ГИРОСКОП (от греческого γ?ρος - круг, окружность и σκοπ?ω - наблюдать), устройство, совершающее быстрые циклические (вращательные или колебательные) движения и чувствительное вследствие этого к повороту в инерциальном пространстве. Термин «гироскоп» предложен в 1852 году Ж. Б. Л. Фуко для изобретённого им прибора, предназначенного для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Долгое время термин «гироскоп» использовался для обозначения быстровращающегося симметричного твёрдого тела. В современной технике гироскоп - основной элемент всевозможных гироскопических устройств или приборов, широко применяемых для автоматического управления движением самолётов, судов, торпед, ракет, космических аппаратов, мобильных роботов, для целей навигации (указатели курса, поворота, горизонта, стран света), для измерения угловой ориентации подвижных объектов и во многих других случаях (например, при прохождении стволов штолен, строительстве метрополитенов, при бурении скважин).
Классический гироскоп. Согласно законам ньютоновской механики скорость поворота оси быстровращающегося симметричного твёрдого тела в пространстве обратно пропорциональна его собственной угловой скорости и, следовательно, ось гироскопа поворачивается столь медленно, что на некотором интервале времени её можно использовать в качестве указателя неизменного направления в пространстве.
Простейшим гироскопом является волчок, парадоксальность поведения которого заключается в его сопротивлении изменению направления оси вращения. Под воздействием внешней силы ось волчка начинает двигаться в направлении, перпендикулярном вектору силы. Именно благодаря этому свойству вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали. Это движение называется прецессией гироскопа. Если к оси быстро вращающегося свободного гироскоп придожить пару сил {Р, Р’}, Р’ = -Р, с моментом М = Ph, где h - плечо пары сил (рис. 1), то (против ожидания) гироскоп начнёт дополнительно поворачиваться не вокруг оси х, перпендикулярной к плоскости пары сил, а вокруг оси у, лежащей в этой плоскости и перпендикулярной оси z вращения гироскопа. Если в какой-либо момент времени действие пары сил прекратится, то одновременно прекратится прецессия, т. е. прецессионное движение гироскопа безынерционно. Чтобы ось гироскопа могла свободно поворачиваться в пространстве, гироскоп обычно закрепляют в кольцах карданового подвеса (рис. 2), который представляет собой систему твёрдых тел (рамок, колец), последовательно соединённых между собой цилиндрическими шарнирами. Обычно при отсутствии технологических погрешностей оси рамок карданового подвеса пересекаются в одной точке - центре подвеса. Закреплённое в таком подвесе симметричное тело вращения (ротор) имеет три степени свободы и может совершать любой поворот вокруг центра подвеса. Гироскоп, у которого центр масс совпадает с центром подвеса, называется уравновешенным, астатическим или свободным. Изучение законов движения классического гироскопа - задача динамики твёрдого тела.
Основной количественной характеристикой ротора механического гироскопа является его вектор собственного кинетического момента, называемого также моментом количества движения или моментом импульса,
где I - момент инерции ротора гироскопа относительно оси собственного вращения, Ω - угловая скорость собственного вращения гироскопа относительно оси симметрии.
Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил, называемое прецессией гироскопа, описывается уравнением
ω x Η = Μ, (2)
где ω - вектор угловой скорости прецессии, Н - вектор собственного кинетического момента гироскопа, М - ортогональная к Н составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу.
Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси и определяемый уравнением
М g = -М = Η x ω, (3)
называется гироскопическим моментом.
Кроме медленных прецессионных движений ось гироскопа может совершать быстрые колебания с малой амплитудой и высокой частотой - так называемые нутации. Для свободного гироскопа с динамически симметричным ротором в безынерционном подвесе частота нутационных колебаний определяется формулой
где А - момент инерции ротора относительно оси, ортогональной оси собственного вращения и проходящей через центр масс ротора. При наличии сил трения нутационные колебания обычно достаточно быстро затухают.
Погрешность гироскопа измеряется скоростью ухода его оси от первоначального положения. Согласно уравнению (2) величина ухода, называемого также дрейфом, пропорциональна моменту сил М относительно центра подвеса гироскопа:
ω ух = М/Н (4)
Уход ω ух обычно измеряется в угловых градусах в час. Из формулы (4) следует, что свободный гироскоп функционирует идеально лишь в том случае, если внешний момент М равен 0. При этом угловая скорость прецессии обращается в нуль и ось собственного вращения будет в точности совпадать с неизменным направлением в инерциальном пространстве.
