Принцип действия гироскопа в телефоне. Гироскопы со стандартным режимом работы

Гироскопы предназначены для демпфирования угловых перемещений моделей вокруг одной из осей, либо стабилизации их углового перемещения. Применяются в основном на летающих моделях в случаях, когда необходимо повысить стабильность поведения аппарата или создать ее искусственно. Наибольшее применение (около 90%) гироскопы нашли в вертолетах обычной схемы для стабилизации относительно вертикальной оси путем управления шагом рулевого винта. Это обусловлено тем, что вертолет обладает нулевой собственной стабильностью по вертикальной оси. В самолетах гироскоп может стабилизировать крен, курс и тангаж. Курс стабилизируют в основном на турбореактивных моделях для обеспечения безопасного взлета и посадки, - там большие скорости и взлетные дистанции, а ВПП, как правило, узкая. Тангаж стабилизируют на моделях с малой, нулевой, либо отрицательной продольной устойчивостью (с задней центровкой), повышающей их маневренные возможности. Крен полезно стабилизировать даже на учебных моделях.

На самолетах и планерах спортивных классов гироскопы запрещены требованиями FAI.

Гироскоп состоит из датчика угловой скорости и контроллера. Как правило, они конструктивно объединены, хотя на устаревших, а также "крутых" современных гироскопах размешены в разных корпусах.

По конструкции датчиков вращения, гироскопы можно разделить на два основных класса: механические и пьезо. Точнее, сейчас делить особо уже не на что, потому что механические гироскопы полностью сняты с производства как морально устаревшие. Тем не менее, распишем и их принцип работы тоже, хотя бы ради исторической справедливости.

Основу механического гироскопа составляют тяжелые диски, закрепленные на валу электродвигателя. Двигатель в свою очередь имеет одну степень свободы, т.е. может свободно вращаться вокруг оси, перпендикулярной валу двигателя.

Раскрученные двигателем тяжелые диски обладают гироскопическим эффектом. Когда вся система начинает вращаться вокруг оси, перпендикулярной двум другим, двигатель с дисками отклоняется на определенный угол. Величина этого угла пропорциональна скорости поворота (те, кто интересуется силами, возникающими в гироскопах, могут поглубже ознакомиться с кориолисовым ускорением в специальной литературе). Отклонение мотора фиксируется датчиком, сигнал которого поступает на блок электронной обработки данных.

Развитие современных технологий позволило разработать более совершенные датчики угловых скоростей. В результате появились пьезогироскопы, которые к настоящему времени полностью вытеснили механические. Конечно, они по-прежнему используют эффект кориолисова ускорения, но датчики являются твердотельными, то есть вращающиеся части отсутствуют. В наиболее распространенных датчиках используются вибрирующие пластины. Поворачиваясь вокруг оси, такая пластина начинает отклоняться в плоскости, поперечной плоскости вибрации. Это отклонение измеряется и поступает на выход датчика, откуда снимается уже внешней схемой для последующей обработки. Самыми известными производителями подобных датчиков являются фирмы Murata и Tokin .

Пример типичной конструкции пьезоэлектрического датчика угловых скоростей дан на следующем рисунке.

У датчиков подобной конструкции есть недостаток в виде большого температурного дрейфа сигнала (т.е. при изменении температуры на выходе пьезодатчика, находящегося в неподвижном состоянии, может появиться сигнал). Однако достоинства, получаемые взамен, намного перекрывают это неудобство. Пьезогироскопы потребляют намного меньший ток по сравнению с механическими, выдерживают большие перегрузки (менее чувствительны к авариям), позволяют более точно реагировать на повороты моделей. Что касается борьбы с дрейфом, то в дешевых моделях пьезогироскопов есть просто регулировка "нуля", а в более дорогих - автоматическая установка "нуля" микропроцессором при подаче питания и компенсация дрейфа температурными датчиками.

Жизнь, однако, не стоит на месте, и вот уже в новой линейке гироскопов от Futaba (Семейство Gyxxx с системой "AVCS") уже стоят датчики от Silicon Sensing Systems , которые очень выгодно отличаются по характеристикам от продуктов Murata и Tokin. Новые датчики имеют более низкий температурный дрейф, более низкий уровень шумов, очень высокую виброзащищенность и расширенный диапазон рабочих температур. Это достигнуто за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Он выполнен в виде кольца, работающего в режиме изгибных колебаний. Кольцо делается методом фотолитографии, как микросхема, поэтому датчик называется SMM (Silicon Micro Machine). Не будем углубляться в технические подробности, любопытные смогут найти все здесь: http://www.spp.co.jp/sssj/comp-e.html . Приведем лишь несколько фотографий самого датчика, датчика без верхней крышки и фрагмента кольцевого пьезоэлемента.

