Для определения положения и ориентации объекта используется множество различных сенсорных устройств. Наиболее распространенными из этих датчиков являются гироскоп и акселерометр. Несмотря на схожие цели, они измеряют разные вещи. Объединенные в одно устройство, они могут создать очень мощный массив информации.
Что такое гироскоп?
A гироскоп — это устройство, которое использует гравитацию Земли для определения ориентации. Его конструкция состоит из свободно вращающегося диска, называемого ротором, установленного на оси вращения в центре большего и более устойчивого колеса. Когда ось поворачивается, ротор остается неподвижным, что указывает на центральное гравитационное притяжение и, следовательно, направление «вниз».
«Один типичный тип гироскопа состоит из подвешивания относительно массивного ротора внутри трех кольца, называемые подвесами », — говорится в учебном пособии Университета штата Джорджия. «Установка каждого из этих роторов на высококачественные опорные поверхности гарантирует, что очень небольшой крутящий момент может быть приложен к внутреннему ротору».
Гироскопы были впервые изобретены и названы в 19 веке французским физиком Жан-Бернаром -Леон Фуко. Согласно Британской энциклопедии, только в 1908 году немецкий изобретатель Х. Аншютц-Кемпфе разработал первый работоспособный гирокомпас. Он был создан для использования в подводных лодках. Затем, в 1909 году, на нем был создан первый автопилот.
Что такое акселерометр?
Акселерометр — это компактное устройство, предназначенное для измерения негравитационного ускорения. Когда объект, в который он встроен, переходит из состояния покоя в любую скорость, акселерометр рассчитан на то, чтобы реагировать на вибрации, связанные с таким движением. В нем используются микроскопические кристаллы, которые подвергаются нагрузке при возникновении вибрации, и из-за этого напряжения генерируется напряжение для создания показаний при любом ускорении. Акселерометры — важные компоненты устройств, которые отслеживают физическую форму и другие измерения в количественном выражении самодвижения.
Первый акселерометр был назван машиной Атвуда и был изобретен Английский физик Джордж Этвуд в 1783 году, согласно книге Вилле Каякари «Практическая МЭМС».
Использование гироскопа или акселерометра
Основное различие между двумя устройствами простое: одно может определять вращение, тогда как другие не могут. В некотором смысле акселерометр может определять ориентацию стационарного объекта по отношению к поверхности Земли. При ускорении в определенном направлении акселерометр не может отличить это от ускорения, обеспечиваемого гравитационным притяжением Земли. Если принять во внимание этот недостаток при использовании в самолете, акселерометр быстро потеряет большую часть своей привлекательности.
Гироскоп сохраняет свой уровень эффективности, имея возможность измерять скорость вращения вокруг определенного ось. При измерении скорости вращения вокруг оси крена самолета он определяет фактическое значение, пока объект не стабилизируется. Используя ключевые принципы углового момента, гироскоп помогает указать ориентацию. Для сравнения, акселерометр измеряет линейное ускорение на основе вибрации.
Типичный двухосевой акселерометр показывает пользователям направление силы тяжести в самолете, смартфоне, автомобиле или другом устройстве. Для сравнения, гироскоп предназначен для определения углового положения на основе принципа жесткости пространства. Приложения каждого устройства довольно сильно различаются, несмотря на схожее назначение. Гироскоп, например, используется в навигации на беспилотных летательных аппаратах, компасах и больших лодках, что в конечном итоге способствует стабильности в навигации. Акселерометры также широко используются в сфере машиностроения, мониторинга оборудования, зданий и сооружений, навигации, транспорта и даже бытовой электроники.
Появление акселерометра на рынке бытовой электроники. с появлением таких широко распространенных устройств, как iPhone, использующих его для встроенного приложения компаса, способствовало его общей популярности во всех направлениях программного обеспечения. Определение ориентации экрана, работа в качестве компаса и отмена действий простым встряхиванием смартфона — это несколько основных функций, которые зависят от наличия акселерометра. В последние годы его применение в бытовой электронике распространяется теперь на персональные ноутбуки.
