Giroskooppi

Giroskooppi on laite, joka mittaa tai ylläpitää kulmanopeutta ja suuntaa hyödyntämällä pyörivän roottorin ominaisuuksia. Se koostuu yleensä nopeasti pyörivästä massasta (roottorista), joka on kiinnitetty nivelillä (gimbleilla) rakennettuun kehikkoon, jolloin roottorin akselin suuntaa voidaan rajoittaa tai seurata suhteessa ulkoiseen tilaan.

Perusperiaate perustuu kulmanmomentin säilymiseen. Kun ulkoinen vääntö vaikuttaa roottorin akseliin, akseli ei reagoi suoraan vääntöön, vaan sen suunta pyrkii muuttumaan kohtisuoraan vääntömomentin suuntaan, mikä ilmenee precessionina. Salla L = Iω kuvaa roottorin kulmanmomenttia, ja ulkoinen vääntö τ aiheuttaa precession nopeuden Ω = τ/L. Tämä mahdollistaa sekä kulman suunnan mittaamisen että sen ylläpitämisen vastustamalla muutoksia sen suunnassa.

Tyyppejä on useita. Perinteisiä mekaanisia gyroskooppeja on käytössä, mutta on myös pienikokoisia MEMS-gyroskooppeja (microelectromechanical systems), sekä optisia gyroskooppeja, kuten fiber-optic ja ring-laser -tyyppisiä laitteita. MEMS-gyroskoopit ovat yleisiä älylaitteissa ja pienelektroniikassa, kun taas optiset ja suuritehoiset gyroskoopit käytetään tarkemmassa inertiaalisessa navigoinnissa ja avaruustekniikassa.

Käyttökohteita ovat inertiaalinavigointi lentokoneissa, laivoissa ja avaruusaluksissa, autopilotit, stabilointi elokuvakameroissa sekä älypuhelimien ja pelilaitteiden orientaation mittaus. Gyroskoopit yhdistettynä kiihtyvyysantureihin muodostavat useimmiten inertiaalisen mittausyksikön (IMU), jonka avulla voidaan määrittää laitteen liike- ja kulkusuunta-ajanjaksot silloinkin, kun vertailupistettä ei ole käytettävissä.

Historia ulottuu 1800-luvulle, jolloin gyroskoopin käsite havaittiin osoittamaan Maan pyörimistä. 1900-luku toi kehittyneet mekaaniset ja sähköiset gyroskoopit navigointiin ja stabilointiin, ja viimeaikaiset MEMS- ja optiset gyroskoopit tekevät gyroskooppiajattelusta arkipäivää monissa laitteissa.