Гироскоп: понятие, принципы работы

Применение

Гироскопы выступают в качестве датчиков вращения. Поэтому их используют в инерциальных системах навигации, где не срабатывают магнитные компасы (как в космическом телескопе Хаббл) или не отвечают точности. Также они необходимы для стабилизации летательных аппаратов, вроде радиоуправляемых вертолетов или беспилотных.

Функции гироскопа в телефоне

Так, если акселерометр в телефоне отвечает, в основном, за поворот изображения дисплея, то гиродатчик – за мелкие движения в любой плоскости.

И конечно, если в мобильном устройстве присутствуют оба эти датчика, то чувствительность к самым мелким и быстрым движениям (наклонам, поворотам) намного увеличивается.

Что такое гироскоп в телефоне понятно, а для чего он нужен? Использование гиродатчика в смартфоне открыло перед пользователями совершенно новые и интересные возможности. И пионерами здесь стали владельцы iPhone.

Например, простым встряхиванием можно ответить на входящий звонок, листать картинки или страницы электронной книги, можно менять прослушиваемый трек на следующий, ставить паузу и запускать вновь.

При встряхивании iPhone открывается меню, в котором можно выбрать отмену последнего действия или возврат последнего отмененного.

Что такое гироскоп

Гироскоп — это устройство, которое помогает определить положение тела в пространстве. Изобретен он был достаточно давно, еще в 1817 году, а повсеместное применение находит до сих пор. Аналоговый гироскоп состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси ротора-волчка, которая меняет положение в пространстве, а скорость вращения волчка превышает скорость поворота оси его вращения. Из-за этого волчок сохраняет свое положение независимо от сил, действующих извне. Для точного определения положения в пространстве такие нехитрые приборы используются в самолетах, ракетах, квадрокоптерах, планшетах и смартфонах.

Что такое гироскоп

Законы вращения твердых тел лежат в основе создания гироскопа. Прибор позволяет стабилизировать их положение при малейшем отклонении, задействовав обратный момент вращения. Само слово произошло от двух греческих: «гирос» – что значит круг, и «скопео» – означает смотрю, то есть смотрю на вращение или круг.

Сегодня данный термин и однокоренные слова можно услышать везде. Пример – гироскутер. А квадрокоптер для взлета требует наличия минимум трех подобных приспособлений. Смартфон, планшет и популярные смарт часы также оснащены данным устройством.

Как работает гироскоп

Аналогом гироскопа можно назвать известную всем юлу или волчок. В гироскопе вращающейся частью является ротор, который подобен волчку, имеющему утолщенные края. Закрепляется ротор в подвес, рамки в подвесе осуществляют движение в трех плоскостях, называются они подвес Фесселя или карданов подвес.

Специальные датчики, называемые грузиками, реагируют на изменение положения тела в пространстве. Устройство создает гироскопический эффект с помощью обратного момента вращения, придавая телу первоначальное устойчивое положение. А благодаря современной электронике для стабилизации подключаются специальные датчики разгрузки.

Благодаря продуманности прибора и его действительно широким возможностям по стабилизации положения без него не обходится подавляющее большинство современных устройств и аппаратов. Гироскопами снабжены:

• водные судна – чтобы обеспечивать навигацию относительно оси вращения Земли;
• все летательные устройства, требующие навигации и стабилизации;
• всевозможные гаджеты: планшеты, игровые приставки, смартфоны. Здесь уже использованы более усовершенствованные, микроэлектромеханические гироскопы.

Позволяя стабилизировать положение тела в пространстве и определить угол отклонения, гироскопы делают многие приборы более функциональными и удобными в использовании.

Применение гироскопов CVG

Вибрационный гироскоп Кориолиса от InnaLabs, IAV 2020.

Автомобильная промышленность

Автомобильные датчики рыскания могут быть построены на основе гироскопов с вибрирующими конструкциями. Они используются для обнаружения состояний ошибки при рысканье по сравнению с прогнозируемой реакцией при подключении в качестве входа к электронным системам контроля устойчивости вместе с датчиком рулевого колеса. Усовершенствованные системы предположительно могли бы предлагать обнаружение опрокидывания на основе второго VSG, но для этого дешевле добавить продольный и вертикальный акселерометры к существующим боковым акселерометрам.

