Šiuolaikiniuose išmaniuosiuose įrenginiuose, įskaitant automobilius, diegiamos pažangios technologijos ir specialūs jutikliai, užtikrinantys sklandų jų veikimą. Tarp šių svarbių komponentų yra giroskopas ir akselerometras, kurie padeda tiksliau nustatyti įrenginio padėtį ir judėjimo kryptį.
Kas yra giroskopas?
Giroskopas išmaniuosiuose įrenginiuose yra jutiklis, kuris nustato įrenginio orientacijos ir pasukimo pokyčius trijose dimensijose (ašyse). Tai reiškia, kad jis gali aptikti sukimosi judesius aplink vertikalią ašį (kairėn, dešinėn), sukimosi judesius aplink horizontalią ašį (pakreipiant pirmyn arba atgal) ir sukimosi judesius aplink ašį, einančią per įrenginio ekraną (pakreipiant įrenginį į šoną).
Šis jutiklis nustato, kaip laikote įrenginį, ir atitinkamai gali pasukti ekrano vaizdą - iš portreto į kraštovaizdžio (angl. landscape) režimą. Ši funkcija praverčia ne tik žiūrint filmus ar vaizdo įrašus, bet ir žaidžiant žaidimus, ypač lenktynes ar simuliatorius, kur įrenginio judesiais valdomi objektai žaidime.
Giroskopas, veikdamas kartu su kitais jutikliais, tokiais kaip akselerometras ir magnetometras, padeda tiksliau nustatyti įrenginio padėtį ir judėjimo kryptį navigacijos programėlėse. Jo pagalba stabilizuojamas vaizdas fotografuojant ar filmuojant, kai įrenginys laikomas rankose. Taip pat jis yra nepamainomas naudojant virtualios realybės programėles - jo pagalba sekami galvos judesiai, kad atitinkamai keistųsi ir matomas vaizdas virtualioje aplinkoje.
Kiekvienas šiuo metu gaminamas išmanusis įrenginys turi įdiegtą giroskopą, tačiau jo tikslumas ir jautrumas gali skirtis priklausomai nuo įrenginio modelio bei gamintojo. Vis dėlto, technologijos yra gerokai pažengusios, tad giroskopo trūkumų neturėtumėte pajusti.
Elektrinėse savaime balansuojančiose transporto priemonėse naudojamas giroskopo efektas, žmonijai gerai pažįstamas jau nuo 19 amžiaus pradžios. Aiškinant paprastais žodžiais giroskopo efekto esmė tokia: greitai besisukantis diskas erdvėje bando išsaugoti stabilią padėtį. Paprasčiausias giroskopo efekto pavyzdys - įprastinis žaislinis vilkelis. Bandant pastatyti, jis apsiverčia, o įsukus jis stabiliai sukasi stačioje padėtyje.
20 amžiaus pradžioje giroskopo efektu pagrįsti sprendimai buvo pradėti naudoti laivyboje, aviacijoje, karinėje pramonėje. Žmonės ėmė naudoti giroskopinius kompasus, aprūpinti giroskopiniais bombardavimo taikymo įrenginiais karinius lėktuvus. Šiandien giroskopo principas sėkmingai taikomas labai įvairiose srityse, pradedant nuo kosminių laivų orientavimo sistemų ir baigiant išmaniaisiais telefonais, juose įmontuotas giroskopinis daviklis keičia duomenų rodymo ekrane kryptį, kai telefonas pasukamas.
Savaime balansuojančios transporto priemonės atveju giroskopinis daviklis nustato vienračio ar riedžio pusiausvyros pokyčius - nusvirimą į priekį ar atgal. Po to suveikia automatika, ir transporto priemonę stengiamasi sugrąžinti į pusiausvyros tašką. Tai leidžia panaudoti kitą efektą - vienračio ar riedžio pedalus (valdymo plokštes) palenkiant į priekį, transporto priemonė juda į priekį, o palenkiant pedalus atgal, transporto priemonė juda atbulai. Prarasti pusiausvyrą į priekį ar atgal tiesiog neįmanoma.
