На сегодняшний день человечество придумало множество различных моделей компасов. Они отличаются не только по устройству, но и по принципу работы. То, как работает, например, магнитный компас, сильно отличается от принципа действия компаса в смартфоне и телефоне, хотя в общем конечный результат их действия — показания — будут сходными.
Механические компасы — все они работают по одному принципу.
Каждая модель имеет свои достоинства и недостатки, благодаря чему под каждую конкретную ситуацию можно подобрать наиболее подходящий прибор.
Для примера рассмотрим принцип действия некоторых видов компасов.
Магнитный компас
В магнитном компасе основной элемент — магнитная стрелка — располагается вдоль силовых линий магнитного поля Земли — естественного гигантского магнита — и указывает на ее полюса.
Стрелка такого компаса выравнивается по направлению магнитных линий Земли.
Благодаря тому, что магнитные полюса находятся вблизи географических полюсов, на большей части поверхности Земного шара можно использовать магнитный компас для нахождения приблизительного направления на истинный север или юг, а по ним определять и все остальные стороны света.
Разница между географическим и магнитным полюсом
После того как мы получили более или менее точный угол отклонения стрелки компаса от северного направления, пришло время устранить еще одну проблему. Дело в том, что магнитный и географический полюсы на нашей планете, сильно различаются, в зависимости от того, где мы производим измерение. Другими словами, «север» на который показывает ваш походный компас, совсем не тот север где льды и ,белые медведи.
Для нивелирования этих различий, к показаниям датчика необходимо прибавить (или вычесть) определенный угол, называемый магнитным склонением. Например, в Екатеринбурге магнитное склонение имеет величину +14 градусов, а значит измеренные показания магнитометра следует уменьшить на эти же 14 градусов.
Для того чтобы выяснить магнитное склонение в ваших координатах, можно воспользоваться специальным ресурсом: https://magnetic-declination.com/
Электронный (цифровой) компас
В этом виде компаса показания также определяются направлением магнитного поля Земли, однако в данном случае работает не стрелка, а специальное электронное устройство (магнитный датчик).
Такой компас не зависит от спутников и их видимости.
В отличии от магнитного компаса, это устройство потребляет электроэнергию от переносного аккумулятора или батареек.
Здесь стоит отметить, что цифровым компасом также иногда называют спутниковым, что не совсем верно. О спутниковом расскажем чуть позже.
Принцип работы цифрового компаса
В связи с широким распространением мобильной платформы android и gps чипов в составе конечных продуктов в частности, я заинтересовался идеей работы цифрового компаса, вокруг которого сейчас возникает так много вопросов. Итак, рассматриваемый нами объект представляет собой компас, в основу которого положен принцип построения на определении координат, с использованием спутниковых навигационных систем. Однако в практике встречаются случаи, когда компас имеет в своем составе в качестве приемника блок магниторезисторов(принцип изменения сопротивления от положения объекта в абсолютном пространстве) или элементов Холла. Элементы Холла же строятся на основе микромеханических систем, высокочувствительных к изменению магнитного поля в конкретном случае изменение распределения зарядов на кремниевой пластине под влиянием магнитного поля Земли. Приборы на магниторезисторах и элементах Холла олицетворяют собой компас в его классическом виде, как автономный измерительный инструмент, в отличие от систем «собирательного» типа, входная информация для которых поступает непосредственно в виде спутникового сигнала. В итоге системы, завязанные на внешнем источнике информации в сущности являются приборами с индикацией путевого угла в виде компаса.
Так как на практике мы имеем дело чаще всего с определением местоположения и направления посредством именно навигационных систем, примером тому хотя бы android с его приложением google maps, далее приведится принцип работы алгоритма именно такого случая использования: 1. По сигналам со спутников снимаем показания координат приёмника системы спутниковой навигации (и, соответственно, объекта) 2. Засекаем момент времени, в который было сделано определение координат. 3. Выжидаем некоторый интервал времени, достаточно короткий для более качественных результатов. 4. Повторно определяется местоположение объекта. 5. Решается простейшая навигационная задача вычисления вектора скорости движения из полученных координат двух точек и размера временного интервала, после чего, зная вектор, мы с легкостью получаем: а) направление движения б) скорость движения 6. Осуществляется переход к шагу 2.