Развлекательная программа

Игра WarioWare: Twisted! использует пьезоэлектрический гироскоп для обнаружения вращательного движения. Контроллер Sony SIXAXIS PS3 использует один гироскоп MEMS для измерения шестой оси (рыскания). Аксессуар Nintendo Wii MotionPlus использует многоосные гироскопы MEMS, предоставленные InvenSense, для расширения возможностей обнаружения движения Wii Remote . Большинство современных смартфонов и игровых устройств также оснащены гироскопами MEMS.

Хобби

Гироскопы с вибрирующей структурой обычно используются в радиоуправляемых вертолетах, чтобы помочь управлять хвостовым винтом вертолета, и в самолетах с радиоуправлением, чтобы помочь сохранять устойчивое положение во время полета. Они также используются в контроллерах полета мультикоптеров , поскольку мультикоптеры по своей природе аэродинамически нестабильны и не могут оставаться в воздухе без электронной стабилизации.

Промышленная робототехника

Epson Robots использует кварцевый гироскоп MEMS, называемый QMEMS, для обнаружения и контроля вибрации своих роботов. Это помогает роботам позиционировать концевой эффектор робота с высокой точностью при движении с высокой скоростью и быстрым замедлением.

Фотография

Многие системы стабилизации изображения на видео- и фотоаппаратах используют гироскопы с вибрирующей структурой.

Ориентация космического корабля

Колебания также могут быть вызваны и контролироваться в гироскопе с вибрирующей структурой для позиционирования космических аппаратов, таких как Кассини – Гюйгенс . Эти небольшие полусферические резонаторные гироскопы из кварцевого стекла работают в вакууме. Существуют также прототипы гироскопов с цилиндрическими резонаторами с упругой развязкой (ЦРГ), изготовленных из монокристаллического сапфира высокой чистоты . Высокочистый лейко-сапфир имеет добротность на порядок выше, чем кварцевое стекло, используемое для HRG, но этот материал твердый и имеет анизотропию . Они обеспечивают точное позиционирование космического корабля по трем осям и обладают высокой надежностью на протяжении многих лет, поскольку не имеют движущихся частей.

Другой

В Segway Human Transporter используется гироскоп с вибрирующей структурой производства Silicon Sensing Systems для стабилизации платформы оператора.

Функции гироскопа

Зачем нужен гироскоп в смартфоне? Применение датчика открывает следующие возможности. В первую очередь благодаря элементарному встряхиванию мобильного телефона пользователь способен быстро ответить на входящий звонок. Гироскоп позволяет просматривать изображения, переключать аудиозаписи в плеере, облегчает переворачивание страниц во время просмотра текстовых документов.

Еще зачем гироскоп в смартфоне? Чрезвычайно удобным модуль становится при использовании калькулятора. Благодаря отклонению гаджета в ту или иную сторону можно выбирать функции умножения, деления, вычитать и слагать значения.

Разработчики мобильных устройств нашли применение гироскопу также при работе с различными приложениями и программным обеспечением. При встряхивании некоторых устройств автоматически происходит обновление Bluetooth. Очень удобным наличие модуля становится при необходимости измерения уровней и углов наклона.

Гироскоп незаменим в случае работы с электронными картами. Модуль дает возможность определять точное положение пользователя на определенной местности. При запуске навигатора карта будет менять положение вслед за поворотом человека. Если пользователь развернется лицом к тому или иному объекту, это сразу же отобразится на визуальной схеме. Такая функция будет крайне полезной для людей, которые увлекаются активным отдыхом, в частности путешествиями и ориентированием на местности.

Без гироскопа не могут обойтись любители мобильных игр. Функциональный модуль способствует созданию более реалистичной картинки и облегчает управление. Особенно правдоподобными благодаря гироскопу становятся всевозможные симуляторы, шутеры, трехмерные бродилки. Чтобы езда на виртуальной машине либо полет на самолете казались более реальными, достаточно изменения положения смартфона в одной из плоскостей.

Если пользователь мобильного телефона в дальнейшем планирует использовать шлем виртуальной реальности, в таком случае наличие гороскопа выступает обязательным условием. Без датчика станет невозможным отслеживание системой смартфона поворотов головы, перемещения человека в пространстве.

Как устроен гироскоп в смартфоне, отличие гироскопа от акселерометра

Естественно, гироскоп в смартфоне существенно отличается в плане конструкции от классических гироскопов, хотя и служит той же цели. Механическая энергия в нём преобразуется в электрическую, формирующую последовательность битов – бинарный код, лежащий в основе всех компьютерных программных систем. Никаких вращающихся волчков в гироскопах электронных устройств, разумеется, нет, они слишком малы для этого. Вместо них используется подвижные массы вещества, смещение которых вызывает изменение электрической емкости конденсаторов, регистрируемое микропроцессором.

