Кіріспе
Діріл негізіндегі арзан гироскоп
Дірілдемелі құрылымды гироскоп (VSG), IEEE анықтамасы бойынша Кориолис дірілдік гироскопы (CVG) – айналу жылдамдығын анықтау үшін дірілдемелі құрылымды пайдаланатын гироскоп. Дірілдемелі құрылымды гироскоптың жұмыс принципі шыбындардың (Diptera тобына жататын жәндіктердің) гальтерлеріне ұқсас. Негізгі физикалық принцип – дірілдеп тұрған объект, тірегі айналған жағдайда да, сол жазықтықта дірілдеуін жалғастыруға бейім. Кориолис эффектісі объектінің тірегіне күш түсіруіне себеп болады, ал осы күшті өлшеу арқылы айналу жылдамдығын анықтауға болады. Дірілдемелі құрылымды гироскоптар, ұқсас дәлдіктегі дәстүрлі айналмалы гироскоптарға қарағанда қарапайым және арзан. Микроэлектромеханикалық жүйелер (МЭМС) технологиясымен жасалған арзан дірілдемелі құрылымды гироскоптар смартфондарда, ойын құрылғыларында, камераларда және көптеген басқа да қолданыстарда кеңінен қолданылады.
Цилиндрлі резонаторлы гироскоп (CRG)
Гироскоптың бұл түрін GEC Marconi және Ferranti компаниялары 1980-ші жылдары піезоэлектр элементтері бар металл қорытпаларын және бір бөліктен тұратын піезокерамикалық конструкцияны пайдаланып жасады. Кейіннен, 1990-шы жылдары, магнетоэлектрлік қоздыру және оқу жүйесі бар CRG-лерді американдық Inertial Engineering, Inc. компаниясы Калифорния штатында, ал піезокерамикалық түрлерін Watson Industries компаниясы өндірді. Innalabs компаниясының жақында патенттеген түрінде Elinvar типті қорытпадан жасалған цилиндрлі резонатор қолданылады, оның төменгі жағында қоздыру және сигналды алу үшін піезокерамикалық элементтер орналасқан. Бұл жаңа технология өнімнің қызмет мерзімін едәуір ұзартты (MTBF > 500,000 сағат); соққыға төзімділігі (>300G) арқасында, ол "тактикалық" (орташа дәлдікті) қолдануларға сай келеді. Резонатор екінші реттік резонанстық режимде жұмыс істейді. Q факторы әдетте 20,000-ға жуық, бұл оның шу деңгейін және бұрыштық кездейсоқ қозғалысын анықтайды. Тұрақты толқындар – төрт антинодты және шеті бойынша шеңбер бойымен орналасқан төрт түйінді эллипстік пішінді тербелістер. Екі іргелес антинод пен түйін арасындағы бұрыш 45 градусқа тең. Эллипстік резонанстық режимдердің бірі белгілі бір амплитудаға дейін қоздырылады. Құрылғы сезімтал осі (ішкі тірегі бойымен) айналғанда, резонатордың дірілдемелі массалық элементтеріне әсер ететін Кориолис күштері екінші резонанстық режимді қоздырады. Екі режимнің басты осьтері арасындағы бұрыш та 45 градусқа тең. Жабық цикл екінші резонанстық режимді нөлге дейін төмендетіп, осы режимді нөлдеуге қажетті күш кіріс айналу жылдамдығына пропорционалды болады. Бұл басқару циклы күшті қайта теңгерімдеу режимі деп аталады. Резонатордағы піезоэлектр элементтері күштерді тудырады және осы күштердің нәтижесіндегі қозғалыстарды сезеді. Бұл электромеханикалық жүйе жоғары талаптарға жауап беретін қолданулар үшін қажетті төмен шығыс шуын және кең динамикалық диапазонды қамтамасыз етеді, бірақ күшті акустикалық шулар мен жоғары жүктемелерге ұшырайды.
Пиезоэлектрлік гироскоптар
Пьезоэлектрлік материалды дірілдетуге болады, ал Кориолис күшінен туындаған бүйірлеме қозғалысты өлшеу арқылы айналу жылдамдығына қатысты сигнал алуға болады.
