі без необхідності оцінки зсуву. В результаті ці датчики можуть визначати heading без опору на будь-яке зовнішнє посилання, функціонал, відомий як гірокомпасне визначення курсу. Проте існують і альтернативні методи визначення heading, що допомагає знизити жорсткі обмеження для цієї технології.

Ефекти Коріоліса та Саньяка в гіроскопах

Що стосується принципу дії, SBG Systems використовують два основні фізичні ефекти для вимірювання обертання: ефект Коріоліса та ефект Сагнака. Зокрема, ефект Коріоліса застосовується в гіроскопах MEMS. Коли випробувальна маса вібрує у напрямку X, обертання навколо перпендикулярної осі Z створює силу, яка спричиняє рух уздовж осі Y.

Відповідно, цей принцип реалізується в декількох архітектурах МЕМС, зазвичай із використанням вібруючих балок або кілець. Варто зазначити, що фактичні характеристики цих гіроскопів залежать від таких факторів, як розмір і якість МЕМС-елементів, конструкція корпусу датчика, а також методи механічної обробки та обробки сигналів.

Оптичні гіроскопи, такі як FOG, використовують ефект Саньяка для вимірювання обертання. У цьому методі два джерела світла рухаються по колу в протилежних напрямках — одне за годинниковою стрілкою, а інше проти годинникової стрілки. Коли обертання відсутнє, світлові хвилі досягають точки одночасно; однак під час обертання один шлях подовжується, а інший — скорочується. Як наслідок, це створює інтерференцію, яку можна виміряти для визначення кутової швидкості.

Застосування гіроскопів в інерціальній навігації

У сукупності ці принципи дозволяють гіроскопам забезпечувати точні та надійні дані про рух у широкому спектрі застосувань.

Авіація

В авіації вони мають вирішальне значення для навігації та стійкості літаків. Вони використовуються в таких системах:

• Індикатори положення: Ці прилади показують орієнтацію літака відносно горизонту, допомагаючи пілотам підтримувати правильні roll pitch roll .
• Системи автопілота: Гіроскопи передають інформацію системам автопілота, забезпечуючи автоматичне регулювання heading, висоти та heading літака.
• Інерціальні навігаційні системи (INS): INS покладаються на гіроскопи для відстеження руху та орієнтації повітряного судна, надаючи точну інформацію про положення навіть тоді, коли сигнали GPS недоступні.

Морська навігація

Що стосується морської навігації, гіроскопи допомагають підтримувати стійкість і курс кораблів та підводних човнів:

• Гірокомпаси: Гірокомпаси надають точну інформацію про напрямок руху, незалежну від магнітного поля Землі, допомагаючи навігаторам утримувати стабільний курс.
• Системи стабілізації використовують ці датчики для зменшення крену та килювання, підвищуючи комфорт пасажирів та забезпечуючи безпеку.

Простір

Для космічних апаратів і супутників гіроскопи є незамінними для орієнтації та керування:

• Системи управління орієнтацією: Гіроскопи допомагають контролювати орієнтацію космічного апарата, забезпечуючи точні вимірювання обертальних рухів, що є надзвичайно важливим для виконання таких завдань, як стикування, позиціонування та маневрування.
• Інерціальні вимірювальні блоки (IMU): IMU, які включають гіроскопи, забезпечують навігацію та стабілізацію для точного позиціонування та керування в просторі.