Однако на практике любые средства, используемые для подвеса ротора гироскопа, являются причиной возникновения нежелательных внешних моментов неизвестной величины и направления. Формула (4) определяет пути повышения точности механического гироскопа: надо уменьшить «вредный» момент сил М и увеличить кинетический момент Н. При выборе угловой скорости гироскопа необходимо учитывать одно из главных ограничений, связанных с пределами прочности материала ротора из-за возникающих при вращении центробежных сил. При разгоне ротора выше так называемой допускаемой угловой скорости начинается процесс его разрушения.
Лучшие современные гироскопы имеют случайный уход порядка 10 -4 -10 -5 °/ч. Ось гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч совершает полный оборот на 360° за 4 тысячи лет! Точность балансировки гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч должна быть выше одной десятитысячной доли микрометра (10 -10 м), то есть смещение центра масс ротора из центра подвеса не должно превышать величину порядка диаметра атома водорода.
Гироскопические устройства можно разделить на силовые и измерительные. Силовые устройства служат для создания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироскопический прибор; измерительные предназначены для определения параметров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и тому подобное).
Впервые уравновешенный гироскоп нашёл практическое применение в 1898 году в приборе для стабилизации курса торпеды, изобретённом австрийским инженером Л. Обри. Аналогичные приборы в различных вариантах исполнения начали использовать в 1920-х годах на самолётах для указания курса (гироскоп направления, гирополукомпасы), а позднее для управления движением ракет. На рисунке 3 показан пример применения гироскопа с тремя степенями свободы в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создаётся и поддерживается струёй сжатого воздуха, направленной на рифлёную поверхность обода. По шкале азимута, прикреплённой к наружной рамке, можно, установив ось собственного вращения ротора параллельно плоскости основания прибора, ввести требуемое значение азимута. Трение в подшипниках незначительно, поэтому ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве. Пользуясь стрелкой, скреплённой с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолёта.
Гирогоризонт, или искусственный горизонт, позволяющий пилоту поддерживать свой самолёт в горизонтальном положении, когда естественный горизонт не виден, основан на использовании гироскопа с вертикальной осью вращения, сохраняющей своё направление при наклонах самолёта. В автопилотах применяются два гироскопа с горизонтальной и вертикальной осями вращения; первый служит для сохранения курса самолёта и управляет вертикальными рулями, второй - для сохранения горизонтального положения самолёта и управляет горизонтальными рулями.
С помощью гироскопа созданы автономные инерциальные навигационные системы (ИНС), предназначенные для определения координат, скорости и ориентации подвижного объекта (корабля, самолёта, космического аппарата и тому подобное) без использования какой-либо внешней информации. В состав ИНС кроме гироскопа входят акселерометры, предназначенные для измерения ускорения (перегрузки) объекта, а также компьютер, интегрирующий по времени выходные сигналы акселерометров и выдающий навигационную информацию с учётом показания гироскопа. К началу 21 века созданы настолько точные ИНС, что дальнейшего повышения точностей для решения многих задач уже не требуется.
Развитие гироскопической техники последних десятилетий сосредоточилось на поиске нетрадиционных областей применения гироскопических приборов - разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение координат железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многое другое.
Неклассические виды гироскопов. Высокие требования к точности и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов привели не только к дальнейшим усовершенствованиям классического гироскопа с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве. Этому способствовали успехи квантовой электроники, ядерной физики и других областей точных наук.
В гироскопе с воздушной опорой шариковые подшипники, используемые в традиционном кардановом подвесе, заменены «газовой подушкой» (газодинамической опорой). Это полностью устранило износ материала опор во время работы и позволило почти неограниченно увеличить время службы прибора. К недостаткам газовых опор относятся довольно большие потери энергии и возможность внезапного отказа при случайном контакте ротора с поверхностью опоры.
Поплавковый гироскоп представляет собой роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешиваются в жидкости с большой плотностью так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тысяч оборотов в минуту. Для повышения точности прибора необходимо использование системы термостабилизации. Поплавковый гироскоп с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.
Динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) принадлежит к классу гироскопа с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счёт упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В ДНГ, в отличие от классического гироскопа, используется так называемый внутренних карданов подвес (рис. 4), образованный внутренним кольцом 2, которое изнутри крепится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а снаружи - торсионами 3 к ротору 1. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В ДНГ за счёт подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам ДНГ относятся их миниатюрность, отсутствие подшипников со специфическими моментами трения, присутствующими в классическом кардановом подвесе, высокая стабильность показаний, относительно невысокая стоимость.