Типичные гироскопы и алгоритмы их работы

Наиболее известными производителями гироскопов на сегодняшний день являются фирмы Futaba , JR-Graupner , Ikarus , CSM , Robbe , Hobbico и т.д.

Теперь рассмотрим режимы работы, которые используются в большинстве выпускаемых гироскопов (всякие необычные случаи рассмотрим потом отдельно).

Гироскопы со стандартным режимом работы

В этом режиме гироскоп демпфирует угловые перемещения модели. Такой режим достался нам в наследство от механических гироскопов. Первые пьезогироскопы отличались от механических в основном датчиком. Алгоритм работы остался неизменным. Суть его сводится к следующему: гироскоп измеряет скорость поворота и выдает коррекцию к сигналу с передатчика, чтобы замедлить вращение, насколько это возможно. Ниже дается пояснительная блок-схема.

Как видно из рисунка, гироскоп пытается подавить любое вращение, в том числе и то, которое вызвано сигналом с передатчика. Чтобы избежать такого побочного эффекта, желательно на передатчике задействовать дополнительные микшеры, чтобы при отклонение ручки управления от центра, чувствительность гироскопа плавно уменьшалась. Такое микширование может быть уже реализовано внутри контроллеров современных гироскопов (чтобы уточнить, есть оно или нет - посмотрите характеристики устройства и руководство по эксплуатации).

Регулировка чувствительности реализуется несколькими способами:

1. Дистанционная регулировка отсутствует. Чувствительность задается на земле (регулятором на корпусе гироскопа) и не меняется во время полета.
2. Дискретная регулировка (dual rates gyro). На земле задается два значения чувствительности гироскопа (двумя регуляторами). В воздухе можно выбирать нужное значение чувствительности по каналу регулирования.
3. Плавная регулировка. Гироскоп выставляет чувствительность пропорционально сигналу в регулирующем канале.

В настоящее время практически все современные пьезогироскопы имеют плавную регулировку чувствительности (а о механических гироскопах можно уже смело забыть). Исключение составляют только базовые модели некоторых производителей, где чувствительность устанавливается регулятором на корпусе гироскопа. Дискретная регулировка необходима только с примитивными передатчиками (где нет дополнительного пропорционального канала или нельзя выставить длительности импульсов в дискретном канале). В этом случае в канал регулирования гироскопа можно включить небольшой дополнительный модуль, который будет выдавать заданные значения чувствительности в зависимости от положения тумблера дискретного канала передатчика.

Если говорить о достоинствах гироскопов, реализующих только "стандартный" режим работы, то можно отметить, что:

• Такие гироскопы имеют довольно низкую цену (вследствие простоты реализации)
• При установке на хвостовую балку вертолета, новичкам проще выполнять полеты по кругу, так как за балкой можно особенно не следить (балка сама разворачивается по ходу движения вертолета).

Недостатки:

• В недорогих гироскопах термокомпенсация сделана недостаточно хорошо. Необходимо вручную выставлять "ноль", который может сместиться при изменении температуры воздуха.
• Приходится применять дополнительные меры по устранению эффекта подавления гироскопом управляющего сигнала (дополнительное микширование в канале управления чувствительности или увеличение расхода рулевой машинки).

Вот довольно известные примеры описанного типа гироскопов:

При выборе рулевой машинки, которая будет подключаться к гироскопу, следует отдавать предпочтение более быстрым вариантам. Это позволит добиться большей чувствительности, без риска, что в системе возникнут механические автоколебания (когда из-за перерегулирования рули начинают сами двигаться из стороны в сторону).

Гироскопы с режимом удержания направления

В этом режиме стабилизируется угловое положение модели. Для начала маленькая историческая справка. Первой фирмой, которая сделала гироскопы с таким режимом, была CSM. Режим она назвала Heading Hold. Поскольку название было запатентовано, другие фирмы стали придумывать (и патентовать) свои собственные названия. Так возникли марки "3D", "AVSC" (Angular Vector Control System) и другие. Такое многообразие может повергнуть новичка в легкое замешательство, но на самом деле, никаких принципиальных различий в работе таких гироскопов нет.

