Гироскоп принцип работы: Гироскоп — Википедия – Как это работает: гироскоп

alexxlab 13.01.2021 Leave a comment

Содержание

Назначение гироскопических датчиков и системы их использования в современных навигационных системах

Эффективность и конкурентоспособность современных летательных аппаратов (ЛА) во многом определяется совершенством гироскопических датчиков первичной информации, на базе которых строятся навигационные системы и системы управления ЛА.
В настоящее время существует большое многообразие различных типов гироскопических датчиков, правильное применение которых обеспечивает необходимые эксплуатационные качества ЛА.
Каждому типу гироскопических датчиков можно найти оптимальную нишу применения. При выборе гироскопического датчика учитываются следующие его основные характеристики: точность, надежность работы, энергопотребление, габаритные размеры и стоимость. В зависимости от требований, предъявляемых к системам управления и навигационным системам, выбирается соответствующий тип гироскопического датчика.
Тем не менее, из всего многообразия датчиков можно выделить наиболее перспективные по указанным выше характеристикам. Это лазерные гироскопы (ЛГ), волоконно-оптические (ВОГ), волновые твердотельные (ВТГ) и микромеханические гироскопы (ММГ).
Основным их преимуществом является повышенная надежность работы из-за отсутствия быстро вращающихся роторов и карданных подвесов, минимальное потребление электроэнергии за счет реализации основных функциональных узлов на базе сервисной микроэлектроники и возможность повышения точностных характеристик путем математической обработки первичных сигналов датчиков в микропроцессорах.

Гироскопические датчики являются источниками первичной информации при построении пилотажных и навигационных систем летательных аппаратов.
В пилотажных системах они используются в основном в качестве датчиков угловых скоростей в цепях обратной связи автоматических систем управления. В навигационных системах — в качестве датчиков углового положения самолета или индикатора нулевого положения гиростабилизированной платформы. В качестве датчиков линейных ускорений используются акселерометры.
Рассмотрим некоторые схемы построения инерциальных навигационных систем на базе гироскопических датчиков. Основными задачами любой навигационной системы является определение местоположения летательного аппарата в географических координатах – долготы (λ) и широты (φ) местонахождения, скорости (υ) и высоты (h) полета, углового положения относительно своего центра тяжести в инерциальном пространстве – курса (ψ), тангажа (ϑ), крена (γ). На рис.1.1 и рис.1.2 показаны эти параметры, принятые в авиации.

Рис. 1.1 Углы ориентации самолета

Рис.1.2 Системы координат, в которых определяется положение летательного аппарата

На рисунках 1.1, 1.2: – географическая система координат, где ось ξ – совпадает с осью вращения Земли и направлена на Север; ось ς – лежит в плоскости экватора и проходит через Гринвичский меридиан; ось η – также лежит в плоскости экватора и направлена на Восток. – базовый сопровождающий трехгранник, относительно которого определяется угловое положение летательного аппарата, где ось X – направлена на Восток; ось Y – направлена на Север по меридиану; ось Z – по вертикали местности. – оси измерительного трехгранника инерциальной навигационной системы.

Инерциальные навигационные системы подразделяются на две большие группы – платформенные и бесплатформенные.
Независимо от типа навигационной системы информация о скорости полета летательного аппарата и пройденном пути находится из показаний акселерометров путем интегрирования их выходных сигналов – линейных ускорений . Однако достоверность этой информации зависит от точности определения положения осей чувствительности акселерометров относительно заданных в инерциальном пространстве базовых измерительных осей – осей инерциального сопровождающего трехгранника.
В платформенных навигационных системах заданное положение осей базового сопровождающего трехгранника достигается стабилизацией положения в инерциальном пространстве платформы, на которой установлены акселерометры. Необходимая стабильность положения обеспечивается системами автоматического регулирования трех рам карданова подвеса, в которых в качестве датчиков системы регулирования используются, как правило, механические двух или трехстепенные гироскопы с быстро вращающимся ротором, а в качестве исполнительного органа – датчики моментов (DM) соответствующих рам карданова подвеса.

Рис.1.3 Схема построения платформенной навигационной системы

Гироскопы устанавливаются на той же платформе, что и акселерометры (рис.1.3). Чем выше точность гироскопов, тем с меньшей погрешностью осуществляется стабилизация положения платформы, тем точнее определяются скорость и местоположение летательного аппарата.
Информация об угловом положении центра тяжести летательного аппарата снимается с трех датчиков угла , установленных по осям рам карданова подвеса.
В качестве примера рассмотрим стабилизацию положения платформы по одной из измерительных осей навигационной системы – по оси (рис.1.3). При повороте платформы под действием возмущающего момента вокруг оси ось гироскопа начнет прецессировать (поворачиваться) вокруг оси на угол ε. В датчике угла гироскопа появится напряжение рассогласования Uε, которое после усиления подается на моментный двигатель тангажной рамы. Последний создаст момент , под действием которого рама будет возвращаться в исходное положение. При этом ротор гироскопа начнет прецессировать в противоположную сторону до тех пор, пока Uε не станет равным нулю. Информацию об угле поворота летательного аппарата вокруг тангажной оси будем получать от датчика угла , установленного на оси рамы. Аналогичным образом осуществляется управление и определение курсового угла и крена по двум другим осям карданова подвеса.

