Akcelerometr vs. Żyroskop: What’s the Difference?

Wiele różnych urządzeń sensorycznych jest używanych do określenia pozycji i orientacji obiektu. Najbardziej powszechnymi z tych czujników są żyroskop i akcelerometr. Choć mają one podobny cel, mierzą różne rzeczy. Kiedy są połączone w jednym urządzeniu, mogą stworzyć bardzo potężną tablicę informacji.

Co to jest żyroskop?

Żyroskop jest urządzeniem, które wykorzystuje grawitację ziemską, aby pomóc określić orientację. Jego konstrukcja składa się ze swobodnie obracającego się dysku zwanego rotorem, zamontowanego na osi obrotowej w centrum większego i bardziej stabilnego koła. Gdy oś się obraca, wirnik pozostaje nieruchomy, aby wskazać centralne przyciąganie grawitacyjne, a więc to, w którą stronę jest „w dół”.”

„Jeden typowy rodzaj żyroskopu jest wykonany przez zawieszenie stosunkowo masywnego wirnika wewnątrz trzech pierścieni zwanych kardanami”, zgodnie z przewodnikiem naukowym Uniwersytetu Stanowego Georgia. „Zamontowanie każdego z tych wirników na wysokiej jakości łożyskach zapewnia, że bardzo mały moment obrotowy może być wywierany na wewnętrzny wirnik.”

Żyroskopy zostały po raz pierwszy wynalezione i nazwane w XIX wieku przez francuskiego fizyka Jean-Bernard-Léon Foucault. Dopiero w 1908 roku niemiecki wynalazca H. Anschütz-Kaempfe opracował pierwszy działający żyrokompas, zgodnie z Encyklopedią Britannica. Został on stworzony z myślą o zastosowaniu w łodzi podwodnej. Następnie, w 1909 roku, został wykorzystany do stworzenia pierwszego autopilota.

Co to jest akcelerometr?

Akcelerometr jest kompaktowym urządzeniem zaprojektowanym do pomiaru przyspieszenia niegrawitacyjnego. Kiedy obiekt, z którym jest zintegrowany, przechodzi od bezruchu do dowolnej prędkości, akcelerometr jest zaprojektowany tak, aby reagować na wibracje związane z takim ruchem. Wykorzystuje on mikroskopijne kryształy, które ulegają naprężeniu podczas drgań, a w wyniku tego naprężenia generowane jest napięcie, które umożliwia odczyt przyspieszenia. Akcelerometry są ważnymi komponentami urządzeń, które śledzą kondycję i inne pomiary w kwantyfikowanym samo-ruchu.

Pierwszy akcelerometr został nazwany maszyną Atwooda i został wynaleziony przez angielskiego fizyka George’a Atwooda w 1783 roku, zgodnie z książką „Practical MEMS,” autorstwa Ville Kaajakari.

Zastosowanie żyroskopu lub akcelerometru

Główna różnica między tymi dwoma urządzeniami jest prosta: jedno może wyczuwać obrót, podczas gdy drugie nie. W pewnym sensie, akcelerometr może zmierzyć orientację nieruchomego przedmiotu względem powierzchni Ziemi. Przyspieszając w określonym kierunku, akcelerometr nie jest w stanie odróżnić tego przyspieszenia od przyspieszenia wywołanego przyciąganiem grawitacyjnym Ziemi. Jeśli wziąć pod uwagę to utrudnienie w samolocie, akcelerometr szybko traci wiele ze swojej atrakcyjności.

Żyroskop utrzymuje swój poziom skuteczności, będąc w stanie zmierzyć szybkość obrotu wokół określonej osi. Podczas pomiaru prędkości obrotu wokół osi obrotu samolotu, żyroskop identyfikuje rzeczywistą wartość do momentu ustabilizowania się obiektu. Wykorzystując kluczowe zasady kątowego momentu pędu, żyroskop pomaga wskazać orientację. Dla porównania, akcelerometr mierzy przyspieszenie liniowe na podstawie wibracji.

