Доклад на тему гироскопический датчик
Обновлено: 05.07.2024
Гироскоп – это устройство со свободной осью вращения, способное реагировать на изменение угла ориентирования тела, в котором оно закрепляется. Ключевая особенность прибора в сохранении неизменного положения, что позволяет его использовать как датчик для определения перемещения и поворота объекта, в котором он расположен.
Как устроен и работает гироскоп
В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.
Разновидности гироскопов по принципу действия
Конструкцию гироскопа принято разделять на две группы по принципу действия:
Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.
Механические
Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве. Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил. При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.
Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. По данному принципу изготовляется спортивный кистевой гироскопический тренажер. Такой прибор представляет собой шар, внутри которого располагается гироскопический элемент со своей осью вращения.
Для его запуска применяется небольшой шнурок, который наматывается на центральную часть тренажера. При его выдергивании центральное тело начинает вращаться по своей оси, при этом внешняя оболочка тренажер раскручивается кистью по часовой стрелке. Вращающееся центральное тело начинает противодействовать оборотам корпуса, создавая значительную нагрузку. При этом такое воздействие лишь ускоряет обороты главного элемента, повышая противодействие. После запуска тренажер сложно удержать в руке, поскольку он постоянно норовит вырваться в разные стороны. Создается впечатление удержания живого объекта.
Оптические
Сфера использования гироскопов
Гироскоп широко используется в:
- Авиации.
- Автомобилестроении.
- Мобильных устройствах и прочая подобная техника.
- Системах стабилизации видеокамер.
- Навигации.
Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.
Наличие гироскопа обязательно для нормального функционирования навигационных систем. Такие датчики многократно увеличивают фактическую точность определения координат с погрешностью в несколько сантиметров. Дело в том, что навигация по спутниковому сигналу в определенных условиях работает хуже или полностью отказывает. В таком случае ориентация в пространстве возможна только с помощью гироскопа. Это в первую очередь наблюдается при нахождении под землей, под водой или в космосе. Комбинирование спутниковых и гироскопических систем дает возможность добиться максимальной точности определения местоположения движущихся объектов.
Гироскоп является не только полезным, но и интересным устройством, принцип работы которого был внедрен в производство нескольких видов детских игрушек. Примером этого является йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажер. В данном случае ценится качество устройства удерживаться в определенном положении благодаря вращению по главной оси. Что касается свойства гироскопа выступать в качестве датчика, то оно применяется при изготовлении вертолетов на радиоуправлении, квадрокоптеров.
Применение гироскопа в мобильных устройствах, планшетах и прочей портативной техники
В мобильной технике гироскоп применяется благодаря его свойству реагировать на изменение углов ориентации тела. Прибор выступает в качестве датчика, позволяющего определить, что мобильный телефон или планшет был повернут в ту или иную сторону. Наличие устройства позволяет получить информацию об изменении положения тела в 3 плоскостях. Внедренные в гаджеты гироскопы внешне напоминают миниатюрную микросхему.
Благодаря присутствию гироскопа в мобильном телефоне, в том удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным датчик является для реализации управления в играх, в частности гонках. При повороте экрана девайса осуществляется управление автотранспортом без необходимости нажатия на кнопки.
Отличие между гироскопом и акселерометром
Весьма похожим устройством на гироскоп является акселерометр. Последний позволяет определять повороты тела относительно его оси. При этом функционал гороскопа гораздо обширнее.
Он позволяет:
- Определить перемещение в пространстве.
- Указывать стороны света как компас.
- Дает информацию для расчета скорости движения.
Наличие гироскопа позволяет решать те задачи, которые мог бы выполнять акселерометр. При этом использование акселерометра никогда не позволит сделать все то, что возможно с помощью гироскопа. Несмотря на схожесть датчиков, они часто используются в паре, особенно в мобильной технике, смарт-часах, планшетах и т.д. Работая вместе, они позволяют значительно быстрее получать различную информацию по перемещению устройств, что увеличивает скорость ее обработки. Это важно для мобильных игр, квадрокоптеров, гироскутеров.
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.
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).
Рассмотрим самый распространенный пример - механический роторный гироскоп. По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.
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.
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!
Простыми словами, гироскоп – это волчок, быстро вращающийся вокруг вертикальной оси, закрепленный на раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и закреплена на другой раме, которая поворачивается вокруг третьей оси.