Как видим, работа алгоритма обеспечивается циклично и отправной точкой для начала следующего вектора будет служить конец направляющего вектора за последний временной интервал. Недостатки этого метода, в применении цифрового компасирования: если объект неподвижен в абсолютном пространстве, направление движения узнать не получится, точки фиксирования координат совпадают в данном случае. Как исключение достаточно большие объекты (например, крупные морские суда), где возможно установить 2 приёмника (например, на носу и корме). Таким образом, координаты двух точек можно получить сразу, даже если объект неподвижен, и перейти к пункту 5. Так же надо брать во внимание точность определения координат спутниковыми системами позиционирования и её влияние на тихоходные объекты, вследствие разброса ошибок определения местоположения.
Электромагнитный компас
Этот прибор также ориентируется на магнитное поле Земли, однако для того, чтобы он начал работу, необходимо движение его в пространстве. Ведь именно перемещение в магнитном поле рамки с обмоткой — основной детали электромагнитного компаса — генерирует электрический ток, который, в свою очередь, отражается в виде показаний на приборах, по которым и происходит сверка направления движения транспорта с заданным курсом.
Благодаря этой конструкции, данный прибор нечувствителен к магнитным девиациям, связанным с деталями транспорта, на котором он установлен. Однако для ориентирования по электромагнитному компасу обязательно нужно находиться в движении, ведь стоя на одном месте, электрические токи в катушках возникать не будут, а значит и замерять приборам будет нечего.
Радиокомпас
В радиокомпасе направление определяется не по магнитному полю, а по сигналу от радиостанции, местоположение которой известно заранее. На фото показан пример такого компаса, снятого с панели самолета:
Радиокомпасы нашли широкое применение в авиации, однако обладают рядом недостатков, связанных с возникновением больших ошибок в измерениях (более десятка градусов) из-за искажения радиосигнала. Сегодня их все чаще заменяют другими приборами для навигации, например, GPS-навигаторами.
Спутниковый компас
Спутниковый компас работает, получая сигналы от спутников. Такой прибор показывает направление на истинные полюса, то есть на географический север и географический юг.
Такой компас не будет работать в помещении или под землей, что ограничивает область его применения.
Показания этого компаса не зависят от магнитной аномалии и девиаций, однако он не будет работать, если сигнал спутника пропадет, либо закончится заряд источника электропитания. Именно такие устройства встроены в современные телефоны и смартфоны, и на том же Айфоне компас работает, принимая сигнал от спутников и указывая направления на разные стороны света. В большинство смартфонов изначально вшит GPS-приемник для расширения его функционала, а получая данные о местоположении телефона очень просто указать направления по сторонам света.
Тестирование работы компаса
Поскольку мы используем плату Arduino pro mini нам будет необходим какой-нибудь внешний программатор чтобы загрузить в нее программу. Мы использовали в качестве программатора плату FTDI. После загрузки программы в плату Arduino вы увидите что в нашей собранной схеме загорится один из светодиодов – он будет указывать на север.
После этого вы можете изменять ориентацию платы и наблюдать как меняются горящие светодиоды. Более подробно все эти процессы вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи. Вы также можете наблюдать как компас будет показывать неправильное направление на север если рядом с ним находится тяжелый металлический предмет или если вы будете вращать плату вдоль оси Z. Эти трудности в работе компаса можно преодолеть, но это уже материал для другой статьи.
Лучший компас для туризма
Для туризма наиболее подходящими можно считать три варианта — магнитные, электронные и спутниковые компасы — из-за их компактности. Однако, давайте разберемся, какой же вариант наиболее подходит для многодневного пребывания в дикой природе в экстремальных условиях.
Электронные и спутниковые компасы используются в новейших средствах связи — мобильных телефонах, смартфонах, айфонах, планшетах, а также в часах, что делает их постоянными спутниками современного человека. А это значит, что с большой долей вероятности такой прибор окажется при владельце, если тот попадет в аварийную ситуацию вдали от цивилизации. В этом большой плюс таких устройств.
Из всех приборов, которые всегда под рукой у человека, первый — телефон, и зачастую на нем имеется и GPS с функцией компаса.
