Устройство гироскоп: Гироскоп. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Гироскоп. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Гироскоп – это устройство со свободной осью вращения, способное реагировать на изменение угла ориентирования тела, в котором оно закрепляется. Ключевая особенность прибора в сохранении неизменного положения, что позволяет его использовать как датчик для определения перемещения и поворота объекта, в котором он расположен.

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.

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.

Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве. Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил. При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.

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.

Для его запуска применяется небольшой шнурок, который наматывается на центральную часть тренажера. При его выдергивании центральное тело начинает вращаться по своей оси, при этом внешняя оболочка тренажер раскручивается кистью по часовой стрелке. Вращающееся центральное тело начинает противодействовать оборотам корпуса, создавая значительную нагрузку. При этом такое воздействие лишь ускоряет обороты главного элемента, повышая противодействие. После запуска тренажер сложно удержать в руке, поскольку он постоянно норовит вырваться в разные стороны. Создается впечатление удержания живого объекта.

Данная группа устройств представлена несколькими разновидностями. Все они работают на основании физического эффекта Саньяка. Согласно ему, скорость света является постоянной в инерциальной системе отсчетов. При этом если отправить луч в неинерциальной системе, то его скорость поменяется. Если траектория луча будет проходить через место вращения устройства, то произойдет задержка по времени достижения светом конечной точки. Получаемая оптическая разница напрямую зависит от величины углового поворота датчика.

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.

Наличие гироскопа обязательно для нормального функционирования навигационных систем. Такие датчики многократно увеличивают фактическую точность определения координат с погрешностью в несколько сантиметров. Дело в том, что навигация по спутниковому сигналу в определенных условиях работает хуже или полностью отказывает. В таком случае ориентация в пространстве возможна только с помощью гироскопа. Это в первую очередь наблюдается при нахождении под землей, под водой или в космосе. Комбинирование спутниковых и гироскопических систем дает возможность добиться максимальной точности определения местоположения движущихся объектов.

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.

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.

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.

Похожие темы:

инструкция, схемы и примеры использования [Амперка / Вики]

Используйте гироскоп для определения угловой скорости вокруг собственных осей X, Y, Z.

Модуль пригодиться для стабилизации летательного аппарата по самолётным углам: тангаж, крен и рысканье. Гироскоп совместно с акселерометром применяется для отслеживания угла поворота в современном смартфоне.

Видеообзор

Гироскоп в обзоре IMU-модуля.

Пример работы для Arduino и XOD

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформу из серии Arduino, например, Uno.

На аппаратном уровне инерционный модуль общается с управляющей электроникой по шине I²C. Но не переживайте о битах и байтах: используйте библиотеку TroykaIMU и на выходе получите готовы данные.

Схема устройства

Вывод данных

В качестве примера выведем в Serial-порт угловую скорость вокруг собственных осей X, Y, Z.

gyro-read-data.ino

// Библиотека для работы с модулями IMU
#include <TroykaIMU.h>
 
// Создаём объект для работы с гироскопом
Gyroscope gyroscope;
 
void setup() {
    // Открываем последовательный порт
    Serial.begin(9600);
    // Выводим сообщение о начале инициализации
    Serial.println("Gyroscope begin");
    // Инициализируем гироскоп
    gyroscope.begin();
    // Выводим сообщение об удачной инициализации
    Serial.println("Initialization completed");
}
 
void loop() {
    // Выводим угловую скорость в градусах в секунду относительно оси X
    Serial.print(gyroscope.readRotationDegX());
    Serial.print("\t\t");
    // Выводим угловую скорость в градусах в секунду относительно оси Y
    Serial.print(gyroscope.readRotationDegY());
    Serial.print("\t\t");
    // Выводим угловую скорость в градусах в секунду относительно оси Z
    Serial.print(gyroscope.readRotationDegZ());
    Serial.print("\t\t");
    Serial.println();
    delay(100);
}

Пример для Espruino

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформы из серии Espruino, например, Iskra JS.

Схема устройства

Вывод данных

В качестве примера выведем в консоль угловую скорость гироскопа вокруг собственных осей X, Y, Z.

gyro-read-data.js

Пример для Raspberry Pi

В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим одноплатные компьютеры Raspberry Pi, например, Raspberry Pi 4.

Схема устройства

Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Cap, которая надевается сверху на малину методом бутерброда.

Программная настройка

Вывод данных

А написать пример кода для Raspberry Pi оставим вам домашним заданием.

Элементы платы

Гироскоп на I3G4250D

Гироскоп выполнен на чипе I3G4250D и представляет собой миниатюрный датчик перемещений в трёхмерном пространстве, разработанный по технологии MEMS от компании STMicroelectronics. Адрес устройства по умолчанию равен 0x68, но может быть изменен на 0x69. Подробности читайте в разделе смена адреса модуля.

Регулятор напряжения

Линейный понижающий регулятор напряжения NCP698SQ33T1G обеспечивает питание MEMS-чипа и других компонентов сенсора. Диапазон входного напряжения от 3,3 до 5 вольт. Выходное напряжение 3,3 В с максимальным выходным током 150 мА.

Преобразователь логических уровней

Преобразователь логических уровней PCA9306DCT необходим для сопряжения датчика с разными напряжениями логических уровней от 3,3 до 5 вольт. Другими словами сенсор совместим как с 3,3 вольтовыми платами, например, Raspberry Pi, так и с 5 вольтовыми — Arduino Uno.

Troyka-контакты

Датчик подключается к управляющей электронике через две группы Troyka-контактов:

• Питание (V) — соедините с рабочим напряжением микроконтроллера.

• Земля (G) — соедините с землёй микроконтроллера.

• Сигнальный (D) — пин данных шины I²C. Подключите к пину SDA микроконтроллера.

• Сигнальный (C) — пин тактирования шины I²C. Подключите к пину SCL микроконтроллера.

Смена адреса модуля

Иногда в проекте необходимо использовать несколько гироскопов. Для этого на модуле предусмотрены контактная площадка. Для смена адреса капните каплей припоя на отведённую контактную площадку.

Принципиальная и монтажная схемы

Габаритный чертёж

Характеристики

• MEMS-датчик: гироскоп I3G4250D

• Интерфейс: I²C

• I²C-адрес:

• Максимальная чувствительность: 8,7×10-3 °/с

• Диапазон измерений: ±250 / ±500 / ±2000 °/с²

• Напряжение питания: 3,3–5 В

• Потребляемый ток: до 10 мА

• Размеры: 25,4×25,4×10,1 мм

Ресурсы

Улитка гироскопических инноваций

Инновационные циклы в гироскопостроении длятся сорок-пятьдесят лет, причем смена одного на другой происходит только после серьезного прорыва в физике и технологиях.

Инерциальные системы навигации — вершина развития систем навигации с древнейших времен. В основе инерциальной навигации лежат простые соображения: измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость, а интегрированием скорости можно определять текущее местоположение (координаты) движущегося объекта.

Ускорение — векторная величина, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Величину ускорения определяет специальный прибор — акселерометр, который был изобретен в конце XIX века для установки в автомобилях и паровозах с целью контроля скорости их движения. Информацию о направлении движения объекта дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.

Полтора века гироскопии

В то время как устройство акселерометров принципиально не менялось с момента их создания, гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий.