Как бы мы ни поворачивали волчок, он всегда имеет возможность все равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор получает информацию и считывает с высокой точностью, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.
Что такое гироскоп в смартфоне
Современные мобильные устройства в большинстве своем оснащены гироскопами. Их еще называют гиродатчиками. Этот элемент смартфона работает на постоянной основе, автономно, не требует калибровки. Этот прибор не нужно включать, но в некоторых телефонах есть функция отключения с целью экономии энергии. Выполнен он в виде микроэлектромеханической схемы, расположенной под корпусом смартфона.
Для чего нужен
Как работает гироскопический датчик
В гиродатчике есть две массы, двигающиеся в противоположных направлениях. Когда появляется угловая скорость, на массу действует сила Кориолиса, направленная перпендикулярно их движению. Происходит смещение масс на величину, пропорциональную прикладываемой скорости. Меняется расстояние между подвижными и неподвижными электродами, что приводит к изменению емкости конденсатора и напряжению на его обкладках, а это уже электрический сигнал. Такие электронные сигналы и распознаются гиродатчиком.
Как узнать, есть ли гироскоп в смартфоне
Простой способ – ознакомиться с характеристиками девайса на официальном сайте производителя. Если гиродатчик имеется – это обязательно будет указано. Некоторые производители умалчивают о том, есть ли гироскоп на телефоне, не желая тратить на него место. Их можно понять – все сейчас стремятся сделать телефон легче и тоньше. В таких случаях помогут сторонние приложения.
На YouTube есть целый раздел видео, которые можно поворачивать на 360 градусов. Если у вас поддерживается возможность управления таким видео через повороты смартфона, значит работает гироскоп. Еще можно установить приложение AnTuTu Benchmark, которое проводит полную диагностику вашего устройства. Там вы найдете строку о наличии или отсутствии гироскопа.
В каких телефонах есть гироскоп
Первым смартфоном, в котором был установлен гиродатчик, является Iphone 4. Покупатели позитивно отнеслись к такому нововведению и с тех пор телефоны с гироскопом начали заполнять рынок. Все последующие версии смартфонов Apple были оборудованы гиродатчиками. Владельцам андроид-устройств в этом плане немного сложнее, благо, о наличии датчика можно спросить у консультанта перед покупкой, или проверить самому. Гироскоп в телефоне – это важный бонус.
Видео
Гироскоп: применение
Чаще всего этот прибор используется в качестве чувствительного элемента для указывающих гироскопических приборов, а также в качестве датчика угла поворота или угловой скорости для устройств, работающих под автоматическим управлением. В некоторых случаях гироскоп может послужить в качестве генератора энергии или момента силы.
Принцип работы гироскопа позволяет активно использовать его в авиации, судоходстве и космонавтике. Почти у каждого морского судна дальнего плавания имеется гирокомпас для автоматического или ручного управления судном, а в некоторых используются и гиростабилизаторы. Система управления огнем корабельной артиллерии обычно оснащается множеством дополнительных гироскопов, которые предназначены для обеспечения стабильной системы отсчета или для измерения угловых скоростей.
Вертолеты и самолеты тоже обязательно оборудуются этими приспособлениями для того, чтобы давать надежную информацию о деятельности систем навигации и стабилизации. К таким приборам можно отнести авиагоризонт, гироскопический указатель поворота и крена, гировертикаль. Если рассматривать вертолет с гироскопом, то тут этот прибор может служить как в качестве указывающего устройства, так и в качестве датчика автопилота.
Многие самолеты оснащены гиростабилизированными магнитными компасами и прочим оборудованием – фотоаппаратами с гироскопами, гиросектантами, навигационными визирами. В военной авиации активно используются гироскопы в качестве составных элементов в прицелах бомбометания и воздушной стрельбы.
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?
Отличие гироскопа от акселерометра
Гироскоп в смартфоне – что это? Такой модуль способен передавать данные тем или иным приложениям об угле наклона мобильного гаджета по отношению к земной поверхности. Подобная функция закреплена также за акселерометром. Однако указанные девайсы имеют различный принцип работы. Ведь функционирование акселерометра основано на вычислении собственного ускорения в пространстве. На практике отмеченные возможности обеих систем оказываются взаимозаменяемыми. Именно по этой причине современные смартфоны оснащаются как гироскопом, так и акселерометром.
