Как устроен гироскоп – что это, для чего нужен, фото, описание? Как он устроен и за счет чего работает?

Гироскоп Википедия

Иллюстрация к основному свойству 3-степенного гироскопа — гироскопа в кардановом подвесе. При нулевом моменте, воздействующем на ось гироскопа, её направление в пространстве остается неизменным. Анимация прецессии механического гироскопа. Опрокидывающий момент вызывает прецессию, перпендикулярную к вектору момента.

Гироско́п (от др.-греч. γῦρος «круг» + σκοπέω «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчёта. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).

Термин впервые введен Ж. Фуко в своём докладе в 1852 году во Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».

История[ | ]

Гироскоп, изобретённый Фуко (построил Дюмолен-Фромент, 1852)

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации: от

Улитка гироскопических инноваций

Инновационные циклы в гироскопостроении длятся сорок-пятьдесят лет, причем смена одного на другой происходит только после серьезного прорыва в физике и технологиях. По гироскопам можно мерять ход научных революций

Инерциальные системы навигации — вершина развития систем навигации с древнейших времен. В основе инерциальной навигации лежат простые соображения: измеряя ускорение движения, можно путем его интегрирования вычислять скорость, а интегрированием скорости можно определять текущее местоположение (координаты) движущегося объекта.

Ускорение — векторная величина, которая имеет не только численное значение, но и направление. Следовательно, система датчиков, определяющая ускорение, должна измерять и его величину, и его направление. Величину ускорения определяет специальный прибор — акселерометр, который был изобретен в конце XIX века для установки в автомобилях и паровозах с целью контроля скорости их движения. Информацию о направлении движения объекта дают гироскопы, обеспечивающие опорную систему координат для акселерометров.

 

Полтора века гироскопии

В то время как устройство акселерометров принципиально не менялось с момента их создания, гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий.

Столь длительный цикл не случаен. Создание гироскопов, их доведение до уровня промышленных образцов — это длинный путь, двадцать, а то и тридцать лет. Не приходится ожидать, что кто-то вдруг придумает новый тип гироскопа, тут же запустит его в производство и всех опередит. Цикл жизни таких изделий тоже очень длинный: затраты на их разработку очень велики, и, пока они не окупятся, никто и не будет спешить что-то менять в системах, где они используются. А предшествующая разработка теоретических основ гироскопии потребовала еще больше времени.

Этот гирокомпас использовался во Второй мировой войне для управления полетом ракет «Фау-2»

Фотография: gettyimages.ru

Первый этап — это классический механический гироскоп, который был изобретен французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко в середине XIX века. Первые промышленные образцы появились в конце XIX века — австрийский инженер Людвиг Обри применил гироскоп для стабилизации курса торпеды.

Хотя детская игрушка — волчок, изучение поведения которого легло в основу теории гироскопов, — известна с древнейших времен, создание гироскопа стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков. В основу теории гироскопов легли труды многих величайших ученых — от Ньютона и Эйлера до Ковалевской и Жуковского. Одновременно, во многом на основе тех же теоретических достижений, развивались технологии точной обработки металлов, появилось современное металлорежущее оборудование, без которого изготовление гироскопов невозможно.

Второй этап развития гироскопии — это кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ). Их создание стало возможным только после длительного периода развития квантовой электроники, занявшего почти весь ХХ век. В ее основе лежат труды творцов современной физики, начиная с Эйнштейна и заканчивая создателями первых квантовых генераторов — Прохоровым, Басовым, Таунсом. В нашей стране их начали разрабатывать еще в 1970-е, а пик применения — это уже 2000 годы. Создание лазерных гироскопов стало возможным благодаря появлению прецизионных методов механической и физической обработки различных материалов, в первую очередь зеркальных стекол. Шероховатость их поверхности — пять ангстрем — это уже на уровне размера атома. А радиус кривизны такого зеркала составляет семь метров при размере два сантиметра.