Однако электронный компас проигрывает обычному магнитному, ведь для определения тех же магнитных полюсов в электронном варианте нужен источник электроэнергии, а в случае поломки электрический компас вряд ли удастся починить в условиях дикой природы. В то же время простой магнитный компас не нуждается в питании электрическим током и его можно быстро сделать из подручных средств.
Ну, а спутниковый компас в современном средстве связи — хоть вещь и нужная, но все же менее удобная, чем навигатор. Лучше установить на телефон не компас, а навигатор, который не только сориентирует владельца по сторонам света, но и сможет указать точное местоположение его на карте.
Раз уж такое функциональное устройство есть под рукой, ограничиваться только функцией компаса на нем не рационально.
Тем не менее, и в этом случае такое средство навигации будет обладать тем же недостатком, что и электронный компас, — зависимостью от электроэнергии и невозможностью ремонта в случае поломки. А ведь поломка может наступить в том числе и от падения или намокания телефона, если только он не оснащен специальной защитой, которой на большинстве телефонов нет.
Плюс такого цифрового компаса заключается также в его миниатюрных размерах и устойчивости к магнитным девиациям.
Кроме того, сигнал от спутника в некоторых случаях попросту не дойдет до устройства-приемника, что может привести к возникновению чрезвычайной ситуации. Например, в пещерах или катакомбах, где можно легко потеряться, использовать спутниковый компас не получится: не будет сигнала от спутника.Поэтому из всего разнообразия компасов на первое место все же нужно вынести магнитный, благодаря простоте его устройства и независимости от электропитания.
Далее разберемся в работе магнитного компаса — наиболее универсального и популярного устройства навигации в среде туристов, охотников и других людей, чья деятельность связана с пребыванием в дикой природной среде.
Оптимизация использования ресурсов компьютера
При работе с большими сборками должна быть обеспечена оптимизация использования ресурсов компьютера за счет:
- специальных настроек КОМПАС-3D, снижающих затраты ресурсов компьютера;
- использования неполной загрузки сборки, которая позволяет освободить ресурсы компьютера и ускоряет тем самым работу с моделями больших сборок.
1.1. Настройки трехмерного редактора для работы с большой сборкой
1) При работе с большими сборками нужно использовать режим упрощенного отображения — это ускорит сдвиг и поворот модели. Настроить режим упрощенного отображения (Настройка → Параметры… → Система → Редактор моделей → Упрощения) следующим образом.
- В диалоге настройки упрощения компонентов уменьшить уровень детализации.
- В диалоге прочих настроек режима упрощенного отображения включить все опции. По умолчанию режим упрощенного отображения модели включен; также включены все опции в диалоге прочих настроек режима упрощенного отображения.
2) Понизить значение качества сглаживания изображения (Настройка → Параметры…→ Система → Редактор моделей → Управление изображением). Выбрать значение Низкое или Без сглаживания.
3) Выключить все опции в диалоге настройки изменения ориентации (Настройка → Параметры… → Система → Редактор моделей → Изменение ориентации). Это позволяет исключить дополнительные повороты и масштабирование модели.
4) Убедиться, что опция Отображать у компонентов доступ Только чтение в диалоге настройки прав доступа отключена (Настройка → Параметры… → Система → Файлы → Установка прав доступа). При включенной опции увеличивается время открытия файла модели в связи с выполнением проверки на наличие у компонентов атрибута «только чтение».
5) Чтобы сократить время перерисовки модели после сдвига или поворота, выполнить следующую настройку.
- С помощью команд меню Вид → Скрыть отключить отображение вспомогательных объектов сборки, которые не нужны для работы (в первую очередь, резьб). Отображение в сборке большинства вспомогательных объектов компонентов отключено по умолчанию. При необходимости можно отключить отображение остальных объектов с помощью команды Скрыть в компонентах меню Вид.
- Отключить режим отображение «Полутоновое с каркасом», включить «Полутоновое».
6) Чтобы быстро восстанавливать часто используемые положения модели, сохранить их как пользовательские ориентации.
7) Увеличить период автосохранения (10 минут или более) или вообще отключить (Настройка → Параметры…→ Система → Файлы → Автосохранение).