Столь длительный цикл не случаен. Создание гироскопов, их доведение до уровня промышленных образцов — это длинный путь, двадцать, а то и тридцать лет. Не приходится ожидать, что кто-то вдруг придумает новый тип гироскопа, тут же запустит его в производство и всех опередит. Цикл жизни таких изделий тоже очень длинный: затраты на их разработку очень велики, и, пока они не окупятся, никто и не будет спешить что-то менять в системах, где они используются. А предшествующая разработка теоретических основ гироскопии потребовала еще больше времени.

Этот гирокомпас использовался во Второй мировой войне для управления полетом ракет «Фау-2»

Фотография: gettyimages.

Первый этап — это классический механический гироскоп, который был изобретен французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко в середине XIX века. Первые промышленные образцы появились в конце XIX века — австрийский инженер Людвиг Обри применил гироскоп для стабилизации курса торпеды.

Хотя детская игрушка — волчок, изучение поведения которого легло в основу теории гироскопов, — известна с древнейших времен, создание гироскопа стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков. В основу теории гироскопов легли труды многих величайших ученых — от Ньютона и Эйлера до Ковалевской и Жуковского. Одновременно, во многом на основе тех же теоретических достижений, развивались технологии точной обработки металлов, появилось современное металлорежущее оборудование, без которого изготовление гироскопов невозможно.

Второй этап развития гироскопии — это кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). Их создание стало возможным только после длительного периода развития квантовой электроники, занявшего почти весь ХХ век. В ее основе лежат труды творцов современной физики, начиная с Эйнштейна и заканчивая создателями первых квантовых генераторов — Прохоровым, Басовым, Таунсом. В нашей стране их начали разрабатывать еще в 1970-е, а пик применения — это уже 2000 годы. Создание лазерных гироскопов стало возможным благодаря появлению прецизионных методов механической и физической обработки различных материалов, в первую очередь зеркальных стекол. Шероховатость их поверхности — пять ангстрем — это уже на уровне размера атома. А радиус кривизны такого зеркала составляет семь метров при размере два сантиметра.

 Изобретение гироскопа стало результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка

Третий этап развития гироскопии, пик которого приходится на наше время, — это использование в системах навигации волновых твердотельных гироскопов (ВТГ).

Наконец, четвертый этап развития гироскопии — это появление микроэлектромеханических систем, МЭМС, физические принципы работы которых такие же, как и у больших гироскопов, но изготавливаются они на основе технологий обработки кремния — тех же самых, что используются при изготовлении микросхем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). В 1964 году компания Westinghouse выпустила первую серийную МЭМС — резонансный затворный транзистор. А английская компания Silicon Sensing произвела первый МЭМС-гироскоп в 1985 году. В переплетении спиралей развития физики и технологий механической обработки материалов появилась спираль электронных технологий1.

Механический гироскоп

В 1852 году французский физик, механик и астроном, будущий член Парижской академии наук и член-корреспондент Петербургской академии наук, Жан Бернар Леон Фуко описал созданный им прибор, который он назвал гироскопом (от греч. gyros — «круг», gyrou — «кружусь», «вращаюсь» и scopeo — «смотрю», «наблюдаю»). Как показал Фуко, с его помощью можно автономно определять направление движения объекта и его скорость.

Как уже было сказано, изобретение гироскопа стало в известном смысле результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка. Если раскрутить волчок относительно оси симметрии, то выясняется, что он оказывает энергичное сопротивление попытке изменить положение оси вращения, его ось вращения устойчиво сохраняет свое положение при наклонах основания или толчках. Именно в силу этого свойства вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали; это движение называется регулярной прецессией тяжелого твердого тела. Можно показать, что ось волчка в конце концов устанавливается параллельно земной оси. Этим и объясняется применение «волчка» в гироскопах.

В гироскопе Фуко ротор (волчок) был установлен в карданов подвес с вертикальной осью наружной рамки. Фуко указал на три возможности использования гироскопа:

• если быстровращающийся ротор имеет три степени свободы, то его ось вращения сохраняет неизменную ориентацию в инерциальном пространстве, что позволяет с помощью такого прибора наблюдать вращение Земли;

• если внутреннюю рамку жестко связать с наружной так, чтобы ось ротора могла поворачиваться лишь в горизонтальной плоскости, то эта ось стремится установиться в плоскость меридиана;

• если наружную рамку жестко связать с корпусом, а внутренней рамке дать свободу вращения относительно ее оси и установить ось ротора в плоскость меридиана, то она стремится установиться параллельно оси вращения Земли.

   Гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий

Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей — прецессирует. В авиации, например, это свойство позволяет судить о движении самолета в пространстве в отсутствие ориентиров. Прецессия возникает, например, если крыло самолета, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена, что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен, от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолета), то может функционировать как автопилот, то есть автоматически поддерживать самолет на курсе.

Лазерный гироскоп

Действие лазерных гироскопов основано на эффекте Саньяка, названном по имени французского физика Жоржа Саньяка, который в 1913 году построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения. Суть эффекта Саньяка в том, что во вращающейся системе координат время прохождения электромагнитной волны по замкнутому контуру отличается от времени его прохождения по такому же контуру в покоящейся системе координат и зависит еще и от направления вращения. Световой луч, создаваемый источником света, разделялся на две части, которые шли в противоположных направлениях по периметру платформы и попадали на интерферометр. По изменению интерференционной картинки можно было судить о скорости вращения системы.

Однако реализовать его в гироскопии стало возможным только после изобретения лазера. Впервые сообщение о возможности создания на основе лазеров принципиально новых измерительных приборов — лазерных гироскопов — было сделано в конце 1962 года будущим лауреатом Нобелевской премии Александром Прохоровым в Физическом институте АН СССР. Но еще за десять лет до появления первых лазеров в Советском Союзе Израиль Берштейн провел экспериментальные исследования эффекта Саньяка в радиодиапазоне по схеме, которая по существу соответствует современной архитектуре построения волоконно-оптических гироскопов. Предпосылок для перенесения этих исследований в оптический диапазон тогда еще не было, но приоритет Израиля Берштейна, предвосхитившего концепцию построения волоконно-оптического гироскопа, признают в России и в СШA.

Одновременно в 1962 году А. Розенталь (США) предложил, а В. Мацек и Д. Дэвис (США) реализовали первый He-Ne лазер с кольцевым резонатором (кольцевой лазер), с которого началось развитие лазерной гироскопии. А одну из первых моделей лазерного гироскопа продемонстрировала компания Lockheed Martin уже в середине 1960-х.

Лазерный гироскоп называется кольцевым, поскольку луч в нем, отражаясь от зеркал, проходит по замкнутому контуру в форме квадрата или треугольника. По кольцевому контуру проходят два луча лазера в противоположных направлениях, навстречу друг другу. Если вся эта система лазера и зеркал неподвижна в инерциальной системе отсчета, то частоты обоих лучей, воспринимаемые детектором, будут одинаковы. Но если эта система будет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости траектории лучей, то измеряемые частоты лучей вследствие эффекта Доплера будут различаться. Причем тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения. Ее можно определить по интерференционной картинке на детекторе.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ)

В основе работы волновых твердотельных гироскопов лежит использование механических колебаний стенок сосудов, которые используются как резонаторы колебания. Хотя идея волнового твердотельного гироскопа зародилась в конце XIX века и была высказана английским ученым Дж. Х. Брайаном еще в 1892 году, реальные работы над ВТГ начались в 80-е годы ХХ века.