Savaime balansuojančios transporto priemonės būna vienratės (vienračiai) ir dviratės (riedžiai). Jų pagrindinės dalys yra elektrinis variklis ar varikliai, giroskopinis indikatorius, akumuliatorius ir elektronika su valdymo programa. Vienratės transporto priemonės (vienračio) atveju pusiausvyrą šonų kryptimi turi laikyti pats vienratininkas, tuo tarpu dviratės transporto priemonės (riedžio) atveju nuo pusiausvyros praradimo į šonus apsaugo antras ratas.
Masiniam naudojimui tinkami savaime balansuojančių transporto priemonių modeliai į rinką pateko apie 2010 metus, dabar jie plačiai žinomi visame pasaulyje. Nuo „frykų“ žaislo jie greitai pavirto į populiarią prekę, padedančią urbanizuotoje aplinkoje išspręsti susisiekimo problemą ir kartu saugoti gamtą. Šios transporto priemonės pateko net į jėgos struktūras, pvz., riedžiai naudojami Latvijos ir Čekijos policijos patruliavimui. Antra pagal populiarumą pritaikymo sritis - miesto turizmas. Po miestus organizuojamos ekskursijos, kuriose turistai važiuoja vienračiais ar riedžiais. Daugiausia savaime balansuojančios transporto priemonės naudojamos JAV ir Azijos šalyse.
Skirtingose valstybėse savaime balansuojančių transporto priemonių atžvilgiu galioja labai įvairios taisyklės. Kadangi šis reiškinys palyginti naujas, daugelyje šalių įstatymų leidėjai dar nespėjo jam nustatyti jokių taisyklių. Tačiau yra ir tokių šalių, kur riedžiai prilyginami mopedams, taikant abiem transporto rūšims tuos pačius reikalavimus. Nustatomi ribojimai dėl kelių, kur su tokiu prietaisu galima važiuoti, keliami reikalavimai dėl papildomos įrangos ir tt.
MEMS arba mikroelektromechaninės sistemos iš esmės yra labai mažo dydžio mikrosistemos. Tai itin pažangi technologija, kuri sukūrė įvairius elektroninius komponentus, tokius kaip akselerometras ir giroskopo jutiklis. Akselerometras yra prietaisas, kuris gali būti naudojamas negravitaciniam judėjimui aptikti. Kita vertus, giroskopo jutiklis gali būti naudojamas gravitaciniam judėjimui aptikti. Taigi matome, kad giroskopo jutiklis ir akselerometras papildo vienas kitą. Abu šie komponentai naudojami įvairiuose šiuolaikiniuose įrenginiuose. Kiekvienas iš jų turi daugybę programų.
Giroskopo jutiklis iš esmės yra įrenginys, kurio orientacijai nustatyti pasitelkiama žemės gravitacija. Tai yra jutiklio tipas, kurį randame IMU (inercinio matavimo vieneto) viduje. Giroskopas gali būti naudojamas matuoti sukimąsi tam tikroje ašyje. Prietaisą sudaro rotorius, kuris yra ne kas kita, kaip laisvai besisukantis diskas. Rotorius sumontuotas ant besisukančios ašies, kuri yra kito didesnio rato centre.
Koriolio jėga arba Koriolio efektas naudojamas matuojant kampinį momentą. Giroskopo jutiklis veikia kampinio momento išsaugojimo principu. Jis veikia išsaugant kampinį momentą. Giroskopo jutiklyje rotorius arba besisukantis ratas yra sumontuotas ant ašies. Suka leidžia pasukti rotorių tam tikra ašimi, kuri vadinama kardaniniu. Čia vienu metu naudosime du gimbalus. Vienas gimbalas bus montuojamas ant kito. Tai suteiks rotoriui tris laisvės laipsnius. Kai sukame giroskopo rotorių, giroskopas ir toliau bus nukreiptas ta pačia kryptimi. Vibracijos giroskopo jutiklis susideda iš dvigubos T struktūros elemento. Yra pavaros svirtis, kuri sukasi tam tikra kryptimi. Pavaros svirties yra pritvirtintos prie jutiklių. Kai vibracijos giroskopinis jutiklis pasukamas, Koriolio efektas arba Koriolio jėga pradės veikti pavaras. Varomųjų svirčių vibracija sukelia judesį poroje giroskopo jutiklių, o tai generuos potencialą, skirtingą nuo kampinio greičio, kurį pajuto prietaisas. Tada kampinį greitį galime paversti elektriniais signalais.