Из представленной схемы видны основные недостатки платформенных инерциальных систем – большое количество механических вращающихся элементов, наличие аналоговых систем регулирования и, как следствие, невысокая надежность работы системы.
Появление и развитие гироскопических датчиков на новых физических принципах — ЛГ, ВОГ, ВТГ, ММГ, в которых отсутствуют быстро вращающиеся механические ротора, позволило перейти к созданию инерциальных навигационных систем повышенной надежности – бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС).

В БИНСах нет карданова подвеса, а роль стабилизированной платформы выполняет базовый сопровождающий трехгранник (рис.1.2), относительно которого определяется положение измерительных осей БИНС в процессе полета летательного аппарата.
В качестве гироскопических датчиков в БИНС используются три одноосных гироскопа и три акселерометра, которые жестко устанавливаются в блоке чувствительных элементов БИНС по трем ортогональным измерительным осям (рис.1.4). Блок чувствительных элементов, в свою очередь, жестко связан с корпусом летательного аппарата.

Рис.1.4 Измерительные оси блока чувствительных элементов БИНС

Гироскопы служат для определения углового положения измерительных осей блока чувствительных элементов относительно базового сопровождающего трехгранника, то есть углов крена, тангажа и курса летательного аппарата. Поскольку используемые в БИНС гироскопы работают, как правило, в режиме датчиков угловых скоростей, то для определения указанных углов их показания интегрируются . Показания акселерометров, как и в платформенных системах, служат для определения скорости движения летательного аппарата и пройденного им пути. С этой целью показания акселерометров также интегрируются .

Рис.1.5 Начальные углы выставки БИНС

Перед началом полета осуществляется выставка БИНС, то есть определение начального углового положение измерительных осей () относительно осей базового сопровождающего трехгранника () (рис.1.5). Величина этих углов заносится в бортовой компьютер и учитывается при определении углового положения самолета в процессе его полета.
Полное отсутствие механических вращающихся частей делает БИНС чрезвычайно надежной системой в эксплуатации, а использование высокоскоростной бортовой вычислительной машины позволяет повысить точность такой системы за счет алгоритмической компенсации погрешностей гироскопических датчиков, обусловленных колебаниями температуры окружающей среды и механическими воздействиями.

Но не зависимо от типа навигационной системы ее технические возможности определяются в первую очередь техническими характеристиками гироскопических датчиков.

В данном посте рассмотрена малая часть материала, представленная в книге к.т.н. Галкина В.И. «Перспективные гироскопы летательных аппаратов» ISNB 978-3-659-47948-9
В дальнейшем буду предоставлять еще немного информации из этой книги. Но тем кто заинтересовался и кому была полезна статья прошу выразить интерес в покупке книги.

Теоретическая часть Теоретические основы гироскопии

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра микро- и наноэлектроники

Отчет по лабораторной работе №3

«Гироскоп»

По дисциплине «Микроэлектронные датчики и сенсорные устройства»

Проверил: Выполнил:

доц. Родионов Ю. А. ст.гр.043301

Песков М.А

Минск 2012

Цель работы:

1) Изучение теоретических вопросов:

Теоретические основы гироскопии;
Классификация гироскопов;
Микромеханический вибрационный гироскоп;
Малогабаритный пьезоэлектрический вибрационный гироскоп;
Применение гироскопов;

2) Расчёт динамических характеристик гироскопа с учётом температуры.

Гироскоп (от др. греч. «вращение» и «смотреть») — это массивное тело, быстро вращающееся вокруг одной из своих главных осей инерции, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат.

Принцип действия гироскопов основан на фундаментальном законе сохранения угловых моментов (законе сохранения момента импульса): «Если результирующий момент всех внешних сил относительно неподвижной оси вращения тела равен нулю, то момент импульса относительно этой оси не изменяется со временем».

Прецессия – это изменение вектора момента количества движения гироскопа в результате воздействия на него внешних сил.

Главное свойство прецессии — безынерционность: как только сила, вызывающая прецессию, пропадёт, прецессия прекратится.

Если принять, что направление вектора момента количества движения совпадает с направлением оси вращения гироскопа, то прецессию можно наблюдать, если следить за осью гироскопа.

При свободном движении тела ось вращения не сохраняет своё положение в пространстве. А оси свободного вращения, положение которых сохраняется во время вращения тела (например, ось симметрии), называются свободными осями. Для каждого тела можно отыскать три взаимно-перпендикулярные оси, проходящие через его центр инерции и являющиеся свободными осями – это главные оси инерции тела.

Устойчивое вращение тела происходит только вокруг главных осей с экстремальными значениями инерции.

Соотношение главных осей инерции тела для различных тел вращения:

Одна из главных осей симметрии совпадает с осью инерции тела. Две другие главные оси тела лежат в плоскости, перпендикулярной оси симметрии и при любом занимаемом положении остаются взаимно перпендикулярными друг другу.