И еще одно замечание. Все гироскопы, которые имеют режим Heading Hold, поддерживают также и обычный алгоритм работы. В зависимости от выполняемого маневра, можно выбирать тот режим гироскопа, который больше подходит.

Итак, о новом режиме. В нем гироскоп не подавляет вращение, а делает его пропорциональным сигналу с ручки передатчика. Разница очевидна. Модель начинает вращаться именно с той скоростью, с которой нужно, независимо от ветра и других факторов.

Посмотрите блок-схему. По ней видно, что из управляющего канала и сигнала с датчика получается (после сумматора) разностный сигнал ошибки, который подается на интегратор. Интегратор же меняет сигнал на выходе до тех пор, пока сигнал ошибки не будет равен нулю. Через канал чувствительности регулируется постоянная интегрирования, то есть скорость отработки рулевой машинки. Разумеется, вышеприведенные объяснения весьма приблизительны и обладают рядом неточностей, но ведь мы собираемся не делать гироскопы, а применять их. Поэтому нас гораздо больше должны интересовать практические особенности применения подобных устройств.

Достоинства режима Heading Hold очевидны, но хочется особо подчеркнуть плюсы, которые проявляются при установке такого гироскопа на вертолет (для стабилизации хвостовой балки):

• на вертолете начинающий пилот в режиме висения может практически не управлять хвостовым винтом
• отпадает необходимость в микшировании шага хвостового винта с газом, что несколько упрощает предполетную подготовку
• триммирование хвостового винта можно производить без отрыва модели от земли
• становится возможным выполнение таких маневров, которые раньше были затруднены (например, полет хвостом вперед).

Для самолетов применение данного режима тоже может быть оправдано, особенно на некоторых сложных 3D-фигурах вроде "Torque Roll".

Вместе с тем следует отметить, что каждый режим работы имеет свои особенности, поэтому использование Heading Hold везде подряд не является панацеей. При выполнении обычных полетов на вертолете, особенно новичками, использование функции Heading Hold может привести к потере управления. Например, если не управлять хвостовой балкой при выполнении виражей, то вертолет опрокинется.

В качестве примеров гироскопов, которые поддерживают режим Heading Hold, можно привести следующие модели:

Переключение между стандартным режимом и Heading Hold производится через канал регулировки чувствительности. Если менять длительность управляющего импульса в одну сторону (от средней точки), то гироскоп будет работать в режиме Heading Hold, а если в другую - то гироскоп перейдет в стандартный режим. Средная точка - когда длительность канального импульса равна примерно 1500 мкс; то есть, если бы мы подключили на этот канал рулевую машинку, то она установилась бы в среднее положение.

Отдельно стоит затронуть тему применяемых рулевых машинок. Для того, чтобы добиться максимального эффекта от Heading Hold, нужно ставить рулевые машинки с повышенной скоростью работы и очень высокой надежностью. При повышении чувствительности (если скорость отработки машинки позволяет), гироскоп начинает перекладывать сервомеханизм очень резко, даже со стуком. Поэтому машинка должна иметь серьезный запас прочности, чтобы долго прослужить и не выйти из строя. Предпочтение стоит отдавать так называемым "цифровым" машинкам. Для самых современных гироскопов разрабатывают даже специализированные цифровые сервомашинки (например, Futaba S9251 для гироскопа GY601). Помните, что на земле, из-за отсутствия обратной связи от датчика вражений, если не принять дополнительных мер, то гироскоп обязательно выведет рулевую машинку в крайнее положение, где она станет испытывать максимальную нагрузку. Поэтому если в гироскоп и рулевую машинку не встроены функции ограничения хода, то рулевая машинка должна уметь выдерживать большие нагрузки, чтобы не выйти из строя еще на земле.

Специализированные самолетные гироскопы

Для применения в самолетах с целью стабилизации крена начали выпускать специализированные гироскопы. От обычных они отличаются тем, что имеют еще один канал внешней команды.

