что такое гироскоп и как он работает

Что такое гироскоп и как он работает?

История создания гироскопа началась в 1817 году, когда Иоанн Боненберг изобрел подвес, рамки в котором рамки вращались в горизонтальной, вертикальной или угловой плоскостях. Далее прибор совершенствовался, и в 1852 году известным ученым-физиком Ж.Фуко был продемонстрирован гироскоп, используемый для определения положения оси Земли. Сегодня гироскоп широко применяется в самых разных приборах для ориентации в пространстве. Особенности устройства и возможности дают возможность использовать его в известных нам устройствах.

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:

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

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:

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

Гироскоп в смарт часах

Смарт часы, или фитнес-браслет, прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Благодаря им во многом упрощаются повседневные дела, появляется дополнительная мотивация для активизации собственной жизни. Поднятие руки, на которую надеты «умные» часы, провоцирует срабатывание экрана – и именно благодаря гироскопу. А изменение положения кисти руки влечет за собой изменение положения картинки на экране смарт часов. Значит, даже во время вождения автомобиля можно безопасно читать текст с часов, который будет поворачиваться вместе с рукой.

В новых Apple Watch имеется даже особая функция распознавания критической ситуации, когда человек упал и лежит без движения: благодаря гироскопу срабатывает вызов в службу спасения!

Именно гироскоп «отвечает» за подсчет сожженных калорий при разнообразных занятиях спортом, считает шаги во время прогулки. Анализируя частоту переворотов во время сна, гироскоп в смарт часах может установить качество отдыха.

Гироскоп следует отнести к разряду устройств, которые делают многие наши дела более удобными, а также преподносить большой объем информации. Гаджеты становятся неотъемлемой частью нашего быта, наличие в них гироскопа облегчает процесс пользования.

Источник

Гироскопы, и с чем их едят в авиации

Многие видели видео с этими магическими штуками, не подчиняющимися гравитации. Сегодняшний пост про то, какие радости и печали они приносят на борт самолетов.

Сначала немного истории. В 1914 году во Франции состоялось что-то вроде нашего Макса, т.е. авиашоу + демонстрация новинок в самолетных делах. Один из самолетов пилотировался Лоренсом Сперри и его помощником. Они сделали 3 прохода вдоль реки на глазах у публики и жюри.

— В первом проходе оба пилота убрали руки со штурвала и подняли их над головой. Самолет летел прямо, вдоль реки.

— Во втором проходе помощник Сперри вышел на крыло. Самолет накренился было, но быстро выровнялся и продолжил лететь вдоль реки.

— В третьем проходе Сперри тоже вышел на крыло. В кабине никого не было, самолет летел вдоль реки.

Так мир увидел первый автопилот. Но обо всем по порядку.

1. Авиагоризонт. Вращающийся диск гироскопа стремится сохранить свое положение в пространстве. Правда для этого нужно, чтобы он мог свободно вращаться вокруг всех трех осей; для этого его подвешивают на две рамки.

Если раскрутить диск в горизонтальной плоскости и взять с собой в самолет, то он будет показывать, как располагается горизонт. По нему почти можно будет лететь (на самом деле нет). На этом принципе основано действие авиагоризонта. Обычные авиагоризонты стоят 500-2000 баксов.

Вот на этом видео, где камера крутится вместе со стулом, видно одну интересную особенность. Поначалу кажется, что внутренняя рамка проскакивает через внешнюю рамку, но если приглядеться, то нет. На этой гифке они никогда не совмещаются.

Совмещение рамок приводит к тому, что гироскоп теряет одну степень свободы и перестает сохранять положение в пространстве. Это называется «выбиванием» гироскопа. Такое бывает при очень резких маневрах, например при пилотаже, и приводит вот к чему:

Пока я писала этот пост, мне вспомнилось, что в телефонах тоже есть гироскопы. Они основаны на другом принципе и поэтому, как и лазерные гироскопы, не выбиваются. И да, я только что потратила 10 минут своей жизни на попытки выбить гироскоп в телефоне, прежде чем об этом узнала (телефон не пострадал).

2. Автопилот. Первый автопилот был очень простым: гироскоп механически соединялся с рулями самолета. Если по какой-то причине самолет отклонялся от фиксированного положения, гироскоп активировал рули и тем самым возвращал самолет обратно, что Сперри и продемонствировал во Франции. Кстати выиграл 10 000 баксов тогдашних.

Современные автопилоты конечно намного сложнее.

3. Указатель курса. Давайте я просто гифку покажу.

Здесь мы от свободных гироскопов плавно переходим к несвободным, т.е. тем, которые не могут свободно вращаться в пространстве.

Что за магия, и почему он не падает? Есть такой шутливый ответ на вопрос «почему конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный?» Типа постоянный упирается в конденсатор, а переменный из-за синусоиды его огибает.

Так вот, давайте пока в шутку будем думать, что гироскоп вертел действующие силы, в прямом смысле этого слова:

Сила тяжести пытается уронить гироскоп, при этом развернув его вертикально (белая стрелка). Но гироскоп вертел эту стрелку на 90 градусов по вращению и превратил ее в желтую стрелку. Она и заставляет гороскоп крутиться, а сила тяжести как будто бы исчезла.

Как это он так не падает?

Очень прикольные ощущения, когда пытаешься наклонить раскрученный гироскоп. Он, как живой, сопротивляется и пытается вильнуть в сторону. Представьте, сколько подколок можно придумать, пряча гироскопы внутри обычных предметов. Берешь кружку, а она вырывается из рук.