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.
Недостатки
Но наличие в смартфоне гироскопа может обернуться минусом, да таким, что отдельные пользователи стараются сразу же отключить функциональный модуль. Речь идет о реакции некоторых приложений на изменения положения сотового телефона в пространстве со значительным запозданием.
Сравнительным недостатком наличия гироскопа в смартфоне выступают неудобства, которые способны возникать при чтении электронной книги. Если пользователь произвольно меняет позу, датчик тут же преобразит ориентацию странички в соответствующей плоскости. Подобные моменты обычно вызывают раздражение.
Как определить, есть ли гироскоп в смартфоне
Узнать о присутствии функционального модуля в системе мобильного устройства можно несколькими способами. Наиболее простой и доступный вариант – ознакомление с описанием модели смартфона на официальном сайте изготовителя либо просмотр прилагающейся к гаджету технической документации.
Гироскоп в смартфоне. Зачем он нужен и как работает
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.
Что такое гироскоп в телефоне
Как и OTG, гироскоп в смартфонах на базе Андроида, Айфонах и других современных мобильных устройствах — это программно-аппаратная технология, позволяющая владельцу пользоваться своим телефоном с наибольшим уровнем комфорта. По сути же гироскоп — это небольшой датчик, встроенный в общую плату и передающий операционной системе информацию о текущем положении аппарата в пространстве.
Устройство, созданное Боненбергером и окончательно оформленное жившим чуть позже М. Фуко, технически представляло собой тяжёлый диск, вращающийся в трёх ориентированных по осям X, Y и Z сферах. И, как уже упоминалось, центр тяжести диска (в ранних версиях — шара) оставался неизменным вплоть до прекращения вращения, вне зависимости от наклона сфер.
Нанеся на внешние ободы прибора шкалу, учёные смогли отслеживать наклон, а стало быть — и изменение направления движения относительно Земли как неподвижной точки. С того времени и по сей день гироскопы, в том числе в телефонах, используются именно с этой общей целью: для определения перемещения в пространстве.
Разумеется, внутри смартфона нет ни вращающихся дисков, ни тяжёлых шаров; вместо них в плату впаиваются микроприборы, содержащие ничтожно малые количества перемещающегося вещества. Найти гироскоп, не разбираясь в схемотехнике на высоком уровне, почти невозможно — внешне он ничем не отличается от других датчиков.
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.
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Гироскопический датчик EV3. Презентация на заданную тему содержит 9 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Принцип работы гироскопического датчика Принцип работы датчика заключается в том, что он способен отслеживать вращение. Датчик гироскопа EV3 способен обнаружить вращение всего по одной оси. На верхней стороне датчика мы можем увидеть две стрелки. Эти стрелки показывают нам плоскость работы гироскопического датчика.
Принцип работы гироскопического датчика При вращении датчика в плоскости стрелок на верхней части датчика он может определять угловую скорость вращения. Она измеряется в градусах в секунду. 440 градусов в секунду является максимальной угловой скоростью, которую может измерить датчик.
Особенности датчика гироскопа EV3 Для правильной работы датчика его нужно включать в контроллер EV3 в полностью неподвижном состоянии. Когда мы устанавливаем гироскопический датчик на робота обязательным условием является полная неподвижность робота в его начальном состоянии. Робот должен стоять без движения, иначе датчик будет работать некорректно. При помощи этого датчика можно легко программировать повороты робота вокруг оси. Датчик имеет частоту дискретизации 1 килогерц. Сенсор подключается к блоку программирования EV3 плоским черным соединительным кабелем, который входит в набор. Гироскопический датчик можно подключить к любому входному порту, который обозначен цифрами от 1 до 4. Но по умолчанию датчик подключается во второй порт. Программное обеспечение контроллера Lego EV3 автоматически определяет порт подключения датчика.
Особенности датчика гироскопа EV3 Одной из особенностей датчика гироскопа EV3 является проблема дрейфа. Она состоит в том, что, когда датчик в покое т.е. неподвижен, его показания изменяются и постоянно увеличиваются. Эта проблема может быть решена несколькими способами, но это лучше рассматривать в отдельной статье.
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.
Области применения гироскопического датчика 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.
Читайте также: