Назначение гироскопических датчиков и системы их использования в современных навигационных системах / Хабр

image

Рис. 1

image

Рис. 2

Рис. 3, 4

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

Рис. 5

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме Cos2и эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на Рис.6, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. На четырех вторичных снимающих узлах расположенных на периметре кольца под углом 45 по отношению к основным осям нет радиального движения.

Рис. 6

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Параметр Предельный диапазон значений Типовая величина
Напряжение питания 2.7 3.6 В 3 В
Диапазон измерения 75, 150, 300, 900 градусов/сек
Чувствительность (аналоговый выход) 13.3, 6.7, 3.3, 1.0 мВ/Градус/сек
Температурное смещение чувствительности +/- 3% +/- 1%
«Ноль» Ѕ напряжения питания – ср. кв. отклонение (температурное отклонение)    +/- 3 градуса/сек +/- 1,5 градус/сек
Нестабильность ср. кв. погрешности < 40 градус/час
> 75 Гц – задается пользователем при использовании внешнего конденсатора
Плотность шума 0.025 градус/сек/корень(Гц) 0,01 градус/сек/корень(Гц)
Случайный временной уход 0.28 градусов/корень(час)
Рабочая температура
Температура хранения -55 … +125 градусов Цельсия
Удары
Вибрация 3,5 g в диапазоне 10 Гц – 5 кГц при включенном
Время включения 0.5 с < 0,3 с
Вес В зависимости от  модификации от 0,08 до 0, 12 г.
Потребляемый ток 6 мА 4 мА

Рис. 10 Оси датчика, по которым проводится измерение ускорения

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Рис. 11 Высокопроизводительный 3-осевой емкостной акселерометр

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рисунке 12.

Рис. 12

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату.

Рис. 13 Конструкция корпуса акселерометра

Таким образом, благодаря е технологии CoM, можно получить полноценное функциональное МЭМС-устройство с размером корпуса по периметру 4х2 мм. и высотой 1 мм. Данная технология полностью готова для производства датчиков, как для небольших партий, так и в промышленных масштабах.

Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра:

Параметр Типовая величина
Электропитание 3.3 В
Диапазон измерений ±6 g
Разрешение АЦП 12 бит
AEC-Q полностью совместимы
Встроенный температурный сенсор
Цифровой выход SPI
Максимальный удар 20 Kg
Рабочая температура    [-40;+125]С
Полоса пропускания 45…50 Гц
Улучшенная самодиагностика
Размер 7.7 х 8.6 х 3.3 мм
Совместимость с 2 и 1-осевыми датчиками аналогичного типа

Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив официальный запрос с сайта.

Статьи Находки 14.08.2018 17:21 Читайте также Научный блог Можно ли обвинять женщин в том, что мужчины мало живут Женщины живут дольше мужчин. Особенно это заметно в нашей стране 25.06.2021 11:27 Научный перевод Смартфон вас подслушивает? Скорее всего, нет, и вот почему У системы есть другие способы залезть вам в голову. 23.06.2021 11:43 Научный блог «Доходит до полного расчеловечивания людей необразованных» «Популяризатор в период гона похож на человека только внешне». 21.06.2021 14:52 Новости МирТесен

Невозмутимый цыпленок со встроенным гироскопом(1 фото + 1 видео)

Работа биологического гироскопа на примере головы цыпленка. Птица держит голову в неизменном положении, пока её тело вращают почти на 360 градусов. Иногда даже кажется, что голова живет отдельно от тела.–>

Работа биологического гироскопа на примере головы цыпленка. Птица держит голову в неизменном положении, пока её тело вращают почти на 360 градусов.–>

Читать дальше

Куб, который удерживает равновесие в любом положении

а еще и передвигаться умеет–>

а еще и передвигаться умеет–>

Читать дальше

Стартап Lit Motors разработал мотоцикл-неваляшку(2 фото)

Небольшая американская компания Lit Motors скромно претендует на то, чтобы совершить революцию в мото-мире. Поможет им в этом закрытый байк-неваляшка, который может вывести безопасность двухколесного транспорта на невиданный доселе уровень.–>

Небольшая американская компания Lit Motors скромно претендует на то, чтобы совершить революцию в мото-мире.–>

Читать дальше

Гироскоп

–>

Читать дальше

Забавная штука – гироскоп

Посмотреть

–>

Читать дальше Поделись знанием: Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к: навигация, поиск

Гироско́п (от др.-греч.γῦρος — круг + σκοπέω — смотрю) — устройство, способное реагировать на изменение угловориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).