Рис. 4. Динамически настраиваемый гироскоп с внутренним кардановым подвесом: 1 - ротор; 2 - внутреннее кольцо; 3 и 4 - торсионы; 5 - электродвигатель.
Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. К достоинствам КЛГ относятся отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения, высокая точность.
Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) представляет собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. ВОГ является аналоговым преобразователем угловой скорости вращения основания, на котором он установлен, в выходной электрической сигнал.
Волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) основан на использовании инертных свойств упругих волн в твёрдом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде, не изменяя своей конфигурации. Если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора. К достоинствам ВТГ относятся: высокое отношение точность/цена; способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшая масса, низкая энергоёмкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.
Вибрационный гироскоп (ВГ) основан на свойстве камертона сохранять плоскость колебаний своих ножек. В ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодических момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы. К недостаткам ВГ относится нестабильность показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек, а также то, что они не работают в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Идея камертонного гироскопа стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих пьезоэлектрический эффект либо вибрацию жидкостей или газов в специально изогнутых трубках и тому подобное.
Микромеханический гироскоп (ММГ) относится к гироскопам низких точностей (ниже 10 -1 °/ч). Эта область традиционно считалась малоперспективной для задач управления движущимися объектами и навигации. Но в конце 20 века разработка ММГ стала одним из наиболее интенсивно разрабатываемых направлений гироскопической техники, тесно связанным с современными кремниевыми технологиями. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа камертона. Точность современных ММГ невелика и достигает 10 1 -10 2 °/ч, однако решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Благодаря использованию хорошо отработанных современных технологий массового производства микроэлектроники открывается возможность применения ММГ в совершенно новых областях: автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, мыши и джойстики персональных компьютеров, мобильные робототехнические устройства и даже детские игрушки.
Неконтактный гироскоп относится к гироскопическим устройствам сверхвысоких точностей (10 -6 -5·10 -4 °/ч). Разработка гироскопа с неконтактными подвесами началась в середине 20 века. В неконтактных подвесах реализуется состояние левитации, т. е. состояние, при котором ротор гироскопа «парит» в силовом поле подвеса без какого-либо механического контакта с окружающими телами. Среди неконтактных гироскопов выделяют гироскопы с электростатическим, магнитным и криогенным подвесами ротора. В электростатическом гироскопе проводящий бериллиевый сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемом системой электродов. В криогенном гироскопе сверхпроводящий ниобиевый сферический ротор подвешен в магнитном поле; рабочий объём гироскопа охлаждается до сверхнизких температур, так, чтобы ротор перешёл в сверхпроводящее состояние. Гироскоп с магниторезонансным подвесом ротора является аналогом гироскопа с электростатическим подвесом ротора, в котором электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор - ферритовым. Современные гироскопы с неконтактными подвесами - это сложнейшие приборы, которые вобрали в себя новейшие достижения техники.
Кроме перечисленных выше типов гироскопов проводились и проводятся работы над экзотическими типами гироскопа, такими, как ионный гироскоп, ядерный гироскоп и др.
Математические задачи в теории гироскопа. Математические основы теории гироскопа заложены Л. Эйлером в 1765 году в его работе «Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum». Движение классического гироскопа описывается системой дифференциальных уравнений 6-го порядка, решение которой стало одной из самых знаменитых математических задач. Эта задача относится к разделу теории вращательного движения твёрдого тела и является обобщением задач, решаемых до конца простыми средствами классического анализа. Однако при этом она настолько трудна, что ещё далека от завершения, несмотря на результаты, полученные крупнейшими математиками 18-20 века. Современные гироскопические приборы потребовали решения новых математических задач. Движение неконтактных гироскопов с высокой точностью подчиняется законам механики, поэтому, решая уравнения движения гироскопа с помощью компьютера, можно точно предсказывать положение оси гироскопа в пространстве. Благодаря этому разработчикам неконтактных гироскопов не приходится балансировать ротор с точностью 10 -10 м, которую невозможно достичь при современном уровне технологии. Достаточно точно измерять погрешности изготовления ротора данного гироскопа и вводить соответствующие поправки в программы обработки сигналов гироскопа. Получающиеся с учётом этих поправок уравнения движения гироскопа оказываются очень сложными, и для их решения приходится применять весьма мощные компьютеры, использующие алгоритмы, основанные на последних достижениях математики. Разработка программ расчёта движения гироскопа с неконтактными подвесами позволяет существенно повысить точность гироскопа, а следовательно, и точность определения местоположения объекта, на котором установлены эти гироскопы.