Вместо конденсаторов могут использоваться вырабатывающие ток пьезокристаллы, особенно часто встречающиеся в определяющих положение в пространстве датчиках другого типа – акселерометрах. Конструктивно акселерометры очень похожи на гироскопы, в них также имеется подвижный элемент – специальный грузик, смещение которого при наклоне устройства оказывает воздействие на пьезокристалл. Таким образом, скорость и давление преобразуются в электрический сигнал, обрабатываемый соответствующим образом микропроцессором. Итак, некоторое представление о том, что это такое гироскоп в смартфоне вы, надеемся, получили.

И вот еще пару моментов. И гироскопы, и акселерометры являются инерционными МЭМС-датчиками, отличаясь, однако, принципом получения данных. Если гироскоп определяет только угол наклона по отношению к земной поверхности, то акселерометр может измерять линейное ускорение, то есть перемещение по горизонтали относительно земли. На практике в смартфонах и прочих устройствах нередко устанавливаются оба датчика, которые прекрасно дополняют друг друга. Теперь давайте посмотрим, как узнать есть ли гироскоп в телефоне.

Гироскоп в смартфоне – что это?

Гироскоп в сотовом телефоне не имеет ничего общего с традиционным механическим устройством. Здесь модуль представляет собой микроскопическую электронную плату, которая способна вычислять угловые скорости, передавая соответствующую информацию в виде электрических сигналов. Как правило, габариты такого чипа составляют всего лишь несколько миллиметров. Если отвечать в общих чертах на вопрос: «Гироскоп в смартфоне — что это?», то несведущему человеку может показаться, что никакой особой пользы владельцу эта фишка не несет — применение устройства направлено всего лишь на определение отклонения мобильного гаджета от собственной оси. Но так ли это?

Чем гироскоп отличается от акселерометра?

Часть пользователей, изучая свой телефон, думают, что гироскоп и акселерометр – похожие приборы, или вообще синонимы одного датчика. Но, это не так. Действительно, акселерометр также фиксирует положение телефона в пространстве, но в других плоскостях. Назначение акселерометра следить за поворотами, а у гироскопа на порядок больше функций:

1. Гироскоп занимается не только поворотами, но и перемещением гаджета в пространстве;
2. Определяет стороны света, т.е. может случить как компас;
3. Также, он может отслеживать скорость, с которой вы перемещаетесь. Можно сказать, является спидометром.

Другими словами, этот датчик следит за перемещением смартфона на 3-х плоскостях. Поэтому на телефонах, в которых встроен гироскоп, приличные возможности. Но, если же в вашем гаджете находятся сразу два этих датчика, то возможности такого телефона ещё больше увеличиваются.

Области применения гироскопического датчика

Гироскопические датчики широко распространены и применяются как в быту, так и в промышленных и военных областях. В быту, например, гироскопы стабилизируют поведение радиоуправляемых моделей самолетов и вертолетов. Навигация и управление транспортными средствами также использует датчики гироскопы. В легковых автомобилях датчики активируют подушки безопасности при опрокидывании.

модели на радиоуправлении

Системы навигации и системы реагирования на чрезвычайные ситуации используют гироскопические датчики для повышения надежности работы оборудования. Роботы, роботизированные платформы в военной области используют датчики гироскопы в системах управления и наведения. Подводные лодки, самолеты, автономные подводные аппараты и многое другое не могут эффективно работать без применения гироскопических датчиков.

Практически на всех смартфонах также установлен датчик гироскопа. Он часто используется в мобильных играх, функциях автоповорота изображения и многих других. Можно привести еще множество примеров использования датчика гироскопа. Но в нашем случае мы изучаем очень простой датчик, который позволяет понять основные принципы работы гироскопов.

Назначение

Регулярные занятия с таким устройством позволят укрепить мышцы запястья, плеча, а также повысят мышечную выносливость в целом. Это пригодится для игроков в хоккей, гольф, теннис, а также для тех, кто профессионально занимается альпинизмом, греблей. Людям, пережившим хирургическую операцию на руке, тоже понадобится кистевой эспандер. Он не позволит развиться дистрофии мышц, которая часто приводит к нетрудоспособности. После заживления перелома, повреждения связок или мышц руки можно сразу приступать к тренировкам с гироскопическим шариком. Начинать рекомендуется с малого — с 3 минут в день. Затем продолжительность занятий необходимо постепенно увеличивать.