Если ось Z совпадает с осью симметрии тела, то при вращении тела вокруг главных осей инерции моменты инерции соотносятся между собой как:

I_x = I_y ≠ I_z

Шар имеет центральную симметрию, следовательно, любые три оси будут являться главными осями инерции, если они проходят через центр и взаимно перпендикулярны друг другу. Моменты инерции соотносятся между собой как:

I_x = I_y = I_z

Оси инерции проходят через центры его граней. Моменты инерции соотносятся между собой как:

I_x ≠ I_y ≠ I_z

Это соотношение также справедливо для тела произвольной неправильной формы.

Исходя из вышесказанного, можно дать следующее определение гироскопа:

гироскоп (волчёк) – это массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии (оси гироскопа).

Если ось гироскопа не поворачивается в пространстве, момент импульса направлен вдоль оси гироскопа и равен:

где I – момент инерции относительно оси гироскопа.

Из основного уравнения динамики вращательного движения следует, что:

где — результирующий вектор момента всех внешних сил, действующих на тело.

Для замкнутой (изолированной) системыравен нулю, следовательно, позакону сохранения момента количества движения:

Закон сохранения момента количества движения(момента импульса) может быть обобщен на любуюнезамкнутую систему тел: если результирующий (главный) момент всех внешних сил, приложенных к системе, относительно какой-либо неподвижной оси тождественно равен нулю, то момент импульса системы относительно той же оси не изменяется с течением времени.

Таким образом, основное свойство гироскопазаключается в сохранении неизменной оси вращения при равенстве нулю момента внешних сил. Данное свойство может быть продемонстрировано с помощьюкарданова подвеса.

ГИРОСКОП И ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ПИЛОТАЖНЫЕ ПРИБОРЫ | Авиация

Принцип гироскопа был успешно применен в авиации после нескольких лет опыта и изучения. Без этого прибора полеты при плохой погоде были бы невозможны.

Гироскоп состоит из маховика, вращающегося с большой скоростью. Когда он вращается вокруг своей оси, он быстро превращается из мертвого куска металла в очень живую и капризную деталь. Его главными свойствами становится тогда прецессия — способность сохранять положение своей оси в пространстве.

Рис. 227. Для опыта гироскоп устанавливается, как показано на рисунке. Он может поворачиваться вокруг трех осей: главной, вокруг которой он вращается, и двух других. Предположим теперь, что фигура, стоящая наверху гироскопа, как показано на рисунке, невесома. При таких условиях гироскоп будет вращаться, сохраняя в пространстве неизменное положение. Дадим небольшую тяжесть в руки воображаемой фигуры, тогда гироскоп начнет вращаться около своей вертикальной оси слева направо, вместо того чтобы повернуться вокруг горизонтальной оси, как этого можно было ожидать. Это

движение будет продолжаться, пока вращается гироскоп и пока действует сила тяжести. Если вращение гироскопа будет направлено в другую сторону и мы повторим тот же самый опыт, вращение вокруг вертикальной оси будет справа налево.

Рис. 228. Если мы приложим внешнее усилие к одному из концов горизонтальной оси, как показано на рисунке, то гироскоп начнет вращаться вокруг своей горизонтальной оси, увлекая за собой воображаемую фигуру, которая упадет вперед. При обратном же направлении вращения гироскопа фигура упадет назад вместе с гироскопом. Этот опыт, как и опыт, показанный на рис. 227, указывает на основное свойство гироскопа, на прецессию, заключающуюся в том, что гироскоп всегда изменяет положение своей оси, двигаясь под прямым углом к оси действия внешней силы.

Рис. 229. Гироскоп сохраняет свое положение в пространстве, а также и относительно земли, если он вращается в плоскости, совпадающей с плоскостью экватора. Ось вращения гироскопа направлена в этом случае к полюсам земли.

Рис. 230. Поместим вращающийся гироскоп опять на экватор, но на этот раз так, чтобы ось — вращения была направлена, как показано на рисунке, с востока на запад. При этих условиях гироскоп опять сохранит свое положение в пространстве. Однако, вследствие вращения земли, ось вращения гироскопа будет постепенно перемещаться по направлению к центру земли. Через 6 часов ось вращения будет направлена к центру земли. Через 12 часов она будет опять направлена слева направо. Такое перемещение будет продолжаться до истечения 24 часов, когда гироскоп сделает один полный оборот вокруг своей горизонтальной оси. Гироскоп в таком виде не может быть использован для каких-либо практических целей, так как он меняет свое положение относительно земли. Если бы самолет следовал по указаниям такого гироскопа, он летел бы сперва горизонтально, а затем его хвост начал бы обращаться все более и более к южному полюсу. Другими словами, как самолет, так и гироскоп сделали бы один полный оборот за 24 часа, что, может быть, и интересно, но, конечно, не имеет практического значения. Это указывает на важное свойство гироскопа — его способность сохранять постоянство положения своей оси в пространстве.

Рис. 231. Поэтому были найдены пути и способы для того, чтобы гироскоп сохранял положение своей оси вращения относительно земли, как показано на рисунке. Как это было достигнуто,

увидим дальше. Гироскоп с горизонтальной осью вращения применяется в гирополуком — пасе Сперри.

