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Gyros
Gyros sind einer der Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssysteme (INS). Einer der anderen Sensortypen, die in den meisten Trägheitsnavigationssystemen verwendet werden, sind BeschleunigungsaufnehmerSie eignen sich hervorragend für die Messung von geradlinigen Bewegungen, aber nicht für die Messung von Drehbewegungen - hier kommen die Gyros ins Spiel. Kreisel interessieren sich überhaupt nicht für lineare Bewegungen, sondern nur für Drehungen. Bei der Beschreibung verschiedener Trägheitsnavigationssysteme kann der Begriff "Kreisel" unterschiedliche Bedeutungen haben, je nachdem, um welche Art von System es sich handelt.
Im herkömmlichen Sinne besteht ein Gyroskop aus einem oder mehreren sich drehenden Rotoren, die kardanisch oder in einem anderen System aufgehängt sind, das sie von externen Drehmomenten isolieren soll. Diese Art von Gyroskop funktioniert, weil der Rotor, sobald er sich dreht, seine Achse oder Drehung beibehalten will. Mit anderen Worten: Wenn man eine Linie durch die Drehachse des Kreisels projiziert, würde die projizierte Linie immer auf denselben Punkt zeigen, egal wie man den Kreisel zu drehen versucht. Natürlich könnte man den Kreisel zur Bewegung zwingen, wenn man ein Drehmoment auf ihn ausübt - aber genau das soll das Gimbal verhindern.
Ein Kardanring besteht aus mehreren konzentrischen, ineinander montierten Ringen, die über orthogonal angeordnete Zapfen verbunden sind. Dank dieser Konstruktion kann sich der Kreisel in drei Achsen frei drehen, vorausgesetzt, die Ringe sind nicht kardanisch blockiert. Kardanische Verriegelung tritt auf, wenn zwei Achsen aufeinander ausgerichtet sind. In diesem Zustand hat der Kreisel zwei statt drei Freiheitsgrade, so dass ein in eine bestimmte Richtung wirkendes externes Drehmoment die Drehachse beeinflussen kann.
Da der Rotor des Kreisels seine ursprüngliche Drehachse beibehalten will, können am Gimbal Sensoren angebracht werden, um die relative Änderung der Ausrichtung des externen Rahmens zu messen, an dem er befestigt ist. Auf diese Weise ist es möglich, ein Bild davon zu erhalten, wie der externe Rahmen relativ zur Achse des Kreisels ausgerichtet ist. Das Bild auf der linken Seite veranschaulicht dies.
Die in Strap-Down-Navigatoren verwendeten Kreisel leiden nicht unter der Kardansperre. Das liegt daran, dass sie keine Kreisel im herkömmlichen Sinne sind. Stattdessen handelt es sich um MEMS-Geräte, die die Winkelgeschwindigkeit messen - in der Regel in der Einheit °/s (sprich: Grad pro Sekunde). Solange sich ein MEMS-Kreisel also nicht um seine Messachse dreht, gibt er unabhängig von der Richtung, in die er zeigt, einen Wert von 0 °/s aus. Würde sich der Kreisel jedoch um seine Messachse drehen und für jede Umdrehung etwa eine Sekunde benötigen, würde er einen Wert von 360 °/s ausgeben.
Dies wäre je nach Drehrichtung positiv oder negativ.
MEMS-Drehratensensor
MEMS-Kreisel (mikroelektromechanische Systeme) gibt es in vielen Formen und Größen. Die Messachse dieses Drehratensensors ist durch den roten Pfeil dargestellt. Eine Drehung in Richtung des Pfeils ergibt einen positiven Wert, während die entgegengesetzte Richtung einen negativen Wert ergibt. Lineare Bewegungen werden nicht erfasst.
Drehratensensoren (Gyros) messen die Drehrate in Grad pro Sekunde (o/s). Sie "messen" nicht die Richtung. Sie können jedoch ihre Messungen verwenden, um herauszufinden, in welche Richtung der Sensor zeigt, wenn Sie wissen, in welche Richtung er zu Beginn zeigte. Dieser Sensor und der links daneben würden beide 0 o/s anzeigen.
Dieser Sensor dreht sich nach rechts und würde einen positiven Wert liefern. Die Messwertausgabe hängt davon ab, wie schnell er sich dreht - je höher die Zahl, desto schneller die Drehung. Wenn der Sensor 0,5 Sekunden lang einen Durchschnittswert von 90 o/s anzeigt, könnte man davon ausgehen, dass sich der Sensor um 45o im Uhrzeigersinn gedreht hat.
Durch die Montage von drei Kreiseln auf drei zueinander senkrechten Achsen ist es möglich, die Ausrichtung eines Objekts im 3D-Raum zu verfolgen. Kombiniert mit Beschleunigungssensoren ist es möglich, die relative Position, Ausrichtung und Geschwindigkeit eines Objekts zu verfolgen - und solange wir die Startposition kennen, können wir auch die aktuelle Position berechnen.
Daraus können Sie ersehen, dass ein Kreisel, genau wie ein Beschleunigungsmesser, dem INS nicht mitteilt, in welche Richtung es ausgerichtet ist.
Wenn er zum ersten Mal eingeschaltet wird, weiß der Kreisel nur, wie schnell er sich dreht. Es ist die Aufgabe des INS, all diese Messungen zu verfolgen. Wenn das INS also eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 360 °/s für genau 0,25 Sekunden um die z-Achse feststellt, weiß es, dass es sich nun um 90° gedreht hat (360 °/s ÷ 0,25 s = 90°), unabhängig von der Richtung, in die es zu Beginn zeigte. Wenn das INS natürlich wusste, dass es vor der Bewegung nach Norden ausgerichtet war, und wenn es auch weiß, dass positive Kreiselwerte eine Drehung im Uhrzeigersinn anzeigen, dann kann es leicht herausfinden, dass es jetzt nach Osten ausgerichtet ist.
Genauso wie es normal ist, drei Beschleunigungsmesser zu verwenden, ist es normal, dass das INS drei Kreisel enthält, die so ausgerichtet sind, dass sie die Drehung um drei zueinander senkrechte Achsen messen. Auf diese Weise kann das INS seine Ausrichtung im 3D-Raum messen. Dies geschieht mit einem Verfahren namens Koppelnavigation.