Тренажер для кистей рук состоит из нескольких основных частей:

• ротора — главного вращающегося элемента;
• ограничительного кольца;
• корпуса.

Небольшие размеры позволяют его всегда носить с собой. Использование гироскопического мячика основано на вращении ротора. Чем быстрее он крутится, тем большее сопротивление необходимо преодолеть. При максимальной скорости оно может достигать 20 кг. Дополнительной нагрузкой служит еще и постоянное отклонение тренажера в стороны. Это прекрасный вариант изометрической тренировки.

Гироскопический тренажер используют для профилактики развития синдрома запястного канала и укрепления мышц в этой областиХарактеристикиОсобенности конструкции

Как это работает

Общий алгоритм работы не слишком отличается от изначального прибора. Чип встраивался по принципу неподвижной конструкции с прикрепленными проводниками. Находящаяся внутри инертная масса, подвергаясь ускорению, изменяет свое местонахождение в пространстве. Благодаря этому сдвигу устройство получает данные обо всех изменениях местоположения. Отходящие от устройства проводники находились между контактами, снимающими показания счетчика.

По причине крайне малого размера всех деталей чипа производство деталей производится без вмешательства человека — только автоматизированные конвейеры.

Стоит отметить, что акселерометр в смартфоне – это деталь, позволяющая сохранять важные данные. К примеру, при нахождении устройства в полете (падение или перекидывание) прибор определяет это состояние и отдает команду о блокировке самых хрупких деталей, отвечающих за запись данных. Например, так происходит с записывающей головкой жесткого диска ноутбука.

Однако в современных гаджетах можно встретить не только акселерометр, но и гироскоп.

Index

Terms defined by this specification

• , in § 5
• , in § 10
• , in § 7
• , in § 6.1
• , in § 6.1
• , in § 6.1
• Gyroscope
  • , in § 6.1
  • , in § 5
• , in § 6.1
• , in § 6.1
• , in § 8.1
• , in § 6.1
• , in § 6.1
• , in § 6.1
• , in § 6.1
• x
  • , in § 6.1
  • , in § 8.1
• y
  • , in § 6.1
  • , in § 8.1
• z
  • , in § 6.1
  • , in § 8.1

Terms defined by reference

• defines the following terms:
  • device coordinate system
  • screen coordinate system
• defines the following terms:
  • «gyroscope»
  • Sensor
  • SensorOptions
  • automation
  • check sensor policy-controlled features
  • default sensor
  • eavesdropping
  • fingerprinting
  • generic mitigations
  • get value from latest reading
  • initialize a sensor object
  • keylogging
  • latest reading
  • local coordinate system
  • location tracking
  • mock sensor reading values
  • mock sensor type
  • sensor permission name
  • sensor reading
  • sensor type
  • supported sensor options
  • user identifying
• defines the following terms:
  • entry
  • keys
  • values

• gyroscope

  defines the following terms:

• defines the following terms:
  • default allowlist
  • policy-controlled feature
• defines the following terms:
  • DOMException
  • Exposed
  • SecureContext
  • SecurityError
  • double
  • throw

Описание и схема

Схема гироскопа. Стрелки реакции вокруг выходной оси (синие) соответствуют силам, действующим вокруг входной оси (зеленые), и наоборот.

Гироскоп — это инструмент, состоящий из колеса, установленного на двух или трех карданных шарнирах, обеспечивающих поворотные опоры, позволяющие колесу вращаться вокруг одной оси. Набор из трех карданов, один установленный на другом с ортогональными осями поворота, может использоваться, чтобы позволить колесу, установленному на самом внутреннем кардане, иметь ориентацию, остающуюся независимой от ориентации в пространстве его опоры.

В случае гироскопа с двумя стабилизаторами внешний стабилизатор, который представляет собой раму гироскопа, устанавливается так, чтобы поворачиваться вокруг оси в своей собственной плоскости, определяемой опорой. Этот внешний стабилизатор имеет одну степень свободы вращения, а его ось — нет. Второй стабилизатор, внутренний стабилизатор, установлен в раме гироскопа (внешний стабилизатор) так, чтобы поворачиваться вокруг оси в своей собственной плоскости, которая всегда перпендикулярна оси вращения рамы гироскопа (внешний стабилизатор). Этот внутренний стабилизатор имеет две степени свободы вращения.