Рис. 232. На этом рисунке гироскоп опять находится в плоскости экватора, так что его ось вращения направлена рисі к центру земли. В данном случае получается то же, что и на рис. 230. Поэтому мы не можем применять гироскоп до тех пор, пока не заставим ось его вращения оставаться в одном и том же относительном положении, т. е. постоянно быть направленной в центр рис. земли, как это показано на

231. ’

следующем рисунке.

Рис. 233. Гироскоп, ось вращения которого направлена постоянно к центру земли, независимо от того, в какой точке земной поверхности он находится, представляет собой тип гироскопа, применяемого 0и„ в авиагоризонте Сперри. Это гі2- достигается, как будет объяснено ниже, специальной карданной подвеской и особой коррекцией.

Первые паровые машины не имели автоматически закрывающихся и открывающихся золотников; за их работой сле — Ряв. дил специальный человек, ко — 2JS — торый открывал и закрывал золотники вручную каждый раз, когда требовалось пустить пар в цилиндры. Маленький гироскоп на самолетах играет такую же роль, как автоматические золотники в паровой машине.

Рис. 234. Гироскопы, применяемые в этих приборах, так малы, что едва покрывают ладонь. Они весят 397 г и вращаются со скоростью 12 000 об/мин.

На рисунке показан гироскоп в увеличенном виде.

Гироскоп с горизонтальной осью вращения сохраняет свое постоянное положение относительно любого ориен — Рис. тира на земле. Самолет 234′ может повертываться вокруг гироскопа и может быть поставлен относительно него в разные положения по направлению; однако, самолет ставится гироскопом всегда в одно и то же положение относительно выбранного ориентира,— обычно северного полюса, указываемого компасом.

Рис. 235. Во время работы гироскоп с вертикальной осью вращения имеет только одно положение относительно земли, т. е. его вертикальная ось всегда направлена к центру земного шара. Поэтому, если в положении самолета относительно гироскопа будут боковые или продольные крены, как это показано в їй рис.

В, то они будут соответст — 235 вовать таким же изменениям положения самолета относительно земли.

Если мы хотим, чтобы гироскоп служил нашим целям, он должен быть статически и динамически уравновешенным с величайшей

точностью, иначе при вращении со скоростью 12 000 об/мин могут возникнуть совершенно нежелательные силы на цапфах его оси. Трение на обоих концах этой оси, поддерживающей гироскоп, доводится до величины, которой можно пренебречь, так что можно сказать, что вращение происходит без трения. Помнить об этом необходимо, так как отсутствие заметного трения в гироскопах должно поддерживаться с величайшей заботливостью при их эксплоатации.

Когда самолет поднимается в ясную погоду, то ориентировочной линией, по которой вы можете установить его положение относительно земли, является видимый естественный горизонт. Но если он закрыт туманом и облаками и невидим невооруженным глазом, то самолет можно вести с помощью искусственного горизонта таким же способом, как и при помощи естественного горизонта.

Рис. 236. Авиагоризонт Сперри. Вращающийся гироскоп помещен в кожух; его ось вращения вертикальна. Сила, вращающая

гироскоп, создается по принципу турбины напором воздуха, проходящего через маленькую трубку (трубку Вентури) (рис. 238). Пройдя через лопасти гироскопа, воздух выходит через четыре отверстия, расположенные на нижнем конце кожуха. Половина каждого из этих отверстий закрывается маятниковым клапаном, как показано на рис. рис. 236. Когда ось вращения гиро — г36′ скопа вертикальна, воздух выходит равномерно через все четыре отверстия. Но как только ось вращения гироскопа отклоняется от вертикального положения, соответствующий маятниковый клапан немедленно прекращает равномерный выход воздуха через выпускное отверстие (площадь всех четырех выпускных отверстий остается неизменной). Если из одного отверстия выпу-

Рис.

237. скается больше воздуха, то выхо-

142
дящая струя создает небольшую силу, действующую на нижнюю часть кожуха гироскопа; в силу этого возникает прецессия, т. е. вращение гироскопа начинает происходить вокруг оси, находящейся под прямым углом к приложенной извне силе, и тем самым его ось вращения опять устанавливается в вертикальном положении.

Ось вращения гироскопа не должна отклоняться от вертикали более, чем на четверть градуса до того, как отклонение начнет исправляться неравномерным выпуском воздуха.

Рис. 237. Гирополукомпас Сперри. Если самолет летит по прямой линии в спокойном воздухе, магнитный компас укажет нужный, правильный курс. Но если он летит в неспокойной атмосфере, магнитный компас может колебаться («рыскать’>). Тут приходят к нам на помощь более устойчивые показания гирополу — компаса. Повертывая кнопку, мы можем повернуть гироскоп вместе с картушкой в направлении, соответствующем направлению по компасу. Рекомендуется согласовывать показания гирополукомпаса с магнитным компасом каждые 15—20 минут полета.

Рис. 239—247. На этих рисунках изображены положения, как их видит находящийся в самолете. Заметьте положение самолета относительно естественного горизонта. Положение маленького самолета относительно авиагоризонта аналогично положению настоящего самолета относительно естественного горизонта.

Опыт учит нас, что аэронавигационные приборы на самолетах оправдывают себя лишь в тех случаях, когда их показания правильно учитываются.

