Viele verschiedene sensorische Geräte werden verwendet, um die Position und Orientierung eines Objekts zu bestimmen. Die gebräuchlichsten dieser Sensoren sind das Gyroskop und der Beschleunigungsmesser. Obwohl sie im Zweck ähnlich sind, messen sie verschiedene Dinge. Wenn sie zu einem einzigen Gerät kombiniert werden, können sie ein sehr leistungsfähiges Array von Informationen erstellen.

Was ist ein Gyroskop?

Ein Gyroskop ist ein Gerät, das die Schwerkraft der Erde verwendet, um die Orientierung zu bestimmen. Sein Design besteht aus einer frei rotierenden Scheibe, die als Rotor bezeichnet wird und auf einer Spinn-Achse in der Mitte eines größeren und stabileren Rades montiert ist. Wenn sich die Achse dreht, bleibt der Rotor stationär, um die zentrale Anziehungskraft anzuzeigen, und somit, welcher Weg “nach unten” ist.”

“Eine typische Art von Gyroskop wird hergestellt, indem ein relativ massiver Rotor in drei Ringen aufgehängt wird, die kardanisch genannt werden”, heißt es in einem Studienführer der Georgia State University. “Die Montage jedes dieser Rotoren auf hochwertigen Lagerflächen stellt sicher, dass sehr wenig Drehmoment auf den inneren Rotor ausgeübt werden kann.”

Gyroskope wurden erstmals im 19.Jahrhundert vom französischen Physiker Jean-Bernard-Léon Foucault erfunden und benannt. Erst 1908 entwickelte der deutsche Erfinder H. Anschütz-Kaempfe laut Encyclopedia Britannica den ersten funktionsfähigen Kreiselkompass. Es wurde geschaffen, um in einem Tauchboot verwendet zu werden. Dann, im Jahr 1909, wurde es verwendet, um den ersten Autopiloten zu erstellen.

Was ist ein Beschleunigungsmesser?

Ein Beschleunigungsmesser ist ein kompaktes Gerät zur Messung der Nicht-Gravitationsbeschleunigung. Wenn das Objekt, in das es integriert ist, vom Stillstand in eine beliebige Geschwindigkeit übergeht, reagiert der Beschleunigungsmesser auf die mit einer solchen Bewegung verbundenen Vibrationen. Es verwendet mikroskopische Kristalle, die bei Vibrationen unter Spannung stehen, und aus dieser Spannung wird eine Spannung erzeugt, um einen Messwert für jede Beschleunigung zu erzeugen. Beschleunigungsmesser sind wichtige Komponenten für Geräte, die Fitness und andere Messungen in der Quantified Self-Bewegung verfolgen.

Der erste Beschleunigungsmesser hieß Atwood Machine und wurde 1783 vom englischen Physiker George Atwood nach dem Buch “Practical MEMS” von Ville Kaajakari erfunden.

Verwendung eines Gyroskops oder Beschleunigungsmessers

Der Hauptunterschied zwischen den beiden Geräten ist einfach: Eines kann eine Drehung erfassen, das andere nicht. In gewisser Weise kann der Beschleunigungsmesser die Orientierung eines stationären Objekts in Bezug auf die Erdoberfläche messen. Beim Beschleunigen in eine bestimmte Richtung kann der Beschleunigungsmesser nicht zwischen dieser und der durch die Erdanziehungskraft bereitgestellten Beschleunigung unterscheiden. Wenn Sie dieses Handicap bei der Verwendung in einem Flugzeug berücksichtigen, verliert der Beschleunigungsmesser schnell an Attraktivität.

Das Gyroskop behält seine Effektivität bei, indem es die Rotationsrate um eine bestimmte Achse messen kann. Bei der Messung der Rotationsrate um die Rollachse eines Flugzeugs identifiziert es einen Istwert, bis sich das Objekt stabilisiert. Mit den Schlüsselprinzipien des Drehimpulses hilft das Gyroskop, die Orientierung anzuzeigen. Im Vergleich dazu misst der Beschleunigungsmesser die lineare Beschleunigung basierend auf Vibrationen.