Лит.: Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. М., 1974; Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976; Климов Д. М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. М., 1978; Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теории гироскопов. М., 1983; Новиков Л. З., Шаталов М. Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М., 1985; Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М., 1985; Мартыненко Ю. Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М., 1988.
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
Наверное, в детстве маленький Леон Фуко, как любой пытливый ребенок, с восхищением и любопытством следил за вращением простейшего деревянного волчка. Его заинтересовало свойство стремительно вращающегося вокруг своей оси диска сохранять постоянным положение оси вращения в пространстве. Повзрослев и став уже известным ученым, французский ученый Жан Бернар Леон Фуко использовал эту способность крутящегося диска, чтобы доказать факт суточного вращения Земли. Эксперимент был проведен в 1852 году. Л. Фуко дал сконструированному прибору с тремя свободы название гироскоп. В переводе с греческого языка это означает: «наблюдать вращение».
Что такое гироскоп
Гироскопом (жироскопом) называется любое твердое физическое тело, быстро вращающееся вокруг своей оси симметрии и, благодаря этому, сохраняющее устойчивость направления этой оси – оси гироскопа. Примерами гироскопа являются планеты , артиллерийские снаряды и пули, пущенные из нарезных стволов, роторы в электрических машинах и турбинах. Эти свойства стремительно вращающегося диска в карданном шарнире сегодня широко используются в авиационной и морской навигации в качестве прибора для определения (гирокомпас) и стабилизирующих устройств.
Из истории мореплавания
Древние мореплаватели, хоть и были людьми отважными, но совершали свои в основном вдоль родных побережий, стараясь не удаляться за пределы видимости. Плавания без риска заблудиться в безбрежном океане стали возможны лишь с началом широкого использования магнитного компаса. Произошло это для Европы в X-XI веках. Утверждают, что китайцы использовали намагниченную стрелку для определения сторон горизонта еще за 3000 лет до нашей эры. Появление на корабле нактоуза с плавающей в жидкости картушкой, всегда сориентированной на север, расширило возможности мореплавания, позволило совершать трансокеанические переходы. Однако показания магнитного компаса требуют постоянной корректировки и введения поправок на магнитное и девиацию.
Гиромагнитный компас (гирокомпас)
Гиромагнитный – это прибор, главным механизмом которого является гироскоп. С его помощью определяют курс самолета или морского судна относительно истинного – географического меридиана. Преимущества гирокомпаса перед магнитным собратом состоят в том, что на его показания в гораздо меньшей степени влияют электромагнитные поля, окружающий корпусной и перемещаемый металл. К тому же гирокомпас отличает высокая точность в условиях маневрирования.
Функциональные возможности современных мобильных телефонов давно вышли за рамки совершения звонков и обмена текстовыми сообщениями SMS. Смартфон сегодня это универсальный гаджет, начиненный всевозможными сенсорами. Имеются во многих моделях и специфические датчики, с помощью которых телефон может определять свое положение в пространстве. Примером таких чувствительных устройств являются гироскоп и акселерометр.
Что такое гироскоп и для чего он нужен, принцип работы
Начнем с того, что гироскоп – это механическое или электромеханическое устройство, способное определять собственный угол наклона относительно земной поверхности. Если сравнивать его с другими подобными устройствами, изобретен он был относительно поздно, а именно в 1817 году. Основной элемент конструкции гироскопа представляет собой вращающийся вокруг вертикальной оси ротор-волчок, причем его ось может изменять положение в пространстве, а скорость вращения волчка значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Благодаря этому волчок всегда сохраняет свое положение независимо от действующих на него извне сил, в чём и заключается весь принцип работы гироскопа.
Первоначально это нехитрое устройство использовалось в качестве учебного пособия. Практическое применение ему нашли только спустя 60 лет, когда инженер Обри додумался устанавливать его в торпеды для стабилизации их курса. Сегодня это полезное изобретение, будучи многократно усовершенствованным, широко применяется в самых разных механизмах. Для точного определения положения в пространстве гироскопы используются в морских судах, самолетах, космических аппаратах, ракетах, симуляторах, радиоуправляемых устройствах вроде квадрокоптеров и, конечно же, в смартфонах.
