V poslední době je na trhu mnoho hraček, nejčastěji mikrovrtulníků, na jejichž krabicích je poznámka „gyro included“. Co je na gyru vlastně tak zajímavého a k čemu v modelech slouží?

Obsah:

Úvod
Princip činnosti gyra
Pracovní režimy gyra
Dálkové nastavení zisku
Gyro zevnitř

Princip mechanického gyra

Co je to vlastně gyroskop? Je to mechanické zařízení pro určení orientace v prostoru. Ještě lépe je gyroskop popsán na stránkách Wikipedie, ze které si dovolíme citovat:

Gyroskopy se v modelech začaly používat až v nedávné době, kdy se na trhu objevily piezo-gyro senzory. Před jejich nástupem sice gyra jako takové existovala a hojně se používala, ale jejich rozměry, hmotnost, složitost a nebo vysoká cena vylučovaly jejich použití v modelech. Piezogyra jsou ale malé, lehké a relativně levné, takže není divu, že jejich použití v modelech je na vzestupu.

Ze začátku se gyra dával do modelů vrtulníků, kde pomáhala řídit ocasní (vyrovnávací) rotor. Ušetřila tak pilotům mnoho nervů a problémů, vrtulník byl najednou ve vzduchu mnohem stabilnější. S postupem doby se gyra rozšířila z vrtulníků vyšších tříd i do jejich malých kopií a do dvourotorových strojů, které jsou samy o sobě stabilní již z principu. A aby toho nebylo mále, dnes již není problém se potkat s gyrem i v modelu letadla, případně auta. Gyra se šíří modelářskou branží a čím více lidí se s nimi setkává, tím více otázek vyvolávají. Na některé z těch nejčastějších se pokusíme zodpovědět.

Princip činnosti gyra

Pro vysvětlení principu fungování gyra se neobejdeme bez trochy fyziky a elektroniky. Z obojího bude třeba jen trocha, takže se není čeho bát. Piezo gyra využívají ke své funkci malý kousek hmoty, která buď kmitá a zjišťují se odchylky těchto kmitů od ustáleného stavu, nebo je naopak v klidu a zjišťuje se její posun, nebo ohyb. Na následujících obrázcích se podíváme, jak může být takové gyro sestavené.

Gyro uvnitř: v klidu

Na prvním obrázku je náčrt vnitřní konstrukce gyra, které leží v klidu na našem stole. V tomto stavu je gyro vždy po zapnutí a své inicializaci a právě na tomto stavu si popíšeme jeho základní bloky. Nejdůležitější částí je mechanická polovina gyra. V našem příkladu máme kousek pevné hmoty (označený jako základna), který je pevně spojen se zbytkem gyra. K této základně jsou na pružných závěsech další kousky hmoty. Takže jedinná věc, která se může pohybovat, jsou právě dva pohyblivé kousky hmot (nazveme je třeba „závaží“), která svými eventuálními pohyby působí na pružné závěsy, které je drží „ve vzduchu“. Poslední důležitou mechanickou částí jsou piezo-elementy. Jsou to malé kousky materiálu, který se vyznačuje piezo efektem (při jeho deformaci se generuje malé napětí, které je úměrné velikosti deformace materiálu). A právě napětí z piezoelementů je hlavní veličinou, která říká celému gyru, jak se pohybuje.

Elektronika je pak „relativně“ jednoduchá, alespoň co se týče našeho pohledu. Napětí z piezoelementů se přivádí na diferenciální vstupy operačního zesilovače (OZ). Pro jednoduchost si OZ představme jako nějakého hlídače, který pouze porovná napětí z piezočlenů a dále pošle informaci o tom, které je vyšší a o kolik. Takže informace, která je na výstupu OZ může přeneseně vypadat třeba jako „napětí na mém vstupu označeném jako + je vyšší, než napětí na mém vstupu – o 1 volt“. Je přitom úplně jedno, jestli jsou na vstupy přivedená napětí 10V a 9V. nebo 100V a 99V. Výstup bude říkat stále to samé: „rozdíl je jeden volt“. Samozřejmě u reálných piezosenzorů se nemůžeme bavit o napětí v řádech voltů, ta skutečná jsou mnohem menší. Pro ilustraci ale můžeme uvažovat i trochu jinak.