Автопилот Сперри для автоматического управления самолетом, авиагоризонт и гирополукомпас указывают точное положение самолета относительно земли, равно как и направление его движения. Если в положении происходит какая-либо перемена, вы учитываете показания этих приборов и действиями рулей приводите самолет в желаемое положение. В автоматическом полете отсчеты упомянутых приборов передаются непосредственно сервомоторам, воздействующим на соответствующие органы управления так, как это делали бы вы сами.

из

рис. 239.—247,

Как мы теперь знаем, маленький быстро вращающийся гироскоп очень чувствителен. Поэтому мы и можем применять его для управления самолетом. Но сила гироскопа слишком мала по сравнению с силой, необходимой для управления самолетом.

Поэтому сила самого гироскопа для управления рулями не используется. Как мы знаем, гироскопы искусственного горизонта и полу — компаса удерживают свое постоянное положение не по отношению к пространству, а относительно земли. Когда самолет меняет свое положение, клапаны, выпускающие воздух, открываются и закрываются, — вот эти-то клапаны и приводят в действие сервомоторы, управляющие рулями и элеронами. Для ясности мы рассмотрим только работу элеронов, так как остальные два органа управления действуют таким же образом.

Рис. 248. Самолет в горизонтальном положении. Открыты оба отверстия А и Ах.

Действие отверстий будет объяснено ниже.

Рис. 249. Если самолет примет 248.’ положение, указанное на рисунке, он переместится относительно воздушных клапанов, и это заставит отверстие А закрыться. Если крен самолета будет меньше, то и клапан закроется частично. Как видите, поверхность гироскопа не связана с клапаном. Поэтому перемещение самолета и клапана относительно гироскопа не вызовет тре — 249.’

Гироскоп Сохраняет

• постоянное положение относительно земли

У’

‘ Управляемая *плоскость (элерон)

Рис. 250.

ния, которое могло бы приложить к гироскопу нежелательные внешние силы.

При первых попытках примерно. нить для автопилота принцип ги — 251′ роскопа Сперри засасывающая сила, необходимая для вращения гироскопа, получалась от трубки Вентури, один конец которой выставлялся вне самолета навстречу воздушному потоку. Эго приспособление, хорошо действовавшее при полете в хорошую погоду, отказывало в плохую, когда гироскоп был гораздо нужнее. Бывали случаи, когда трубка Вентури забивалась ледяной коркой или водой, что прекращало работу прибора.

В современных приборах вращение гироскопа происходит с помощью воздушной помпы, работающей от мотора самолета. Помпа действует только во время работы рис — мотора. На больших многомоторных транспортных самолетах применяется несколько помп, но так как для работы гироскопа достаточно одной, то остальные остаются в запасе. Тем не менее все это не избавляет от необходимости пользоваться трубкой

Вентури, как вспомогательным прибором на случай неисправности помп.

Гироскопы в значительной степени увеличили безопасность полетов и позволили современным самолетам летать в такую погоду, когда даже птицы не решаются покинуть землю. Маленькие гироскопы весьма помогли наладить регулярные воздушные сообщения.

Рис. 250. Этот схематический рисунок позволяет выяснить связь между гироскопом и рулями самолета. Гироскоп А, как уже было сказано, вращается в своем кожухе, будучи окружен воздушным клапаном В. Воздушный клапан В меняет свое положение относительно гироскопа вследствие изменения положения самолета относительно гироскопа. Диафрагма С выгибается в ту или другую сторону, в зависимости от разности поступающего из воздухопроводов давления. Она воздействует соответствующим стержнем на масляный золотник D (клапан), подающий масло под давлением в сервомотор, как показано в Е. Давление масла поддерживается гидравлическим насосом, работающим от мотора. Как вы видите, нужная для автоматического управления самолетом энергия берется от мотора самолета, причем некоторое ее количество расходуется гидравлическим насосом для поддерживания давления в 4,2 атмосферы в маслопроводах сервомоторов.

Рис. 251. На этом рисунке показано соединение между диафрагмой и маслораспределительным золотником в момент, когда диафрагма находится в нейтральном положении, что переводит масляный золотник так же в нейтральное положение. Отверстия, ведущие к сервомоторам, закрыты, а потому масло не приводит в действие сервомоторов. Диафрагма может перемещаться в обе стороны от нейтрального положения на 0,8 мм. Этого небольшого перемещения достаточно, чтобы перевести рычаг В в одно из крайних положений, дающих полный ход поршня масляного золотника.

Рис. 252. Следующее положение показано на этом рисунке. Диафрагма переместилась к левому впускному отверстию Р, впуская масло в одну сторону сервомотора, как показано в А. Поршень сервомотора выходит под этим давлением из нейтрального положения. Перепускной клапан в А закрыт. Если он будет открыт, как показано в В, поршень сервомотора останется в нейтральном положении, так как масло будет проходить через открытый клапан и протекать, как показано, по маслопроводам. Этот перепускной клапан закрывается, когда самолет переводится на управление автоматическим пилотом.

Рио. 253.

Рис. 254.

к сервомотору. Масло перемещает поршень сервомотора, как сказано выше, а последний передвигает элероны. Передвижение же элеронов возвращает самолет в нормальное горизонтальное положение.