Гирроскопты токарьмен
Гироскоптың бұл түрі резонансқа келтірілген екі сынақ массасын қолданады. Олардың тербеліс жазықтығынан ығысуы жүйенің айналу жылдамдығына пропорционал сигналды жасау үшін өлшенеді. Фредерик Уильям Мередит 1942 жылы Корольдік әуе кемесі институтында жұмыс істеген кезде мұндай құрылғыға патент алды. 1958 жылы Г. Хант пен А. Э. В. Хоббс RAE институтында оны одан әрі жетілдірді, олар 1°/сағ немесе (2,78)°/с-ден кем ауытқуды көрсетті. Қазіргі заманғы тактикалық гироскоптардың түрлері Калифорниядағы американдық Systron Donner және француздық Safran Electronics & Defense / Safran Group компаниялары сияқты екі рет дөңгелектелген камертондарды пайдаланады.
Шарап шынысының резонаторы
Сондай-ақ жарты шарлық резонатор гироскопы немесе HRG деп аталатын шарап шынысының резонаторы, қалың сабағымен бекітілген жұқа қатты күйдегі жарты шарды пайдаланады. Жарым шар және оның сабағы иілгіштік резонансына келтіріледі, ал айналуды анықтау үшін түйіндік нүктелер өлшенеді. Мұндай жүйенің екі негізгі түрі бар: бірі жылдамдық режиміне негізделген ("тепе-теңдікті қалпына келтіру режимі") және біріктіру режиміне негізделген ("толық бұрыш режимі") тағы бір түрі. Әдетте, соңғысы басқарылатын параметрлік қоздырумен бірге қолданылады. Екі режимді де бір аппараттық құралмен пайдалануға болады, бұл осы гироскоптарға тән ерекшелік. Жоғары тазалықтағы кварц шынысынан жасалған бір бөліктен тұратын конструкция үшін (яғни жарты шар тәрізді ыдыс пен сабағы монолитті бөлік құрайды), вакуумде 30-50 миллионнан астам Q коэффициентіне қол жеткізуге болады, сондықтан сәйкес келетін кездейсоқ жүріс өте төмен. Q коэффициенті алтын немесе платинаның өте жұқа қабатымен және бекіткіштердегі жоғалтулармен шектеледі. Мұндай резонаторларды шынының иондық сәулемен микроэрозиясы арқылы немесе лазерлік абляция арқылы нақты реттеу қажет. Бірнеше елдегі инженерлер мен зерттеушілер осы күрделі, соңғы үлгідегі технологияларды одан әрі жетілдіруде жұмыс істеп жатыр. Safran және Northrop Grumman HRG-нің негізгі өндірушілері болып табылады.
Дилді дөңгелекті гироскоп
Дөңгелек өзінің осінің айналымының бір бөлігіне келтіріледі. Дөңгелектің бұрылуы өлшеніп, айналу жылдамдығымен байланысты сигнал жасалады.
MEMS гироскоптары
Арзан дірілдемелі құрылымды микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS) гироскоптары кеңінен қолжетімді болды. Олар басқа интегралды схемалар сияқты жинақталады және аналогты немесе цифрлық шығыстарды ұсынуы мүмкін. Көп жағдайда бір құрылғыда бірнеше ось үшін гироскопиялық сенсорлар болады. Кейбір құрылғылар алты толық еркіндік дәрежесін қамтитын шығыс алу үшін бірнеше гироскоптар мен акселерометрлерді (немесе көп осьті гироскоптар мен акселерометрлерді) қамтиды. Бұл құрылғылар инерциялық өлшем бірліктері немесе ИМБ деп аталады. Panasonic, Robert Bosch GmbH, InvenSense, Seiko Epson, Sensonor, Hanking Electronics, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor және Analog Devices – ірі өндірушілер. Ішкі жағынан MEMS гироскоптары жоғарыда сипатталған механизмдердің (тюнинг-форктар, дірілдейтін дөңгелектер немесе әртүрлі конструкциядағы резонанстық қатты денелер, яғни жоғарыда аталған TFG, CRG немесе HRG сияқты) микролитографиялық әдіспен жасалған нұсқаларын пайдаланады. MEMS гироскоптары автомобильдегі аударылудың алдын алу және қауіпсіздік жастықшалары жүйелерінде, бейне тұрақтандыруда және көптеген басқа да мүмкін қолдануларда қолданылады.