Informace o rozdílnosti napětí jde pak už jen do mikrokontroléru, který je v gyru a tento mikrokontrolér podle získané informace upravuje signál, který do něj přichází z přijímače a takto upravený signál posílá na svůj výstup, na který je pak připojeno servo, regulátor, případně další ovládané zařízení. Ovšem gyra mají většinou ještě jeden vstup, který slouží pro jejich dálkové řízení. Tomuto vstupu se říká zisk, nebo že řídí zisk a určuje, jak moc bude gyro ovlivňovat vstupní signál a jak moc ho bude upravovat v závislosti na informacích zístakých z piezosenzoru. U některých gyr tento vstup chybí a k nastavení citlivosti (zisku) slouží potenciometr. Případně, ikdyž gyro řídící vstup má, je také vybaveno potenciometrem pro řízení zisku. Je tam možné nastavovat gyro i bez dálkového ovládání.

Gyro uvnitř: přímočarý pohyb

Ale zpět k základní funkci gyra. Zatím jsme si popsali jen případ, kdy je gyro v klidu a nepohybuje se. Co se stane, když model, ve kterém je gyro rozpohybujeme. Pro první případ se bude náš model pohybovat přímo rovno (nebude nijak zatáčet) a bude postupně zrychlovat (například start letadla). Podívejme se, jak na tuto situaci zareaguje piezosenzor. Jeho základna se dá do pohybu a posune se kousek ve směru pohybu gyra. Pohyblivá „závaží“ na koncích pružných elementů ale ještě chvíli zůstanou na svém místě díky principu setrvačnosti. Působí na ně stejné síly a principy jako na řidiče auta při rozjezdu: je cítit, že je jeho tělo „tlačeno“ do sedačky tím víc, čím rychleji se rozjíždí (tělo má tendenci zůstat na svém místě a sedadlo jej „nutí“ se pohybovat). Stejný princip platí i v gyru: čím rychleji bude letadlo zrychlovat (čím větší změna rychlosti), tím více se „závaží“ odchýlí od své základní polohy.

Co se však stane s výstupem gyra? Nestane se vůbec nic, gyro přímočarý pohyb nezajímá. Základna se sice posune, což vyvolá ohyb pružných členů, na kterých jsou zavěšena závaží, ale výstup OZ se nezmění. Piezoelementy na pružných členech díky své deformaci sice změní napětí, které generují, ale oba dva členy jej změní stejně. OZ oznámí, že mezi napětími na svých vstupech není rozdíl a mikrokontrolér vstupní signál neovlivní. Po chvíli se i závaží dají do pohybu a vrátí se do své původní polohy, případně ještě překmitnou na druhou stranu (model přestal zrychlovat) a napětí na piezoelementech se opět změní. Ale zase se změní na obou stejně, takže na ně OZ nezareaguje.

Gyro uvnitř: rotace

V dalším příkladu se již začne něco dít. Řekněme, že se gyro otočí směrem, na který má reagovat. Dojde k pootočení závěsů, ale závaží v gyru zůstanou díky své setrvačnosti ještě chvíli v klidu. To způsobí ohyb pružných členů a samozřejmě také změnu napětí, která jsou generována piezoelementy. Vzhledem k tomu, že každý pružný člen se prohne na jinou stranu, piezoelementy budou generovat různá napětí. Na to OZ zareaguje a na svůj výstup předá informaci o tom, že napětí jsou rozdílná, které je z nich je vyšší a jak velký rozdíl mezi nimi je. Na to zareaguje mikrokontroler gyra a změní vstupní signál podle nastaveného zisku a právě informace z OZ. Ve chvíli, kdy se rotace gyra zastaví, tak se závaží budou ještě chvíli pohybovat díky své setrvačnosti, čímž se její pružné uchycení prohne nesouhlasně na druhou stranu. Piezoelementy vygenerují rozdíl napětí opačně a mikrokontrolér na to opět zareaguje a změní výstupní signál.

Jak je z vysvětlení funkce názorné, gyro jako takové reaguje jen na změnu rychlosti otáčení a to jen v jedné své ose. Při jakémkoliv přímočarém pohybu (je jedno, jestli konstantní rychlostí, zrychlovaném, nebo bržděném), nebo ustáleném rotačním pohybu (i kolem osy, na kterou má reagovat) do svého výstupu nezasahuje. Toto je třeba si uvědomit ve chvíli, kdy se pídíme po tom, proč to gyro nedělá to, co chceme. Možná není ani rozbité, jen ho špatně používáme.