Ось прялки определяет ось вращения. Ротор вынужден вращаться вокруг оси, которая всегда перпендикулярна оси внутреннего стабилизатора. Таким образом, ротор обладает тремя степенями свободы вращения, а его ось — двумя. Колесо реагирует на силу, приложенную к входной оси, силой реакции на выходную ось.

Поведение гироскопа легче всего оценить, рассмотрев переднее колесо велосипеда. Если колесо отклонено от вертикали так, что верхняя часть колеса перемещается влево, передний обод колеса также поворачивается влево. Другими словами, вращение одной оси вращающегося колеса вызывает вращение третьей оси.

Маховик гироскопа будет катиться вокруг выходной оси или сопротивляться ей в зависимости от того, имеют ли выходные стабилизаторы свободной или фиксированной конфигурации. Примеры некоторых свободные выходных-карданные устройства были бы ссылки отношения гироскопов используются для смысла или измерить тангаж, крен и рыскание отношения углов в космическом корабле или самолете.

Анимация гироскопического колеса в действии

Центр тяжести ротора может находиться в фиксированном положении. Ротор одновременно вращается вокруг одной оси и может колебаться вокруг двух других осей, и он может свободно вращаться в любом направлении относительно фиксированной точки (за исключением собственного сопротивления, вызванного вращением ротора). Некоторые гироскопы имеют механические эквиваленты, заменяющие один или несколько элементов. Например, вращающийся ротор может быть подвешен в жидкости вместо того, чтобы быть установленным в карданном подвесе. Гиродин (CMG) является примером устройства с фиксированными выходными-карданные , который используется на космических аппараты для удержания или поддержания желаемого угла пространственного положения или указывающего направление с помощью гироскопической силы сопротивления.

В некоторых особых случаях внешний стабилизатор (или его эквивалент) можно не устанавливать, чтобы ротор имел только две степени свободы. В других случаях центр тяжести ротора может быть смещен относительно оси колебаний, и, таким образом, центр тяжести ротора и центр подвески ротора могут не совпадать.

Гироскоп в телефонах

В телефонах нет волчка в привычном понимании слова. Смартфоны включают в себя микроэлектромеханическую систему, или МЭМС, в которой имеются микромеханические и микроэлектронные компоненты. И хотя устройство гироскопа в смартфоне существенно отличается от общепринятого и более понятного, целью его остается определение собственного угла наклона относительно земной поверхности.

Преобразование механической энергии в электрическую формирует последовательность битов, или бинарный код. Именно с помощью бинарного кода осуществляется функционирование всех компьютерных систем. В небольших по размеру устройствам типа смартфона волчок в буквальном смысле отсутствует, вместо него внутрь помещены специальные подвижные массы веществ. Смещение подвижных масс веществ провоцирует изменения электрической емкости конденсаторов, что регистрируется микропроцессором.

Конденсаторы могут быть заменены пьезокристаллами, которые широко применяются в датчиках определения положения типа акселерометров. С помощью преобразования давления и скорости в электрический сигнал: он специальным образом обрабатывается микропроцессором. Акселерометры и гироскопы устанавливаются в смартфонах, эти инерционные МЭМС-датчики имеют различающиеся принципы получения информации. Для многих современных смартфонов характерно наличие обоих видов устройств.

Наличие гироскопа в мобильном телефона фиксируется в технической документации. Он представляет собой компактный чип, который можно рассмотреть, лишь разобрав прибор.

Для чего нужен гироскоп в смартфоне

Назначение гироскопа с смартфоне переоценить сложно. Ведь благодаря ему наши телефоны могут:

использовать функцию встряхивания: раньше, до применения гироскопов в телефонах, для принятия звонка требовалось сделать свайп по экрану. Теперь же достаточно простого встряхивания! Никаких лишних затрат времени и сил, ведь, помимо принятия входящих звонков, встряхивание позволяет активизировать телефон при просматривании фотографий, пролистывании мелодий в плейлисте;
более полно использовать функцию калькулятора

Теперь стало возможным без использования рук выполнять многие действия, при повороте экрана на 90° появляется панель с дополнительными функциями;
находить поблизости смартфоны, в которых активизирована функция Bluetooth$
получить доступ к дополнительным функциям с вычислением угла наклона (например в процессе строительства);
гораздо лучше ориентироваться на местности с вычислением координат и расположением относительно земной оси, а также определять направление, что важно для полноценной работы навигатора.

