Принцип работы гироскопа

Компания Robert Bosch является известным производителем MEMS гироскопов для автомобильных электронных систем курсовой стабилизации. На рынке потребительской электроники гироскопы используются в системах навигации, стабилизации изображения и игровых приставках.

Гироскопы, наряду с компасами, широко применяются для решения задач навигации. Принцип работы гироскопов основан на эффекте ускорения Кориолиса. Устройства измеряют угловую скорость вращающихся объектов.

• Малый дрейф параметров
• Низкий уровень шума
• Компактный размер
• Быстродействие

• Системы навигации
• Обеспечение устойчивости и отсутствия вибраций неподвижного оборудования
• Автомобильная электроника: бортовые записывающие устройства, счетчики пути, противоугонные системы, беспилотные средства передвижения
• Спутниковые антенны
• Офисная техника
• Бытовая техника (вращение диска микроволновой печи)
• Видеокамеры
• Системы экстренного оповещения об опасности
• Сборочное оборудование

Компания Robert Bosch является известным производителем MEMS гироскопов для автомобильных электронных систем курсовой стабилизации. На рынке потребительской электроники гироскопы используются в системах навигации, стабилизации изображения и игровых приставках.

Благодаря сохранению углового момента, угловая скорость в плоскости кристалла вызывает ударные ускорения в полимерной массе, которые находятся уже в другой плоскости. Встроенные электроды определяют емкостные параметры этих внеплоскостных ускорений.

Датчик крена SMG061 с аналоговым выходом

Чем больше масса ротора и скорость его вращения, тем выше способность такого гироскопа сохранять заданное положение главной оси. Так, установка успокоения качки для 10-метровой лодки в сборе весит около 350 кг и имеет ротор, вращающийся со скоростью от 6000 до 10 000 об/мин.

Для успокоения морской качки, передвижении на гироскутере и ориентации картинки в телефоне служат совершенно разные устройства с общим названием — гироскопы. Подборка видеороликов поможет вам разобраться в принципах работы современных систем стабилизации.

Механические гироскопы

Вращение придает объекту стабильность в пространстве, этот принцип используют детский волчок, тарелочка-фрисби и пуля нарезного оружия. Любой из этих предметов можно назвать гироскопом, противодействующим отклонению от оси вращения.

Если вращающийся объект будет закреплен на оси с несколькими степенями свободы, то получится роторный гироскоп. Как только ротор будет раскручен, его ось приобретает устойчивость в пространстве и старается сохранить ориентацию, заданную в начальный момент.

• Карибский вулкан начал извергать лаву из вновь сформированного вулканического купола
• Транспортная компания показала, как перевозят огромные лопасти ветрогенераторов
• Приложение «Моя Планета» представляет новый выпуск проекта «Царство грибов»

Чем больше масса ротора и скорость его вращения, тем выше способность такого гироскопа сохранять заданное положение главной оси. Так, установка успокоения качки для 10-метровой лодки в сборе весит около 350 кг и имеет ротор, вращающийся со скоростью от 6000 до 10 000 об/мин.

Такие стабилизаторы требуют очень высокой точности изготовления, потребляют значительное количество энергии и издают шум при работе. Все это сказывается на цене и ограничивает их применение в быту. Зато они незаменимы в случаях, когда стабилизируемый объект не имеет возможности опираться на какую-либо поверхность — в воде, воздухе и космическом пространстве.

Электромеханические гироскопы

Моноколеса, стабилизаторы для камер и даже смартфоны также оснащены гироскопами, но их системы работают по совершенно иному принципу. В их основе лежат микроэлектромеханические системы — это микросхемы со встроенным датчиком инерции, которые способны переводить его механические перемещения в электрические импульсы. Общий принцип действия можно понять из следующего ролика.

Управляющие системы по показаниям таких датчиков вычисляют текущее положение объекта и стабилизируют его при помощи электромоторов. Принцип работы хорошо виден на примере стабилизатора для видеосъемки. При просмотре ролика можно включить субтитры с переводом на русский.

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.

Разновидности гироскопов по принципу действия

Конструкцию гироскопа принято разделять на две группы по принципу действия:

1. Механические.
2. Оптические.

Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.

Механические

Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. По данному принципу изготовляется спортивный кистевой гироскопический тренажер. Такой прибор представляет собой шар, внутри которого располагается гироскопический элемент со своей осью вращения.

Оптические

Сфера использования гироскопов

Гироскоп широко используется в:

• Авиации.
• Автомобилестроении.
• Мобильных устройствах и прочая подобная техника.
• Системах стабилизации видеокамер.
• Навигации.