Передвижение элеронов может быть прекращено незадолго до того, как самолет придет в горизонтальное положение. Производится это с помощью троса, соединяющего воздушный клапан с сервомотором: воздушный клапан переводят обратно в нейтральное положение, как показано в В, и таким образом останавливают сервомотор раньше, чем самолет примет горизонтальное положение. Этот цикл

повторяется все время, пока самолет отклоняется от требуемого положения относительно земли.

Рис. 254. Вы всегда можете проверить автоматический пилот, вследствие наличия на приборной доске искусственного горизонта и гирополукомпаса, указывающих положение самолета.

Если вы передаете управление автопилоту, вы можете менять курс и высоту полета самолета с помощью различных кнопок, показанных на рисунке, и заставлять его подниматься или опускаться, не трогая при этом рычагов управления. Это имеет важное значение, особенно при полете во время тумана и когда вам приходится сосредоточивать свое внимание на решении навигационных задач.

Рис. 255. На этом рисунке показано общее расположение приборов автоматического пилота Сперри.

Скорость — один из лучших друзей прогресса.

Гироскоп, что это в телефоне и как он используется

На чтение 5 мин. Просмотров 4k. Опубликовано 24.03.2018

Современные смартфоны оснащены множеством датчиков, которые не только садят аккумулятор, но и постоянно отслеживают состояние телефона и делают пользование им значительно удобнее. Сегодня мы разберёмся с таким датчиком, как гироскоп в телефоне, что это, зачем он нужен и где пригождается.

Немного истории

Самым примитивным примером гироскопа может стать детский волчок или юла. Именно они наглядно визуализируют принцип действия датчика.

Общественности прибор был впервые представлен немецким учёным в области математики и астрономии И. Боненбергером. Хотя в некоторых научных документах указано, что на самом деле изобретение было сделано тремя годами раньше.

Первая компания, которая применила датчик в своём устройстве, Apple. Именно iPhone первыми смогли похвастаться подобным оснащением. Сегодня почти каждый современный смартфон имеет гироскоп. Уточнить его наличие можно в технической документации к устройству. Как правило, в характеристиках устройства в разделе датчиков находится полная информация о наличии приборов. Если по каким-то причинам кажется, что информация недостоверная можно установить дополнительный софт, например, Sensor Box for Android. Программа показывает данные обо всех обнаруженных датчиках.

Гироскоп в телефоне, что это?

Фактически это специальный чип, расположенный внутри устройства. Чтобы его увидеть придётся разобрать смартфон, так как он скрыт от глаз пользователей. Он распознает и анализирует положение гаджета в окружающем пространстве и вычисляет углы его размещения.

Помимо смартфонов, подобные датчики успешно зарекомендовали себя и в других сферах деятельности человека: авиация, судоходство, космонавтика. Также можно встретить подобные датчики в некоторых приборах и бытовой технике.

Функции гироскопа в смартфоне

Внедрение технологии позволило реализовать новые возможности для мобильных устройств. Разберёмся что именно берёт на себя гироскоп и какие функции выполняет в современных гаджетах.

Встряхивание телефона. Это тот момент работы гироскопа, который трудно пропустить. Если раньше пользователю приходилось нажимать на кнопку или выполнять свайп по экрану, чтобы принять звонок, то сейчас сделать это можно, встряхнув телефон. Аналогичный принцип распространяется на пролистывание фотографий, смену текущей мелодии в проигрывателе или переход к следующей странице электронной книги.
Также удобным становится технология при использовании калькулятора. Появляется возможность выполнить вычисления с минимальным количеством функций без использования рук. А поворот экрана на 90 градусов в горизонтальное расположение раскрывает панель дополнительных возможностей.
Возможность повторного поиска смартфонов с активной функцией Bluetooth.
Возможность пользоваться специфическими программами, позволяющими вычислить угол наклона и определить его уровень, например, в строительстве.
Также технология удобна в процессе определения местности, на которой находится владелец смартфона. То есть GPS находит координаты нахождения, а гироскоп отвечает за направление, что не менее важно в работе навигатора.

Технология помогает ориентироваться на местности с большей точностью. Исходя из описанных функций, гироскоп удобная и нужная в смартфоне вещь.

Есть, конечно, и некоторые нюансы, портящие впечатление от пользования датчиком. Ряд приложений могут потерять часть быстродействия и медленнее реагировать на команды пользователя при включённом гироскопе. Также может наблюдаться ненужный отклик датчика, например, когда владелец смартфона лёжа читает книгу и переворачивается на другой бок. Но это погрешности незначительны и устраняются путём временного отключения датчика.

Отличие от акселерометра

Многие, отвечая на вопрос, гироскоп в телефоне, что это, искренне полагают, будто он и акселерометр — это либо идентичные устройства, либо вовсе разные названия одной технологии. На самом деле оба этих суждения ложны. Эти датчики фиксируют положение смартфона в пространстве, но в разных плоскостях. Акселерометр призван отследить повороты, гироскоп же имеет значительно больше возможностей:

не только повороты, но и перемещение устройства в пространстве;
определение сторон света, то есть функции компаса;
скорость перемещения в пространстве.