Typowy dwuosiowy akcelerometr określa kierunek grawitacji w samolocie, smartfonie, samochodzie lub innym urządzeniu. Dla porównania, żyroskop ma za zadanie określić położenie kątowe na podstawie zasady sztywności przestrzeni. Zastosowania każdego z tych urządzeń różnią się dość drastycznie pomimo podobnego przeznaczenia. Żyroskop, na przykład, jest używany w nawigacji w bezzałogowych statkach powietrznych, kompasach i dużych łodziach, ostatecznie wspomagając stabilność nawigacji. Przyspieszeniomierze są równie szeroko stosowane i można je znaleźć w inżynierii, maszynach, monitorowaniu sprzętu, monitorowaniu budynków i konstrukcji, nawigacji, transporcie, a nawet elektronice użytkowej.

Pojawienie się akcelerometru na rynku elektroniki użytkowej, wraz z wprowadzeniem tak powszechnych urządzeń jak iPhone wykorzystujących go do wbudowanej aplikacji kompasu, ułatwiło jego ogólną popularność we wszystkich dziedzinach oprogramowania. Określanie orientacji ekranu, działanie jako kompas i cofanie działań poprzez zwykłe potrząsanie smartfonem to kilka podstawowych funkcji, które opierają się na obecności akcelerometru. W ostatnich latach jego zastosowanie wśród elektroniki użytkowej rozszerzyło się na osobiste laptopy.

Czujniki w użyciu

Realne użycie najlepiej ilustruje różnice między tymi czujnikami. Przyspieszeniomierze są używane do określania przyspieszenia, chociaż trzyosiowy akcelerometr może zidentyfikować orientację platformy względem powierzchni Ziemi. Jednakże, gdy platforma zaczyna się poruszać, interpretacja odczytów staje się bardziej skomplikowana. Na przykład, podczas swobodnego spadania akcelerometr wskaże zerowe przyspieszenie. W samolocie wykonującym zakręt pod kątem 60 stopni, akcelerometr trójosiowy zarejestrowałby przyspieszenie pionowe 2-G, całkowicie ignorując przechył. Ostatecznie, akcelerometr nie może być używany sam do pomocy w utrzymaniu samolotów w odpowiedniej orientacji.

Akcelerometry zamiast tego znajdują zastosowanie w różnych produktach elektroniki użytkowej. Na przykład, wśród pierwszych smartfonów, aby go używać był Apple iPhone 3GS z wprowadzeniem takich funkcji, jak aplikacja kompasu i wstrząsnąć, aby cofnąć, zgodnie z Wired.

Żyroskop byłby używany w samolocie, aby pomóc w wskazując szybkość obrotu wokół osi rolki samolotu. Jak samolot toczy, żyroskop będzie mierzyć niezerowe wartości, aż platforma wyrównuje, gdzieupon będzie czytać wartość zerową, aby wskazać kierunek „w dół”. Najlepszym przykładem odczytu żyroskopu jest wskaźnik wysokości w typowych samolotach. Jest on reprezentowany przez okrągły wyświetlacz z ekranem podzielonym na pół, górna połowa jest koloru niebieskiego, aby wskazać niebo, a dolna jest czerwona, aby wskazać ziemię. Gdy samolot skręca, orientacja wyświetlacza zmienia się wraz z nim, aby uwzględnić rzeczywisty kierunek podłoża.

Zamierzone zastosowanie każdego urządzenia ostatecznie wpływa na ich praktyczność w każdej używanej platformie. Wiele urządzeń korzysta z obecności obu czujników, ale wiele opiera się na wykorzystaniu tylko jednego z nich. W zależności od rodzaju informacji, które trzeba zebrać – przyspieszenie lub orientacja – każde urządzenie dostarczy innych wyników.

Dodatkowe raporty autorstwa Aliny Bradford, współpracownika Live Science.