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

Гироскоп является не только полезным, но и интересным устройством, принцип работы которого был внедрен в производство нескольких видов детских игрушек. Примером этого является йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажер. В данном случае ценится качество устройства удерживаться в определенном положении благодаря вращению по главной оси. Что касается свойства гироскопа выступать в качестве датчика, то оно применяется при изготовлении вертолетов на радиоуправлении, квадрокоптеров.

Применение гироскопа в мобильных устройствах, планшетах и прочей портативной техники

В мобильной технике гироскоп применяется благодаря его свойству реагировать на изменение углов ориентации тела. Прибор выступает в качестве датчика, позволяющего определить, что мобильный телефон или планшет был повернут в ту или иную сторону. Наличие устройства позволяет получить информацию об изменении положения тела в 3 плоскостях. Внедренные в гаджеты гироскопы внешне напоминают миниатюрную микросхему.

Благодаря присутствию гироскопа в мобильном телефоне, в том удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным датчик является для реализации управления в играх, в частности гонках. При повороте экрана девайса осуществляется управление автотранспортом без необходимости нажатия на кнопки.

Отличие между гироскопом и акселерометром

Весьма похожим устройством на гироскоп является акселерометр. Последний позволяет определять повороты тела относительно его оси. При этом функционал гороскопа гораздо обширнее.

Он позволяет:

• Определить перемещение в пространстве.
• Указывать стороны света как компас.
• Дает информацию для расчета скорости движения.

Наличие гироскопа позволяет решать те задачи, которые мог бы выполнять акселерометр. При этом использование акселерометра никогда не позволит сделать все то, что возможно с помощью гироскопа. Несмотря на схожесть датчиков, они часто используются в паре, особенно в мобильной технике, смарт-часах, планшетах и т.д. Работая вместе, они позволяют значительно быстрее получать различную информацию по перемещению устройств, что увеличивает скорость ее обработки. Это важно для мобильных игр, квадрокоптеров, гироскутеров.

— В оружии. Пуля при стрельбе закручивается, что придает ей гораздо большую устойчивость, это сильно повышает точность стрельбы.

Игорь Гладкобородов

Если волчок раскрутить, то он не упадет, пока не остановится. Это происходит благодаря закону сохранения момента импульса. Не понятное объяснение.

Когда пытаешься повернуть крутящееся тело, возникает сила, которая действует перпендикулярно силе, которую прикладываешь к нему. На втором рисунке видно, что, когда части колеса, обозначенные точками A и B, поворачиваются на 90 градусов, они стремятся повернуть колесо в плоскости экрана по часовой стрелке. Это называется прецессия. Из-за этой силы ось волчка всегда ходит по кругу, если запустить его не ровно, very non-intuitive.

Помечтаем о лете, представим себе, что мы едем на велике. Переднее колесо нам хорошо видно, почти сверху. Если мы пытаемся повернуть, например, налево, то мы прилагаем усилие к оси колеса. Тем частям колеса, которые в данный момент впереди, передается импульс, направленный влево, а задним частям колеса идет импульс вправо.

Но, поскольку мы быстро едем, и колесо крутится, то та часть, которая только что была впереди, оказывается сзади, и небольшой импульс, который мы успели придать этой части колеса работает уже в противоположном направлении, и поворачивает его в обратную сторону.

Получается, что из-за вращения колеса мы сами себе мешаем повернуть его. То есть, то усилие, которое мы прилагаем, чтобы повернуть колесо, нам же возвращается через колеса.

Любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом. Он противодействует отклонению оси вращения, а люди этим активно пользуются:

В контроллерах современных игровых консолей и в iPhone 4 есть гироскопы, но они устроены по совсем другому принципу.

— В приборах навигации в самолетах и космических аппаратах. Хорошо сбалансированный гироскоп на специальных шарнирах, установленный на самолет, всегда сохраняет свое положение в пространстве, никакие фигуры высшего пилотажа не собьют его. Это позволяет приборам самолета всегда знать, где низ.

— В оружии. Пуля при стрельбе закручивается, что придает ей гораздо большую устойчивость, это сильно повышает точность стрельбы.

— Колеса велосипеда или мотоцикла работают как гироскопы, и это не дает ездоку упасть. На велосипеде сложнее ехать медленно, чем быстро, потому что на большой скорости колеса крутятся быстрее и делают его устойчивее.

