Was ist ein Gyroskop? Einfach erklärt

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Gyroskope oder Gyros sind Geräte, die Drehbewegungen messen oder beibehalten. MEMS-Gyros (mikroelektromechanisches System) sind kleine kostengünstige Sensoren, die die Winkelgeschwindigkeit messen. Die Einheiten der Winkelgeschwindigkeit werden in Grad pro Sekunde (° / s) oder Umdrehungen pro Sekunde (RPS) gemessen. Die Winkelgeschwindigkeit ist einfach eine Messung der Rotationsgeschwindigkeit.

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Gyroskope, ähnlich wie oben, können zur Bestimmung der Orientierung verwendet werden und sind in den meisten autonomen Navigationssystemen zu finden. Wenn Sie beispielsweise einen Roboter ausbalancieren möchten, kann ein Gyroskop verwendet werden, um die Rotation aus der ausgeglichenen Position zu messen und Korrekturen an einen Motor zu senden.

 

Wie funktioniert ein Gyroskop?

Wenn sich Dinge um eine Achse drehen, haben sie eine sogenannte Winkelgeschwindigkeit. Ein Drehrad kann in Umdrehungen pro Sekunde (RPS) oder Grad pro Sekunde (° / s) gemessen werden.

 

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Beachten Sie, dass die z-Achse des darunter liegenden Kreisels mit der Drehachse des Rads ausgerichtet ist.

 

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Wenn Sie den Sensor an das oben abgebildete Rad anschließen, können Sie die Winkelgeschwindigkeit der z-Achse des Kreisels messen. Die anderen beiden Achsen würden keine Drehung messen.

Stellen Sie sich vor, das Rad dreht sich einmal pro Sekunde. Sie hätte eine Winkelgeschwindigkeit von 360 Grad pro Sekunde. Die Drehrichtung des Rades ist ebenfalls wichtig. Ist sie im Uhrzeigersinn um die Achse oder ist sie gegen den Uhrzeigersinn?

Ein MEMS-Gyroskop mit drei Achsen, ähnlich dem oben abgebildeten (ITG-3200), kann die Rotation um drei Achsen messen: x, y und z. Einige Gyros gibt es in einachsigen und zweiachsigen Varianten, aber der dreiachsige Kreisel in einem einzigen Chip ist kleiner, günstiger und beliebter.

Gyroskope werden häufig bei Objekten verwendet, die sich nicht sehr schnell drehen. Flugzeuge drehen sich (hoffentlich) nicht. Stattdessen drehen sie sich um einige Grad um jede Achse. Durch das Erkennen dieser kleinen Veränderungen tragen Gyros dazu bei, den Flug des Flugzeugs zu stabilisieren. Beachten Sie auch, dass die Beschleunigung oder Lineargeschwindigkeit des Flugzeugs die Messung des Kreisels nicht beeinflusst. Gyros messen nur die Winkelgeschwindigkeit.

Wie erfasst der MEMS-Kreisel die Winkelgeschwindigkeit?

 

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Der Gyroskopsensor im MEMS ist winzig (zwischen 1 und 100 Mikrometern, die Größe eines menschlichen Haares). Wenn der Kreisel gedreht wird, wird eine kleine Resonanzmasse verschoben, wenn sich die Winkelgeschwindigkeit ändert. Diese Bewegung wird in sehr schwache elektrische Signale umgewandelt, die von einem Host-Mikrocontroller verstärkt und gelesen werden können.