Существенно расширяя возможности смартфона, гироскоп делает его удобнейшим и практичным гаджетом для многофункционального применения.

История создания гироскопа

Принято считать, что создатель гироскопа — немецкий математик и астроном Иоанн Боненбергер. В 1817 году он опубликовал описание своего изобретения, согласно которому гироскопа Боненбергера представлял собой вращающийся массивный шар на карданном подвесе.

Немного позже, в 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон представил свою версию гироскопа — уже с вращающимся диском. Впервые как прибор, он был использован в 1852 году французским учёным Фуко для отображения изменения направления в пространстве. Надо отметить, что именно Фуко и назвал прибор «гироскоп». А вот в промышленности он впервые был использовал в 1880 году и использовался для стабилизации курса торпеды.

Кстати, самый простой пример бытового гироскопа — это обычный волчок. И хотя между ними нельзя поставить знак равенства, и гироскоп, и волчок — это физические тела, способные быстро вращаться вокруг своей оси симметрии и имеющие неподвижную точку. Они оба обладают способностью устойчиво сохранять при вращении направление своей оси в пространстве.

Устройство гироскопа

Прибор гироскоп был изобретен еще в 19 веке. Его работа заключается во вращении твердых тел с высокой скоростью вокруг оси. Самым простым и наглядным примером работы агрегата является простая игрушка юла. Когда мы раскручиваем ее, она вращается вокруг оси до тех пока на нее не начинают воздействовать внешние силы.

Гироскоп в свою очередь не подвержен такому воздействию и сохраняет устойчивость благодаря гораздо большей силе вращения, чем у юлы. Таким образом, вы можете поворачивать аппарат как угодно, но его ось останется неизменно вертикальной.

Самый первый гироскоп был механическим, однако дальше, с развитием науки он стал лазерным и оптическим. В электромеханике сегодня такие приборы используются в виде микроэлектромеханических датчиков. Именно таким образом он умещается в телефон, сложную навигационную систему кораблей, самолетов и вертолетов.

Таким образом, в современном мире люди живут, что называется на высоких скоростях. Однако для упрощения и увеличения качества жизни в бытовой обиход входят все больше приборов, которые ранее использовались только для высоких технологий. Одним из таких примеров, является гироскоп в телефоне. Что это за устройство, давно знают капитаны морских судов и подводных лодок, пилоты и космонавты. В современном гаджете такое устройство появилось относительно недавно, но уже прочно закрепилось среди важных и полезных функций.

Видео о принципе работы приборов для ориентации в пространстве

В данном ролике Роман Лодин расскажет, с помощью чего гироскопу и акселерометру удается определить свое местоположение и чем отличаются эти два прибора:

С некоторых пор выяснилось, что гироскоп является очень важным датчиком. И весьма печально, что об его отсутствии производители смартфонов скромно умалчивают на своих презентациях. К счастью, узнать о наличии или отсутствии гироскопа можно как до покупки устройства, так и после. Как это сделать — рассказано в сегодняшней статье.

Но сначала давайте разберемся с тем, чем именно является гироскоп

Также мы постараемся выяснить, настолько ли важной деталью он считается. И лишь после этого мы расскажем вам о том, как проверить его наличие. В смартфон невозможно установить классический гироскоп, так как он имеет слишком крупные размеры

Поэтому вместо него используется специальный датчик, построенный на основе микроэлектромеханической системы. Его ширина варьируется от 5 до 10 мм, а высота не превышает 5 мм. Однако и такие габариты кажутся некоторым производителям смартфонов чересчур большими, в связи с чем частенько они отказываются от установки гироскопа

В смартфон невозможно установить классический гироскоп, так как он имеет слишком крупные размеры. Поэтому вместо него используется специальный датчик, построенный на основе микроэлектромеханической системы. Его ширина варьируется от 5 до 10 мм, а высота не превышает 5 мм. Однако и такие габариты кажутся некоторым производителям смартфонов чересчур большими, в связи с чем частенько они отказываются от установки гироскопа.

Новое время

На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.

Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.

На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.