Брайан обратил внимание на то, что, если щелкнуть по бокалу, сделанному из хорошего хрусталя, он достаточно долго звенит и если его в это время поворачивать, то звон пульсирует. Наблюдая в микроскоп за краем бокала, он увидел, что при этом возникают изгибные колебания края бокала, которые представляют собой стоячую волну, и что при вращении бокала эта волна тоже вращается, но с меньшей скоростью. Брайан доказал, что вращение бокала относительно основания приводит к тому, что узлы колебаний на краю оболочки движутся с угловой скоростью (или скоростью прецессии), меньшей, чем скорость самой оболочки. Это явление по своим физическим основаниям сродни прецессии оси волчка. Из этого наблюдения и появилась идея ВТГ.

Хотя теория этого явления была во многом разработана к концу XIX столетия, должно было пройти еще полвека, прежде чем специалисты исследовательской компании Delco Wakefield в Массачусетсе заново открыли работу Брайана. В результате их разработок был создан современный ВТГ, который затем нашел практическое применение.

Важную роль в разработке теории ВТГ сыграли ученые Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.

Как было сказано выше, ВТГ имеет форму полусферической оболочки, или бокала с жестко зафиксированной точкой крепления на основании полусферы. При ударе по верхнему ободку оболочки ободок полусферы приходит в движение и производит стоячую волну, которая резонирует на определенной частоте. Положение пучностей и узлов возникшей стоячей волны стабильно относительно оболочки, однако, если оболочка вращается вокруг опорной точки или стержня, стоячая волна отстает от физического вращения оболочки на определенный период. Например, если оболочка физически поворачивается на 90°, стоячая волна запаздывает на 27°. При вращении основания вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна, возбужденная в резонаторе, начинает поворачиваться как относительно резонатора, так и относительно инерциального пространства. Зная угол поворота волны относительно резонатора, можно рассчитать угол поворота основания.

 Создание механических гироскопов стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков и появления современного металлорежущего оборудования

На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, образующие вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы, которые служат для силового воздействия на резонатор с целью возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды и позволяют замерять величину колебаний стенок резонатора.

Уникальность прибору обеспечивает множество параметров, в частности минимальное по сравнению с аналогами время готовности, максимально широкий динамический диапазон, высокая устойчивость к механическим воздействиям.

Микромеханические гироскопы

Вскоре после разработки первых микросхем возникла идея создания микромеханических систем по аналогичным технологиям. МЭМС-устройства изготавливают на кремниевой подложке аналогично технологии производства однокристальных интегральных микросхем, поэтому их размеры варьируются от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров.

Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь тоже используется кремний — самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания МЭМС-устройств очень напоминает процедуру создания интегральных схем. И в той и в другой есть

возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе.

Первыми по этой технологии были созданы датчики давления и ускорения. Массовое производство первого датчика давления, выполненного по МЭМС-технологии, было освоено компанией National Semiconductor в 1974 году, а начало производства МЭМС-датчиков давления и акселерометров для подушек безопасности автомобилей в мировом масштабе относится к началу 1990-х.

В середине 1980-х начались интенсивные поиски путей создания микроминиатюрных, дешевых, пригодных для крупносерийного производства гироскопов. В Британии это была, как мы уже упомянули, компания Silicon Sensing, во Франции — Sagem, а в США — Лаборатория им. Ч. Дрейпера. МЭМС-гироскопы, предназначенные для различных гаджетов, выпускаются сегодня миллионами штук фирмами разных стран.

В России исследования микромеханических гироскопов (ММГ) начались в конце 1990-х, и сейчас их выпускает ряд отечественных компаний.

Существуют МЭМС-гироскопы, работающие как ВТГ и как вибрационные гироскопы. Работа вибрационных гироскопов основана на свойстве камертона, заключающемся в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы.

Лазерный гироскоп — навигационный прибор авиационной и космической промышленности производства Раменского приборостроительного завода

Фотография: visualrian.ru

В микромеханическом гироскопе вибрационного типа кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подается напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.

Поскольку требования к точности и надежности гироскопов и систем навигации постоянно повышаются, в мире идут поиски путей создания гироскопов на новых принципах. Одно из направлений — так называемые квантовые гироскопы, в основу действия которых положены гироскопические свойства частиц: атомных ядер, электронов, фотонов и т. д. Так что можно ожидать, что мы (или наши потомки) будем наблюдать новые витки гироскопической спирали.

От астролябии до GPS

Люди с древнейших времен совершали дальние путешествия и нуждались в надежных средствах навигации для определения своих координат и направления движения, особенно в кораблевождении.

Уже в те далекие времена люди научились днем ориентироваться по Солнцу, а ночью по звездам. Древние мореходы — греки, финикийцы — для грубого определения своего местоположения и оценки широты замеряли угол между направлением на Полярную звезду и плоскостью местного горизонта.

Первым навигационным прибором стала астролябия — прибор для определения широты. Появилась она в Древней Греции, а окончательный вид приобрела в IV веке нашей эры. Ученые исламского Востока усовершенствовали астролябию. С XII века она становится известна и в Западной Европе.

В XVIII веке на смену астролябии приходит секстант, изобретенный в 1730 году независимо друг от друга английским математиком Джоном Хэдли и американским изобретателем Томасом Годфри. Это инструмент, используемый для измерения высоты Солнца и других космических объектов над горизонтом с целью определения географических координат точки, в которой производится измерение.

А в средневековом Китае изобрели магнитный компас — прибор, который после многовековых усовершенствований используется в навигации до сих пор.

Недостатки всех этих приборов известны: из-за многочисленных аномалий магнитного поля Земли и магнитных бурь магнитный компас —устройство весьма капризное, а звезды и Солнце в любой момент могут спрятаться в густом тумане или за тучами штормового неба.

Отсутствие аппаратуры, обеспечивающей получение точной информации о местоположении, стало особенно ощущаться в конце XIX — начале ХХ века и оказалось серьезным препятствием на пути развития мореходства, в том числе подводного, и авиации. Новые навигационные задачи возникали при строительстве подземных сооружений: шахт и метро.

Выходом стало создание автономных инерциальных навигационных систем (ИНС), ключевыми элементами которых являются акселерометры — приборы для определения ускорения и гироскопы разного типа2.

Инерциальная навигация — это метод определения координат объекта, основанный на известном физическом явлении — инерции тел. Проявляется это, в частности, в свойстве известной детской игрушки — волчка устойчиво сохранять положение своей оси вращения параллельно земной оси.

Главное достоинство ИНС — они автономны, то есть не требуют наличия внешних ориентиров или сигналов, поступающих извне.

Инерциальная навигация стала одним из важнейших направлений судостроения, авиационной и космической техники, атомного подводного флота. А соответствующая отрасль приборостроения — одной из самых наукоемких в промышленности. Ведь вся история рождения и становления инерциальной навигации основана на непосредственном использовании теоретической механики и фундаментальной математики при решении практических инженерных задач.

И поэтому не случайно технологиями, необходимыми для создания инерциальных навигационных систем самой высокой точности, которые используются в первую очередь в военной и космической технике, в мире в полном объеме сейчас владеют всего четыре страны — США, Франция, Россия и Китай.

В последние десятилетия получили развитие и стали неотъемлемой частью нашей жизни спутниковые системы навигации — GPS, ГЛОНАСС и другие. Датчики этих систем установлены не только на кораблях или самолетах, но и в автомобилях и почти во всех современных гаджетах, позволяя нам самим определять свое местоположение, равно как и следить за нами, что многих уже стало и раздражать.