 

So wählen Sie das richtige Gyroskop aus

Es gibt viele Spezifikationen, die bei der Auswahl des zu verwendenden Sensors zu berücksichtigen sind. Hier sind einige der Wichtigsten:

 

  • Der Messbereich oder der gesamte Skalenbereich ist die maximale Winkelgeschwindigkeit, die der Kreisel lesen kann. Denken Sie darüber nach, was Sie messen. Müssen Sie den Spin eines Plattenspielers messen, der sehr langsam ist, oder ein sich drehendes Rad, das sehr schnell sein könnte?
  • Die Empfindlichkeit wird in mV pro Grad pro Sekunde (mV / ° / s) gemessen. Lassen Sie sich nicht durch die komische Dimension dieses Werts erschrecken. Sie bestimmt, wie stark sich die Spannung für eine gegebene Winkelgeschwindigkeit ändert. Wenn Sie beispielsweise einen Kreisel mit einer Empfindlichkeit von 30 mV / ° / s angeben und die Ausgabe um 300 mV geändert wird, haben Sie den Kreisel um 10 ° / s gedreht. Eine gute Regel, die Sie beachten sollten: Mit zunehmender Empfindlichkeit nimmt der Bereich ab. Schauen Sie sich zum Beispiel das Datenblatt des LPY503-Gyros an.
  • Bias: Wie bei jedem Sensor enthalten die von Ihnen gemessenen Werte einige Fehler oder Abweichungen. Sie können die Neigung des Kreisels erkennen, indem Sie die Ausgabe messen, wenn der Kreisel noch steht. Obwohl Sie denken würden, dass Sie 0 ° sehen würden, wenn der Kreisel noch steht, wird in der Ausgabe immer ein kleiner Nicht-Null-Fehler angezeigt. Diese Fehler werden manchmal als Bias-Drift oder Bias-Instabilität bezeichnet. Die Temperatur des Sensors beeinflusst die Bias stark. Um die Fehlerquelle zu minimieren, verfügen die meisten Gyros über einen eingebauten Temperatursensor. So können Sie die Temperatur des Sensors ablesen und temperaturabhängige Änderungen korrigieren. Um diese Fehler zu korrigieren, muss der Kreisel kalibriert werden. Dies geschieht normalerweise, indem Sie den Sensor ruhig halten und alle Messwerte in Ihrem Code auf Null setzen.

 

Was ist der Unterschied zwischen einem  Gyroskop und einem Beschleunigungssensor?

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Geräten ist einfach: Eines kann Rotation wahrnehmen, das andere nicht. In gewisser Weise kann der Beschleunigungsmesser die Orientierung eines stationären Gegenstands in Bezug auf die Erdoberfläche messen. Beim Beschleunigen in eine bestimmte Richtung kann der Beschleunigungsmesser nicht zwischen der Beschleunigung und der Erdbeschleunigung unterscheiden. Wenn Sie diese Behinderung beim Einsatz in einem Flugzeug in Betracht ziehen, verliert der Beschleunigungssensor schnell an Attraktivität.

Der Kreisel behält seine Wirksamkeit bei, indem er die Rotationsgeschwindigkeit um eine bestimmte Achse messen kann. Beim Messen der Drehrate um die Rollachse eines Flugzeugs ermittelt es einen Istwert, bis sich das Objekt stabilisiert. Nach den Grundprinzipien des Drehimpulses hilft das Gyroskop, die Orientierung zu bestimmen. Im Vergleich dazu misst der Beschleunigungsmesser die lineare Beschleunigung auf der Grundlage von Schwingungen.

Der typische zweiachsige Beschleunigungsmesser gibt Benutzern die Richtung der Schwerkraft in einem Flugzeug, Smartphone, Auto oder einem anderen Gerät an. Im Vergleich dazu soll ein Gyroskop eine Winkelposition nach dem Prinzip der Raumsteifigkeit bestimmen. Die Anwendungen der einzelnen Geräte variieren trotz ihres ähnlichen Zwecks sehr stark. Ein Gyroskop wird beispielsweise bei der Navigation auf unbemannten Luftfahrzeugen, Kompassen und großen Booten eingesetzt, was letztendlich zur Stabilität der Navigation beiträgt. Beschleunigungssensoren sind ebenso weit verbreitet und finden sich in den Bereichen Maschinenbau, Maschinenbau, Hardwareüberwachung, Gebäude- und Strukturüberwachung, Navigation, Transport und sogar in der Unterhaltungselektronik.

 

 

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03.05.2019 00:00 |