Un giroscopio è un sensore che misura la velocità di rotazione rispetto a un sistema di riferimento inerziale. Di conseguenza, cattura tutte le successive variazioni di orientamento quando viene ruotato. Inoltre, poiché il sistema di coordinate terrestre è esso stesso in rotazione, un giroscopio appoggiato al suolo rileverà anche la velocità di rotazione terrestre, approssimativamente 15° all'ora. I giroscopi esprimono tipicamente l'uscita in gradi al secondo (°/s) o radianti al secondo (rad/s).
Come funziona?
Nelle applicazioni pratiche, i sistemi integrano i tassi di rotazione ad alta frequenza per determinare l'orientamento del sensore con grande precisione. Pertanto, questo principio è alla base di tutti i sensori inerziali, compresi i giroscopi verticali, i sistemi di riferimento per l'assetto e la direzione (AHRS).AHRS), unità di riferimento per il movimentoMRU) e sistemi di navigazione inerzialeINS).
Inoltre, svolgono un ruolo fondamentale nella determinazione della posizione e della velocità all'interno dei sistemi INS . Inoltre, i giroscopi più performanti, solitamente quelli a fibra ottica ad anello chiuso (FOG), misurano direttamente la rotazione terrestre senza bisogno di stimare la polarizzazione. Di conseguenza, questi sensori possono determinare la direzione senza fare affidamento su alcun riferimento esterno, una funzionalità nota come giroscopio. Tuttavia, esistono anche tecniche alternative per determinare la rotta, il che contribuisce a ridurre i rigidi vincoli di questa tecnologia.
Gli effetti di Coriolis e Sagnac nei giroscopi
Per quanto riguarda il loro principio di funzionamento, i giroscopi SBG Systems utilizzano due effetti fisici fondamentali per misurare la rotazione: l'effetto Coriolis e l'effetto Sagnac. In particolare, i giroscopi MEMS utilizzano l'effetto Coriolis. Quando una massa di prova vibra in direzione X, una rotazione attorno all'asse Z perpendicolare genera una forza che provoca il movimento lungo l'asse Y.
Di conseguenza, diverse architetture MEMS implementano questo principio, tipicamente utilizzando travi o anelli vibranti. In particolare, le prestazioni effettive di questi giroscopi variano a seconda di fattori quali le dimensioni e la qualità degli elementi MEMS, il packaging del sensore e le tecniche di elaborazione meccanica e del segnale.
I giroscopi ottici, come i FOG, utilizzano l'effetto Sagnac per misurare la rotazione. In questo metodo, due sorgenti luminose si muovono in direzioni opposte: una in senso orario e l'altra in senso antiorario. Quando non c'è rotazione, le onde luminose arrivano simultaneamente; tuttavia, durante la rotazione, un percorso si allunga mentre l'altro si accorcia. Di conseguenza, questo genera interferenza, che può essere misurata per dedurre la velocità angolare.
Applicazioni dei giroscopi nella navigazione inerziale
Insieme, questi principi consentono ai giroscopi di fornire dati di movimento precisi e affidabili in un'ampia gamma di applicazioni.
Aviazione
In aviazione, questi sono fondamentali per la navigazione e la stabilità degli aeromobili. Sono utilizzati nei seguenti sistemi:
- Indicatori di assetto: Questi strumenti visualizzano l'orientamento dell'aeromobile rispetto all'orizzonte, aiutando i piloti a mantenere angoli di beccheggio e rollio corretti.
- Sistemi di pilota automatico: I giroscopi forniscono feedback ai sistemi di pilota automatico, consentendo il controllo automatico della direzione, dell'altitudine e della rotta dell'aeromobile.
- Sistemi di navigazione inerziale (INS): INS si basano su giroscopi per tracciare il movimento e l'orientamento del velivolo, fornendo informazioni precise sul posizionamento anche quando i segnali GPS non sono disponibili.
Navigazione marittima
Per quanto riguarda la navigazione marittima, i giroscopi aiutano a mantenere la stabilità e la rotta di navi e sottomarini:
- Girobussole: Le girobussola forniscono informazioni direzionali accurate, indipendenti dal campo magnetico terrestre, aiutando i navigatori a mantenere una rotta stabile.
- I sistemi di stabilizzazione utilizzano questi sensori per ridurre il rollio e il beccheggio, migliorando il comfort dei passeggeri e garantendo la sicurezza.
Spazio
Per veicoli spaziali e satelliti, i giroscopi sono essenziali per l'orientamento e il controllo:
- Sistemi di controllo dell'assetto: i giroscopi aiutano a controllare l'orientamento dei veicoli spaziali fornendo misurazioni precise dei movimenti rotatori, fondamentali per attività quali l'attracco, il posizionamento e le manovre.
- Centraline inerziali (IMU): le IMU, che includono i giroscopi, forniscono navigazione e stabilizzazione per garantire un posizionamento e un controllo accurati nello spazio.