21 августа 2023

Гироскопы и акселерометры играют важную роль в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), помогая им ориентироваться в пространстве и выполнять различные задачи автономного полета. Давайте рассмотрим, как работают эти датчики и какие функции они выполняют в БПЛА:

Гироскопы:

- Определение угловой скорости: Гироскопы измеряют угловую скорость вращения БПЛА вокруг его осей. Эти данные необходимы для стабилизации аппарата во время полета и поддержания заданной ориентации.

- Стабилизация полета: Гироскопы помогают поддерживать стабильность и управляемость БПЛА, предотвращая его нежелательное вращение или крен.

- Определение угловой ориентации: путем интеграции данных о угловых скоростях гироскопы позволяют определять текущую ориентацию аппарата в пространстве, что необходимо для точного навигационного контроля.

Акселерометры:

- Измерение ускорения: Акселерометры измеряют линейное ускорение БПЛА вдоль его осей. Они позволяют определить изменение скорости и ускорение, которое может возникать при маневрировании, турбулентности или других воздушных условиях.

- Навигация и автопилот: Информация, полученная от акселерометров, используется для навигации, автоматической стабилизации полета и выполнения заданных маршрутов. Это позволяет БПЛА точно следовать заданному пути и принимать корректирующие меры при возникновении внешних воздушных воздействий.

- Оценка высоты и скорости: Акселерометры также могут использоваться для определения высоты полета и вертикальной скорости аппарата.

Важно отметить, что гироскопы и акселерометры обычно используются в комбинации с другими датчиками, такими как GPS, компасы и барометры, для более точной навигации и контроля в различных ситуациях. БПЛА снимает данные с этих датчиков и использует их для принятия решений в режиме реального времени, обеспечивая безопасный и эффективный полет.

Гироскопы являются важными датчиками, используемыми в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) для измерения угловой скорости и ориентации.

Основные типы гироскопов в БПЛА:

Механические гироскопы - используют вращающийся маховик для измерения угловой скорости относительно оси вращения. Простые и надёжные, но больших размеров.

Механические гироскопы имеют давнюю историю и простое устройство.

Основные вехи создания механических гироскопов:

- 1817 год - первый гироскоп создан немецким изобретателем Иоганном Боном. Представлял собой вращающийся маховик в кардановом подвесе.

- 1852 год - французский физик Леон Фуко создал первый прибор — гироскопический компас на основе гироскопа.

- Начало XX века - широкое распространение гироскопов в судостроении, авиации, космонавтике.

Принцип работы механического гироскопа основан на законе сохранения момента импульса. Он состоит из следующих частей:

- Вращающийся маховик (ротор), который придает гироскопу инерциальные свойства.

- Карданов подвес rotorа, обеспечивающий возможность переориентации оси вращения.

- Корпус прибора.

- Датчики отклонения оси вращения относительно корпуса.

Механические гироскопы просты и надёжны, но имеют большие размеры и вес. В современных системах их вытесняют микромеханические гироскопы.

Микромеханические (MEMS) гироскопы - миниатюрные кремниевые чипы с подвижными микроэлементами. Измеряют угловую скорость по смещению элементов.

Микромеханические гироскопы (MEMS) появились относительно недавно и имеют компактное интегральное исполнение.

Основные вехи создания MEMS гироскопов:

- 1960-е годы - появление первых микроэлектромеханических систем (MEMS).

- 1970-е годы - разработка микромеханических гироскопов в Стэнфордском университете.

- 1990-е годы - компаниями Analog Devices и Bosch начат массовый выпуск MEMS гироскопов.

- 2000-е годы - широкое распространение MEMS гироскопов в потребительской электронике.

Принцип работы MEMS гироскопа:

- На кремниевом чипе формируется подвижная микромеханическая структура - тонкая балка, пластина, кольцо.

- Структура приводится в колебательные движения с помощью электростатических сил.

- При вращении чипа возникает сила Кориолиса, отклоняющая структуру.

- Отклонение регистрируется ёмкостным или пьезорезистивным методом.

MEMS гироскопы малы, дешёвы, потребляют мало энергии, но уступают по точности механическим.

Волоконно-оптические гироскопы - используют интерферометр Саньяка на основе оптоволокна для измерения угловых скоростей. Высокая точность, но высокая стоимость.

Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) появились в 1970-х годах и используют оптоволокно для измерения угловых скоростей.