Термин впервые введен Ж. Фуко в своём докладе в 1852 году во Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».

История

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Древней Греции были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоанн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году[1]. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства[2]. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе[3]. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском[4][5]. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях[6]. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае — Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента[7]. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа[8].

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

  • двухстепенные,
  • трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

  • механические гироскопы,
  • оптические гироскопы.

Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих ЯМР для отслеживания изменения спина атомных ядер.[9]

Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Свойства трехстепенного роторного гироскопа

См. также: Гироскопический тренажёр

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта описывается, согласно следствию второго закона Ньютона, уравнением

vec{M}={{d vec{L}}over {dt}},

где векторыvec{M} и vec{L} являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса.

Изменение вектора момента импульса vec{L} под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силыvec{M}, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный vec{L}, приводит к движению, перпендикулярному как vec{M}, так и vec{L}, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии vec{Omega}_P гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы[10]:

vec{M}=vec{Omega}_P times vec{L},

то есть vec{Omega}_P обратно пропорциональна моменту импульса ротора гироскопа, или, при неизменном моменте инерции ротора — скорости его вращения.

Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона, гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту vec{M}, приложенному к гироскопу. Этот момент реакции называется гироскопическим моментом.

То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции — так называемую кориолисову силу. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.

Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие поворачивающие или сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания пропорционально угловой скорости (ДУС — датчики угловой скорости) или углу поворота основания (интегрирующие гироскопы). Этот тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторными гироскопами. В англоязычной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрационные гироскопы» — хотя принцип их действия основан на эффекте действия силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Например, микромеханические вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сегвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.

Подобные типы микрогироскопов используются в мобильных устройствах, в частности, в мультикоптерах, фотоаппаратах и видеокамерах (для управления стабилизацией изображения), в смартфонах и т.д[11].

Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS-гироскопе с частотой scriptstyleomega_r.

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное scriptstyle vec{a}_c = -2({vec{v}times vec{Omega}}), где scriptstyle vec{v} — скорость и scriptstyle vec{Omega} — угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как : scriptstyle X_{ip} omega_r cos(omega_r t), а положение грузика в плоскости — scriptstyle X_{ip} sin(omega_r t). Внеплоскостное движение scriptstyle y_{op}, вызываемое поворотом гироскопа равно:

y_{op} = frac{F_c}{k_{op}} = frac{2mOmega X_{ip} omega_r cos(omega_r t)}{k_{op}}
где:
scriptstyle m — масса колеблющегося грузика.
scriptstyle k_{op} — коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости.
scriptstyleOmega — величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.
Разновидности
IvS2, 12 сентября 2013, 17:25

Привет всем, уважаемые пользователи лучшего мобильного портала Trashbox. Сегодняшняя шестая по счёту статья из рубрики «Как это работает» посвящается гироскопу. Если вам не известно, что это такое — данная статья для вас. Давайте же узнаем, что такое гироскоп и как это работает. Самое интересное под катом.

ЛучшийTelegram-каналпро технологии(возможно)

Содержание

Принцип работы Использование гироскопа в мобильных устройствах

Гироскоп (в переводе значит «вращение» или «смотреть») — устройство, имеющее способность измерения изменения углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. В настоящее время известно два типа гироскопов: механический и оптический. По режиму действия гироскопы делятся на: датчики угловой скорости и указатели направления. Однако, одно устройство может работать одновременно в разных режимах в зависимости от типа управления.