Giroskopo jutiklių tipai
Atsižvelgiant į dydį ir našumą, giroskopo jutikliai yra įvairių tipų:
- Žiedinis lazerinis giroskopas: Iš esmės turi žiedinį lazerį. Žiedinis lazeris du turi du priešingai sklindančius rezonansinius režimus tame pačiame kelyje, kurie yra nepriklausomi vienas nuo kito. Dviejų rezonansinių režimų dažnių skirtumas gali būti naudojamas kūnų sukimui sukimui aptikti.
- Šviesolaidinis giroskopas: Seka Sagnac efektą. Jis veikia šviesos, praeinančios per optinio pluošto ritinius, trukdžių principu. Įleidžiame du šviesos pluoštus į optinį pluoštą iš dviejų priešingų krypčių, o fazės poslinkį galima išmatuoti naudojant interferometriją.
- Kvantinis giroskopas: Taip pat vadinamas superskysčiu giroskopu ir palaipsniui pakeičia mechaninius giroskopus. Šio tipo giroskopas naudoja skystą medžiagą, kad būtų galima aptikti orientacijos pasikeitimą skirtinguose judčiuose kūnuose.
- Vibracijos giroskopas: Dažniausiai naudojamas giroskopo jutiklis. Tai taip pat lengvas įrenginys, kurį gana paprasta naudoti. Šio tipo giroskopuose judančių kūnų sukimosi greičiui nustatyti galima naudoti vibruojančią struktūrą. Vibracijos giroskopas pasižymi įvairiomis svarbiomis savybėmis, tokiomis kaip temperatūros-dažnio koeficientas, mastelio koeficientas ir daug daugiau.
Giroskopo jutikliai šiais laikais tapo nepakeičiama išmaniųjų telefonų dalimi. Visi žaidimai, kuriuos žaidžiame naudodami judesio jutimus, yra dėl giroskopo jutiklio. Vienas geriausių pavyzdžių - labai populiarus „Pokemon Go“ žaidimas, visiškai pagrįstas giroskopinių jutiklių principu. Mums taip pat reikia giroskopo, kad galėtume žiūrėti 360 laipsnių vaizdo įrašus savo mobiliuosiuose telefonuose. Giroskopas suteikia interaktyvią GUI, kurią naudodami vartotojai galės pasirinkti parinktis ir meniu tiesiog pakreipdami telefonus. Mobiliųjų telefonų giroskopas taip pat gali būti naudojamas vaizdo stabilizavimui ir GPS inercinei navigacijai.
Giroskopo jutiklis mobiliuosiuose įrenginiuose gali būti naudojamas tuose išmaniuosiuose telefonuose, kuriuose nėra įmontuotų giroskopinių jutiklių. Naudodamiesi šiomis programėlėmis, mobilusis telefonas automatiškai galės aptikti skirtingus judesių tipus ir tuo remiantis; ji atliks reikiamus veiksmus. Daugumą mobiliojo telefono užduočių galima atlikti tiesiog judesiu.
Kai kurios svarbiausios giroskopo jutiklio programos yra:
- Kampinio greičio jutimas: Jis gali būti naudojamas judančių kūnų kampinio judesio kitimo greičiui pajusti. Tai gali būti naudojama sportiniam judėjimui aptikti.
- Kampų jutimas: Kampus taip pat galima aptikti naudojant giroskopo jutiklį. Ši programa naudojama automobilių navigacijose ir žaidimų valdikliuose.
- Valdymo mechanizmo jutimas: Taip pat galime naudoti giroskopinį jutiklį, kad aptiktume vibraciją dėl įvairių išorinių veiksnių. Šią programą galime naudoti kameros drebėjimo ir transporto priemonės valdymui.
Kas yra akselerometras?