Более подробно о настройках трехмерного редактора для работы с большими сборками написано в Справке КОМПАС-3D, п. Настройки трехмерного редактора для работы с большой сборкой.
1.2. Настройки для ассоциативных чертежей большой сборки
Чтобы ускорить построение в чертеже ассоциативных видов сборки, перед их созданием можно выполнить следующую настройку в диалоге параметров нового вида для текущего чертежа (диалог вызывается командой Настройка → Параметры… → Текущий чертеж → Параметры документа → Вид):
- на вкладке Параметры отключить опции Скрытые и Библиотечные,
- на вкладках Линии и Элементы оформления отключить все опции.
Описанная настройка позволит получить в чертеже только линии видимого контура модели.
Изображения обозначений резьбы, а также скрытых и библиотечных компонентов можно включить на завершающей стадии работы с чертежом. Включение обозначений резьбы производится на вкладке Элементы оформления Панели свойств при редактировании вида; включение изображений компонентов — с помощью команды Показать из контекстного меню этих компонентов в Дереве чертежа.
Отображение невидимых линий, линий переходов и линий сгиба можно включить на вкладке Линии Панели свойств во время редактирования вида. Однако, при работе со сборками, содержащими более 1000 деталей, не рекомендуется включать передачу в вид невидимых линий — это приведет к значительному увеличению времени создания и перестроения видов.
Более подробно о настройках для ассоциативных чертежей большой сборки написано в Справке КОМПАС-3D, п. Настройки для ассоциативных чертежей большой сборки
.
Параллельная обработка видов
Для создания и перестроения одновременно нескольких ассоциативных видов необходимо в настройках КОМПАС-3D активировать опцию Разрешить параллельную обработку (Настройка → Параметры… → Система → Общие → Управление системой).
Включение параллельной обработки видов имеет смысл, только если компьютер работает под управлением 64-разрядной ОС и оснащен многоядерным процессором с достаточным количеством оперативной памяти (от 8 ГБ).
Лучшие статьи : 10 способов, как помочь дикой природе и животным
Работа с магнитным компасом
Магнитный компас помогает определить направление на магнитные север и юг, а также направление на выбранный объект относительно направления на север — азимут.
Поскольку магнитный компас реагирует на любое магнитное поле, то в большинстве случаев его стрелка указывает не на магнитные полюса Земли, о которых мы говорили здесь, а в сторону от них.
Это в первую очередь связано с магнитными девиациями, которые вызываются находящимися рядом намагниченными объектами.
Единственный способ снизить магнитные девиации в туристическом компасе — находиться на достаточном расстоянии от магнитных предметов (например, ножа, мобильного телефона или другого компаса), объектов (например, машины, самолета или судна) и источников электрического тока (например, линии электропередач). Хотя на морских судах магнитные девиации, связанные с деталями самого судна, устраняются с помощью специальных систем, оснащенных магнитами.
Также существуют области, в которых силовые линии магнитного поля Земли сильно отклоняются от подобных линий в соседних областях. Такие районы называются магнитными аномалиями. Стрелка компаса в этих областях также «врет».
Стоит заметить, что вблизи географических полюсов Земли, как в северном, так и в южном полушарии, в наше время компас может давать большие ошибки, вплоть до 180°, то есть самую большую ошибку из гипотетически возможных.
Я не зря сказал, что именно в наше время. Дело в том, что местоположение магнитного полюса (как южного, так и северного) непостоянно. Во-первых, на данный момент магнитные полюса не совпадают с местоположениями географических полюсов, а во-вторых, местоположение магнитных полюсов меняется со временем, причем движется непредсказуемо, изменяя как направление движения, так и скорость. Поэтому нельзя исключать возможности, что рано или поздно в какой-то момент времени оно совпадет с положением одного из географических полюсов Земли.
Магнитные полюса за всю историю Земли неоднократно диаметрально меняли свое местоположение, то есть вблизи северного географического полюса в разные времена был как северный магнитный, так и южный магнитный полюс.
Кроме того, из-за близости географических полюсов к магнитным полюсам в измерениях с помощью магнитного компаса могут возникнуть трудности по той же причине, по которой они возникают на самих магнитных полюсах.