При управлении каждого элерона отдельным серво, самолетчики с компьютерной аппаратурой задействуют функцию флаперонов. Микширование происходит на передатчике. Однако контроллер самолетного гироскопа на модели автоматически определяет синфазное отклонение обоих каналов элеронов и не мешает ему. А противофазное отклонение задействуется в петле стабилизации крена - в ней присутствуют два сумматора и один датчик угловой скорости. Других отличий нет. Если элероны управляются от одного серво, то специализированный самолетный гироскоп не нужен, сгодится и обычный. Самолетные гироскопы делают фирмы Hobbico, Futaba и другие.

Касаясь применения гироскопов на самолете, нужно отметить, что нельзя использовать режим Heading Hold на взлете и посадке. Точнее, в тот момент, когда самолет касается земли. Это потому, что когда самолет находится на земле, он не может накрениться или повернуть, поэтому гироскоп выведет рули в какое-нибудь крайнее положение. А при отрыве самолета от земли (или сразу после посадки), когда модель имеет большую скорость, сильное отклонение рулей может сыграть злую шутку. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать гироскоп на самолетах в стандартном режиме.

В самолетах эффективность рулей и элеронов пропорциональна квадрату скорости полета самолета. При широком диапазоне скоростей, что характерно для сложного пилотажа, необходимо компенсировать это изменение регулированием чувствительности гироскопа. Иначе при разгоне самолета система перейдет в автоколебательный режим. Если же задать сразу низкий уровень эффективности гироскопа, то на малых скоростях, когда он особенно нужен, от него не будет должного эффекта. На настоящих самолетах такое регулирование делает автоматика. Возможно, скоро так будет и на моделях. В некоторых случаях переход в автоколебательный режим органа управления полезен - при очень низких скоростях полета самолета. Многие наверное видели, как на МАКС-2001 "Беркут" С-37 показывал фигуру "харриер". Переднее горизонтальное оперение при этом работало в автоколебательном режиме. Гироскоп в канале крена позволяет делать самолет "несваливаемым на крыло". Подробнее о работе гироскопа в режиме стабилизации тангажа самолетов можно почитать в известной монографии И.В.Остославского "Аэродинамика самолета".

Заключение

В последние годы появилось много дешевых моделей миниатюрных гироскопов, позволяющих расширить сферу их применения. Простота инсталляции и низкие цены оправдывают использование гироскопов даже на учебных и радиобойцовых моделях. Прочность пьезоэлектрических гироскопов такова, что при аварии скорее испортится приемник или серво, чем гироскоп.

Вопрос о целесообразности насыщения летающих моделей современной авионикой каждый решает сам. На наш взгляд, в спортивных классах самолетов, - по крайней мере, на копиях, гироскопы все-таки со временем разрешат. Иначе невозможно обеспечить реалистичный, похожий на оригинал полет уменьшенной копии из-за разных чисел Рейнольдса. На хоббийных аппаратах применение искусственной стабилизации позволяет расширить диапазон погодных условий полетов, и летать в такой ветер, когда только ручное управление не в состоянии удержать модель.

Впервые слово "гироскоп" использовал французский физик Леон Фуко , так он назвал свой прибор, с помощью которого наблюдал суточное вращение Земли . Современные гироскопы применяются не только для определения вращения тела. Основное их предназначение в наши дни - это определение угла отклонения тела относительно разных плоскостей. Комбинация гироскопа и акселерометра позволяет отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.

Первым смартфоном, оснащенным гироскопом, стал iPhone 4 компании Apple, после чего его наличие стало чуть ли не обязательным требованием для любого телефона. Использование гироскопа в iPhone сделало его смартфоном с совершенно новыми интересными возможностями. Например, ответить на входящий звонок , листать страницы и картинки электронной книги, менять музыку, ставить паузу владельцы iPhone могут, просто встряхнув смартфон.

В мобильных телефонах гироскоп и акселерометр присутствуют вместе, что намного увеличивает чувствительность гаджета к любым наклонам, поворотам и другим незначительным движениям. Такое реагирование устройства при наличии определенного программного обеспечения может защитить смартфон от повреждений при падении и ударах. Однако в современных мобильных телефонах гироскопы с акселерометром применяются не только для защиты, главная их задача - улучшение качества игр. С появлением этих датчиков отпала необходимость в виртуальных джойстиках, вместо них появилась кнопка выстрела.

Теперь нацелить пушку, управлять автомобилем и повернуть руль вертолета во время игр можно путем простого изменения положения смартфона в пространстве - осуществляя наклоны вправо-влево, от себя и на себя, а также движениями по горизонтали и вертикали, не изменяя при этом наклон корпуса.