 Изобретение гироскопа стало результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка

Третий этап развития гироскопии, пик которого приходится на наше время, — это использование в системах навигации волновых твердотельных гироскопов (ВТГ). На их примере можно видеть спираль развития гироскопов, что называется, в натуральном виде: от механического гироскопа через оптико-электронный, снова к механическому, основанному на другом принципе (он описан ниже). Этот принцип был разработан уже в конце ХIX века, создание самих гироскопов стало возможным благодаря переходу на следующий этап развития средств обработки различных материалов, того же стекла. Ведь точность обработки резонаторов ВТГ достигает одного микрона. Но и этой точности для работы ВТГ недостаточно. Приходится проводить его дополнительную ионоплазменную балансировку с точностью до десятков ангстрем. К механической обработке добавилась физическая.

Наконец, четвертый этап развития гироскопии — это появление микроэлектромеханических систем, МЭМС, физические принципы работы которых такие же, как и у больших гироскопов, но изготавливаются они на основе технологий обработки кремния — тех же самых, что используются при изготовлении микросхем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). В 1964 году компания Westinghouse выпустила первую серийную МЭМС — резонансный затворный транзистор. А английская компания Silicon Sensing произвела первый МЭМС-гироскоп в 1985 году. В переплетении спиралей развития физики и технологий механической обработки материалов появилась спираль электронных технологий1.

Механический гироскоп

В 1852 году французский физик, механик и астроном, будущий член Парижской академии наук и член-корреспондент Петербургской академии наук, Жан Бернар Леон Фуко описал созданный им прибор, который он назвал гироскопом (от греч. gyros — «круг», gyrou — «кружусь», «вращаюсь» и scopeo — «смотрю», «наблюдаю»). Как показал Фуко, с его помощью можно автономно определять направление движения объекта и его скорость.

Как уже было сказано, изобретение гироскопа стало в известном смысле результатом изучения поведения древнейшей детской игрушки — волчка. Если раскрутить волчок относительно оси симметрии, то выясняется, что он оказывает энергичное сопротивление попытке изменить положение оси вращения, его ось вращения устойчиво сохраняет свое положение при наклонах основания или толчках. Именно в силу этого свойства вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали; это движение называется регулярной прецессией тяжелого твердого тела. Можно показать, что ось волчка в конце концов устанавливается параллельно земной оси. Этим и объясняется применение «волчка» в гироскопах.

В гироскопе Фуко ротор (волчок) был установлен в карданов подвес с вертикальной осью наружной рамки. Фуко указал на три возможности использования гироскопа:

• если быстровращающийся ротор имеет три степени свободы, то его ось вращения сохраняет неизменную ориентацию в инерциальном пространстве, что позволяет с помощью такого прибора наблюдать вращение Земли;

• если внутреннюю рамку жестко связать с наружной так, чтобы ось ротора могла поворачиваться лишь в горизонтальной плоскости, то эта ось стремится установиться в плоскость меридиана;

• если наружную рамку жестко связать с корпусом, а внутренней рамке дать свободу вращения относительно ее оси и установить ось ротора в плоскость меридиана, то она стремится установиться параллельно оси вращения Земли.

  

   Гироскопы за последние сто пятьдесят лет прошли в своем развитии четыре больших этапа принципиальных преобразований, каждый из которых непосредственно связан с историей развития физики и технологий

Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей — прецессирует. В авиации, например, это свойство позволяет судить о движении самолета в пространстве в отсутствие ориентиров. Прецессия возникает, например, если крыло самолета, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена, что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен, от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолета), то может функционировать как автопилот, то есть автоматически поддерживать самолет на курсе.

Лазерный гироскоп

Действие лазерных гироскопов основано на эффекте Саньяка, названном по имени французского физика Жоржа Саньяка, который в 1913 году построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения. Суть эффекта Саньяка в том, что во вращающейся системе координат время прохождения электромагнитной волны по замкнутому контуру отличается от времени его прохождения по такому же контуру в покоящейся системе координат и зависит еще и от направления вращения. Световой луч, создаваемый источником света, разделялся на две части, которые шли в противоположных направлениях по периметру платформы и попадали на интерферометр. По изменению интерференционной картинки можно было судить о скорости вращения системы.