То есть гироскоп фиксирует перемещения прибора сразу в трёх плоскостях. Отсюда и большие возможности смартфонов, оснащённых датчиком. А если устройство совмещает оба прибора, то это делает его ещё более функциональным.

Где чаще используется

Итак, мы немного разобрались с вопросом, что такое гироскоп в телефоне. Теперь постараемся наглядно привести примеры его наиболее частого использования.

По статистике, на практике устройство, оснащённое гироскопом, приходится по душе любителям поиграть в мобильные игры. Гироскоп меняет принцип игры в лучшую сторону. Помимо того, что картинка получается более качественной, а сам процесс игры интерактивным и захватывающим. Если раньше для смены положения персонажа приходилось водить пальцами по экрану и нажимать на определённые зоны, то сейчас достаточно повернуть в пространстве сам гаджет, датчик захватит положение и интерпретирует его в игре. В зависимости от угла поворота смартфона сменяется и угол поворота персонажа. В итоге получается почти виртуальная реальность. В шутерах гироскоп очень удобен для прицела. Также датчик активно используется в различных симуляторах.

Ещё одна категория пользователей, которая не обошла датчик стороной – представители усложнённых профессий, в которых требуется точный расчёт и измерения. Например, автослесарь может определить расположение детали, просто приложив к ней телефон. В строительной отрасли таким же образом отслеживаются несущие конструкции на предмет ровного расположения. При этом информация о градусе наклона выводится прямо на экран смартфона и отличается удивительной точностью.

В качестве вывода, хочется отметить, что гироскоп – очень удобное и практичное изобретение. Благодаря ему мобильные устройства имеют значительно больше доступных возможностей, которые облегчают и упрощают их использование. Телефон, оснащённый датчиком способен выступать в качестве измерительного прибора, навигатора, компаса и т. д. Также позволяет выполнять частичное управление системой, не касаясь экрана, особенно удобно последнее в период зимы, когда не очень хочется снимать варежки, чтобы ответить на звонок или сменить текущую мелодию. Кроме того, производители постоянно сокращают энергозатратность датчика, что позволяет использовать его без заметного расхода заряда аккумулятора.

Вот мы и ответили на вопрос: гироскоп в телефоне, что это и как используется. А ваш смартфон оснащён таким датчиком? Насколько он оказался полезным в жизни? Используете или отключаете.

Оптические гироскопы

Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка: появление фазового сдвига встречных электромагнитных (световых) волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект прямо пропорционален угловой скорости вращения интерферометра, площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре и частоте излучения.

Принцип действия оптических гироскопов теоретически объясняется с помощью специальной теории относительности. Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта, в то время как в неинерциальной системе она может отличаться от данного постоянного значения. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения определяемая интерферометром разница во времени прихода лучей позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

Лазерный гироскоп

Лазерный гироскоп— оптический прибор для измерения угловой скорости, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.

Находит применениев системах инерциальной навигации (определение координат и параметров движения различных объектов и управление их движением, основанное на свойствах инерции тел и являющееся автономным, т.е. не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов).

Устройство и принцип работы.

Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. В датчике формируется интерференционная картина из светлых и тёмных полос. Положение полос не меняется, если гироскоп не вращается (в плоскости кольцевого контура) относительно инерциальной системы отсчёта, а при повороте резонатора (корпуса гироскопа), фотоприёмники измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы.

Таким образом, в лазерном гироскопе создаётся и поддерживается стоячая волна, а её узлы и пучности в идеальном случае связаны с инерциальной системой отсчёта. На точность подобных гироскопов негативно обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и молекулах газа.

Рис.5. Схема лазерного гироскопа

Волоконно-оптический гироскоп

Волоконно-оптический гироскоп — это оптико-электронный прибор, измеряющий угловую скорость, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка.

Свойства прибора:

высокая точность;
малые габариты и масса конструкции;
большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
высокая помехоустойчивость, благодаря диэлектрической природе волокна;
высокая надежность, благодаря отсутствию механических элементов.

Устройство и принцип работы. Лазерные лучи распространяются по замкнутому пути с помощью оптического волновода (световода). Для направления лазерного луча по замкнутому пути используется одномодовое оптоволокно, а лазерное излучение подаётся из внешнего источника. Для повышения чувствительности гироскопа и увеличения длины оптического пути используют световод большой длины (до 1000 м), уложенный витками.

Поворот гироскопа определяется посредством фотоприёмника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами.

На точность волоконо-оптических гироскопов, как и на точность лазерных гироскопов, негативное влияние оказывает обратное рассеяние.

Рис.6. Схема волоконно-оптического гироскопа

Датчик угловой скорости — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Платформа с ДУС в отсеке самолёта

Да́тчик углово́й ско́рости (ДУС) — устройство, первичный прибор (датчик) для измерения угловой скорости поворота корпуса летательных аппаратов относительно невращающейся инерциальной системы координат. Используется в системах управления различных летательных аппаратов: ракет, самолётов, вертолётов и др. Выходной сигнал устройства обычно электрический, пропорциональный угловой скорости и используется в пилотажных системах летательных аппаратов, в частности, автопилоте, системах стабилизации траектории полёта ракет. Обработка сигнала производится во внешней системе.