Датчики в использовании
Использование в реальных условиях лучше всего иллюстрирует различия между этими датчиками. Акселерометры используются для определения ускорения, хотя трехосевой акселерометр может определять ориентацию платформы относительно поверхности Земли. Однако как только платформа начинает двигаться, интерпретировать ее показания становится сложнее. Например, при свободном падении акселерометр покажет нулевое ускорение. В самолете, выполняющем поворот под углом крена 60 градусов, трехосевой акселерометр регистрировал бы вертикальное ускорение 2G, полностью игнорируя наклон. В конечном счете, акселерометр нельзя использовать в одиночку, чтобы помочь в правильной ориентации самолетов.
Вместо этого акселерометры находят применение во множестве бытовых электронных устройств. Например, среди первых смартфонов, которые использовали его, был iPhone 3GS от Apple с введением таких функций, как приложение компаса и встряхивание для отмены, согласно Wired.
Гироскоп будет использоваться в самолет, чтобы помочь в индикации скорости вращения вокруг оси крена самолета. Когда самолет катится, гироскоп будет измерять ненулевые значения, пока платформа не выровняется, после чего он будет считывать нулевое значение, чтобы указать направление «вниз». Лучшим примером считывания показаний гироскопа является индикатор высоты на типичных самолетах.. Он представлен круглым дисплеем с экраном, разделенным пополам, верхняя половина которого имеет синий цвет для обозначения неба, а нижний — красный цвет для обозначения земли. Когда самолет кренится для поворота, ориентация дисплея будет меняться вместе с креном, чтобы учесть фактическое направление земли.
Предполагаемое использование каждого устройства в конечном итоге влияет на их практичность на каждой платформе. использовал. Многие устройства выигрывают от наличия обоих датчиков, хотя многие полагаются на использование только одного. В зависимости от типа информации, которую вам нужно собрать — ускорение или ориентация — каждое устройство будет давать разные результаты.
Дополнительный отчет Алины Брэдфорд, соавтора Live Science.
Дополнительные ресурсы
- Неприводные микромеханические гироскопы и их применение
- Юго-западный образовательный центр по микросистемам: история MEMS
- Интернет-журнал Sensors: принципы датчиков ускорения, удара и вибрации
Что такое гироскопы, как они работают и их значение
Гироскопы действительно крутые. На первый взгляд, это довольно странные объекты, которые движутся необычным образом и, кажется, «бросают вызов» самой гравитации. Особые свойства этих устройств сделали их бесценными для навигации, среди прочего.
Гироскопы повсюду в нашем современном мире. Вы найдете их в самолетах, космических станциях и во всем, что вращается.
И они потрясающие.
Типичный самолет часто будет иметь целый набор из них, включая крайне важный компас. На космической станции «Мир» на самом деле использовалось 11 из них, чтобы ориентироваться относительно Солнца, плюс в телескопе Хаббла их тоже есть.
СВЯЗАННЫЙ: САМЫЙ Крошечный ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП В МИРЕ ТЕПЕРЬ МЕНЬШЕ ЗЕРНА РИСА
Здесь мы кратко рассмотрим эти странные устройства и их важность для нашего современного мира .
Что это определение гироскопа?
Согласно Оксфордскому словарю английского языка, гироскоп — это «устройство, состоящее из колеса или диска, установленного так, что он может быстро вращаться вокруг оси, которая сама может свободно вращаться. изменить направление. На ориентацию оси не влияет наклон крепления. «
Хотя это определение великолепно, оно на самом деле не объясняет, как они работают или почему они так важны (при условии, что мы немного урезали определение). Во-первых, давайте посмотрим на их «странное поведение».
Уловки торговли
Гироскопы, в их самой основной форме, представляют собой вращающееся колесо/диск на ось. Более сложные образцы также будут установлены на металлической раме, или на наборе подвижных или неподвижных рам или подвесов для повышения точности устройства.
Хотя на поверхности они кажутся простыми объектами, они могут выполнять некоторые функции. действительно очень странные трюки.
