Zasada działania żyroskopu MEMS

Tradycyjny żyroskop to wirujące koło utrzymujące orientację dzięki zachowaniu momentu pędu. W nowoczesnych czujnikach MEMS nie ma co prawda wirnika, ale wykorzystują one zjawiska fizyczne do detekcji rotacji. Wewnątrz takiego układu znajduje się mikroskopijna struktura drgająca. Gdy czujnik obraca się wokół osi, działa na tę drgającą masę siła Coriolisa, powodując zmianę jej ruchu. Specjalne elementy piezoelektryczne wykrywają tę zmianę i generują sygnał elektryczny proporcjonalny do prędkości obrotowej. Czujnik żyroskopowy zazwyczaj dostarcza trzy wartości (dla osi X, Y, Z) informujące, jak szybko urządzenie obraca się względem każdej osi. Integrując te sygnały w czasie, można obliczyć kąt obrotu (choć w praktyce stosuje się filtry łączące dane żyroskopu i akcelerometru dla większej dokładności).

Zastosowania czujników żyroskopowych

Żyroskopy stały się nieodzowne w wielu nowoczesnych urządzeniach:

• Drony i modele RC – układy kontroli lotu korzystają z żyroskopów do stabilizacji i utrzymania poziomego lotu. Bez ciągłego korygowania orientacji na podstawie danych z żyroskopu dron szybko straciłby równowagę.
• Smartfony i tablety – czujniki żyroskopowe umożliwiają wykrywanie obrotu urządzenia (zmiana orientacji ekranu), a także wzbogacają wrażenia w grach mobilnych i aplikacjach AR/VR, śledząc ruchy telefonu w przestrzeni.
• Kamery i gimbale – systemy stabilizacji obrazu wykorzystują żyroskopy do przeciwdziałania nagłym drganiom; gimbal na podstawie danych żyroskopowych koryguje położenie kamery, utrzymując płynny obraz.
• Elektronika noszona – np. inteligentne opaski czy kontrolery ruchu śledzą gesty użytkownika dzięki połączeniu danych z akcelerometru i żyroskopu.

Moduły żyroskopów w ofercie i ich użycie

Większość czujników żyroskopowych jest zintegrowana z akcelerometrem, tworząc tzw. 6-osiowe IMU. W Elektroweb dostępne są m.in. moduły:

• MPU-6050 (GY-521) – klasyczny 6DOF (3-osiowy żyroskop + 3-osiowy akcelerometr) komunikujący się poprzez I2C. Idealny do pierwszych projektów ze stabilizacją (np. robot samobalansujący).
• L3G4200D – 3-osiowy żyroskop z interfejsem I2C/SPI, cechujący się dobrą szybkością i używany w niektórych układach inercyjnych.
• BMI160 – nowoczesny, wysoko wydajny 6-osiowy czujnik (żyroskop + akcelerometr) firmy Bosch, o niskim poborze mocy – sprawdzi się w urządzeniach mobilnych.

Każdy z tych modułów można łatwo podłączyć do mikrokontrolera. Biblioteki programistyczne dostępne dla Arduino czy Raspberry Pi upraszczają odczyt danych i fuzję sensorów (np. filtr Kalmana lub komplementarny do łączenia danych żyroskopu i akcelerometru). Przy korzystaniu z żyroskopu warto pamiętać o kalibracji (wyzerowaniu offsetów, gdy czujnik jest nieruchomy) oraz ewentualnej kompensacji dryftu (żyroskopy MEMS mają tendencję do niewielkiego znoszenia wskazań w dłuższym czasie). Poprawnie zaimplementowany czujnik żyroskopowy pozwala uzyskać bardzo dynamiczną informację o ruchu obrotowym, co otwiera drogę do zaawansowanych projektów stabilizacji, nawigacji czy interakcji ruchowej.