Žiroskop je uređaj koji se koristi za navigaciju i merenje ugaone brzine. Postoje žiroskopi koji mogu da mere ugaonu brzinu u jednom, dva ili tri pravca. Troosni žiroskopi su uglavnom implementirani sa troosnim akcelerometrom, kako bi se obezbedilo praćenje kretanja sistema sa šest stepeni slobode. Žiroskopi su vremenom evoluirali od mehaničko-inercijalnih obrtnih uređaja, koji su se sastojali iz rotora i osovina, do različitih oblika elektronskih i optičkih uređaja.
Svaki od njih koristi neko fizičko svojstvo sistema koje mu omogućava detekciju ugaonog kretanaj oko neke ose. Postoje tri osnovna tipa žiroskopa:
Slika 2. Žiroskop sa obeleženim osama
- Rotacioni (klasični) žiroskop
- Vibrirajući žiroskop
- Optički žiroskop
Rotacioni žiroskop
Klasični rotacioni žiroskop koristi zakon o održanju ugaonog momenta koji, prosto rečeno, kaže da je ukupni ugaoni moment sistema konstantan dok ga ne promeni spoljašnja sila. Ovi žiroskopi se uglavnom sastoje od rotirajućeg diska – rotora (ili mase, vezane za osovinu) koji je postavljen na niz kardanovih prstena (eng. gimbal). Svaki prsten daje disku jedan dodatni stepen slobode (slika 1). Kardanovi prstenovi omogućavaju rotoru rotaciju bez potrebe delovanja spoljašnjeg obrtnog momenta na žiroskop. Tako, sve dok žiroskop rotira, održavaće konstantu orijentaciju. Kada je prisutan spoljašnji moment rotacije oko date ose, orijentacija može biti ostvarena, a merenje ugaone brzine može biti izvršeno zbog fenomena precesije.
Slika 1. Princip rada rotacionog žiroskopa
Precesija “javlja” kada na neki objekat, koji se rotira oko neke ose (ose rotacije), deluje spoljašnji moment u pravcu koji je pod pravim uglom u odnosu na osu rotacije. Pravac delovanja spoljašnjeg momenta nazivamo ulaznom osom. U rotacionom sistemu, kada je spoljašnji moment prisutan, vektor ugaonog momenta (koji je usmeren duž ose rotacije) će se pomeriti u smeru delovanja vektora momenta. Kao rezultat delovanja momenta, osa rotacije rotira oko ose, koja je pod pravim uglom u odnosu na ulaznu osu i osu rotacije. Ovu osu nazivamo izlaznom osom. Na slici 2 prikazan je žiroskop sa obeleženim osama.
Slika 2. Žiroskop sa obeleženim osama Ova rotacija oko izlazne ose se sada “oseća” i prosleđuje na ulaznu osu gde motor ili sličan uređaj proizvodi moment u suprotnom smeru, poništavajući precesiju žiroskopa i na taj način održava njegovu orijentaciju. Ovo poništavanje može takođe biti ostvareno sa dva žiroskopa orijentisana pod pravim uglom.
Kako bismo izmerili brzinu rotacije, ublaženi obrtni moment pulsira u određenim vremenskim intervalima. Svaki impuls predstavlja fiksnu ugaonu rotaciju, a broj impulsa u određenom vremenskom intervalu proporcionalan je promeni ugla tokom vremena što predstavlja ugaonu brzinu.
Danas, rotacioni žiroskopi se uglavnom koriste u aplikacijama stabilizacije. Prisustvo pokretnih delova predstavlja manu ovih žiroskopa jer dolazi do habanja pokretnih delova. Drugi nedostatak ovih žiroskopa je njihova veličina. Ovi žiroskopi danas nalaze primenu u vojnim i pomorskim aplikacijama, gde dimenzije samog žiroskopa nisu od velikog značaja.