Когда колесо не вращается, гироскопы фактически представляют собой чрезмерно сконструированные пресс-папье. Если вы попытаетесь встать, он, очевидно, просто упадет.
Но мы думали, что они могут бросить вызов гравитации? Подождите, закрутите колесо и наблюдайте, как происходит волшебство.
Возможно, вы играли с гироскопами в детстве? Может у вас есть спиннер непоседа? Если да, то вы вспомните, как они могут выполнять множество интересных трюков. Например, вы можете балансировать на веревке или пальце, пока он находится в движении.
Еще одно примечательное их свойство, если вы когда-либо держали его в руках, — это то, что он будет пытаться сопротивляться попыткам для перемещения его положения.
Вы даже можете наклонить его под углом, когда он подвешен на подставке, и он будет левитировать, хотя и вращается вокруг подставки. Что еще более впечатляюще, вы можете поднять гироскоп с помощью веревки на одном конце.
Как работают гироскопы?
Объяснение этого явления сложно понять интуитивно. Их способность, казалось бы, игнорировать гравитацию, является продуктом углового момента, на который влияет крутящий момент на диске, например гравитация, для создания гироскопической прецессии вращающегося диска или колеса.
Это явление также известно как гироскопическое движение или гироскопическая сила, и оно оказалось очень полезным. действительно для нас, людей. Эти термины относятся к тенденции вращающегося объекта, а не только гироскопа, поддерживать ориентацию своего вращения.
Таким образом, вращающийся объект обладает угловым моментом, как упоминалось ранее, и это должно быть сохраненным. Из-за этого вращающийся объект будет сопротивляться любому изменению своей оси вращения, так как изменение ориентации приведет к изменению углового момента.
Другой замечательный пример прецессии происходит с планета Земля тоже. Как вы знаете, ось вращения Земли на самом деле лежит под углом к вертикали, которая из-за своего угла образует круг при вращении самой оси вращения.
Хотя это не совсем относится к этой статье, Причина странного наклона Земли на самом деле довольно интересна.
Этот эффект тем сильнее, чем быстрее вращается диск или колесо, как предсказывает Второй закон Ньютона. Это кажется очевидным любому, кто имеет базовые знания физики.
Основная причина, по которой они, кажется, бросают вызов гравитации, — это эффективный крутящий момент, приложенный к вращающемуся диску, который влияет на его вектор углового момента. Влияние силы тяжести на плоскость вращающегося диска заставляет ось вращения «отклоняться».
Это приводит к тому, что вся ось вращения находит» золотую середину «между влиянием силы тяжести и собственным вектором углового момента. Теперь помните, что гироскоп останавливается от падения к центру тяжести. чем-то мешающим — например, вашей рукой, рамой/карданом или столом.
Теперь, учитывая тот факт, что гироскоп останавливается от падения к центру гравитация чем-то на пути приводит к удивительным свойствам, которые мы видим в этих устройствах.
Картинка — ну видео — стоит тысячи слов, поэтому мы делегируем более подробный объяснение к следующему видео:
Гироскоп и акселерометр: в чем разница между ними?
Чтобы полностью ответить на этот вопрос, нам нужно оценить, как каждое устройство работает. Поскольку мы уже подробно рассмотрели гироскоп выше, давайте посмотрим, что такое акселерометр и как он работает.
В словаре Merriam Webster акселерометр определяется как« инструмент для измерения ускорения или для обнаружения и измерения вибрации ».
Отлично, но это не дает нам много информации. Акселерометры, в их самом основном смысле, представляют собой электромеханические устройства, которые измеряют силы ускорения — отсюда и название.
Эти силы могут быть статическими (например, сила тяжести) или динамическими (вызванными движением или вибрацией устройства. ). Существуют различные способы изготовления акселерометра, в большинстве случаев использующие пьезоэлектрический эффект или чувствительную емкость.