Der typische zweiachsige Beschleunigungsmesser gibt Benutzern eine Richtung der Schwerkraft in einem Flugzeug, Smartphone, Auto oder einem anderen Gerät. Im Vergleich dazu soll ein Gyroskop eine Winkelposition basierend auf dem Prinzip der Raumsteifigkeit bestimmen. Die Anwendungen jedes Geräts variieren trotz ihres ähnlichen Zwecks ziemlich drastisch. Ein Gyroskop zum Beispiel wird in der Navigation auf unbemannten Luftfahrzeugen, Kompassen und großen Booten verwendet und hilft letztendlich bei der Stabilität in der Navigation. Beschleunigungsmesser sind gleichermaßen weit verbreitet und finden sich in den Bereichen Maschinenbau, Maschinen, Hardware-Überwachung, Gebäude- und Strukturüberwachung, Navigation, Transport und sogar Unterhaltungselektronik.

Das Erscheinen des Beschleunigungsmessers auf dem Unterhaltungselektronikmarkt mit der Einführung so weit verbreiteter Geräte wie dem iPhone, die ihn für die integrierte Kompass-App verwenden, hat seine allgemeine Beliebtheit in allen Bereichen der Software erleichtert. Die Bestimmung der Bildschirmausrichtung, die Funktion eines Kompasses und das Rückgängigmachen von Aktionen durch einfaches Schütteln des Smartphones sind einige grundlegende Funktionen, die auf dem Vorhandensein eines Beschleunigungsmessers beruhen. In den letzten Jahren erstreckt sich seine Anwendung in der Unterhaltungselektronik nun auf persönliche Laptops.

Sensoren im Einsatz

Die reale Nutzung veranschaulicht am besten die Unterschiede zwischen diesen Sensoren. Beschleunigungsmesser werden verwendet, um die Beschleunigung zu bestimmen, obwohl ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser die Ausrichtung einer Plattform relativ zur Erdoberfläche identifizieren könnte. Sobald sich diese Plattform jedoch zu bewegen beginnt, werden ihre Messwerte komplizierter zu interpretieren. In einem freien Fall würde der Beschleunigungsmesser beispielsweise eine Beschleunigung von Null anzeigen. In einem Flugzeug, das einen 60-Grad-Neigungswinkel für eine Kurve ausführt, würde ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser eine vertikale Beschleunigung von 2 G registrieren und die Neigung vollständig ignorieren. Letztendlich kann ein Beschleunigungsmesser nicht allein verwendet werden, um Flugzeuge richtig ausgerichtet zu halten.

Beschleunigungsmesser finden stattdessen Verwendung in einer Vielzahl von Unterhaltungselektronikartikeln. Zu den ersten Smartphones, die es nutzten, gehörte beispielsweise Apples iPhone 3GS mit der Einführung von Funktionen wie der Kompass-App und Shake to Undo, so Wired.

Ein Gyroskop würde in einem Flugzeug verwendet werden, um die Rotationsrate um die Rollachse des Flugzeugs anzuzeigen. Wenn ein Flugzeug rollt, misst das Gyroskop Werte ungleich Null, bis die Plattform nivelliert ist, woraufhin es einen Nullwert liest, um die Richtung von “unten” anzuzeigen.” Das beste Beispiel für das Lesen eines Gyroskops ist das der Höhenanzeige bei typischen Flugzeugen. Es wird durch eine kreisförmige Anzeige dargestellt, wobei der Bildschirm in zwei Hälften geteilt ist, wobei die obere Hälfte blau ist, um den Himmel anzuzeigen, und die untere Hälfte rot ist, um den Boden anzuzeigen. Wenn ein Flugzeug für eine Kurve bankt, verschiebt sich die Ausrichtung des Displays mit der Bank, um die tatsächliche Richtung des Bodens zu berücksichtigen.

Der Verwendungszweck jedes Geräts beeinflusst letztendlich seine Praktikabilität auf jeder verwendeten Plattform. Viele Geräte profitieren von der Anwesenheit beider Sensoren, obwohl viele auf die Verwendung von nur einem angewiesen sind. Abhängig von der Art der Informationen, die Sie sammeln müssen — Beschleunigung oder Ausrichtung — liefert jedes Gerät unterschiedliche Ergebnisse.

Zusätzliche Berichterstattung von Alina Bradford, Live Science Contributor.

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