Гіроскоп

Повернутися до глосарія

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

Як це працює?

На практиці системи інтегрують показники кутової швидкості з високою частотою для визначення орієнтації датчика з надзвичайною точністю. Тому цей принцип є основою всіх інерціальних датчиків, зокрема вертикальних гіроскопів, систем орієнтації та визначення heading (AHRS), блоків вимірювання руху (MRU) та інерціальних навігаційних систем (INS).

Окрім того, вони відіграють вирішальну роль у визначенні положення та швидкості в архітектурі INS. Найбільш ефективні гіроскопи — зазвичай волоконно-оптичні гіроскопи (FOG) із замкнутим контуром — безпосередньо вимірюють обертання Землі без потреби в оцінці похибки. Як наслідок, ці датчики можуть визначати heading без опору на будь-яку зовнішню опорну точку — функціонал, відомий як гірокомпасне визначення напрямку. Проте існують і альтернативні методи визначення heading, що допомагає зменшити суворі обмеження цієї технології.

Ефекти Коріоліса та Саньяка в гіроскопах

Щодо принципу роботи, гіроскопи SBG Systems використовують два основні фізичні ефекти для вимірювання обертання: ефект Коріоліса та ефект Саньяка. Зокрема, ефект Коріоліса використовується в MEMS-гіроскопах. Коли пробна маса вібрує у напрямку осі X, обертання навколо перпендикулярної осі Z створює силу, що викликає рух уздовж осі Y.

Відповідно, кілька архітектур MEMS реалізують цей принцип, зазвичай використовуючи вібруючі балки або кільця. Зокрема, фактична продуктивність цих гіроскопів варіюється залежно від таких факторів, як розмір і якість елементів MEMS, корпус 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 циркулюють у протилежних напрямках — одне за годинниковою стрілкою, а інше проти годинникової стрілки. За відсутності обертання світлові хвилі надходять одночасно; однак під час обертання один шлях подовжується, а інший скорочується. Як наслідок, це генерує 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 сфер застосування.

Авіація

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

• Індикатори положення: Ці прилади відображають орієнтацію літака відносно горизонту, допомагаючи пілотам підтримувати правильні кути нахилу ( pitch ) та кути вильоту ( roll ).
• Системи автопілота: Гіроскопи передають інформацію до систем автопілота, що забезпечує автоматичне керування курсом ( heading), висотою та курсом літака.
• Інерціальні навігаційні системи (INS): INS спираються на гіроскопи для відстеження пересування та орієнтації повітряного судна, забезпечуючи точну інформацію про місцеперебування навіть за 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.

Космос

Для космічних апаратів і супутників гіроскопи відіграють важливу роль у забезпеченні орієнтації та керування:

• Системи контролю орієнтації: Гіроскопи допомагають контролювати орієнтацію космічних апаратів, забезпечуючи точні вимірювання обертальних рухів, що мають вирішальне значення для виконання таких завдань, як стикування, позиціонування та маневрування.
• Інерціальні вимірювальні блоки (IMU): IMU, які містять гіроскопи, забезпечують навігацію та стабілізацію для точного позиціонування й керування в просторі.