Um giroscópio é um sensor que mede a taxa de rotação em relação a um sistema de referência inercial. Consequentemente, ele captura todas as mudanças subsequentes na orientação quando rotacionado. Além disso, como o próprio sistema de coordenadas da Terra está girando, um giroscópio no chão também detectará a taxa de rotação da Terra — aproximadamente 15° por hora. Os giroscópios normalmente expressam a saída em graus por segundo (°/s) ou radianos por segundo (rad/s).
Como isso funciona?
Em aplicações práticas, os sistemas integram taxas de rotação em alta frequência para determinar a orientação do sensor com grande precisão. Portanto, este princípio forma a base de todos os sensores inerciais, incluindo giroscópios verticais, sistemas de referência de atitude e direção (AHRS), unidades de referência de movimento (MRU) e sistemas de navegação inercial (INS).
Além disso, estes desempenham um papel crítico na determinação da posição e velocidade dentro das estruturas INS. Além disso, os giroscópios de mais alto desempenho — geralmente giroscópios de fibra óptica de circuito fechado (FOG) — medem diretamente a rotação da Terra sem necessidade de estimativa de polarização. Como resultado, esses sensores podem determinar a direção sem depender de qualquer referência externa, uma funcionalidade conhecida como gyrocompassing. No entanto, técnicas alternativas também existem para determinar a direção, o que ajuda a reduzir as restrições estritas sobre esta tecnologia.
Os efeitos de Coriolis e Sagnac em giroscópios
Em relação ao seu princípio de funcionamento, os giroscópios SBG Systems utilizam dois efeitos físicos principais para medir a rotação: o efeito de Coriolis e o efeito de Sagnac. Especificamente, o efeito de Coriolis é usado pelos giroscópios MEMS. Quando uma massa de prova vibra na direção X, uma rotação em torno do eixo Z perpendicular gera uma força que causa movimento ao longo do eixo Y.
Consequentemente, várias arquiteturas MEMS implementam este princípio, normalmente usando vigas ou anéis vibratórios. Notavelmente, o desempenho real destes giroscópios varia dependendo de fatores como o tamanho e a qualidade do elemento MEMS, a embalagem do sensor e as técnicas de processamento mecânico e de sinal.
Giroscópios ópticos, como os FOGs, empregam o efeito Sagnac para medir a rotação. Neste método, duas fontes de luz fazem um loop em direções opostas - uma no sentido horário e a outra no sentido anti-horário. Quando não há rotação, as ondas de luz chegam simultaneamente; no entanto, durante a rotação, um caminho se alonga enquanto o outro encurta. Consequentemente, isto gera interferência, que pode ser medida para deduzir a velocidade angular.
Aplicações de giroscópios na navegação inercial
Juntos, esses princípios permitem que os giroscópios forneçam dados de movimento precisos e confiáveis em uma ampla gama de aplicações.
Aviação
Na aviação, estes são críticos para a navegação e estabilidade da aeronave. Eles são usados nos seguintes sistemas:
- Indicadores de Atitude: Esses instrumentos exibem a orientação da aeronave em relação ao horizonte, ajudando os pilotos a manter os ângulos de inclinação e rolamento adequados.
- Sistemas de Piloto Automático: Os giroscópios fornecem feedback aos sistemas de piloto automático, permitindo o controle automático do rumo, altitude e curso da aeronave.
- Sistemas de Navegação Inercial (INS): Os INS dependem de giroscópios para rastrear o movimento e a orientação da aeronave, fornecendo informações de posicionamento precisas, mesmo quando os sinais de GPS não estão disponíveis.
Navegação marítima
Na navegação marítima, os giroscópios auxiliam na manutenção da estabilidade e do curso de navios e submarinos:
- Girobússolas: As girobússolas fornecem informações direcionais precisas, independentemente do campo magnético da Terra, ajudando os navegadores a manter um curso constante.
- Sistemas de estabilização usam esses sensores para reduzir o rolamento e o arfagem, aumentando o conforto dos passageiros e garantindo a segurança.
Espaço
Para espaçonaves e satélites, os giroscópios são essenciais para orientação e controle:
- Sistemas de Controle de Atitude: Os giroscópios ajudam a controlar a orientação de espaçonaves, fornecendo medições precisas de movimentos rotacionais, cruciais para tarefas como atracação, posicionamento e manobras.
- Unidades de Medição Inercial (IMUs): As IMUs, que incluem giroscópios, fornecem navegação e estabilização para garantir posicionamento e controle precisos no espaço.