Гироскоп учитывает и скорость перемещения. Благодаря ему, в играх для управления можно использовать не только поворот устройства, но и скорость поворота, что делает управление смартфоном более точным, удобным и приятным. Как видите, функции гироскопа и акселерометра примерно одинаковые, они оба определяют угол отклонения и ускорение тела. Но принцип их работы совершенно разный: гироскоп фиксирует положение тела в пространстве относительно собственной "гравитации" созданной быстро вращающейся массой, а акселерометр использует гравитационное ускорение планеты. Поэтому в невесомости акселерометр работать не может.

На сегодняшний день разработано много приложений для гироскопов, более того под этот датчик существует специальный , получивший название CoveFlow . В этом режиме работают большое количество приложений у смартфонов iPhone. Например, при использовании калькулятора в портретном положении доступны только сложение, вычитание, умножение и деление, а при повороте смартфона на 90 градусов включается инженерный режим, в котором уже можно произвести не только простые математические действия, но и сложные.

Функции гироскопа могут использоваться и для определения местоположения на местности. На мобильных устройствах, оснащенных гироскопом, очень приятно определить направление движения, используя GPS-навигацию - карта всегда будет поворачиваться в ту сторону, в какую направлен ваш взгляд . Например, если вы стоите лицом к какому-то населенному пункту, то это отобразиться на карте, если повернетесь, то положение карты тоже изменится.


Гироскоп активно используют не только в мобильных устройств, но и в авиации, космонавтике и судоходстве, как навигационный прибор . В качестве основного элемента такого гироскопа является быстро вращающийся ротор , закрепленный таким образом, чтобы его ось вращения поворачивалась. Такое положение позволяет гироскопу определить угол поворота основания - самолета, ракеты или корабля, пилотам которых уже не нужно ориентироваться по примерным показаниям магнитного компаса . Они получают данные о положении своего воздушного или морского судна с гирогоризонтали или гировертикали.

Однако не все пользователи мобильных устройств считают полезным наличие гироскопа в своем телефоне. Некоторые предпочитают его просто отключить. Связано это с тем, что во многих моделях смартфонов и планшетов программы реагируют на изменения положения в пространстве с незначительным запозданием. Например, если вы просматриваете картинки на своем смартфоне лежа на диване, то ориентация страницы измениться каждый раз, как только вы перевернетесь или смените позу. Это согласитесь не очень приятно, если вы хотели и дальше любоваться картинками в том же формате, а спустя некоторое время после изменения положения размеры изображения стали другими.

Многие слышали про гироскоп в телефоне - что это такое интересно, пожалуй, только тем пользователям гаджета, которые в технических характеристиках заметили незнакомое название. На самом же деле функциями этого микроприбора мы пользуемся достаточно часто. Он способен выручить нас в момент отсутствия необходимого строительного инструмента, указать нам направление движения, когда это необходимо и справиться с различными, еще более сложными задачами.

Для чего гироскоп в вертолете?

Высокотехнологичные приборы широко используются в военно-техническом оснащении армии. Например, гироскоп является важной составляющей частью вертолетной навигационной системы. В вертолетах устанавливаются гироскопические приборы на качественных подшипниках, которые не позволяют внешним факторам воздействовать на его ось. Таким образом, он способен отображать уровень наклона поверхности , к которой прикреплен.

Когда вертолет заходит в поворот, устройство давит на соответствующую пружину, расположенную под его горизонтальным основанием до тех пор, пока экипаж не выровняет машину по вертикальной оси. Причем сила давления на пружину прямо пропорциональна угловой скорости вертолета.

Еще одной немаловажной функцией является стабилизация вертолета в момент раскачивания или заноса его хвоста. Гироскоп:

1. Определяет раскачивание;
2. Дает сигнал винтовым лопастям;
3. Лопасти в свою очередь начинают работу в режиме недопущения раскручивания машины.

Так вертолет остается в стабильном равновесии и не зависит от потоков воздуха или других внешних факторов.

В этом видео физик Аркадий Жалеев покажет принцип работы большого гирокомпаса:

Где еще используют прибор?

Гироскоп очень важен для самолетостроения. Его работа детально изучается пилотами, однако нам, простым пассажирам, понятно, что в небе самолет ориентируется именно благодаря этому прибору.