Для измерения угловых скоростей по трём перпендикулярным координатным осям почти всегда применяют три по-разному ориентированных датчика — датчики угловой скорости крена, тангажа и рысканья.

Принципиально можно вычислить угловые скорости по осям дифференцированием по времени углов поворота гироскопа в кардановом подвесе, но такой метод не даёт достаточной чувствительности и точности. Поэтому широко применяются ДУС с поплавковыми (погружёнными в вязкую жидкость в герметичном кожухе) гироскопами. В таком гироскопе жидкость выполняет роль вязкой демпфирующей среды. При повороте корпуса датчика за счет сил вязкого трения между корпусом и кожухом ротора гироскопа создается демпфирующий момент. В результате гироскопического эффекта происходит прецессия гироскопа, измеряемая внутренними вспомогательными датчиками поворота. Углы поворота преобразуются в электрический информационный сигнал, выдаваемый во внешние электрические цепи.

Особенности применения на летательных аппаратах и развитие[править | править код]

Для правильной ориентации при установке на летательный аппарат на корпусе ДУС обязательно указывают ось, вокруг которой он измеряет угловую скорость. Эта ось называется измерительной, на корпусе она обычно маркирована точкой и стрелкой. ДУС, как правило, устанавливают вблизи центра тяжести летательного аппарата.

С развитием многоканальных систем управления получили блочные конструкции, объединяющие в одном корпусе несколько однотипных ДУС. Такие сборки называются блоком демпфирующих гироскопов (БДГ).

Помимо основного применения в системах курсовой устойчивости летательных аппаратов ДУС находят применений в системах курсовой устойчивости автотранспортных средств, стабилизации изображений в цифровых кинокамерах и фотоаппаратах, механических игрушках и др. В этих применениях обычно используются микромеханические гироскопы.

Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch. GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3

Гирокомпас — это… Что такое Гирокомпас?

Гиросфера гирокомпаса типа Аншютц — Кемпфе в разрезе

Гироко́мпас (в морском профессиональном жаргоне — гирокомпа́с) — механический указатель направления истинного (географического) меридиана, предназначенный для определения курса объекта, а также азимута (пеленга) ориентируемого направления. Принцип действия гирокомпаса основан на использовании свойств гироскопа и суточного вращения Земли. Его идея была предложена французским учёным Фуко.

Гирокомпасы широко применяются в морской навигации и ракетной технике. Они имеют два важных преимущества перед магнитными компасами:

Принцип действия гирокомпаса

Гирокомпас — это по существу гироскоп, то есть вращающееся колесо (ротор), установленное в кардановом подвесе, который обеспечивает оси ротора свободную ориентацию в пространстве.

Предположим, ротор начал вращаться вокруг своей оси, направление которой отлично от земной оси. В силу закона сохранения момента импульса, ротор будет сохранять свою ориентацию в пространстве. Поскольку Земля вращается, неподвижный относительно Земли наблюдатель видит, что ось гироскопа делает оборот за 24 часа. Такой вращающийся гироскоп сам по себе не является навигационным средством. Для возникновения прецессии ротор удерживают в плоскости горизонта, например, с помощью груза, удерживающего ось ротора в горизонтальном положении по отношению к земной поверхности. В этом случае сила тяжести будет создавать крутящий момент, и ось ротора будет поворачиваться на истинный север. Поскольку груз удерживает ось ротора в горизонтальном положении по отношению к земной поверхности, ось никогда не может совпадать с осью вращения Земли (кроме как на экваторе).

История создания гирокомпаса

Гироскоп был запатентован в 1885 году датчанином Мариусом Герардусом ван ден Босом, но его гироскоп никогда должным образом не работал.^[1] Француз Артур Кребс в 1889 году сконструировал маятниковый гирокомпас для экспериментов на подводной лодке «Gymnote». Это позволило Gymnote преодолеть морскую блокаду в 1890 году. В 1903 году немец Герман Аншютц-Кемпфе сконструировал работающий гирокомпас и получил патент на его изобретение. В 1908 году Аншютц-Кемпфе и американский изобретатель Элмер Сперри патентуют гироскоп в Германии и США. Когда Сперри попытался продать своё устройство германскому военно-морскому флоту, Аншютц-Кемпфе подал в суд иск за нарушение патентного законодательства. Сперри утверждал, что патент Аншютц-Кемпфе был недействителен, так как патентуемое устройство незначительно отличается от гироскопа ван ден Боса. Патентным экспертом по иску выступал знаменитый физик Альберт Эйнштейн. Сначала он согласился со Сперри, но затем изменил своё мнение, признав, что патент Аншютц-Кемпфе был действителен, а Сперри нарушил авторское право, использовав специфический способ затухания. Аншютц-Кемпфе выиграл процесс в 1915 году.

Ошибки измерения гирокомпаса

Гирокомпас может выдавать ошибки измерения. Например, резкое изменение курса, скорости или широты могут вызывать девиацию, и она будет существовать до тех пор, пока гироскоп не отработает такое изменение. На большинстве современных судов имеются системы спутниковой навигации (типа GPS) и/или другие навигационные средства, которые передают во встроенный компьютер гирокомпаса поправки.