— Есть много игрушек, где главная деталь — гироскоп: всевозможные волчки и , с которыми можно делать вот такие трюки:

Принцип действия системы гироскопа

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода – аналоговый или цифровой – выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
— кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
— основание из кремния (Pedestal),
— интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
— корпус (Package Base),
— крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина – 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Тема раздела Аппаратура радиоуправления в категории Cамолёты — Общий; Как они устроены что является датчиком а то я по школе помню что там чтото крутится должно.

Как они устроены что является датчиком а то я по школе помню что там чтото крутится должно?

Упрощенно он состоит из бруска пьезоматериала, который электронная схема вводит в резонансные колебания изгибного характера. С пластин бруска, параллельных плоскости колебаний снимают сигнал при появлении прецессии. Электронная схема выделяет из него сигнал, пропорциональный угловой скорости перемещения оси колебаний.

Сейчас разработана новая технология без пьезоэлементов. Футаба называет ее SMM. Там в микросхеме методом фотолитографии формируется микробалка, работающая в режиме изгибных колебаний.
Полностью устранен температурный дрейф датчика и значительно увеличена стойкость к ударам и вибрациям. Датчик разрабатывался изначально для систем головок наведения «умных» высокоточных боеприпасов.

Кстати, из элементарной физики следует, что один датчик способен выявлять угловую скорость только по одной из 3 осей. Так что для стабилизации по трем осям нужно 3 датчика.

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Акселерометры

Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Акселерометр InvenSense MPU-6500

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Двухосный роторный гироскоп, его свойства и прецессия механического гироскопа.

Двухосный роторный гироскоп, его свойства и прецессия механического гироскопа.

Радиоуправляемые вертолеты , которые оснащены гироскопом, в воздухе намного устойчивее, чем радиоуправляемые вертолеты, которые не имеют в комплектации гироскопа. Они обеспечивают плавный полет, они не сбиваются с намеченного курса при попадании в воздушную яму. Радиоуправляемые вертолеты с гироскопом позволяют новичкам пилотам, очень быстро освоить основные принципы пилотажа и азов полета. Одной из лучших моделей на радиоуправлении с гироскопом является трехканальный радиоуправляемый вертолет с соосной схемой винтов syma s032 .

Современный элемент смартфона работает на постоянной основе. Это самостоятельный датчик, не требующий калибровки. Его не нужно ни включать, ни отключать. Автоматика сделает эту работу за вас. В случае если устройство отсутствует, то вы не сможете играть в виртуальную реальность. Вам просто придётся купить новый телефон со встроенными функциями.

Множеством интересных функций и датчиков оснащены смартфоны и другие мобильные устройства. Одним из ведущих модулей является гиродатчик или гироскоп. Диковинная новинка в девайсе, выполненная на основе микроэлектромеханической системы, сделала большой рывок в усовершенствование функционала и завоевала большую симпатию среди пользователей. Происхождение слова «гироскоп» имеет давнюю историю. Оно расшифровывается как словосочетание «круг» и «смотрю».

Родоначальником древнегреческого изречения был французский физик Леон Фуко. В XIX веке он занимался исследованием суточного вращения Земли, и этот термин подошёл для нового устройства как нельзя кстати. Гиродатчиками пользуются авиакомпании, судоходство, космонавтика. Компания Apple, производитель современных мобильных телефонов, первой взяла за основу данный функционал и внедрила его в iPhone 4. Несмотря на то, что видео ниже на английском языке, демонстрация технологии от Стив Джобса понятна без перевода.

Наряду с легкими функциями разработчики внедрили в устройство более сложные программные обеспечения. Например, в некоторых операционных системах при помощи встряхивания телефона запускается обновление для Bluetooth или запускается специфичная программа по измерению углов наклона и уровня. Гироскоп прекрасно учитывает скорость перемещения, и определяет местоположение человека на незнакомой местности.

С технической точки зрения, гироскоп довольно сложное устройство. При его разработке, за основу взяли принцип работы акселерометра, который представляет из себя колбу с пружиной и грузом внутри. На одной стороне пружины закреплен груз, а вторая сторона пружины зафиксирована на демпфере для гашения колебания. При встряхивании (ускорении) измерительного прибора, прикрепленная масса движется и приводит в напряжение пружину.

Такие колебания можно представить в виде данных. Если расположить три таких акселерометра перпендикулярно, то можно получить представление о том, как расположен предмет в пространстве. Поскольку технически расположить такой громоздкий измерительный прибор в смартфоне невозможно, то принцип работы оставили тот же, но груз заменили инертной массой, который расположен в очень маленьком чипе. При ускорении, меняется положение инертной массы и таки образом рассчитывается положение смартфона в пространстве.