Ikdyž je gyro v principu trošku složitější na pochopení, pro mnoho modelářů je doslova darem z nebes (vrtulnikáři ví, o čem je řeč). Gyro má své uplatnění ale i v jiných modelech: v letadlech pro jejich stabilizaci (na křidélkách, výškovce či směrovce), kde jak se říká „vypínají vítr“, nebo v modelech aut, kde podporují driftování.

Pracovní režimy gyra

Gyro jako takové má dnes většinou dva pracovní režimy. Jeden se nazývá normal, non-AVCS, rate mode apod. Druhý bývá označen jako AVCS, HeadLock a dalších pár málo používaných. Podívejme se pořádně na to, jak se v těchto režimech gyro chová.

Režim normal je starší a většinou jej „umí“ všechna gyra. Pokud je tento režim aktivní, korekční impulz gyra (jak moc ovládá k sobě připojené zařízení) je přímo úměrná okamžité hodnotě velikosti výchylky (rychlosti otáčení) a působí pouze po dobu, kdy tato výchylka trvá. Pro lepší představu použijeme model vrtulníku. Pokud provedeme jakýkoliv zásah do řízení, změní se reakční moment hlavního rotoru a vrtulník by se začal stáčet. Gyro tomu umí zabránit.

Gyro v režimu normal trpí jedním neduhem, kterému se říká „větrná korouhev“. Podobně, jako se větrná korouhev natáčí podle směru větru, stejně tak se natáčí i vrtulník s gyrem v režimu normal. Představme si visící vrtulník, na který začne působit boční vítr. Protože vítr působí hlavně na velkou plochu vyrovnávacího rotoru, vrtulník se natočí kabinou mírně proti větru, ale gyro tento pohyb zastaví. Mírné natočení je způsobeno tím, že gyro potřebuje určitý čas na to, aby zareagovalo. Protože korekce pracuje jen po dobu, kdy působí negativní výchylka, model své otáčení zastaví. Gyro si na chvilku myslí, že je vše v pořádku, ale vítr fouká stále. Model se proto zase o kousek pootočí. Celý děj se opakuje, dokud není vrtulník otočený kabinou proti směru větru.

Režim AVCS odstraňuje právě efekt větrné korouhve. Jedná se o modernější režim, který v dnešní době umí již většina dostupných gyr, ovšem v minulosti nebyla gyra s tímto režimem tak jednoduše dostupná. Gyro v režimu heading lock (heading = kurz, čili „kurz uzamčen“) nepůsobí proti větru pouze po dobu, kdy fouká, ale umí i vrátit ocas vrtulníku do původní polohy. Můžeme si jeho funkci jednoduše představit jako krabičku s pamětí. Ve chvíli, kdy je model něčím vychýlen ze svého kurzu (a není to pokyn z vysílače), gyro se pokusí otáčení zastavit. Přitom si „zapamatuje“ o kolik stupňů se model pootočil a po jeho zastavení se jej pokusí vrátit o stejný úhel zpět. Protože se ale vše děje velmi rychle, zdá se, že vrtulník má ocas stále stejným směrem, popřípadě jen velmi (ale opravdu velmi, téměř nepostřehnutelně) jemně kmitá.

Pokud zapojíme gyro mezi vysílač a servo (jak to chceme), dosáhneme stabilizace dané funkce. Nevýhodou ovšem je, že se pokyny z vysílače „perou“ s gyrem a tak se nám může ovládání zdát tupé, případně spomalené. I tento problém má několik řešení. To nejideálnější je, kdy gyro samo pozná, že kanál, ke kterému je připojené, ovládáme (např. porovnáváním šířky vstupních impulzů z přijímače) a v této chvíli samo sníží svůj zisk. Další možností je dynamické řízení zisku z vysílače. To ovšem předpokládá, že gyro je možné řídit na dálku (má dálkové ovládání zisku) a my máme vysílač, který má alespoň nějaké mixy. Potom se dá nastavit hodnoty kanálu pro řízení zisku gyra tak, ať se mění od maximální hodnoty, kdy je knipl ve středu po hodnoty minimální ve chvílích, kdy je knipl, kterým ovládáme kanál s gyrem v krajních pozicích. V případě, že není ani jedna možnost realizovatelná, je pouze na nás, ať si během provozu modelu uvědomíme přítomnost gyra a včas reagujeme při páčkování.

