Как ориентироваться в пространстве?

Нас окружают сотни гаджетов: телефоны, планшеты, «умные» часы и браслеты. Каждым из них можно управлять не только через взаимодействие с экраном, но и путем перемещения корпуса в пространстве, что широко используется в мобильных играх. Современные гаджеты позволяют производить подсчет количества шагов во время прогулки и оценивать суточную активность организма. Часто используя эти функции, мы, как правило, не задумываемся, каким образом они реализованы. О важных элементах навигационных систем – гироскопах и акселерометрах – мы поговорили с ведущим инженером кафедры электронных приборов, (самым молодым на кафедре кандидатом технических наук) Андреем Евгеньевичем Серебряковым.

Законы механики позволяют вычислить положение и ориентацию в пространстве произвольно движущегося объекта на основе информации об его угловых перемещениях и линейных ускорениях. Источниками такой информации являются гироскопы (датчики угловых перемещений и угловых скоростей) и акселерометры (датчики линейных ускорений). Определенная комбинация таких датчиков и компактных вычислительных устройств образует навигационную систему, которая называется инерциальной. Такие системы применяются на подвижных объектах (например, самолетах) наряду с широко известными системами спутниковой навигации (GPS, Глонасс и т.п.). Решающее преимущество инерциальной навигации заключается в автономности: ей не нужны внешние источники информации. На кафедре электронных приборов разрабатываются методы и устройства, предназначенные для обработки сигналов, формируемых датчиками инерциальных навигационных систем.

В качестве миниатюрных датчиков используются микромеханические гироскопы и акселерометры. Их чувствительными элементами являются механически подвижные узлы размером в единицы микрон, изготовленные с помощью современных электронных технологий. Именно они позволяют нашим гаджетам (и не только им) ориентироваться в пространстве. Сейчас микромеханика – очень перспективная область науки и техники, характеризующаяся чрезвычайно быстрым расширением количества новых разработок и номенклатуры продукции, поступающей на рынок. Разнообразие моделей и производителей микромеханических гироскопов и акселерометров позволяет выбрать наиболее подходящие из них по совокупности технических характеристик и стоимости. Одна из решаемых нами задач заключается в создании электронного устройства, позволяющего ускорить внедрение новых моделей микромеханических гироскопов и акселерометров.

Наиболее востребованным для автономной навигации в настоящее время является лазерный гироскоп. Лазерный гироскоп состоит из нескольких (обычно трех или четырех) зеркал, отражающие поверхности которых обладают чрезвычайно высоким качеством, достигаемым на основе применения сложных методов обработки поверхности и контроля ее характеристик. Между зеркалами через активную среду вдоль замкнутой линии распространяются навстречу друг другу лазерные пучки. Поворот гироскопа изменяет разность фаз этих пучков, которую и нужно зарегистрировать, чтобы измерить угол. Лазерные гироскопы, реагирующие на поворот на угловую секунду, входят в состав навигационных систем, применяемых на самолетах моделей Boeing и Airbus. Более точный лазерный гироскоп, созданный в геодезической обсерватории Веттцелль Мюнхенского технического университета, предназначен для регистрации очень слабых флуктуаций вектора угловой скорости вращения нашей планеты, к которым приводят землетрясения, взрывы, цунами и подобные им явления. В настоящее время кафедры электронных приборов и радиотехнических систем совместно разрабатывают новые принципы регистрации оптических сигналов и их цифровой обработки, что позволит увеличить чувствительность лазерных гироскопов в десятки раз. Объединение в таких приборах методов электроники, оптики, механики с микропроцессорной техникой открывает заманчивую возможность для поиска дерзких и не очевидных решений, практическая реализация которых требует умения объединять свои усилия с работой коллектива научных работников.

СПРАВКА

Гироскоп (от др.-греч. γῦρος — круг + σκοπέω — смотрю) — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).

Акселерометр (лат. accelero — ускоряю и др.-греч. μετρέω «измеряю») — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разности между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). Как правило, акселерометр представляет собой чувствительную массу, закреплённую в упругом подвесе. Акселерометры и гироскопы активно используются при проектировании навигационных систем.