У этого гироскопа всего 10-30 секунд «полезного» вращения, но его хватает, чтобы наиграться. Он раскручивается резким движением палочки с резьбой.

Вернемся к авиации. Есть такая шутка, «назовите самую большую деревянную деталь в самолете» (летчик). Как вы думаете, какой гироскоп в самолете самый большой? Не авиагоризонт. Вот самый большой гироскоп в самолете:

У Харриера (самолет с вертикальным взлетом) пришлось делать вращающиеся в разные стороны ступени компрессора, чтобы уменьшить гироскопические силы.

А теперь источник колдунства: взяли вы крутящийся гироскоп и решили нажать пальцем на край:

Но у той точки, на которую вы нажали, были свои планы лететь вбок, она же крутилась вместе с гироскопом, а тут вы нажали:

Куда она полетит, вниз? Нет. скорости сложатся, и она полетит по диагонали, вот так:

То есть ее вращение вокруг центра просто перейдет на новую орбиту.

Источник

Как устроен гироскоп: суть, принцип работы, где применяется

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

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

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

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

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

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

Гироскоп: история, определение

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

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

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

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

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

Волчок

Виды гироскопов

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

Гироскоп

Применение гироскопов

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

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

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

МЭМС датчик

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

Источник

Как это работает: гироскоп

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.

Содержание

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.

Источник

Как работает гироскоп в телефоне

Мы редко задумываемся о том, чем напичкан наш смартфон. Раньше мы использовали его только для звонков и SMS, теперь же смартфоны стали меньше и быстрее ноутбуков и компьютеров. Современные смартфоны богаты на самые разные сенсоры и умные датчики, которые помогают пользоваться нам самыми простыми функциями. Датчики и сенсоры очень чувствительны к внешним изменениям. Поворачиваете смартфон горизонтально, а экран ориентируется вместе с вами? Значит, стоит поблагодарить гироскоп, установленный в вашем устройстве. Кстати, благодаря гироскопу существует VR и все, что с этим связано. Рассказываем, как работает гироскоп, зачем он нужен, как его откалибровать на Android, чем отличается гироскоп от акселерометра.

Рассказываем, как работает гироскоп в смартфоне

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.

Как работает гироскоп в смартфоне

Так выглядит гироскоп смартфона

Гироскоп в смартфонах и других умных устройствах сильно отличается от обычных, хоть и выполняет ту же функцию. Механическая энергия в нем преобразуется в электрическую, что формируется в в алгоритм работы. В умных устройствах гироскоп представляет собой подвижные вещества, которые смещаются под наклоном, меняя электрическую емкость конденсаторов, связанную с процессором вашего смартфона. Самый просто вариант гироскопа выглядит как две подвижные единицы, которые меняют положение и посылают сигнал датчикам. При повороте устройства двигается и весь гироскоп, который посылает сигнал об изменившемся местоположении. Благодаря этому нехитрому устройству вы можете встряхивать смартфон и переворачивать, чтобы работали интересные фичи, встроенные в операционную систему вашего смартфона. Если вы планируете пользоваться устройством с VR, например, очками или шлемом, то гироскоп будет играть в этом важную роль, отслеживая повороты головы и направляя виртуальный взгляд именно туда, куда направлен ваш взор. Что еще интересного скрывает VR? Читайте наши материалы в Яндекс.Дзен — пишем то, о чем еще никто не знает!

Чем гироскоп отличается от акселерометра

Акселерометр помогает в играх на смартфоне

Если вы любите иногда играть на смартфоне, то эти два датчика делают вашу жизнь гораздо проще. Они оба предназначены для того, чтобы определять положение гаджета в пространстве. Если гироскоп высчитывает угол наклона вашего смартфона относительно поверхности, передавая информацию в операционную систему, то акселерометр очень точно вычисляет ускорение. Именно поэтому наши смартфоны неплохо справляются с функцией шагомеров. Данные будут плюс-минус точными: можете попробовать сравнить их с данными ваших умных часов или фитнес-браслета, отличия будут незначительными. В современных смартфонах устанавливают и гироскоп, и акселерометр, что помогает избежать случайных поворотов экрана при его перемещении. Что еще интересного хотите узнать о смартфоне? Пишите нам в Telegram-чате!

Как проверить гироскоп в смартфоне

С помощью видео в 360 можно проверить работоспособность смартфона

Все современные смартфоны оборудованы этими датчиками. Но если вам интересен принцип их работы, то есть отличный способ.

Проверить наличие и работоспособность устройств можно также в приложении AIDA64. Устанавливаете приложение и получаете информацию в разделе «Датчики» обо всех установленных комплектующих в вашем смартфоне.

Как откалибровать гироскоп на Android

Гироскоп — это самостоятельный датчик, который невозможно настроить самостоятельно. Он есть во всех смартфонах и включить/отключить его нельзя, он всегда работает. В этой ситуации возможно лишь настроить или откалибровать акселерометр. Например, включить или выключить функцию поворота экрана.

Функция «Автоповорот экрана» помогает избежать случайной смены ориентации экрана

Для калибровки акселерометра используется стороннее приложение Accelerometer Calibration. Мобильное устройство кладется на ровную поверхность, а когда показывающий равновесие шарик окажется в прицеле, надо нажать кнопку «Calibrate».

Гироскоп — это один из важнейших датчиков наряду с датчиком освещенности. Он помогает пользоваться навигацией, меняя положение телефона. Без него не работал бы автоповорот экрана,

Источник