Dálkové nastavení zisku

Již na začátku článku byla řeč o dálkovém nastavení citlivosti (zisku) gyra. Většina modelářských gyr má podobný systém řízení, díky kterému je možno řídit jak vlastní zisk, tak i režim, ve kterém gyro pracuje. A právě toto spojení často dělá problémy při nastavování. Nejčastěji se zisk totiž nastavuje tak, že ve středu kanálu je nula a směrem ke krajům se zisk zvyšuje. Odchylka na jednu stranu znamená určitou hodnotu zisku v režimu normal a ta samá odchylka na stranu druhou znamená sice stejný zisk, ale v režimu AVCS.

Nejjednodušší vysvětlení je na příkladu, ke kterému použijeme vysílačku Spektrum. V ní se výchylky nastavují od -100 přes nulu až do +100 (případně 125 až 150, ale konečné číslo nebude hrát v příkladu roli). Pokud nastavíme na vysílači výchylku kanálu, na kterém máme gyro například na -30, znamená to, že gyro bude pracovat se ziskem 30 (záměrně neuvádíme žádné jednotky jako procenta a podobně, protože stejná hodnota může pro každé gyro znamenat něco jiného) v režimu normal. Pokud na stejný kanál nastavíme +30, znamená to, že gyro bude taktéž pracovat se ziskem 30, ale v režimu AVCS. Gyro vyřadíme z funkce (snížíme zisk na nulu) tím, že výchylku nastavíme na nulu.

Pokud vezmeme do ruky jinou vysílačku, ve které se výchylky na kanálech nastavují v rozmezí nula až sto (třeba v procentech), potom bude nastaveí probíhat jinak. Gyro bude vyřazeno z funkce při výchylce nastavené na 50 (polovinu možného intervalu). Při hodnotách pod 50 bude pracovat v režimu normal, při hodnotách nad 50 bude v režimu AVCS. Pokud bychom tedy chtěli stejné hodnoty, jako v případě prvním (pro Spektrum), budou výchylky postupně 35, 65 a 50 (pokud vezmeme v potaz, že naše vysílačka dělí celý interval na 100 dílů: 0 až 100, zatímco Spektrum na 200: -100 až +100).

Výše uvedené informace slouží jako příklad a ne všechna gyra se musí chovat stejně. Záleží třeba i na nastaveném reverzu na kanále gyra, případně na vlastní interpretaci informace gyrem. V každém návodu ke gyru by mělo být uvedeno, při jaké výchylce má nulový zisk a v jakých pásmech je jaký režim. Nejjistější ovšem je vše otestovat ještě před zabudováním do modelu.

Do nastavení reálného zisku gyra přes „dálkové ovládání“ může promlouvat i potenciometr, kterým se zisk řídí přímo na gyru. Použijme opět příklad, který vše snad vysvětlí. Předpokládejme, že potenciometr na gyru můžeme nastavit na hodnoty nula až sto. Pokud jej necháme na stovce, potom bude zisk nastavený na dálku reálně odpovídat zisku, se kterým pracuje gyro. Pro ilustraci s nějakýma hodnotama: Teoretický zisk gyra 100, zisk nastavený na potenciometru 100, dálkově nastaven zisk 50, gyro pracuje s reálnou hodnotou 50.

Problém může nastat ve chvíli, kdy potenciometrem nastavíme hodnotu jinou, než sto. Gyro se pak může zachovat různě. Může pracovat s reálnou hodnototu zisku 50 jako v předchozím případě (dálkové nastavení přebíjí nastavenou hodnotu), nebo může dojít k „součtu“ obou hodnot. Opět příklad s hodnotama: Teoretický zisk gyra 100, zisk nastavený na potenciometru 50, dálkově nastaven zisk 50, gyro pracuje s reálnou hodnotou 25. Jak je vidět, „sčítání“ může fungovat i tak, že dálkové řízení zisku omezuje jen interval, který je nastaven potenciometrem. V našem příkladu by to mohlo tedy znamenat 50% z 50ti %, takže ve výsledku právě těch 25. Nenechejte se tedy tímto chováním zmást a raději si vždy prověřte, s jakou hodnotou gyro vlastně pracuje.

Gyro zevnitř

Jak takové gyro může vypadat uvnitř? Podívejte se do galerie níže.

Nakoukneme pod pokličku jednoho z levnějších gyr.

Pohled na gyro po otevření jeho krabičky.

Detail umístění elektroniky v krabičce

Vše je na spojených třech deskách plošných spojů

Vnitřek gyra

Vnitřek gyra

Vnitřek gyra - toto je vlastní piezosenzor

Vnitřek gyra

Vnitřek gyra - všechny ovládací prvky na gyru