Но развитие космических систем навигации не отменило использования инерциальных систем. Дело в том, что GPS, ГЛОНАСС и им подобные не покрывают всей поверхности Земли и тем более подземных сооружений и подводных объектов, а возможный выход этих систем или их составляющих из строя заставляет предусматривать наличие дублирующих автономных навигационных систем. Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность использующих их объектов.

Важное направление развития современных навигационных систем — интеграция спутниковых (СНС) и инерциальных (ИСН) систем навигации, поскольку тем же современным летательным аппаратам не хватает точности, которую могут предоставить ИСН и СНС по отдельности.

Вот почему, несмотря на развитие космических систем навигации, инерциальные системы продолжают развиваться, а в последнее время даже очень интенсивно, к чему их подталкивает конкуренция с космическими средствами.

Гироскоп в версии 402 и выше

0 765 15 Августа, 2017

Роботы-пылесосы iCLEBO OMEGA стали использовать более точный и надежный гироскоп, который теперь не выносится за пределы материнской платы, а устанавливается прямо на ней. Ранее использовались гороскопы ST, с начала 2017 года все Омеги поставляются с высокоточным гироскопом Bosch. Новый гироскоп установлен в iCLEBO Omega с версией прошивки 402 и выше. Первые роботы выпускались в версии ПО 213. 

Почему это важно? Дело в том, что iCLEBO Omega имеет треугольно-овальную форму, но не круглую, как предыдущая модель iCLEBO Arte. Из-за этого на больших территориях (от 100 кв. метров) роботы Omega могли накапливать ошибку навигации. Производитель принял максимально быстрые меры для устранения этого недочета и уже через пару недель после начала продаж, сделал отзыв роботов со старым типо гироскопа для замены его на новый тип. Для покупателей все выглядело следующим образом: где бы ни находился покупатель, приезжает курьер, забирает на 2-4 дня (в зависимости от дальности проживания от Москвы или другого ближайшего СЦ) и возвращает пылесос с обновленным гироскопом. 

Некоторые технические особенности нового гироскопа Bosch. Разместили его на основной системной плате, переписав прошивку и ПО под новое устройство. Предыдущий гироскоп L3G4200D может работать в одном из 3-х режимов:

1 – Вращение со скоростью до 250 °/сек., с чувствительностью 8.75 mdps/digit

2 – Вращение со скоростью до 500°/сек., с чувствительностью 17.50 mdps/digit

3 – Вращение со скоростью до 2000°/сек. , с чувствительностью 70.00 mdps/digit

Режим работы задаётся программно, при инициализации устройств в момент включения. Чем меньше значение mdps/digit (millidegree per second / digit), тем выше чувствительность гироскопа. Соответственно, для максимальной чувствительности необходимо выбрать режим с минимальной предельно-допустимой скоростью вращения. По этому логично предположить, что гироскоп работает в режиме FS=250 dps (°/сек.), поскольку на большую скорость вращения конструкция робота просто не рассчитана и использование других режимов нецелесообразно. Кроме того, производитель заявляет допустимую погрешность измерений (отклонение нулевой точки) в режиме FS=250 dps до ±10°/сек. Чем быстрее скорость вращения, тем выше погрешность.

В новом гироскопе Bosch SMI130 доступно пять режимов работы: 125, 250, 500, 1000 и 2000 °/сек. Учитывая специфику устройства, предполагаем, что гироскоп работает в одном из первых двух режимов. Не исключено, что это FS=125 dps, т. к. даже такая предельно-допустимая скорость вращения не превышает конструкционных возможностей механической части робота, зато имеет максимальную чувствительность гироскопа. Производитель заявляет погрешность измерений (отклонение нулевой точки) в пределах ±0.5°/сек. Этот показатель в 20 раз превышает аналогичный параметр у L3G4200D. Вот основная причина использования нового гироскопа.

Кроме того, в документации SMI130, вместо параметра чувствительности, для каждого из режимов применен параметр Разрешение (Resolution), который измеряется в LSB/°/s (Least significant bit / °/ second). Здесь наоборот, чем больше разрешение, тем выше чувствительность. Для режима FS=250 dps разрешение составляет 131.2 LSB/°/s. Для FS=125 dps разрешение составляет 262.4 LSB/°/s. При конвертации mdps/digit в LSB/°/s получается, что максимальное разрешение у гироскопа STM L3G4200D в режиме FS=250 dps составляет 8.75 mdps/digit = 114.3 LSB/°/s. Это меньше, чем у Bosch SMI130 в аналогичном режиме, а при использовании режима FS=125 dps чувствительность SMI130 превышает L3G4200D более, чем в два раза. Есть ещё множество преимуществ использования нового гироскопа, но они малозначимы в контексте данного сравнения.

MEMS-акселерометры и гироскопы — разбираемся в спецификации / Хабр

MEMS-гироскоп

Трёхосевой MEMS-акселерометр

И сразу про трёхосевой MEMS-магнетометр

Итак, что такое LSB и как его посчитать? Инструкция по добыче

Варианты FS вытаскиваем из спецификации на гироскопы и, чтобы дважды не вставать, акселерометры.

FS для акселерометров я брала ещё и из документации на BMI088 (см. ниже).

По факту, вроде бы, получается, что это должен быть LSB. Но почему тогда мы видим одно значение вместо нескольких, завязанных на конкретные диапазоны? Пришлось расширять список исследуемых источников в поисках ответов.

Что такое разрешение (Resolution)?

Какие бывают характеристики шума и откуда что берётся?

Среднеквадратичное значение шумов во всём спектральном диапазоне — Total RMS (Root mean square) Noise

Для белого шума отношение амплитуды (мгновенного пикового значения) к среднеквадратчному с вероятностью 99.9% составляет Называется такое отношение крест-фактором (crest factor, cross ratio). Можно выбрать вероятность 95.5% — крест фактор будет равен 4.

На деле же сигналы шума ведут себя не так хорошо и могут выдавать пики, увеличивающие крест-фактор до 10 раз. В некоторых спецификациях можно найти значения или сам множитель.

В узкой низкочастотной полосе 0.{-i n\omega t},dt = \begin{cases} \frac{1}{2}(a_n-ib_n), & n>0\\ \frac{a_0}{2}, & n=0\\ \frac{1}{2}(a_n + ib_n), & n<0 \end{cases} \end{equation}$$display$$

Спектральная плотность мощности случайного сигнала определяется через предел

Поскольку мы предполагаем, что среднее для белого шума датчиков в неподвижном состоянии равно нулю (), то квадрат среднеквадратического значения равен дисперсии и представляет собой полную мощность в нормированной нагрузке:

Чуть подробнее про выбор полосы пропускания

Опуская технические подробности конфигурирования, можно сказать следующее. В данном датчике осуществляется настраиваемая фильтрация показаний не только акселерометров, гироскопов, но и температурного датчика. Для каждого существует в общей сложности от 7 до 10 режимов, характеризующихся такими понятиями, как полоса пропускания (Bandwidth) в Гц, задержка в мс, частота дискретизации (sampling frequency, Fs) в кГц.

В таблицу режимов фильтра акселерометра добавилась колонка «Плотность шума» в , а “Bandwidth” колонка дополнилась значением “3dB”.

Легче не стало, так что пройдёмся прямо по списку.

Наследие Древнего Рима

С частотой дискретизации (она же частота семплирования) всё понятно — это количество взятых за секунду точек непрерывного по времени сигнала при его дискретизации АЦП. Измеряется в герцах.

Но это абсолютно не значит, что сигнал на выходе акселерометра или гироскопа появляется с тем же периодом.

Если взять те же дроны, тут всё упирается в борьбу за снижение энергопотребления, повышение скорости вычислений и снижение шума выходных данных. Можно понизить частоту обновления данных на выходе, позволив внутренним алгоритмам интегрировать входную информацию в течение некоторого периода времени. Среднеквадратичный понизится, но также сузится и полоса пропускания (датчик сможет засечь лишь те процессы, частота которых будет меньше 50% скорости обновления данных).

Тут лучше сразу вспомнить теорему Котельникова. Она обещает, что при дискретизации аналогового сигнала можно избежать потерь информации (то есть восстановить сигнал без искажений), если частота полезного сигнала будет не больше половины частоты дискретизации, называемой также частотой Найквиста. На практике классический антиалайзинговый фильтр (фильтр низких частот, уменьшающий вклад побочных частотных компонентов в выходном сигнале до пренебрежимо малых уровней — ГОСТ Р 8.714-2010) требует в большинстве случаев разницу минимум в 2.5 раза [Siemens].

Для Fs = 32kHz частота Найквиста будет 16kHz. При этом полезный сигнал вряд ли выйдет за полосу fa = 20Hz (мало кто может менять направление движения чаще 20 раз в секунду). Итого, частота дискретизации значительно превышает частоту, требуемую для сохранения информации, содержащейся в полосе fa (40Hz, в 400 раз превышает), то есть полезный сигнал избыточно дискретизирован. Полоса между частотами fa и fs-fa не содержит никакой полезной информации. Можно уменьшить частоту дискретизации (на диаграмме это сделано с коэффициентом М, [7]), проредив последовательность семплов (отсчётов). Этот процесс и называется децимацией.

Согласно спецификации на MPU-9250, акселерометры снабжены сигма-дельта АЦП. Схемы на его основе потребляют минимальную мощность. Надо отметить, что полоса пропускания у данных преобразователей весьма узкая, не превышает звукового диапазона [Easyelectronics], но для штатного квадрокоптера больше и не нужно. Состоят они из двух блоков: -модулятора и цифрового децимирующего фильтра низких частот.

Зачем объединять фильтр низких частот и децимацию?

Если исходный сигнал не содержит частот, превышающих частоту Найквиста децимированного сигнала, то форма спектра полученного (децимированного) сигнала совпадает с низкочастотной частью спектра исходного сигнала. Частота дискретизации, соответствующая новой последовательности отсчётов, в N раз ниже, чем частота дискретизации исходного сигнала.
Если исходный сигнал содержит частоты, превышающие частоту Найквиста децимированного сигнала, то при децимации будет иметь место алиасинг (наложение спектров).

Таким образом, для сохранения спектра необходимо до децимации удалить из исходного сигнала частоты, превышающие частоту Найквиста децимированного сигнала. В спецификации на MPU-9250 не очень много информации о характеристиках DLPF, но можно найти исследования энтузиастов [9].

Bandwidth, она же frequency response (частотный отклик)

Для акселерометров MPU-9250 границы полосы пропускания определяются так, чтобы внутри диапазона спектральная плотность сигнала отличалась от пиковой (на частоте 0 Гц) не больше, чем на -3дБ. Этот уровень примерно соответствуют падению до половины спектральной плотности (или 70.7% от пиковой спектральной амплитуды). Напомню, для энергетических величин (мощность, энергия, плотность энергии), пропорциональных квадратам силовых величин поля, выраженное в децибелах отношение

Вернёмся к разрешению

Оценить разрешение для каждой полосы пропускания можно по пиковому шуму Среднеквадратичная величина шума на выходе связана с указанной в спецификации спектральной плотностью (а вернее, корнем из неё) и эквивалентной шумовой полосой пропускания (equivalent noise bandwidth, ENBW, — полоса пропускания эквивалентной системы, имеющей прямоугольную АЧХ и одинаковые с исходной системой значение на нулевой частоте и дисперсию на выходе, при воздействии на входы систем белого шума):

Delay (ms), или откуда берётся задержка

Итого. Чем ниже частота обрезания фильтра, тем меньше шума в сигнале. Но тут надо быть осторожным, потому что одновременно с этим вырастает и задержка. Кроме того, можно пропустить полезный сигнал [8].

И это лишь самые основные параметры.

Откуда что бралось:

1. Самый приятный документ от Freescale Semiconductor — «How Many Bits are Enough?»
2. [EE] — «Resolution vs Accuracy vs Sensitivity Cutting Through the Confusion»
3. [Время электроники] — «МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics: акселерометры и гироскопы»
4. [LSB] — «An ADC and DAC Least Significant Bit (LSB)»
5. [Measurement Computing] — «TechTip: Accuracy, Precision, Resolution, and Sensitivity»
6. [KIT] — «Акселерометры Analog Devices — устройство и применение»
7. [Easyelectronics] — «Сигма-дельта АЦП»
8. [Радиолоцман] — «Магнитометры: принцип действия, компенсация ошибок»
9. [SO] — «Noise Measurement»
10. [Mide] — «Accelerometer Specifications: Deciphering an Accelerometer’s Datasheet»
11. [CiberLeninka] — Delta-Sigma ADC Filter
12. [SciEd] — «Особенности реализации цифровой фильтрации с изменением частоты дискретизации»
13. [MPU6050] — «Using the MPU6050’s DLPF»
14. [MPU9250_DLPF] — MPU9250 Gyro Noise DLPF work investigation
15. Understanding Sensor Resolution Specifications
16. Siemens Digital Signal Processing
17. МЭМС-датчики движения от STMicroelectronics
18. [TMWorld] — «Evaluating inertial measurement units»
19. [Sklyar] – Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение.

суть, как устроен и для чего нужен

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих  gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.  

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Рассмотрим самый распространенный пример – механический роторный гироскоп. По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен?  Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Вопросы и ответы, связанные с датчиками в мобильных телефонах

Что такое датчик?

Датчик в мобильном телефоне — это компонент, который используется с целью распознавания изменений в окружающей среде (например, изменения яркости, магнитного поля, температуры и гравитации) и фиксации передвижений объектов (например, перемещения, встряхивания или поднятия телефона). Датчики конвертируют эти изменения в электронные сигналы, которые обрабатывает телефон.

Датчик мобильного телефона состоит из легко повреждаемых высокоточных деталей, чувствительных к источникам внешних помех. Старайтесь не ронять телефон и не подвергать его воздействию сильного магнитного поля, высокой влажности или экстремальных температур, чтобы не повредить датчики.

Самые распространенные датчики, которые устанавливаются в мобильных телефонах

1. Датчик освещенности

Функции: датчик освещенности фиксирует количество окружающего освещения, благодаря чему яркость экрана вашего телефона настраивается автоматически для того, чтобы обеспечить комфортное использование телефона и снизить нагрузку на глаза. Этот датчик поддерживает функцию автоматической настройки баланса белого во время фотосъемки. Кроме того, совместно с датчиком приближения, датчик освещенности помогает предотвратить случайные действия с телефоном, например, когда телефон находится в кармане.

Принцип работы: датчик создает сильный или слабый ток (в зависимости от количества света, которое он фиксирует) и сообщает телефону информацию о том, что нужно повысить или понизить яркость экрана. Обратите внимание, что, если вы используете неофициальное защитное стекло, датчик освещенности может быть закрыт, и это повлияет на его функционирование.

2. Датчик приближения

Функции: датчик приближения распознает другие предметы, которые находятся поблизости, не контактируя с ними. Благодаря датчику приближения экран вашего телефона автоматически выключается, когда вы подносите его близко к уху.

Принцип работы: датчик приближения состоит из инфракрасного светодиода и инфракрасного детектора. Обычно этот датчик располагается вверху экрана рядом с разговорным динамиком. Датчик определяет расстояние между телефоном и объектом, измеряя изменения сигналов инфракрасного света, который он получает. Рабочее расстояние датчика приближения обычно составляет 10 см.

3. Датчик гравитации (акселерометр)

Функции: этот датчик позволяет телефону автоматически менять ориентацию экрана между горизонтальной и вертикальной, считать количество пройденных шагов, использовать компас и распознавать жесты движения (например, жест взятия телефона или жест переворота телефона). С помощью датчика гравитации вы можете управлять движущимся мячом или гоночным автомобилем в играх, переключать композиции встряхиванием устройства, выключать мелодию звонка переворотом устройства и пр.

Принцип работы: датчик измеряет изменения емкостного сопротивления, вызванные движением по трем осям (X, Y, Z), и определяет текущее значение ускорения и замедления.

4. Гироскоп

Функции: гироскоп позволяет играть в игры, фиксирующие ваши движения, выполнять действия в играх движением телефона и служит для навигации, когда службы GPS недоступны. Гироскоп также применяется в виртуальной реальности, 3D-фотографии, 3D-навигации и т.д. (У некоторых моделей нет этого датчика).

Принцип работы: изначально гироскоп – это устройство, состоящее из быстро вращающегося колеса, установленного в рамку, которая позволяет колесу наклоняться в любом направлении. Импульс такого колеса заставляет его сохранять свое положение при наклоне каркаса, поэтому оно используется для измерения угла наклона и угловой скорости. Датчик, который работает по этому же принципу, применяется и в телефонах. Он способен одновременно определять местоположение, фиксировать движение и ускорение в шести направлениях.

5. Компас

Функции: датчик магнитного поля необходим для точного определения местоположения на карте и для обеспечения работы компаса в телефоне. (У некоторых моделей нет этого датчика).

Принцип работы: датчик магнитного поля измеряет силу и направление магнитного поля, фиксируя изменения электрического сопротивления анизотропного магниторезистивного материала, который находится внутри датчика. Иногда телефон нужно встряхнуть или повернуть, чтобы датчик магнитного поля работал корректно. Чтобы результаты измерений были максимально точными, старайтесь не располагать телефон вблизи объектов с сильным магнитным полем.

6. Датчик Холла

Функции: датчик Холла позволяет автоматически блокировать экран телефона, когда вы закрываете чехол-книжку, и разблокировать – когда открываете. (У некоторых моделей нет этого датчика).

Принцип работы: в датчике Холла на проводник подается ток. Когда проводник помещается в магнитное поле перпендикулярно направлению электронов, они отклоняются от прямой траектории. Как следствие, одна плоскость проводника становится отрицательно заряженной, а другая – положительно заряженной, в результате чего возникает разница в напряжениях. Обратите внимание, что на функции датчика может повлиять использование неофициального чехла-книжки, так как в этом случае может возникнуть магнитное склонение.

7. Барометр

Функции: барометр исправляет ошибки измерения высоты, чтобы снизить погрешность примерно до 1 метра, и работает совместно с датчиком GPS, чтобы определить местоположение, когда вы находитесь под мостом или внутри многоэтажного здания. (У некоторых моделей нет этого датчика).

Принцип работы: барометр состоит из реостата и конденсатора. Он измеряет атмосферное давление с помощью расчета изменений электрического сопротивления и емкости.

гироскопических датчиков – как они работают и что нас ждет впереди | о гироскопическом датчике | Техническая информация | Другая информация

Гироскопические датчики

Гироскопические датчики, также известные как датчики угловой скорости или датчики угловой скорости, представляют собой устройства, измеряющие угловую скорость.

Продукты EPSON Gyro
Gyro automotive
Gyro standard
Видео: серия XV7000 для РВК 、 АГВ

Типы гироскопических датчиков

бывают разных типов. Здесь представлены разные типы по размеру и производительности.

В последние годы гироскопические датчики вибрации нашли свое применение, среди прочего, в системах обнаружения дрожания камеры для компактных видео- и фотоаппаратов, в датчиках движения для видеоигр и в системах электронного контроля устойчивости (противоскольжения) транспортных средств.

Ожидается, что в будущем спрос на гироскопы вибрации будет расти в таких областях, как системы безопасности и поддержки водителя транспортных средств, а также управление движением роботов.

Продукты с гироскопом EPSON
Автомобильный гироскоп
Стандартный гироскоп

Гироскопические датчики вибрации

Вибрационные гироскопические датчики определяют угловую скорость по силе Кориолиса, приложенной к вибрирующему элементу. По этой причине точность измерения угловой скорости значительно различается в зависимости от материала элемента и конструктивных отличий.Здесь мы кратко опишем основные типы элементов, используемых в вибрационных гироскопических датчиках.

Типы элементов, используемых в вибрационных гироскопических датчиках

Производители гироскопических датчиков вибрации используют различные материалы и конструкции, пытаясь разработать компактные высокоточные гироскопические датчики с хорошими характеристиками, в том числе:
• масштабный коэффициент
• температурно-частотный коэффициент
• компактный размер
• ударопрочность
• стабильность
• шумовые характеристики

Продукты с гироскопом EPSON
Автомобильный гироскоп
Стандартный гироскоп

Как работает определение угловой скорости (в датчиках вибрационного гироскопа)

Вибрационные гироскопические датчики определяют угловую скорость по силе Кориолиса, приложенной к вибрирующему объекту.
Здесь мы объясним, как это работает, на примере кристаллического элемента Epson с двойной Т-структурой.

Продукты с гироскопом EPSON
Автомобильный гироскоп
Стандартный гироскоп

Применение гироскопических датчиков

Гиродатчики имеют три основных применения.

Интересные факты
Примеры угловой скорости в приложениях:
• Автомобильные навигационные системы: ~ 10 град / с
• Управление транспортным средством: ~ 30 град / с
• Коррекция дрожания камеры: ~ 100 град / с
• Игровые контроллеры: ~ 300 град / с
• Определение движения лучших игроков в гольф: ~ 3000 град / с

Продукты с гироскопом EPSON
Автомобильный гироскоп
Стандартный гироскоп

Примеры приложений

используются во всех изделиях, которые нас окружают.

Продукты EPSON Gyro
Gyro automotive
Gyro standard
Видео: серия XV7000 для РВК 、 АГВ

– learn.sparkfun.com

Что такое гироскоп

Гироскопы или гироскопы – это устройства, которые измеряют или поддерживают вращательное движение. Гироскопы MEMS (микроэлектромеханические системы) – это небольшие недорогие датчики, измеряющие угловую скорость. Единицы угловой скорости измеряются в градусах в секунду (° / с) или оборотах в секунду (RPS).Угловая скорость – это просто измерение скорости вращения.