Что касается механических гироскопов, то из них больше всех известен роторный гироскоп — это твёрдое тело, которое быстро вращается и ось которого способна изменять ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом существенно превышает скорость поворота оси его вращения. Основным свойством данного гироскопа является способность сохранения в пространстве неизменного направления оси вращения при отсутствии какого-либо воздействия на неё внешних сил. Основная часть роторного гироскопа — быстро-вращающийся ротор, имеющий несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Принцип работы

Принцип работы гироскопа заключается в грузиках, которые вибрируют на плоскости с частотой скорости умноженной на перемещение. При повороте гироскопа возникает так называемое Кориолисово ускорение. Если вы пропускали физику в школе или не знаете, то у всех тел есть единое свойство — при вращении они сохраняют свою ориентацию относительно направления силы тяжести. По сути, гироскоп — это волчок, который вращается вокруг вертикальной оси, закреплённый в раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и в свою очередь закреплена в другой раме, которая может поворачиваться вокруг третьей оси. Таким образом, можно придти к выводу: как бы мы не поворачивали волчок, он всегда имеет возможность всё равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор считывает, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.

Гироскопы применяются в технике. Они используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. Что касается той самой системы стабилизации, то она бывает трёх типов: система силовой стабилизации (используется на двухстепенных гироскопах), система индикаторно-силовой стабилизации (также на двухстепенных гироскопах) и система индикаторной стабилизации (на трёхстепенных гироскопах).

А теперь поподробнее об этих трёх основных типах. Система силовой стабилизации: для стабилизации вокруг каждой оси требуется один гироскоп. Сама стабилизация осуществляется непосредственно гироскопом, а также двигателем разгрузки. В начале действует гироскопический момент, а потом уже подключается двигатель разгрузки. Система индикаторно-силовой стабилизации: для стабилизации также требуется один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент. И последняя — система индикаторной стабилизации: для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Использование гироскопа в мобильных устройствах

Давайте же затронем тему использования гироскопа в мобильных устройствах и игровых приставках. В настоящее время в большинстве смартфонов используется так называемый МЭМС-акселерометр. Будучи датчиком ускорения, в покойном состоянии он видит только один вектор — вектор всемирной силы тяготения, который всегда направлен к центру Земли. По разложениям вектора на чувствительные оси датчика без каких-либо затруднений вычисляется угловое положение устройства в пространстве. Также разложение вектора может показать, что датчик неспособен определить разворот устройства по углу курса, то есть поворот влево или вправо при поставленном на ребро смартфоне — проекция вектора на курс всегда равняется нулю. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo — Wii Remote для игровой приставки Wii, и в нём используется только трёхмерный акселерометр.

Кроме того, гироскоп стал применяться и в игровых контроллерах. Например, Sixaxis для SONY PlayStation третьего поколения и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих игровых контроллерах используются два дополняющих друг друга пространственных сенсора: гироскоп, а также акселерометр. Также в новейших контроллерах, кроме акселерометра, используется дополнительный пространственный сенсор — гироскоп. Если привести работу гироскопа в других вещах, то существуют игрушки на основе гироскопа. Самыми банальными примерами являются йо-йо и волчок или в народе его называют «юла». Волчки же отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.

В других сферах также есть применение гироскопу — их целый список. Гироскоп используется в приборах навигации в самолётах и космических аппаратах, в оружии (пуля при стрельбе закручивается, это придаёт ей гораздо большую устойчивость и повышает точность стрельбы), колёса велосипеда или подобного устройства работают как гироскопы — это не даёт ездоку упасть. Таким образом, любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом — он противодействует отклонению оси вращения.

Telegram-каналсоздателяТрешбоксапро технологии Последнее изменение: 4 августа 2020, 21:43 Как это работает Как это работает: Apple A7Как это работает: гироскопКак это работает: Bluetooth

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Citilink-kabinet.ru
Добавить комментарий