Однако реализовать его в гироскопии стало возможным только после изобретения лазера. Впервые сообщение о возможности создания на основе лазеров принципиально новых измерительных приборов — лазерных гироскопов — было сделано в конце 1962 года будущим лауреатом Нобелевской премии Александром Прохоровым в Физическом институте АН СССР. Но еще за десять лет до появления первых лазеров в Советском Союзе Израиль Берштейн провел экспериментальные исследования эффекта Саньяка в радиодиапазоне по схеме, которая по существу соответствует современной архитектуре построения волоконно-оптических гироскопов. Предпосылок для перенесения этих исследований в оптический диапазон тогда еще не было, но приоритет Израиля Берштейна, предвосхитившего концепцию построения волоконно-оптического гироскопа, признают в России и в СШA.

Одновременно в 1962 году А. Розенталь (США) предложил, а В. Мацек и Д. Дэвис (США) реализовали первый He-Ne лазер с кольцевым резонатором (кольцевой лазер), с которого началось развитие лазерной гироскопии. А одну из первых моделей лазерного гироскопа продемонстрировала компания Lockheed Martin уже в середине 1960-х.

Лазерный гироскоп называется кольцевым, поскольку луч в нем, отражаясь от зеркал, проходит по замкнутому контуру в форме квадрата или треугольника. По кольцевому контуру проходят два луча лазера в противоположных направлениях, навстречу друг другу. Если вся эта система лазера и зеркал неподвижна в инерциальной системе отсчета, то частоты обоих лучей, воспринимаемые детектором, будут одинаковы. Но если эта система будет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости траектории лучей, то измеряемые частоты лучей вследствие эффекта Доплера будут различаться. Причем тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения. Ее можно определить по интерференционной картинке на детекторе.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ)

В основе работы волновых твердотельных гироскопов лежит использование механических колебаний стенок сосудов, которые используются как резонаторы колебания. Хотя идея волнового твердотельного гироскопа зародилась в конце XIX века и была высказана английским ученым Дж. Х. Брайаном еще в 1892 году, реальные работы над ВТГ начались в 80-е годы ХХ века.

Брайан обратил внимание на то, что, если щелкнуть по бокалу, сделанному из хорошего хрусталя, он достаточно долго звенит и если его в это время поворачивать, то звон пульсирует. Наблюдая в микроскоп за краем бокала, он увидел, что при этом возникают изгибные колебания края бокала, которые представляют собой стоячую волну, и что при вращении бокала эта волна тоже вращается, но с меньшей скоростью. Брайан доказал, что вращение бокала относительно основания приводит к тому, что узлы колебаний на краю оболочки движутся с угловой скоростью (или скоростью прецессии), меньшей, чем скорость самой оболочки. Это явление по своим физическим основаниям сродни прецессии оси волчка. Из этого наблюдения и появилась идея ВТГ.

Хотя теория этого явления была во многом разработана к концу XIX столетия, должно было пройти еще полвека, прежде чем специалисты исследовательской компании Delco Wakefield в Массачусетсе заново открыли работу Брайана. В результате их разработок был создан современный ВТГ, который затем нашел практическое применение.

Важную роль в разработке теории ВТГ сыграли ученые Института проблем механики имени А. Ю. Ишлинского РАН.

Как было сказано выше, ВТГ имеет форму полусферической оболочки, или бокала с жестко зафиксированной точкой крепления на основании полусферы. При ударе по верхнему ободку оболочки ободок полусферы приходит в движение и производит стоячую волну, которая резонирует на определенной частоте. Положение пучностей и узлов возникшей стоячей волны стабильно относительно оболочки, однако, если оболочка вращается вокруг опорной точки или стержня, стоячая волна отстает от физического вращения оболочки на определенный период. Например, если оболочка физически поворачивается на 90°, стоячая волна запаздывает на 27°. При вращении основания вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна, возбужденная в резонаторе, начинает поворачиваться как относительно резонатора, так и относительно инерциального пространства. Зная угол поворота волны относительно резонатора, можно рассчитать угол поворота основания.

