Что такое гироскопический датчик?

Что такое гироскопический датчик?

Гироскопический (гироскопический) датчик — это датчик, используемый для определения угловой скорости.

Его также называют гироскопом. Угловая скорость относится к физической величине вращения объекта за единицу времени и является незаменимым датчиком в современных промышленных машинах, где требуется передовой и точный контроль.

Гироскопические датчики широко используются в таких областях, как робототехника, авиация и управление кузовом автомобиля, где управление с обратной связью должно учитывать мельчайшие вращения.

Применение гироскопических датчиков

Гироскопические датчики используются в широком спектре приложений для управления смартфонами, цифровыми камерами, игровыми устройствами, в космической промышленности, авиации, автомобилях и промышленных роботах.

Конкретные области применения гироскопических датчиков следующие:

• Стабилизация изображения смартфонов и цифровых камер
• Управление ходьбой двуногих роботов
• Измерение и контроль положения летательных аппаратов
• Измерение движения и положения пользователя в играх виртуальной реальности

Гироскопические датчики имеют различные характеристики в зависимости от продукта, такие как размер и устойчивость к нагреву и вибрации. Поэтому при выборе гироскопического датчика необходимо учитывать точность управления устройством с помощью гироскопического датчика и среду, в которой он будет использоваться.

Принцип работы гироскопических датчиков

Гироскопические датчики обычно подразделяются на вибрационные, которые работают на основе силы Кориолиса, и оптические, которые работают на основе эффекта Саньяка для света.

1. Вибрационный гироскопический датчик

Сила Кориолиса, используемая в вибрационных гироскопических датчиках, представляет собой фиктивную силу, действующую на объект, находящийся во вращающейся системе отсчета относительно инерциальной системы отсчета.

Датчики вибрации гироскопа можно дополнительно классифицировать на пьезоэлектрические и емкостные.

• Пьезоэлектрический метод
  Этот метод измеряет значение напряжения, генерируемого во вращающемся преобразователе, как физическую величину, соответствующую силе Кориолиса.
• Емкостный метод
  Сила Кориолиса во время вращения создает разницу в емкости между левым и правым чувствительными электродами резонатора, а угловая скорость вычисляется путем измерения силы Кориолиса из разницы в емкости.

Соотношение между силой Кориолиса и угловой скоростью можно выразить следующим уравнением.

ω=F/2mv (ω: угловая скорость, F: сила Кориолиса, m: масса объекта, v: скорость движения)

2. Оптический гироскопический датчик

Эффект Саньяка, используемый в оптических гироскопических датчиках, — это принцип, согласно которому если оптический путь, по которому проходит свет, находится в движении, длина оптического пути будет увеличиваться. Это физическое явление происходит из-за того, что скорость света всегда постоянна. В оптическом гироскопическом датчике путь света удлиняется по мере вращения самого вращающегося света, а угловую скорость можно вычислить, измерив разность фаз, вызванную удлинением.

Другая информация о гироскопических датчиках

1. Методы компенсации гироскопического датчика

Коррекция дрейфа
Существует множество факторов, которые могут вызывать ошибки в выходных данных гироскопических (гиро)датчиков. Одним из наиболее важных таких факторов является дрейф, который относится к дрейфу нулевой точки, которая изначально задана как начальное значение, что приводит к постепенному смещению начального значения и большей ошибке обнаружения.

Внутренние факторы, вызывающие дрейф, включают колебания постоянной составляющей (низкочастотные колебания) и высокочастотные шумовые эффекты; колебания постоянной составляющей называются нестабильностью смещения, а высокочастотный шум называется угловым случайным блужданием. Нестабильность смещения зависит от стабильности напряжения питания, которую можно улучшить, проверив источник питания.

Коррекция углового случайного блуждания
Метод коррекции для углового случайного блуждания является вопросом ноу-хау каждой компании, но обычно используемый метод коррекции заключается в использовании фильтра Калмана.

Фильтр Калмана — это метод оценки наиболее подходящего состояния системы на основе предыдущей информации и текущих полученных данных. Его можно перефразировать как проблему оценки исходного состояния переменной, которая изменяется со временем, на основе прошлой информации и текущей полученной информации. Важно относиться к измеренным значениям и самим переменным так, как будто они подвержены шуму.

2. Разница между гироскопическим датчиком и акселерометром

Гироскопические датчики похожи на акселерометры. Хотя их иногда путают, они совершенно разные.

Как следует из названия, датчики ускорения предназначены для обнаружения ускорения. Они используют инерционные силы для измерения изменений скорости, с которой движется объект, и выводят их в виде электрического сигнала. Датчики ускорения используются в широком спектре приложений, поскольку другие типы информации, такие как состояние вибрации объекта и величина удара, также могут быть получены из ускорения. Базовая структура аналогична структуре гироскопического датчика.

Датчики гироскопа, с другой стороны, как упоминалось выше, используются для определения угловой скорости. Они используют силу Кориолиса для измерения движения (вращения) и изменений ориентации и положения объекта и выводят их в виде электрических сигналов.

3. Датчики с 3, 6 и 9 осями

В последнее время 3-осевые и 6-осевые датчики часто описываются как датчики, которые определяют инерционную силу. Каждый соответствует ускорению (3-осевой) и угловой скорости (6-осевой) вперед/назад, влево/вправо и вверх/вниз, и как датчики в автомобиле, они незаменимы для ADAS и технологии автоматического вождения, которые являются системами помощи водителю для автомобилей.

В качестве примера, автомобильные навигационные системы оснащены как гироскопическими (гироскопическими) датчиками, так и датчиками ускорения. Используя гироскопические (гироскопические) датчики для определения направления автомобиля и датчики ускорения для определения пройденного расстояния, текущее местоположение может отображаться с высокой точностью даже в местах, где прием сигнала затруднен, например, внутри туннеля.

Три оси представлены креном, тангажем и рысканием, и эти оси могут использоваться для представления положения. Особенно для крена и тангажа, можно компенсировать дрейф, который является источником ошибки, как цепь обратной связи. Кроме того, в качестве другого эталона для коррекции дрейфа, существует текущий стандарт, который использует датчик магнитометра в дополнение к 6-осевому совместимому датчику, в этом случае он называется 9-осевым совместимым датчиком.

4. Совместимость MEMS с гироскопическим датчиком

Гироскопические датчики используются для отображения и управления движением вращающихся машин. Технология MEMS используется в полупроводниковой промышленности, где она основана на технологии тонкопленочной микрообработки.

Гироскопические датчики также отличаются от оптических и механических датчиков тем, что их относительно легко миниатюризировать и интегрировать, и поскольку датчики MEMS хорошо совместимы с ASIC, которые обеспечивают относительно сложное управление, они встроены во многие устройства, включая смартфоны и другие мобильные устройства.

Более того, гироскопические датчики имеют разные диапазоны обнаружения угловой скорости в зависимости от их применения. Например, для мобильных устройств, таких как смартфоны, требуется диапазон от 300 до 2000 DPS (градусов в секунду, угол поворота в секунду), в то время как для автомобильных устройств, таких как автомобильные навигационные системы, требуется диапазон от 100 до 500 DPS.

Поэтому при выборе датчика необходимо учитывать, какой диапазон обнаружения достаточен в зависимости от условий использования устройства.