Чем отличается гироскоп от акселерометра

Гироскоп и акселерометр – датчики, предназначенные для определения положения смартфона в пространстве. Самое главное и единственное отличие между ними кроется в принципе считывания данных. Первый компонент высчитывает угол наклона телефона относительно поверхности земли, а после передаёт полученную информацию операционной системе. А вот акселерометр вычисляет ускорение, причём очень точно.

Именно поэтому в качестве шагомера лучше использовать телефон с акселерометром. Полученные данные будут максимально точными, так как датчик учитывает отклонения даже на десятые части миллиметра. Современные производители стараются устанавливать в свои смартфоны как гироскоп, так и акселерометр. Подобное решение является правильным, что исключает случайные повороты экрана устройства при его перемещении.

Реализации

Цилиндрический резонаторный гироскоп (ЦРГ)

Этот тип гироскопа был разработан GEC Marconi и Ferranti в 1980-х годах с использованием металлических сплавов с прикрепленными пьезоэлектрическими элементами и цельной пьезокерамической конструкции. Впоследствии, в 90-х годах, CRG с магнитоэлектрическим возбуждением и считыванием были произведены американской компанией Inertial Engineering, Inc. в Калифорнии, а пьезокерамические варианты — компанией Watson Industries. В недавно запатентованном Innalabs варианте используется резонатор цилиндрической конструкции из сплава типа Elinvar с пьезокерамическими элементами для возбуждения и датчика на его дне.

Эта революционная технология позволила существенно увеличить срок службы продукта (наработка на отказ> 500 000 часов); с его ударопрочностью (> 300G) он должен подходить для «тактических» (средней точности) приложений.

Резонатор работает в резонансном режиме второго порядка. Q-фактор обычно составляет около 20 000; что предопределяет его шум и случайные угловые блуждания. Стоячие волны представляют собой колебания эллиптической формы с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, расположенными по окружности вдоль обода.

Угол между двумя соседними пучностями — узлами составляет 45 градусов. Одна из эллиптических резонансных мод возбуждается до заданной амплитуды. Когда устройство вращается вокруг своей чувствительной оси (вдоль его внутреннего стержня), возникающие в результате силы Кориолиса, действующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают вторую резонансную моду. Угол между главными осями двух режимов также составляет 45 градусов.

Замкнутый контур приводит второй резонансный режим к нулю, и сила, необходимая для обнуления этого режима, пропорциональна входной скорости вращения. Этот контур управления обозначен как режим принудительной балансировки.

Пьезоэлектрические элементы на резонаторе создают силы и воспринимают индуцированные движения. Эта электромеханическая система обеспечивает низкий выходной шум и большой динамический диапазон, которые требуются для требовательных приложений, но страдает от интенсивных акустических шумов и высоких перегрузок.

Пьезоэлектрические гироскопы

Пьезоэлектрический материал может быть вызван вибрировать, и боковое движение за счет силы Кориолиса может быть измерено , чтобы произвести сигнал , связанный со скоростью вращения.

Гироскоп с камертонной вилкой

В гироскопе этого типа используется пара тестовых масс, приводимых в резонанс. Их смещение от плоскости колебаний измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения системы.

Ф. В. Мередит зарегистрировал патент на такое устройство в 1942 году, работая в Royal Aircraft Establishment . Дальнейшая разработка была проведена в RAE в 1958 г. Г. Хантом и AEW Хоббсом, которые продемонстрировали дрейф менее 1 ° / ч или (2,78 × 10 — 4 ) ° / с.

В современных вариантах тактических гироскопов используются сдвоенные камертоны, такие как камертоны американского производителя Systron Donner в Калифорнии и французского производителя Safran Electronics & Defense / Safran Group.

Резонатор для бокала

Для цельной конструкции (т. Е. Полусферическая чашка и шток (и) образуют монолитную деталь) из кварцевого стекла высокой чистоты можно достичь добротности более 30-50 миллионов в вакууме, поэтому соответствующие случайные блуждания крайне низки. Q ограничивается покрытием, чрезвычайно тонкой пленкой из золота или платины, а также потерями в арматуре. Такие резонаторы необходимо настраивать с помощью ионно-лучевой микроэрозии стекла или лазерной абляции. Инженеры и исследователи из нескольких стран работают над дальнейшим усовершенствованием этих сложных современных технологий.

Safran и Northrop Grumman — основные производители HRG .

Гироскоп с вибрирующим колесом

Колесо вращается вокруг своей оси на долю полного оборота. Наклон колеса измеряется для получения сигнала, связанного со скоростью вращения.

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.