Первые, как правило, состоят из микроскопических кристаллических структур, которые подвергаются воздействию ускоряющих сил и в свою очередь генерируют напряжение. В последнем используются две микроструктуры, расположенные рядом друг с другом.
Каждая из них имеет определенную емкость, и по мере того, как силы ускорения перемещают одну из структур, ее емкость будет изменяться. Добавив схему для преобразования емкости в напряжение, вы получите очень полезный маленький акселерометр.
Есть еще несколько методов, в том числе использование пьезорезистивного эффекта, пузырьков горячего воздуха и света, и это лишь некоторые из них. Итак, как видите, акселерометры и гироскопы действительно очень разные звери.
По сути, основное различие между ними состоит в том, что один может ощущать вращение, а другой — нет. Поскольку гироскопы работают по принципу углового момента, они идеально подходят для определения ориентации объекта в пространстве.
С другой стороны, акселерометры могут измерять только линейное ускорение на основе вибрации.
Однако есть некоторые варианты акселерометра, которые также включают гироскоп. Эти устройства состоят из гироскопа с грузом на одной из осей..
Устройство будет реагировать на силу, создаваемую весом, когда оно ускоряется, интегрируя эту силу для создания скорости.
Что такое оптические гироскопы?
Другой вид гироскопа — это оптический гироскоп. Это устройство не имеет движущихся частей и обычно используется в современных коммерческих авиалайнерах, ракетах-носителях и орбитальных спутниках.
Воспользовавшись тем, что называется эффектом Саньяка, эти устройства используют лучи света для обеспечения аналогичной функции. к механическим гироскопам. Эффект был впервые продемонстрирован в 1911 году Францем Харрисом, но именно французский ученый Жорж Саньяк правильно определил причину.
Если луч света разделяется и направляется в двух противоположных направлениях по замкнутому пути на вращающейся платформе с зеркалами по периметру, а затем лучи рекомбинируются, они будут проявлять интерференционные эффекты. В 1913 году Саньяк пришел к выводу, что свет распространяется со скоростью, не зависящей от скорости источника.
Он также обнаружил, что, несмотря на то, что оба луча находятся в замкнутом контуре, луч, движущийся в одном направлении вращения, прибыл в свою начальную точку немного позже, чем другой.
Согласно Британской энциклопедии, «в результате была обнаружена картина« интерференции бахромы »(чередование светлых и темных полос), которая зависела от точной скорости вращения поворотного стола. «.
Правило правой руки
Ученые склонны использовать то, что называется» правилом правой руки «, чтобы визуализировать это.
Для этого возьмите правую руку и сделайте прямой угол. Затем вы можете растянуть пальцы по радиусу колеса.
Если вы согнете кончики пальцев в направлении вращения, ваш большой палец будет указывать в направлении углового момента. По сути, ось колеса будет направлением, в котором все вращающееся колесо «хочет» двигаться.
Это видео дает нам довольно простое объяснение использования подвешенного велосипедного колеса.
Применение гироскопов
Интересные свойства гироскопов предоставили ученым и инженерам несколько интересных приложений. Их способность сохранять определенную ориентацию в пространстве является фантастической для некоторых приложений.
Включите некоторые датчики, и вы получите рецепт полезности. Имея это в виду, вот несколько отличных примеров использования гироскопов в нашем современном мире.
1. В самолетах вы найдете множество гироскопов
В современных самолетах инерционные системы наведения хорошо используют эти относительно простые устройства. У них есть набор вращающихся гироскопов для отслеживания и управления ориентацией самолета в полете.. Вращающиеся гироскопы содержатся в специальных отсеках, которые позволяют им сохранять свою ориентацию независимо от ориентации самолета.
Кассеты гироскопа имеют электрические контакты и датчики, которые могут передавать информацию пилоту, когда самолет катится или наклоняется. Это позволяет пилотам и системам наведения «знать» текущую относительную ориентацию самолета в пространстве.
2. У марсохода также есть пара гироскопов
Марсоход также имеет набор гироскопов. Они обеспечивают устойчивость марсохода, а также помогают в навигации. Они также могут применяться в самолетах-дронах и вертолетах для обеспечения устойчивости и помощи в навигации.
