Grundlagen: Lagesensoren Teil 1

Virtuelle 3D-Räume wirken auf uns unter einer VR-Brille mächtiger, als die gleiche Sequenz auf einem gewöhnlichen Monitor. Das liegt an unterschiedlichen Einflussfaktoren, aber einer der wichtigsten ist die Kombination verschiedener Informationen in unserem Gehirn. Wir bringen die Lage unseres Kopfes mit dem visuellen Eindruck in Einklang. Klassisches Phänomen der Urlaubsfotografie ist die schwierige Vermittlung von Größe. Gleich, wie sehr man sich müht vom Fuße eines Objekts eine vernünftige Aufnahme zu gestalten, bei der auch die Größe wirkt, es gelingt nicht. Beim Betrachten des Bildes fehlt die Information, wie steil die Kamera angestellt war, also übersetzt, wie sehr wir unseren Kopf durchstrecken müssten um dieses Objekt in seiner Gesamtheit zu erfassen. VR-Headsets zwingen uns bei der Betrachtung des künstlichen Raumes den Kopf passend in Position zu bringen. Damit diese Bewegung erfasst werden kann, bedienen sich die Headsets der mittlerweile aus Smartphones bekannten Beschleunigungs- und Lagesensoren. Im Volksmund nennen manche die Lagesensoren auch Gyros, auch wenn längst kein Gyroskop mehr die Lageveränderung erfasst, sondern Drehratensensoren. Um zu verstehen, wie das mit diesen Instrumenten heute funktioniert, ist ein allgemeines Verständnis zum Gyroskopen hilfreich.

Das Gyroskop basiert auf der Anwendung von Kreiselerkenntnissen

Bereits seit 1817 ist das Gyroskop und seine besonderen Lage-Eigenschaften bekannt.

Gyroskope

Das deutsche Wort für Gyroskop ist Kreiselinstrument. Der Name ist insofern passend, weil in einer festen Vorrichtung ein Kreisel rotiert. Diese Vorrichtung kann unterschiedlich geartet sein und entweder als einfacher umschließender Käfig, wie zum Beispiel bei Kinderspielzeugen üblich, ausgearbeitet sein, oder auch in komplexen Anordnungen, wie ein Kardanischen Aufhängung. Gyroskope sind geschlossene Systeme, die einen Drehimpuls aufrecht erhalten, sprich im Vakuum und unter Auschluss von Reibung endlos in gleicher Lage rotieren würden. Klingt jetzt erst mal noch nicht spannend, aber ein Gyro eignet sich dabei zwei Eigenschaften an, die ihn besonders machen.

  • Die Kreiselträgheit verursacht, dass ein sich drehender Kreisel immer in der gleichen Rotationsachse bleibt
  • Die Kreiselpräzision bewirkt, dass eine von außen auf die Kreiselachse wirkende Kraft sie nicht in Richtung dieser Kraft verschiebt, sondern in einer dazu senkrechten Richtung

Gerade die Kreiselpräzision klingt jetzt erstmal kompliziert, ist es aber eigentlich nicht. Stupst man einen Kreisel horizontal bei seiner Bewegung an, so fällt er nicht einfach um, sondern er fängt das Taumeln an. Eine Eigenschaft, die man mit jedem Kinderspielzeug selbst überprüfen kann. Der Kreisel fällt nicht einfach um, weil er eben präzessioniert.

Weitere Erkenntnis von Kreiseln: je größer der Drehimpuls, desto stärker wirkt auch die Kreiselträgheit und die Kreiselpräzision. Auch das haben viele an Gyroskopischen Handtrainern in den späten 90ern erfahren dürfen. Diese Spielzeuge wurden mit einem Band gestartet und dann wurde stückweise der Drehimpuls durch Drehen der Handgelenke immer weiter erhöht, bis zu einem Punkt, in dem die kleinen ballförmigen Trainingsgeräte nur noch mit äußerster Mühe in der Hand zu halten waren.

Doch zurück zur Grundidee des Gyroskops und seiner Verwendung als Lagesensor. Das Gyroskop beharrt in seinem Drehimpuls, folgt also in physikalischen Größen ausgedrückt der Massenträgheit und der Impulserhaltung des Dralls. Verändert sich nun die Lage des Raumes um den Kreisel oder das physikalische Bezugssystem so lässt sich dieser Bezug in einer Winkelstellung der Rotationsachse des Kreisels zum Bezugsrahmen und dessen physikalischer Rahmen messen. Hier kann man durchaus an den künstlichen Horizont in einem Flugzeug denken. Dreht sich das Flugzeug in einer Fassrolle, so zeigt das Kreiselinstrument immer noch in Richtung der auf sie wirkenden Erdanziehung. Aus Sicht des Kreisels dreht sich also das Flugzeug einmal um den Kreisel herum.

 

Der künstliche Horizont zeigt Vor- und Hecklastigkeit, sowie Neigungen eines Flugzeuges.

In jedem Flugzeug befindet sich der künstliche Horizont. Er zeigt dem Piloten die Lage des Flugzeugs relativ zur Erde an.

Im inneren des künstlichen Horizontes befindet sich einzig ein Gyroskop. Dessen Rotation wird elektrisch angeregt und wirkt so gegen Reibungs-Verluste und Widerstand. Das Gyroskop kann in seiner Aufhängung frei schwingen. Es ist in der Instrumenten-Tonne auf einer horizontal drehbaren Achse befestigt, die wiederum selbst in der Tonne frei drehen kann. Ein andere Hebelvorrichtung ist mit der Sichtscheibe, also mit der Instrumenten-Vorderansicht verbunden. Über die Rotationsachse wird nun die Neigung des Flugzeuges über die Flügel sichtbar. Und über den Hebelarm der Anstellwinkel des Flugzeuges. Der sich drehende Kreiselkörper behält ja seine Ausrichtung zur Erdanziehung stehts bei.

Die Neigung eines Flugzeugs wird über den Bezug zu einem Gyroskop für Piloten sichtbar.

Hinter dem künstlichen Horizont befindet sich eine Tonne mit einem in Drehrichtung aufgehängten Gyroskop.

Neben den einfachen mechanischen Anzeigen, gibt es heute sehr ausgefeilte elektronische Verbesserungen. Ein guter Beitrag zu Gyroskopen in der Luftfahrt zeigt dieser Lehrfilm der US Navy aus den 60er Jahren.

Weiter geht es mit der Anwendung der Prinzipien auf moderne Drehratensensoren im zweiten Teil dieses Grundlagen-Beitrags.

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