Vibrirajući žiroskopi
Vibrirajući žiroskopi su MEMS uređaji koji su komercijalno lako dostupni, pristupačni i veoma malih dimenzija. Osnova za razumevanje rada vibrirajućih žiroskopa je razumevanje Koriolisove sile. Ako posmatramo osu rotacije sistema, brzina rotacije ostaje ista, međutim brzina u pravcu koji je pod pravim uglom u odnosu na osu rotacije opada (slika 3). Stoga, da bi putovali (po rotirajućem sistemu) po pravoj liniji ka ili od ose rotacije, bočna brzina mora biti povećana ili smanjena kako bi se održala ista relativna ugaona pozicija na telu. Ovo povećanje ili smanjenje brzine predstavlja Koriolisovo ubrzanje, a sila koja izaziva ovo ubrzanje naziva se Koriolisova sila. Koriolisova sila je proporcionalna ugaonoj brzini rotirajućeg objekta i brzni objekta koji se kreće pravolinijski u odnosu na osu rotacije.
Slika 3. Koriolisovo ubrzanje
Vibrirajući žiroskopi se sastoje od mikro objekta, određene mase (slika 4), koji je povezan sa unutrašnjim kućištem pomoću niza opruga. Unutrašnje kućište je povezano sa spoljašnjim kućištem preko drugog seta ortogonalnih opruga.
Slika 4. Šematski prikaz vibrirajućeg žiroskopa
Objekat se stalno kreće po sinusoidi duž prvog seta opruga. Bilo kakva rotacija sistema će izazvati Koriolisovo ubrzanje objekta, gurajući ga u pravcu drugog seta opruga. Usled delovanja opruga objekat će i u ovom pravcu početi da se kreće po sinusnom zakonu (u jednu, pa u drugu stranu, slika 5).
Slika 5. Kretanje objekta pri rotaciji sistema
Koriolisova sila se detektuje kao kapacitivnost koja se javlja između unutrašnjeg i spoljašnjeg kućišta, na tzv. prstima. Prsti su tako potavljeni, da se može detektovati i amplituda i pravac delovanja ugaone brzine sistema.
Optički žiroskopi
Optički žiroskopi su otkriveni ubrzo nakon otkrića laserske tehnologije. Prednost ovih žiroskopa je nepostojanje pokretnih delova, pa stoga nisu podložni mehaničkim oštećenjima. Optički žiroskopi se razlikuju od ostalih tipova jer se ne oslanjaju na konzervaciju ugaonog momenta. Umesto toga, njihova funkcionalnost zavisi samo od konstantnosti brzine svetlosti.
Optički žiroskopi rade po principu Sanjakovog efekta. Ovaj princip je najlakše razumeti na primeru kruga. Izvor svetlosti je pozicioniran na krug, emitujući dva snopa svetlosti na obe strane (slika 6). Ako izvor svetlosti ostane nepokretan, onda je za oba snopa svetlosti potreban isti period kako bi snop stigao do izvora. Međutim, ako se krug zarotira za neki ugao, snopu svetlosti koja se kreće u pravcu rotacije, trebaće više vremena da stigne do izvora.
Slika 6. Sanjakov efekat
Ovaj princip može biti generalizovan na petlju bilo kog objekta. Razlika između perioda putovanja svetlosnih snopova je direktno proporcionalna ostvarenom uglu, a ako se i vreme uzme u obzir, dolazimo do ugaone brzine.
Često se optički žiroskopi sastoje od tri međusobno ortogonalna žiroskopa, kako bi se dobile informacije o rotaciji oko sve tri upravne ose. Kao i rotacioni žiroskopi, i optički žiroskopi su velikih dimenzija, tako da se najčešće koriste u pomorskim i aplikacijama u avionima.
Osnovne karakteristike žiroskopa
Sve žiroskope karakterišu sledeće karakteristike:
- Merni opseg je parametar koji govori kolika je maksimalna ugaona brzina koju senzor može da izmeri, najčešće prikazana u °/sec
- Broj osa žiroskopa govori o tome u koliko pravaca žiroskop može da meri ugaonu brzinu. Višeosni žiroskopi su napravljeni od više (dva ili tri) jednoosna žiroskopa, postavljenih ortogonalno. Vibrirajući žiroskopi su najčešće jednoosni ili dvoosni, dok su rotacioni i optički najčešće troosni.
- Nelinearnost je mera koja pokazuje koliko blizu linearnog je izlazni napon proporcionalan stvarnoj ugaonoj brzini. Izražava se u procentima greške pune linearne skale.
- Temperaturni opseg predstavlja podatak koji govori o minimalnoj i maksimalnoj temperaturi pri kojima će žiroskop ispravno funkcionisati.
- Frekvencija očitavanja nam govori o tome koliko često se može vršiti očitavanje signala sa žiroskopa.