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.
Как проверить наличие гироскопа в телефоне
Мы уже знаем, для чего нужен гироскоп в смартфоне, но как проверить его наличие на том или ином мобильном устройстве. Гироскоп используется всеми приложениями, регистрирующими наклон устройства – навигационными и строительными программами, 3D-играми, средствами просмотра 3D-панорамного контента, поворачивающим экран встроенным ПО и так далее. Но поддержка этих функций еще не означает, что указанный датчик в телефоне есть, ведь выше мы уже отмечали, что отчасти его может заменить акселерометр.
Если вы хотите узнать, интегрирован ли гироскоп в гаджет или нет, зайдите на официальный сайт производителя устройства, найдите там вашу модель и изучите ее технические характеристики. Есть и более быстрый способ получить нужную информацию. Установите на смартфон бесплатное приложение-бенчмарк AnTuTu Bеnchmаrk , в разделе «Мое устройство» оно выводит список всех датчиков, среди которых будут данные и о гироскопе. Если напротив пункта «Гироскоп» вместо его названия указано «Не поддерживается», значит, датчик на устройстве отсутствует.
В качестве альтернативы можно воспользоваться другим приложением – Sеnsor Sеnse. В отличие от AnTuTu Bеnchmаrk, кроме списка датчиков оно еще выводит все их показания. Ставим программу и смотрим, есть ли в списке гироскоп. Если нет, то нет его и на устройстве.
Стоит также обратить внимание еще на один замечательный программный инструмент – AIDA64 , предоставляющий полный набор сведений о конфигурации устройства. Какие сенсоры есть на борту можно просмотреть на вкладке «Датчики». Если в списке будет значиться гироскоп, можно быть уверенным, что в телефоне он установлен.
Включение/отключение и калибровка гироскопа на Андроиде
Как правило, гироскоп в телефонах является самостоятельным датчиком, с программными настройками никак не связанным. Гироскоп либо есть, и он всегда включен, либо его нет, но тогда и ни о каком включении/отключении датчика не может быть и речи. Правда, пользователи часто спрашивают, как включить гироскоп на Андроиде, но этот вопрос исходит из недопонимания принципа его взаимодействия с программной частью устройства. Можно включить и отключить функции акселерометра, например, автоповорот экрана, но это опять же никак напрямую не связано с гироскопом.
То же самое касается калибровки гироскопа, отрегулировать программно можно лишь акселерометр. Встроенными средствами самой ОС это сделать вряд ли получится, для этих целей нужно использовать специальные утилиты вроде Accelerometer Calibration Free. Тут всё очень просто – мобильное устройство укладывается на ровную поверхность, а когда показывающий равновесие красный шарик окажется ровно в центре «прицела», нажимается кнопка «Calibrate».
В общем, если в сети вам попадется информация на тему как откалибровать гироскоп на Андроид, знайте, что речь идет о настройке акселерометра.
Как часто вы задаётесь вопросом, из чего состоят те устройства, которые помогают вам справляться с повседневными делами, служат окном в мир социальных сетей и забавных видео на YouTube, являются вашими постоянными спутниками и верными помощниками? Да-да, речь именно о смартфонах, планшетах и прочих гаджетах, которые прочно вошли в наши жизни. А ведь если вдуматься, то об их внутреннем устройстве большинство пользователей даже не подозревают. Будем это исправлять, рассказывая понемногу о тех модулях, из которых и состоят наши девайсы. И сегодня мы поговорим о том, что такое гироскоп в , смартфоне или ноутбуке.
Взгляд в прошлое
Для начала немного истории. Принцип действия гироскопа впервые был предложен в 1817 году немецким астрономом и математиком Иоанном Боненбергером, который назвал его «ротационной машиной» и использовал для наглядной демонстрации принципов, согласно которым Земля вращается вокруг своей оси. Позже, в 1852 году, конструкция была усовершенствована французским учёным Жаном Фуко, который и продемонстрировал её впервые под именем «гироскоп». Своё практическое применение гироскоп впервые нашёл в 1880-х как часть стабилизационной системы наведения торпед.