Автомобильдік
Автомобильдік ығысу сенсорлары дірілдейтін құрылымды гироскоптар негізінде құрастырылуы мүмкін. Олар электронды тұрақтылықты басқару жүйесіне кіріс ретінде қосылғанда, рульдік сенсормен бірге, болжамдалған жауаппен салыстырғанда, ығылу кезіндегі қате күйлерді анықтау үшін қолданылады. Күрделі жүйелер екінші VSG арқылы аударылуды анықтау мүмкіндігіне ие болуы мүмкін, бірақ осы мақсатта қолданыстағы көлденең сенсорға бойлық және тік үдеу сенсорларын қосу арзан.
Ойын-сауық
Nintendo Game Boy Advance ойыны WarioWare: Twisted! айналу қозғалысын анықтау үшін пьезоэлектрлік гироскопты пайдаланады. Sony SIXAXIS PS3 контроллері алтыншы осьті (yaw) өлшеу үшін бір MEMS гироскобын қолданады. Nintendo Wii MotionPlus аксессуары Wii Remote құрылғысының қозғалысты сезу қабілетін күшейту үшін InvenSense компаниясымен ұсынылған көп осьті MEMS гироскоптарын пайдаланады. Көптеген қазіргі заманғы смартфондар мен ойын құрылғылары да MEMS гироскоптарымен жабдықталған.
Әуесқойлықтары
Ділділік құрылымды гироскоптар радиобақыланатын тікұшақтарда тікұшақтың құйрық роторын басқаруға, ал радиобақыланатын ұшақтарда ұшу кезінде тұрақты күйін сақтауға көмектесу үшін кеңінен қолданылады. Олар көп роторлы ұшу контроллерлерінде де қолданылады, себебі көп роторлы аппараттар аэродинамикалық тұрақсыздыққа бейім және электрондық тұрақтандырусыз ұшуға қабілетсіз.
Өнеркәсіптік робот техникасы
Epson Robots роботтарындағы дірілдерді анықтау және басқару үшін QMEMS деп аталатын кварцты MEMS гироскопын қолданады. Бұл роботтарға жоғары жылдамдық пен күшті тоқтату кезінде роботтың ұшын жоғары дәлдікпен орналастыруға көмектеседі.
Фотография
Көптеген бейне және фотокамералардағы кескін тұрақтандыру жүйелері дірілдейтін құрылымды гироскоптарды пайдаланады.
Ғарыш кемесі бағытын анықтау
Дірілдейтін құрылымдық гироскоптарды Кассини-Хюйгенс сияқты ғарыш кемелерін позициялау үшін тербелісті тудыруға және басқаруға болады. Бұл кішкентай жарты шар тәрізді резонаторлық гироскоптар кварц шынынан жасалған және вакуумде жұмыс істейді. Сонымен қатар, жоғары тазалықтағы монокристалды сапфирден жасалған, серпімді түрде бөлінген цилиндрлі резонаторлық гироскоптардың (CRG) прототиптері де бар. Жоғары тазалықтағы лейко сапфирі HRG үшін қолданылатын кварц шынына қарағанда Q факторымен жоғарырақ, бірақ бұл материал қатты және анизотропты қасиеттеріне ие. Олар ғарыш кемесінің 3 осьті позициясын дәл анықтайды және жылдар бойында өте сенімді, себебі оларда жылғалы бөліктер жоқ.
Басқа
Segway Human Transporter оператор платформасын тұрақтандыру үшін Silicon Sensing Systems компаниясы жасаған дірілдейтін құрылымдық гироскопты пайдаланады.