, аналогичные приведенному выше, могут использоваться для определения ориентации и используются в большинстве автономных навигационных систем. Например, если вы хотите сбалансировать робота, можно использовать гироскоп для измерения вращения из сбалансированного положения и отправки поправок на двигатель.

Основные понятия в этом руководстве

Перед тем, как углубиться в это руководство, вы можете прочитать некоторые из этих концепций, если вы с ними не знакомы.

Как работает гироскоп

Когда вещи вращаются вокруг оси, они имеют так называемую угловую скорость . Вращающееся колесо можно измерять в оборотах в секунду (RPS) или градусах в секунду (° / s).

Обратите внимание, что ось z гироскопа ниже совпадает с осью вращения колеса.

Если вы прикрепите датчик к колесу, показанному выше, вы можете измерить угловую скорость оси z гироскопа. Две другие оси не будут измерять вращение.

Представьте, если колесо вращается раз в секунду. У него будет угловая скорость 360 градусов в секунду. Также важно направление вращения колеса. По часовой стрелке вокруг оси или против часовой стрелки?

Трехосный гироскоп MEMS, подобный изображенному выше (ITG-3200), может измерять вращение вокруг трех осей: x, y и z. Некоторые гироскопы бывают одноосных и двухосных, но трехосный гироскоп в одном чипе становится меньше, дешевле и популярнее.

часто используются на объектах, которые совсем не вращаются очень быстро. Самолеты (надеюсь) не крутятся. Вместо этого они поворачиваются на несколько градусов по каждой оси. Обнаруживая эти небольшие изменения, гироскопы помогают стабилизировать полет самолета. Также обратите внимание, что ускорение или линейная скорость самолета не влияет на измерения гироскопа. Гироскопы измеряют только угловую скорость.

Как гироскоп MEMS определяет угловую скорость?

Внутренний вид гироскопического датчика MEMS

Датчик гироскопа внутри MEMS крошечный (от 1 до 100 микрометров, размером с человеческий волос).Когда гироскоп вращается, небольшая резонирующая масса смещается при изменении угловой скорости. Это движение преобразуется в электрические сигналы очень слабого тока, которые могут усиливаться и считываться микроконтроллером хоста.

Как подключиться к гироскопу

Основными аппаратными соединениями для использования гироскопа являются power и интерфейс связи . Как всегда, обратитесь к таблице данных датчика за всей информацией о технических характеристиках и примерах соединений.

Интерфейс связи

могут иметь цифровой интерфейс связи или аналоговый .

• Гироскопы с цифровым интерфейсом обычно используют протоколы связи SPI или I2C. Использование этих интерфейсов позволяет легко подключиться к микроконтроллеру хоста. Одним из ограничений цифрового интерфейса является максимальная частота дискретизации. I2C имеет максимальную частоту дискретизации 400 Гц. SPI, с другой стороны, может иметь гораздо более высокую частоту дискретизации.

• Гироскопы с аналоговым интерфейсом представляют скорость вращения посредством переменного напряжения, обычно между землей и напряжением питания. Для считывания сигнала можно использовать АЦП на микроконтроллере. Аналоговые гироскопы могут быть менее дорогими, а иногда и более точными, в зависимости от того, как вы читаете аналоговый сигнал.

Мощность

MEMS обычно маломощные. Рабочие токи находятся в диапазоне мА, а иногда и мкА.Напряжение питания для гироскопов обычно составляет 5 В или меньше. Цифровые гироскопы могут иметь выбираемые логические напряжения или работать от напряжения питания. Для любого цифрового интерфейса не забудьте подключить линии от 5 до 5 В и от 3,3 до 3,3 В. Кроме того, гироскопы с цифровыми интерфейсами могут иметь режимы пониженного энергопотребления и сна, что позволяет использовать их в приложениях с батарейным питанием. Иногда это преимущество перед аналоговым гироскопом.

Как выбрать гироскоп

При выборе гироскопа необходимо учитывать множество спецификаций.Вот несколько наиболее важных полезных:

Диапазон

Диапазон измерения или диапазон полной шкалы – это максимальная угловая скорость, которую может прочитать гироскоп. Подумайте о том, что вы измеряете. Вам нужно измерить вращение проигрывателя, которое работает очень медленно, или вращающегося колеса, которое может быть очень быстрым?

Чувствительность

Чувствительность измеряется в мВ на градус в секунду (мВ / ° / с). Не позволяйте странному измерению этой ценности пугать вас.Он определяет, насколько изменяется напряжение при заданной угловой скорости. Например, если гироскоп указан с чувствительностью 30 мВ / ° / с, и вы видите изменение выходного сигнала на 300 мВ, вы повернули гироскоп со скоростью 10 ° / с.

Хорошее правило, которое следует запомнить: с увеличением чувствительности дальность действия уменьшается. Например, посмотрите техническое описание гироскопа LPY503 или любой гироскоп с выбираемым диапазоном:

Обратите внимание, что с большим диапазоном страдает чувствительность и вы получаете меньшее разрешение.

Смещение

Как и в случае с любым другим датчиком, измеряемые вами значения будут содержать некоторую погрешность или смещение. Вы можете увидеть смещение гироскопа, измерив выходной сигнал, когда гироскоп неподвижен. Хотя вы думаете, что видите 0 °, когда гироскоп неподвижен, вы всегда будете видеть небольшую ненулевую ошибку на выходе. Эти ошибки иногда называют дрейфом смещения или нестабильностью смещения. На смещение сильно влияет температура сенсора. Чтобы свести к минимуму источник этой ошибки, большинство гироскопов имеют встроенный датчик температуры.Таким образом, вы можете считывать температуру датчика и исправлять любые изменения, зависящие от температуры. Чтобы исправить эти ошибки, гироскоп должен быть откалиброван. Обычно это делается, удерживая гироскоп неподвижным и обнуляя все показания в вашем коде.

Идем дальше

К настоящему времени вы должны знать, как работает гироскоп, и иметь хорошую основу, чтобы начать работу с гироскопом в своем собственном проекте.

Ознакомьтесь с этими руководствами, в которых используются гироскопы:

Как датчик гироскопа работает в вашем смартфоне?

A Гироскоп можно понимать как устройство, которое используется для поддержания исходного направления или обеспечения устойчивости при навигации, стабилизаторы и т. Д.Точно так же в вашем смартфоне присутствует гироскоп или гироскопический датчик, который измеряет угловую скорость вращения и ускорение. Проще говоря, все эти мобильные игры, в которые мы можем играть, используя чувство движения на наших телефонах, планшетах и ​​т. Д., Происходят благодаря Gyroscope Sense. Точно так же в смартфоне требуется возможность просмотра 360-градусных видео или фотографий. Фотография или видео перемещаются, когда мы перемещаем телефон из-за наличия гироскопа.

Типы датчиков гироскопа

Датчики гироскопа бывают разных видов и типов, имеют разные характеристики и размеры.

Источник изображения – EPSON

Применение гироскопа в смартфоне

Гироскоп в смартфоне предоставляет графический интерфейс, который позволяет пользователю выбирать меню и т. Д., Наклоняя телефон. Телефон можно слегка отклонить, чтобы перемещаться вверх и вниз по списку контактов. Это позволяет смартфону запускать заданные команды различными движениями. Например, можно встряхнуть телефон, чтобы заблокировать его.

• Ответить по телефону / открыть сайт

Гироскопический датчик в вашем телефоне позволяет ответить на звонок или открыть веб-сайт с помощью имеющихся команд, таких как вращение, легкое встряхивание телефона 2–3 раза и т. Д.