Так что же это такое? Не будем пытаться описывать устройство первых гироскопов, сейчас их существует много разновидностей - от механических до лазерных. Скажем только, что это датчик, который определяет положение объекта в пространстве, и не только положение, но и скорость его изменения. Сейчас многие, вероятно, подумают, что речь идёт об акселерометре. На самом деле нет, это разные приборы, хотя они часто и эксплуатируются в паре. Акселерометр фактически, если отвлечься от скучных научных определений, измеряет угол поворота объекта относительно плоскости планеты. Гироскоп же намного точнее, и утилизация их в паре даёт гораздо более точное определение положения объекта в пространстве.
Как это используется и зачем оно нужно в моих гаджетах?
Используется гироскоп очень по-разному. Здесь, наверное, целесообразно ещё раз оглянуться назад - дело в том, что гироскопы начали применяться в электронных устройствах достаточно давно, задолго до первых смартфонов и планшетов. Изначально они устанавливались в ноутбуки бизнес-класса или защищённые промышленные модели. В общем, туда, где сохранность устройства или , критически важна. Благодаря своей возможности определять скорость изменения положения гаджета в пространстве, гироскоп успевал в случае, например, падения ноутбука отдать команду электронике, чтоб та запарковала считывающие головки чувствительного к встряскам жёсткого диска. Таким образом, сохранялась работоспособность девайса и находящихся на нём данных.
В мобильных же устройствах (смартфонах, планшетах) жёсткие диски применялись крайне редко, здесь отдавали предпочтение флеш-памяти, которая переносит такие потрясения лучше. Поэтому на первых порах в мобильных гаджетах использовали уже упоминавшийся акселерометр. В самом деле, зачем ставить более дорогой модуль там, где можно получить необходимые функции более ? Этот подход применялся в силу сложившихся сценариев утилизации устройств - акселерометр в основном отвечал за поворот экрана при смене ориентации гаджета в пространстве. Так продолжалось до момента, когда всем известная компания из Купертино (речь, конечно, об Apple) не представила свой очередной смартфон. На презентации iPhone 4 Стив Джобс сделал особый акцент на том, что в новом смартфоне компании установлен именно гироскоп.
Сейчас, вероятно, проще перечислять гаджеты без этого очень полезного датчика (и в основном это будут разные бюджетные модели), чем те, в которых он занимает своё почётное место.
Гироскоп нашёл своё применение во многих сценариях использования мобильных девайсов:
- Начнём с самого очевидного - мобильный гейминг с приходом гироскопа получил абсолютно новый уровень пользовательского опыта. Согласитесь, намного приятнее , используя планшет в качестве руля. А ведь именно благодаря гироскопу гаджет так точно отзывается на малейшие движения ваших рук, давая ощущения полного контроля над машиной. То же можно сказать про всевозможные авиасимуляторы и про другие игры, где управление построено не на привычных «тапах» по экрану, а на использовании поворота или встряхивания устройства.
- Взаимодействие с программным обеспечением. Гироскоп позволяет настолько точно измерять положение вашего планшета или смартфона в пространстве, что, установив специальное ПО, можно использовать его как строительный уровень или отвес, или измерять угол наклона объектов. Во многих приложениях стали внедрять управление поворотом гаджета или встряхиванием, пионерами здесь были Apple с тем самым iPhone 4, в котором встряхиванием устройства можно было управлять . Ещё один очевидный пример - калькулятор. Всем привычно, что при смене ориентации девайса на альбомную он становится инженерным. Догадываетесь, какой модуль за это отвечает?
- В навигационных системах самолётов и иного транспорта гироскопы применяются уже давно. Нынче это обычное дело и в мобильном помощнике - когда вы поворачиваете за угол, карта на дисплее вашего планшета также разворачивается, чтоб вы всегда видели перед собой правильное направление пути.
Можно придумать ещё много сценариев использования гироскопа, это лишь самые очевидные, те, которые мы эксплуатируем каждый день, не задумываясь, что именно помогает нам совершать все эти полезные действия.
Что делать, если гироскоп не работает
Конечно, иногда бывает и такое, что датчик не работает или работает, но не очень корректно. В данном случае советуем произвести калибровку гироскопа - это часто можно сделать при помощи встроенных возможностей девайса, если нет, то в магазинах приложений найдётся много утилит, призванных помочь вам в этом. Возможно, что вы и сами просто отключили модуль - распространённая ситуация, когда хочется почитать, лёжа в кровати, а текст упорно разворачивается в альбомную ориентацию. Согласитесь, неудобно. Потому многие и отключают модуль, и, как это часто бывает, потом забывают включить его снова. Но если и модуль включен, и калибровка не помогла - что ж, самое время посетить сервисный центр.