В точках на земной поверхности, соответствующих магнитным полюсам Земли, магнитный компас не будет работать, поскольку силовые линии магнитного поля Земли в этих областях направлены строго вертикально. Точнее, работать-то он будет, но только, если его повернуть набок — магнитная стрелка в этом случае займет строго вертикальное положение, то есть как раз вдоль магнитных линий Земли.
Как определить стороны света
Механизм компаса прост и гениален — намагниченная стрелка, помещенная в корпус под прозрачным стеклом в центр циферблата (лимба), при отпущенном со стопора состоянии северным хвостиком покажет северный полюс, а южным, соответственно, полюс южный. На лимб нанесены обозначения сторон света при помощи букв. Если прибор отечественный, то буквы будут взяты из русского алфавита, если же приспособление произведено не в нашей стране — то согласно, международных обозначений, латинскими.
Лимб обладает круговой шкалой, равной 360 градусом, которая разделена 4-мя одинаковыми секторами, с увеличением по ходу часовой стрелки. Величина шага шкалы у отдельного прибора может быть разным, впрочем, в любом случае любое из направлений света очерчивается определенными градусами:
- север имеет обозначение 0 градусов,
- юг — 180 градусов,
- восток — 90 градусов,
- запад — 270 градусов.
Определять по прибору стороны света довольно просто, но чтобы механизм указал правильное направление, требуется соблюсти ряд простых правил.
Прибору необходимо придать точное горизонтальное расположение — для этого его или кладут на ровную поверхность, или держат открытой ладонью несколько ниже уровня груди.
Вблизи не должно находиться магнитных помех, таких как:
- скоплений металла,
- железнодорожного полотна,
- линий электропередач,
- а также иных подобных помех.
Если эти требования не будут соблюдены, то стрелка покажет ошибочное направление.
Как только компас получит верное положение, потребуется освободить арретир, играющий роль тормоза или стопора.
Отпущенная стрелка, поколебавшись, займет твердое положение, когда специально отмеченный северный кончик укажет север, а противолежащий покажет юг.
После этого необходимо совместить кончики стрелки с обозначениями сторон света, нанесенными по лимбу.
Для того чтобы на местности определиться с маршрутом, необходимо правильно подобрать нужное направление пути, соответствующее нужной части карты или абриса.
Лучшие статьи : Сколько пресной воды на Земле?
Неисправность компаса
Давать неправильные показания может и неисправный компас, поэтому перед тем, как отправиться в путешествие каждый взятый с собой прибор нужно проверить на исправность.
Для этого к компасу сбоку подносится намагниченный предмет, например, нож, пока стрелка компаса не отклонится в сторону. После того, как объект, вызывающий магнитную девиацию, будет устранен, стрелка должна вернуться в прежнее положение. То же самое необходимо проделать, поднося намагниченный предмет с другой стороны.
Если стрелка после всех манипуляций вернулась на прежнее место, такой компас будет работать правильно. Если же не вернулась, то таким компасом пользоваться нельзя: он неисправен.
Работает ли магнитный компас за пределами Земли
Многие звезды, планеты и их спутники обладают магнитным полем, однако зачастую магнитное поле настолько слабо, что не способно повлиять на стрелку магнитного компаса. Более же чувствительные приборы улавливают даже столь незначительное проявление магнетизма, но сейчас речь не о них.
Так, например, на Луне скорее всего не удастся использовать магнитный компас для ориентирования, поскольку магнитное поле Луны очень слабо.
То же самое касается открытого космоса на большом удалении от небесных тел. Здесь магнитные поля, как правило, настолько малы, что не способны сдвинуть стрелку магнитного компаса с места.
Последнее утверждение справедливо только для магнитного компаса, находящегося вдали от бороздящего просторы космоса космического корабля. На МКС показания компаса целиком будут зависеть от магнитных девиаций, вызванных исключительно деталями самой космической станции.
С другой стороны, не стоит забывать, что даже на тех планетах, где магнитное поле не меньше, а то и больше, чем на Земле, магнитные полюса периодически меняются местами, и направление на магнитный полюс с большой вероятностью не совпадет с направлением на географический полюс. В принципе, как и говорилось ранее, у Земли та же «беда», и то, что мы имеем возможность сегодня использовать магнитный компас для приблизительного определения направления на географические полюса, можно сказать — просто счастливое совпадение.