С его помощью выполняется:

• Работа автопилота;
• Маневрирование в воздухе;
• Взлет и посадка.

Все это обусловлено работой гироскопа.

В подводных лодках аппарат позволяет определить:

1. Курс судна;
2. Равновесие или баланс корпуса.

Также такие приборы используются в космонавтике, где ориентироваться по визуальным и тактильным ощущениям невозможно.

Велико место прибора в робототехнике. Благодаря его функциям могут отслеживаться изменения положения в пространстве различных предметов, например, головы или тела робота. Является основным и самым важным устройством в гироскутере.

Таким образом, гироскоп - крайне важный предмет для наукоемких производств, военно-промышленного комплекса и бытовой жизни каждого человека. Он намного облегчает нам жизнь и делает ее интереснее, а для науки является ценнейшим навигационным прибором.

Гироскоп: как работает устройство?

Современные гаджеты оснащены массой различных полезных функций. Одной из таких новинок является гироскоп. Впервые он был использован в телефонах компании Apple.

Это маленький чип внутри смартфона, суть работы которого заключается:

1. В определении местоположения смартфона в пространстве ;
2. Вычислении углов горизонта.

Таким образом, многие функции телефона напрямую зависят от гироскопа:

• Направление и скорость движения в навигаторе;
• Автоматический переход экрана в горизонтальное или вертикальное положение;
• Игры в телефоне, где гироскоп используется в качестве руля;
• Ответ на звонок или переключение различных функций с помощью встряхивания телефона.

Также аппарат может выступать в качестве прибора, измеряющего угол наклона, например, всем известного уровня. Это бывает необходимо и в быту, и в строительной профессии.

Все это - помощь того самого вшитого чипа. Сегодня практически все телефоны оснащены таким датчиком. Убедиться в этом вы можете, обратившись к техническим характеристикам гаджета или установив программу, позволяющую определить все встроенные в телефон датчики.

Отличие гироскопа от акселерометра

Многие путают эти два устройства, называя их приборами с одинаковым функционалом, но разными названиями, однако такие рассуждения ошибочны. Принцип действия этих приборов немного разнится:

1. Акселерометр определяет угол ускорения относительно земли, тогда как его коллега - угол своего положения;
2. Акселерометр имеет возможность измерять длительность движения, а гироскоп - нет;
3. У акселерометра есть возможность издавать сигналы при прохождении определенного расстояния;
4. Гироскоп может определять стороны света, акселерометр - нет.

Таким образом, оба эти прибора отлично дополняют друг друга и часто используются в тандеме на различных устройствах.

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:

Несмотря на популярность этого датчика, многие задают вопрос о том, что такое гироскоп. Попробуем разобраться.

1. Гироскоп в классическом понимании

Рассматриваемое нами устройство, фактически, представляет собой волчок, который вращается вокруг вертикальной оси. Он закреплен в поворачивающейся вокруг другой оси раме. Эта другая ось тоже закреплена в своей раме, поворачивающейся вокруг третьей оси.

Благодаря этому как бы не поворачивался волчок, он всегда будет иметь вертикальное положение в пространстве.

Принцип работы гироскопа можно также увидеть на рисунке №1. Из него, в частности, можно понять, что в классическом устройстве есть вибрирующие грузики. А частота их вибрации равна скорости, умноженной на перемещение.

Благодаря такому явлению, как Кариолисово ускорение, несмотря на поворот тела, оно способно сохранять свое положение относительно плоскости вращения. Разумеется, оно имеет место только во время вращения.

Собственно, на этом простом свойстве вращающихся тел и основывается принцип работы того гироскопа, который есть у большинства из нас в смартфоне.

Разработчики научились делать гироскоп намного проще и меньше. Это позволило им умещать его в небольшую плату, которую можно разместить под корпусом любого современного мобильного девайса.

2. Предназначение датчика в телефоне

В телефоне он нужен для того, чтобы определять положение аппарата в пространстве.

Для пользователя все выглядит предельно просто – Вы поворачиваете смартфон горизонтально или вертикально и положение всех значков на экране меняется. Это применимо для игр и разнообразных программ.

Во многих случаях повороты экрана можно использовать для выполнения определенных действий, например, для блокировки клавиатуры.

Интересно: Впервые гироскоп использовали в Айфоне 4. С тех пор этот датчик стал обязательным элементом любого мобильного девайса.