Основные вехи создания ВОГ:

- 1963 год - французский физик Жорж Саньяк предложил оптоволоконный гироскоп.

- 1970 год - американская компания Sperry разработала первый ВОГ.

- 1975 год - в СССР создан первый отечественный ВОГ в ЦНИИ "Электроприбор".

- 1980-90е годы - активное совершенствование ВОГ, рост точности.

Принцип работы волоконно-оптического гироскопа:

- Источник света посылает два луча в оптоволокно по и против часовой стрелки.

- При вращении происходит эффект Саньяка – сдвиг фаз между лучами.

- Этот сдвиг фиксируется фотоприёмником на выходе и преобразуется в значение угловой скорости.

- ВОГ имеют закрытую конструкцию и пассивное волокно.

ВОГ обладают высокой точностью, надёжностью, устойчивы к перегрузкам, но дороги в производстве.

Кольцевые лазерные гироскопы - основаны на эффекте Саньяка-Бонна. Используются в высокоточных БПЛА.

Кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ) появились в 1970-х годах и используют эффект Саньяка-Бонна для измерения угловых скоростей.

Основные вехи создания КЛГ:

- 1963 год - французский физик Жорж Саньяк предложил кольцевой лазерный гироскоп.

- 1964 год - американские физики Мартин и Зайделл экспериментально продемонстрировали эффект Саньяка-Бонна.

- 1970 год - запущены в серию первые промышленные образцы КЛГ компанией Honeywell.

- 1980-2000е годы - совершенствование КЛГ, рост точностных характеристик.

Принцип работы кольцевого лазерного гироскопа:

- Два лазерных луча распространяются в кольце по и против часовой стрелки.

- При вращении возникает разность частот лучей за счёт эффекта Саньяка-Бонна.

- Эта разность пропорциональна угловой скорости и фиксируется фотоприёмником.

КЛГ обладают высокой точностью, широким диапазоном измеряемых скоростей и надёжностью. Используются в авиации и космонавтике.

Струнные гироскопы - это разновидность гироскопов, в которых в качестве инерционного элемента используется колеблющаяся струна, также известные как мембранные гироскопы или оптические гироскопы, представляют собой вид гироскопов, которые используют оптические и механические принципы для измерения угловой скорости вращения. Вот общее представление об устройстве и принципе работы струнных гироскопов:

Принцип работы:

- Струна из упругого материала подвешивается в магнитном поле и приводится в колебания.

- Колеблющаяся струна обладает эффектом гироскопической жёсткости - сохраняет постоянство плоскости колебаний при вращении.

- Отклонение этой плоскости при изменении ориентации используется для измерения угловой скорости.

Идея струнных гироскопов была впервые предложена в 1910 году Эрнстом Махом. Этот тип гироскопов стал особенно популярным во второй половине 20 века благодаря своей точности и компактности. Они были широко использованы в авионике, навигационных системах и инерциальных навигационных системах (ИНС).

Применения струнных гироскопов включают:

- Авиационные системы: Они были использованы в самолетах, вертолетах и беспилотных летательных аппаратах для навигации и стабилизации полета.

- Морская навигация: Струнные гироскопы применялись в морской навигации для определения ориентации судов.

- Производство и наука: Их использовали в лабораториях и промышленных установках для измерения угловых скоростей и вибраций.

- Космическая техника: Они также использовались в космических аппаратах для контроля и стабилизации.

Таким образом, струнные гироскопы сыграли важную роль в развитии инерциальной техники, но в настоящее время применяются редко.

Гироскопы часто объединяются с акселерометрами в инерциальные измерительные модули (IMU), которые дают полную информацию об ориентации БПЛА.

Акселерометры имеют давнюю историю применения в авиации и беспилотных летательных аппаратах.

Основные вехи применения акселерометров:

- Начало XX века - первые механические акселерометры для измерения ускорений в авиации.

- 1930-40е годы - электромеханические акселерометры на основе пьезоэлементов в самолётостроении.

- 1950-60е годы - распространение акселерометров в инерциальных навигационных системах.

- 1970е годы - появление микромеханических акселерометров MEMS.

- 1990е годы - MEMS акселерометры становятся компактными и дешёвыми для массового применения.

- 2000е годы - широкое использование MEMS акселерометров в беспилотниках для измерения ускорений и определения ориентации.

Современные акселерометры незаменимы в системах управления движением летательных аппаратов, навигации и стабилизации. MEMS технология обеспечила их компактность и доступность.