Стабилизация изображения – это одно из приложений гироскопа в вашем смартфоне, которое предотвращает дрожание руки, которое влияет на качество изображения. Это позволяет телефону записывать действия во время нажатия на кнопку спуска затвора, чтобы сделать снимки более четкими. Устраняет влияние вибрации как на фото, так и на видео.

В случае потери услуги или сети, в туннелях или подземных дорогах, GPS продолжает помогать ориентироваться в автомобиле с помощью гироскопа.

• Управляющая игра с датчиком движения

Компания Apple, выпустившая iPhone 4, сделала Gyroscope ядром motion gaming . Это позволяет разработчику управлять игрой с помощью обнаружения действий. Он позволяет вам использовать свой телефон в качестве рулевого колеса во время вождения автомобиля в игре, реактивного самолета и т. Д. Игра воспроизводит моменты, которые вы делаете с телефоном, и, следовательно, управляет играми с чувством движения.

Источник изображения – SEIKO EPSON

Реализации датчика гироскопа в мобильном приложении

• Как обсуждалось ранее, датчик гироскопа может обеспечивать выполнение ряда действий на основе различных наборов движений, выполняемых пользователем, таких как встряхивание телефона для отмены записанного содержимого.
Датчик гироскопа
• отвечает за авторотацию экрана и просмотр на экране всякий раз, когда телефон поворачивается.
• Одна из самых больших реализаций гироскопа заключается в том, что он обеспечивает плавное вращение и выполнение нескольких команд в играх с помощью трехмерных движений.
Гироскоп
• может обеспечивать точное движение внутри функциональности приложения. Это позволяет пользователю выполнять большинство задач с помощью движения самого устройства.
Гироскоп
• фиксирует 6-мерное угловое движение.Это просто означает, что мобильные приложения, разработанные с использованием датчика гироскопа, с большей вероятностью обеспечат привлекательный пользовательский интерфейс, чем приложение без датчика.

Приложения в смартфоне с датчиком гироскопа

Сегодня большинство приложений в смартфоне работают лучше всего, когда в телефоне есть датчик гироскопа. Например, недавно популярная игра Pokemon Go показала, как дополненная реальность добавляет впечатлений от игры, однако, что интересно, AR не будет возможна без гироскопического датчика.Если в вашем телефоне нет хорошего гироскопического датчика, его можно включить с помощью модуля GyroEmu Xposed на любом телефоне Android.

Android-приложения, которые наилучшим образом используют гироскопический датчик

Android-приложения, которые наилучшим образом используют гироскопический датчик:

приложений для iPhone, которые наилучшим образом используют гироскопический датчик

iPhone Приложения, которые наилучшим образом используют гироскопический датчик

С каждым днем ​​появляется все больше и больше приложений, творчески использующих гироскопические датчики. Тем не менее, много инноваций делается в области расширенной готовности с гироскопом в смартфонах.Мы очень рады видеть, что будет дальше!

Лучшие смартфоны с датчиком гироскопа

Поскольку сегодня датчик гироскопа является неотъемлемой частью каждого смартфона, ниже приведены некоторые из лучших смартфонов с датчиком гироскопа, которые вы можете получить.

| Определение, физика и использование

Гироскоп , устройство, содержащее быстро вращающееся колесо или циркулирующий луч света, которое используется для обнаружения отклонения объекта от его желаемой ориентации.Гироскопы используются в компасах и автопилотах кораблей и самолетов, в управляющих механизмах торпед и в инерционных системах наведения, устанавливаемых в космических ракетах-носителях, баллистических ракетах и ​​орбитальных спутниках.

  if («Акселерометр» в окне) {
}  

  пусть акселерометр = ноль; 
 попробуйте {
 акселерометр = новый акселерометр ({частота: 10}); 
 accelerometer.onerror = (event) => {
 if (event.error.name === 'NotAllowedError') {
 console.log ('Доступ к датчику запрещен.'); 
} else if (event.error.name === 'NotReadableError') {
 console.log ('Невозможно подключиться к датчику.'); 
} 
}; 
 accelerometer.onreading = (e) => {
 console.log (e); 
}; 
 accelerometer.start (); 
} catch (error) {
 if (error.name === 'SecurityError') {
 console.log ('Создание датчика было заблокировано политикой разрешений.'); 
} else if (error.name === 'ReferenceError') {
 console.log ('Датчик не поддерживается агентом пользователя.'); 
} else {
 ошибка выброса; 
} 
}  

  
 импорт {Gyroscope, AbsoluteOrientationSensor} из './src/motion-sensors.js'; 
 
 const гироскоп = новый гироскоп ({частота: 15}); 
 const ориентация = новый AbsoluteOrientationSensor ({частота: 60}); 
  

  let torusGeometry = new THREE.TorusGeometry (7, 1.6, 4, 3, 6.3); 
 let material = new THREE.MeshBasicMaterial ({color: 0x0071c5}); 
 пусть тор = новые ТРИ.Сетка (torusGeometry, материал); 
 scene.add (torus); 
 
 const sensorAbs = новый AbsoluteOrientationSensor (); 
 sensorAbs.onreading = () => torus.quaternion.fromArray (sensorAbs.quaternion); 
 sensorAbs.start (); 
 
 
 const sensorRel = новый RelativeOrientationSensor (); 
 пусть rotationMatrix = new Float32Array (16); 
 sensor_rel.onreading = () => {
 sensorRel.populateMatrix (RotationMatrix); 
 torus.matrix.fromArray (RotationMatrix); 
}; Датчик 
 Кат.Начало(); 
  

  const mesh = new BABYLON.Mesh.CreateCylinder ('mesh', 0.9, 0.3, 0.6, 9, 1, scene); 
 const sensorRel = новый RelativeOrientationSensor ({частота: 30}); 
 sensorRel.onreading = () => mesh.rotationQuaternion.FromArray (sensorRel.quaternion); 
 sensorRel.start ();  

  
 let modMatrix = new Float32Array ([1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1]) ; 
 const sensorAbs = новый AbsoluteOrientationSensor ({частота: 60}); Датчик 
, абс.onreading = () => sensorAbs.populateMatrix (modMatrix); 
 sensorAbs.start (); 
 
 gl.uniformMatrix4fv (modMatrixAttr, false, modMatrix); 
  

  
 const sensorRelDevice = new RelativeOrientationSensor (); 
 
 const sensorRelScreen = новый RelativeOrientationSensor ({referenceFrame: 'screen'}); 
  

  function initSensor () {
 sensor = new AbsoluteOrientationSensor ({frequency: 60}); Датчик 
.onreading = () => model.quaternion.fromArray (sensor.quaternion); 
 sensor.onerror = (event) => {
 if (event.error.name == 'NotReadableError') {
 console.log ('Датчик недоступен.'); 
} 
}; 
 sensor.start (); 
}  

  this.maxSpeed ​​= 0; 
 this.vx = 0; 
 this.ax = 0; 
 this.t = 0; 
 this.accel.onreading = () => {
 let dt = (this.accel.timestamp - this.t) * 0,001; 
 this.vx + = ((this.accel.x + this.ax) / 2) * dt; 
 
 let speed = Math.abs (this.vx); 
 
 if (this.maxSpeed ​​<скорость) {
 this.maxSpeed ​​= скорость; 
} 
 
 this.t = this.accel.timestamp; 
 this.ax = this.accel.x; 
};