С помощью GPS-навигации на дисплее появляется карта, которая фиксирует аналогичное направление объектов при любом повороте тела. Другими словами, если вы повернулись лицом к реке, то она автоматически отобразится на карте. При развороте на 180 градусов к водоему мгновенно происходят аналогичные изменения на мониторе. С использованием этой функции упрощается ориентировка на местности. Особенно это важно людям, занимающимся активными видами отдыха.

Благодаря точному учёту скорости перемещения управление смартфоном становится более удобным и гармоничным. Зачастую используют гироскопы на Андроид любители компьютерных игр — геймеры. Уникальное устройство в девайсе молниеносно превращает картинки в реальность. Особенно правдоподобными становятся гонки, симуляторы, стрелялки, Pokemon Go.

Достаточно изменить положение смартфона и скорость поворота, то езда на виртуальном автомобиле покажется вам реальной. Герои на дисплее точно направят автомат, нацелят пушку, повернут руль, поднимут в воздух вертолёт, убьют врага. Карманные монстры не будут прыгать по виртуальной траве, а станут двигаться по настоящему миру в видимой области встроенной камеры.

Конечно, это далеко не весь перечень положительных характеристик, присущих Android смартфонам и iPhone. Перечислять приятные и удобные моменты можно бесконечно. Однако не все пользователи оценили универсальные качества по достоинству. Одни предпочли отказаться от гироскопа в новом смартфоне, другие просто отключили его. И этому есть своё объяснение.
Среди многочисленных плюсов бывают малозаметные минусы.

Современный элемент смартфона работает на постоянной основе. Это самостоятельный датчик, не требующий калибровки. Его не нужно ни включать, ни отключать. Автоматика сделает эту работу за вас. В случае если устройство отсутствует, то вы не сможете играть в виртуальную реальность. Вам просто придётся купить новый телефон со встроенными функциями.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

При запуске программы выводится окно с указанием обнаруженных физических датчиков:

Гироскоп: устройство и принцип работы

Гироскоп – это устройство, позволяющее определить положение тела, на котором он установлен в пространстве. С самого появления он стал применяться в военной промышленности, авиации, автомобильном производстве и мореплавании. Первые модели были ориентированы на магнитное поле земли и стали отличным аналогом компасу.

Гироскоп мог работать практически в любом положении, невзирая на плохую видимость, тряску и прочие негативные условия. Постепенно размер устройства менялся, и его функционал значительно расширился. Например, в автомобилях стало возможно распределить нагрузку в зависимости от наклона рамы, выбрать оптимальное место для парковки. Со временем производители умных гаджетов и телефонов взяли его себе на вооружение.

Установленный в смартфоне миниатюрный прибор значительно расширил возможности устройства и облегчил использование. Ранее, чтобы посмотреть фото в полноэкранном режиме, нужно было установить соответствующую галочку в настройках или нажать кнопку, сейчас достаточно повернуть устройство, и смартфон сам адаптирует изображение, если в нем включена такая возможность.

Включение гироскопа (функция “Автоповорот” в телефоне) производится из меню настроек или из выдвижной шторки быстрого доступа в верхней части экрана телефона. В зависимости от модели, название может отличаться. Значок обычно символизирует смену положения и понятен пользователю даже с минимальными знаниями о возможностях устройства. При желании функцию можно так же просто деактивировать.

Самый простой вариант гироскопа, позволяющий передать физическое положение тела в электронном виде по необходимым координатам, выглядит как две подвижные единицы, которые постоянно находятся в контакте с активными датчиками, фиксирующими их положение. При повороте устройства двигается и весь гироскоп, посылая сигнал об изменившемся местоположении.

Современные устройства учитывают скорость движения подвижной части, силу давления. Именно поэтому в играх с гироскопическим управлением можно резко совершить движение в сторону, повернув устройство в желаемую сторону.

Гироскутер: основные принципы работы

Гироскутер: основные принципы работы

Что собой представляет?

Данный гаджет состоит из нескольких ключевых узлов, включая:

• 1) Колёса-приводы с электрическим мотором;
• 2)Центральный компьютер, обрабатывающий информацию;
• 3) Система гироскопических датчиков, размещённых по всему корпусу;
• 4) Сам корпус;
• 5) Литий-ионный аккумулятор.

Так же, в зависимости от модели, устройство может быть оснащено информативным дисплеем, осветительными приборами, индикаторами и другими дополнениями в виде ЮСБ-портов, динамиков, звуковых сигнализаторов и т.д.

Что ж, с комплектацией разобрались, а теперь рассмотрим сам принцип действия.

Автономность и другие прелести