Гіроскоп — це датчик, який вимірює швидкість обертання відносно інерційної системи відліку. Відповідно, він фіксує всі подальші зміни орієнтації під час обертання. Крім того, оскільки сама система координат Землі обертається, гіроскоп, розміщений на землі, також фіксуватиме швидкість обертання Землі — приблизно 15° на годину. Зазвичай гіроскопи вимірюють швидкість обертання в градусах за секунду (°/с) або радіанах за секунду (рад/с).
Як це працює?
У практичному застосуванні системи інтегрують показники кутової швидкості з високою частотою, щоб з великою точністю визначати орієнтацію датчика. Отже, цей принцип лежить в основі всіх інерційних датчиків, зокрема вертикальних гіроскопів та систем орієнтації та курсу (AHRS), блоків відстеження руху (MRU) та інерційних навігаційних систем (INS).
Крім того, вони відіграють вирішальну роль у визначенні положення та швидкості в INS . Крім того, найвисокопродуктивніші гіроскопи — зазвичай волоконно-оптичні гіроскопи із замкнутим контуром (FOG) — безпосередньо вимірюють обертання Землі без необхідності оцінки зміщення. Як результат, ці датчики можуть визначати heading покладаючись на жодні зовнішні опорні точки, — функціональність, відома як гірокомпас. Однак існують також альтернативні методи визначення heading, що допомагає зменшити суворі обмеження щодо 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 Саньяка. Зокрема, ефект Коріоліса застосовується в гіроскопах на основі мікроелектромеханічних систем (MEMS). Коли випробувальна маса вібрує у напрямку X, обертання навколо перпендикулярної осі Z створює силу, яка викликає 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 інерційній 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.
- Інерційні навігаційні системи (INS): INS гіроскопи для відстеження руху та орієнтації літака, забезпечуючи точну інформацію про місцезнаходження навіть у разі відсутності сигналів GPS.
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.
- Інерційні вимірювальні блоки (ІВБ): ІВБ, до складу яких входять гіроскопи, забезпечують навігацію та стабілізацію, що гарантує точне позиціонування та керування в космосі.