Akselerometro pagrindinė funkcija - matuoti įrenginio pagreitį, tiksliau, kaip greitai šis juda tam tikra kryptimi. Be akselerometro neveiktų žingsniamatis funkcija įrenginyje - jis padeda matuoti nueitą atstumą, skaičiuoti žingsnius ir stebėti kitus fizinio aktyvumo parametrus. Pavyzdžiui, kai kurie išmanieji laikrodžiai turi funkciją, kuri aptinka staigų vartotojo judėjimo pagreitį ir automatiškai įjungia kritimo aptikimo funkciją - jei ši neišjungiama, laikrodis automatiškai kviečia pagalbą.
Akselerometras puikiai draugauja su giroskopu ir abu gali tiksliau nustatyti įrenginio padėtį ir judėjimą. Taip pat akselerometras kartu su giroskopu veikia ir žaidžiant žaidimus, pasukant ekraną pagal įrenginio padėtį ir pan.
Pagrindinis akselerometro ir giroskopo skirtumas - akselerometras matuoja, kaip greitai įrenginys juda tam tikra kryptimi, o giroskopas - kaip greitai sukasi pats įrenginys.
Kiti išmaniųjų įrenginių jutikliai
Be giroskopo ir akselerometro šiuolaikiniuose išmaniuosiuose įrenginiuose naudojami ir kiti jutikliai:
- Magnetometras (kompasas): Nustato magnetinį Šiaurės polių ir padeda nustatyti įrenginio orientaciją pasaulio šalių atžvilgiu. Naudojamas navigacijos programėlėse, kompaso programėlėse ir kai kuriuose žaidimuose.
- Artumo jutiklis: Aptinka objektus šalia įrenginio ekrano. Dažniausiai naudojamas pokalbių metu, kad išjungtų ekraną, pavyzdžiui, kai telefonas priartinamas prie ausies, taip taupant baterijos energiją ir išvengiant netyčinių paspaudimų.
- Šviesos jutiklis: Matuoja aplinkos apšvietimo lygį ir automatiškai reguliuoja ekrano ryškumą, kad būtų patogu skaityti ir taupytų baterijos energiją.
- Barometras: Matuoja atmosferos slėgį ir padeda nustatyti įrenginio aukštį virš jūros lygio. Naudojamas navigacijos programėlėse, orų programėlėse ir kai kuriose sporto programėlėse.
- Termometras: Matuoja įrenginio temperatūrą ir gali būti naudojamas baterijos apsaugai nuo perkaitimo arba tiesiog informacijai apie telefono būklę.
- Pirštų atspaudų skaitytuvas: Naudojamas įrenginio atrakinimui, mokėjimams patvirtinti ir kitoms saugumo funkcijoms.
- Veido atpažinimo jutikliai: Naudojami įrenginio atrakinimui ir kitoms saugumo funkcijoms, atpažįstant veido bruožus.
- Drėgmės jutiklis: Aptinka drėgmę aplinkoje arba įrenginio viduje. Gali būti naudojamas įspėti apie galimą vandens žalą arba tiesiog informacijai apie aplinkos sąlygas.
Be šių pagrindinių jutiklių, kai kuriuose įrenginiuose gali būti ir kitų, specializuotų jutiklių, skirtų konkrečioms funkcijoms ar programėlėms. Pavyzdžiui, kai kurie telefonai turi širdies ritmo jutiklį, UV spinduliuotės jutiklį ar net infraraudonųjų spindulių kameros jutiklį.
Giroskopinis daviklis automobilių navigacijos sistemose
Automobilinė navigacijos sistema NX807E pasižymi didelio tikslumo giroskopiniu jutikliu. Jis užtikrina, kad rodoma transporto priemonės padėtis yra labai tiksli net ir važiuojant tuneliais ar kitoje aplinkoje, į kurią neprasiskverbia GPS signalai. Tai yra svarbu, nes giroskopinis ir greičio jutikliai kartu padidina navigacijos tikslumą.
Pagrindinis giroskopas.
Šis straipsnis parengtas išmaniųjų paslaugų ir įrenginių ekspertų - BITĖS Profų.
tags: #automobilio #giroskopinis #daviklis