Таким образом, говоря о магнитном компасе, как об основном средстве навигации для туриста, всегда нужно помнить об ограничениях в его работе, которых, к счастью не так много. В большинстве случаев магнитный компас при корректном его использовании поможет людям сориентироваться в пространстве, при наличии карты — определить свое местоположение, а также найти направление для дальнейшего движения, в том числе и для того, чтобы в аварийной ситуации наиболее быстро выйти к людям.
Если же в аварийной ситуации у человека не оказалось ни навигатора, ни компаса, ни металлических предметов, из которых можно было бы его изготовить, тогда остается ориентироваться по так называемому солнечному компасу — гномону.
Автор: Максим Чечетов
Ориентирование на местности по компасу
Перейдем к практическим вопросам – использованию компаса в походных условиях. Допустим, вы обнаружили на карте интересный географический объект и хотите добраться до него. Сначала нужно определить азимут.
- Определите по карте свое местоположение.
Проведите из этой точки линию вертикально вверх, это направление на север.
Установите на карту компас, чтобы его центр лежал на точке вашего пребывания, а буква С (или N) – на проведенной черте.
Поворачивайте карту, пока стрелка компаса не совпадет с направлением на север (не забудьте отпустить тормоз).
Глядя через прорезь на мушку, поверните верхнюю часть компаса, чтобы желаемый объект попал в «прицел».
Осталось посмотреть, на какое значение смотрит стрелка указателя. Если она находится между двумя цифрами, возьмите меньшую величину; затем сосчитайте количество делений от числа до стрелки. Поскольку каждое из них соответствует 5⁰, умножьте полученное количество на пять и прибавьте к величине, прочитанной на шкале.
- Установите компас на твердую поверхность. Если поблизости нет подходящих по высоте камней, пней и подобных предметов, используйте стоящий на земле рюкзак. Можно установить азимут и держа прибор в руках, но это создаст дополнительные сложности.
Отпустите тормоз и совместите синий конец стрелки с буквой С (или N).
Поставьте указатель на значение азимута.
Смотрите через прорезь на мушку и выберите ориентир.
Можно отправляться в путь. Достигнув ориентира, достаньте компас и определите следующий. Продолжайте, пока не придете в нужное место.
А если вам по душе отдых на природе не пропустите наше описание кемпингов.
- Расположите прибор так, чтобы синий конец стрелки смотрел на букву С (или N).
Вращая верхнюю часть, направьте мушку на место стоянки.
Запишите значение азимута на случай, если указатель собьется.
Двигаясь в облаке, держите компас перед собой, следите, чтобы северный конец стрелки совпадал с буквой С, и идите в направлении, которое указывает визирное устройство.
Конечно, такой способ недостаточно точен, и лучше не попадать в подобные ситуации, но при необходимости можно им воспользоваться. Если расстояние невелико, мимо горы вы не пройдете, зато без компаса можете уйти неизвестно куда или кружить на одном месте бесконечно долго.
Если что-то осталось неясным или хотите закрепить материал, посмотрите видео о том, как пользоваться компасом:
3 комментария
Мне в свое время знание, как ориентироваться по компасу, помогло в тайге выбраться к людям. Просто уходя из лагеря, я сразу определил по компасу свое направление и продвигаясь придерживался высоких ориентиров, которые лежали на этой линии. Через двое суток я вернулся по компасу обратно к палаткам, где меня ждали взволнованные друзья.
Лучшие статьи : Эти маленькие липкие листья являются смертельной ловушкой для насекомых
честно скажу, по компасу я ориентироваться не умею, хотя в школе ходила в кружок «ориентирования на местности». конечно, какие-то знания остались и при желании можно напрячься и вспомнить. может понадобится когда-то, но с инструктором позанималась бы.
Для меня пользование компасом — только были игрой в школьные годы. Были уроки, на которых мы учились определять азимут, это для нас было очень интересно. Теперь доча ходит на туристический кружек кружек. Я считаю, что каждый должен уметь ориентироваться на местности.