Теперь Вы знаете, как работает этот датчик. Стоит разобраться в том, как узнать есть ли он в Вашем гаджете.

3. Как проверить наличие гироскопа

В зависимости от операционной системы для этой цели можно использовать разные программы:

• Sensor Box для Андроид;
• Sensor Kinetics для iOS.

В первой программе нужно нажать иконку «Accelerometer sensor». Во второй делать не нужно ничего.

Существует способ еще проще – если в настройках есть пункт «Поворот экрана» (или что-то подобное), гироскоп есть. Но вышеупомянутые приложения помогают выявить проблемы в работе этого датчика.

Сейчас все смартфоны оснащены как минимум одним датчиком, а чаще всего несколькими. Самыми распространенными стали датчики приближения, освещения и движения. Большинство смартфонов оснащены акселерометром, реагирующим на перемещение устройства в двух или максимум в трех плоскостях. Для полноценного взаимодействия с гарнитурой виртуальной реальности нужен гироскоп, который определяет движения в любом направлении.

Гироскоп в смартфоне – это микроэлектромеханический преобразователь угловых скоростей в электрический сигнал. Другими словами этот датчик рассчитывает изменение угла наклона относительно оси при повороте устройства.

Гироскоп относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС), которые совмещают в себе механическую и электронную часть. Подобные чипы имеют размеры порядка пары миллиметров или меньше.

Обычный гироскоп состоит из инерционного предмета, который быстро вращается вокруг своей оси. Тем самым он сохраняет свое направление, а смещение контролируемого объекта измеряется по изменению положения подвесов. В смартфоны такой волчок явно не поместиться, вместо него используется МЭМС.

Преобразование механического движения в электрический сигнал

В самом простом одноосевом гироскопе есть две подвижные массы, двигающиеся в противоположных направлениях (на картинке изображены синим цветом). Как только прикладывается внешняя угловая скорость, на массу действует сила Кориолиса, которая направлена перпендикулярно их движению (отмечена оранжевым цветом).

Под действием силы Кориолиса происходит смещение масс на величину пропорциональную прикладываемой скорости. Изменение положения масс меняет расстояние между подвижными электродами (роторами) и неподвижными (статорами), что приводит к изменению емкости конденсатора и соответственно напряжения на его обкладках, а это уже электрический сигнал. Вот такие множественные сигналы и распознаются гироскопом MEMS, определяя направление и скорость движения.

Вычисление ориентации смартфона

Микроконтроллер получает сведения о напряжении и преобразует их в угловую скорость в данный момент. Величину угловой скорости можно определять с заданной точностью, например до 0,001 градусов в секунду. Чтобы определить насколько градусов вокруг оси повернули устройство, необходимо мгновенную скорость умножить на время между двумя показаниями датчика. Если использовать трехосевой гироскоп, то получим данные о поворотах относительно всех трех осей, то есть таким образом определить ориентацию смартфона в пространстве.

Здесь стоит отметить, что для получения значений углов, необходимо интегрировать первоначальные уравнения, в которые входят угловые скорости. При каждом интегрировании увеличивается погрешность. Если вычислять положение только при помощи гироскопа, то со временем рассчитываемые значения станут некорректными.

Поэтому в смартфонах для точного определения ориентации в пространстве необходимы данные еще и акселерометра. Этот датчик измеряет линейное ускорение, но не реагирует на повороты. Оба датчика способны полностью описать все виды движения. Основное преимущество гироскопа над акселерометром в том, что он реагирует на движение в любом направлении.

Зачем нужен гироскоп в смартфоне

Повышенное внимание этому датчику оказывается последние пару лет, когда активно начали развиваться игры и приложения виртуальной реальности. Для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью программе необходимо точно определить положение человека в пространстве. Сейчас даже в самых бюджетных смартфонах установлен акселерометр, но его показания сопровождаются шумами, и датчик не реагирует на повороты и движения в горизонтальной плоскости. Следовательно, для полного погружения в виртуальную реальность в смартфоне обязательно должен быть гироскоп и акселерометр.

Как узнать есть ли в смартфоне гироскоп

Обычно в характеристиках смартфона указано, какие в нем есть датчики. Если же вы сомневаетесь в правдивости информации, то помогут специальные программы. Например, Sensor Box for Android показывает информацию о всех встроенных датчиках. Гироскоп в нем обозначен как Gyroscope. Есть и другие способы, которые мы