3. В крылатых и баллистических ракетах также используются гироскопы
Еще одно интересное применение гироскопов — для систем наведения крейсерского полета. и баллистические ракеты. Используемые для автоматического управления и коррекции крена, тангажа и рыскания, датчики гироскопов использовались для этой цели со времен немецких ракет V-1 и V-2 времен Второй мировой войны.
иметь для этой цели по крайней мере два гироскопа, каждый из которых обеспечивает фиксированную опорную линию, от которой могут быть рассчитаны любые отклонения. Одна ссылка обычно включает ось вращения вертикального гироскопа.
По этой оси можно легко измерить отклонения по тангажу, крену и рысканью. Гироскопы также нашли применение в стабилизаторах прицелов, бомбовых прицелах и платформах для переноски орудий и радиолокационных систем на борту военных кораблей.
4. Гироскопы также можно найти в орбитальных космических аппаратах
Еще одно интересное применение гироскопов — для инерциальных систем наведения орбитальных космических аппаратов. Такое маленькое судно требует высокой точности, когда дело доходит до стабилизации, и гироскопы в значительной степени идеально подходят для этой работы.
Существуют более крупные и тяжелые устройства, называемые импульсными колесами или реактивными колесами, которые также используются для контроля высоты некоторых более крупных спутников.
5. Часть фильма «Звездные войны: Возвращение джедая» снималась с помощью гироскопов
Устройство под названием «Steadicam» использовался для съемок определенных сцен в фильме Звездные войны: Возвращение джедая (а также во многих других фильмах). Это устройство использовалось в в сочетании с несколькими гироскопами, камера стабильно удерживала камеру при съемке фоновых снимков знаменитой погони на спидер-байке на Эндоре.
Изобретенный Гарретом Брауном, он управлял установкой, чтобы идти через лес из красного дерева, управляя камерой со скоростью один кадр в секунду . Когда отснятый материал был ускорен до 24 кадров в секунду , это создавало впечатление высокоскоростного путешествия сквозь деревья.
Сегодня потомки Steadicam являются общей чертой многих фильмов.
6. В вашем телефоне тоже может быть такой
Гироскопы также нашли применение в различных потребительских товарах за последние несколько лет. Включение их в карманные устройства, такие как смартфоны, позволяет с высокой точностью определять движение в трехмерном пространстве.
Гироскопы обычно сочетаются с акселерометрами в современных смартфонах, чтобы обеспечить отличное определение направления и движения. Известные примеры включают Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, iPhone 5s и т. Д.
Современные игровые консоли также имеют тенденцию включать в себя гироскоп в той или иной форме. Гироскопы, от пульта Wii до различных периферийных устройств Playstation 3 и 4, открыли совершенно новый способ играть в компьютерные игры.
7. Чтобы мы не забыли о дронах
Еще одно интересное применение гироскопов в нашей повседневной жизни — это дроны. Для того, чтобы эти устройства могли идеально летать, им необходимы гироскопы, среди прочего, чтобы они могли парить и летать по уровню.
Современные коммерческие дроны, как правило, используют трех- и шестиосные гиростабилизаторы для предоставления навигационной информации контроллеру полета, что упрощает и повышает безопасность полета дронов.
И все, ребята.
Несмотря на простоту конструкции, они стали незаменимыми элементами комплекта для чего угодно, от океанских кораблей до космических шаттлов и, конечно же, вертолетов.
В целом, гироскопы невероятны, даже если вы не понимаете, что они там есть. Удивительно думать, что такое простое устройство может иметь такие интересные и разнообразные применения.
Несмотря на то, что устройства относительно простые, они обладают фантастическими свойствами, которые ученые и инженеры использовали, чтобы сделать наш мир немного лучше.
Если эта статья пробудила ваше воображение и вы хотите иметь собственный гироскоп, есть множество интернет-магазинов, из которых можно выбирать. Как ты мог отказаться?