 Создание механических гироскопов стало возможным только после серьезного развития классической механики и ее математического аппарата, что заняло значительную часть XVIII и XIX веков и появления современного металлорежущего оборудования

На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, образующие вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы, которые служат для силового воздействия на резонатор с целью возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды и позволяют замерять величину колебаний стенок резонатора.

Уникальность прибору обеспечивает множество параметров, в частности минимальное по сравнению с аналогами время готовности, максимально широкий динамический диапазон, высокая устойчивость к механическим воздействиям.

Микромеханические гироскопы

Вскоре после разработки первых микросхем возникла идея создания микромеханических систем по аналогичным технологиям. МЭМС-устройства изготавливают на кремниевой подложке аналогично технологии производства однокристальных интегральных микросхем, поэтому их размеры варьируются от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров.

Изготовление МЭМС очень похоже на создание микросхем. Здесь тоже используется кремний — самый популярный в микроэлектронике материал, а технология создания МЭМС-устройств очень напоминает процедуру создания интегральных схем. И в той и в другой есть

возможность создавать необходимые структуры в едином технологическом процессе.

Первыми по этой технологии были созданы датчики давления и ускорения. Массовое производство первого датчика давления, выполненного по МЭМС-технологии, было освоено компанией National Semiconductor в 1974 году, а начало производства МЭМС-датчиков давления и акселерометров для подушек безопасности автомобилей в мировом масштабе относится к началу 1990-х.

В середине 1980-х начались интенсивные поиски путей создания микроминиатюрных, дешевых, пригодных для крупносерийного производства гироскопов. В Британии это была, как мы уже упомянули, компания Silicon Sensing, во Франции — Sagem, а в США — Лаборатория им. Ч. Дрейпера. МЭМС-гироскопы, предназначенные для различных гаджетов, выпускаются сегодня миллионами штук фирмами разных стран.

В России исследования микромеханических гироскопов (ММГ) начались в конце 1990-х, и сейчас их выпускает ряд отечественных компаний.

Существуют МЭМС-гироскопы, работающие как ВТГ и как вибрационные гироскопы. Работа вибрационных гироскопов основана на свойстве камертона, заключающемся в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы.

Лазерный гироскоп — навигационный прибор авиационной и космической промышленности производства Раменского приборостроительного завода

Фотография: visualrian.ru

В микромеханическом гироскопе вибрационного типа кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подается напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.

Поскольку требования к точности и надежности гироскопов и систем навигации постоянно повышаются, в мире идут поиски путей создания гироскопов на новых принципах. Одно из направлений — так называемые квантовые гироскопы, в основу действия которых положены гироскопические свойства частиц: атомных ядер, электронов, фотонов и т. д. Так что можно ожидать, что мы (или наши потомки) будем наблюдать новые витки гироскопической спирали.

От астролябии до GPS

Люди с древнейших времен совершали дальние путешествия и нуждались в надежных средствах навигации для определения своих координат и направления движения, особенно в кораблевождении.

Уже в те далекие времена люди научились днем ориентироваться по Солнцу, а ночью по звездам. Древние мореходы — греки, финикийцы — для грубого определения своего местоположения и оценки широты замеряли угол между направлением на Полярную звезду и плоскостью местного горизонта.

Первым навигационным прибором стала астролябия — прибор для определения широты. Появилась она в Древней Греции, а окончательный вид приобрела в IV веке нашей эры. Ученые исламского Востока усовершенствовали астролябию. С XII века она становится известна и в Западной Европе.

В XVIII веке на смену астролябии приходит секстант, изобретенный в 1730 году независимо друг от друга английским математиком Джоном Хэдли и американским изобретателем Томасом Годфри. Это инструмент, используемый для измерения высоты Солнца и других космических объектов над горизонтом с целью определения географических координат точки, в которой производится измерение.

А в средневековом Китае изобрели магнитный компас — прибор, который после многовековых усовершенствований используется в навигации до сих пор.

Недостатки всех этих приборов известны: из-за многочисленных аномалий магнитного поля Земли и магнитных бурь магнитный компас —устройство весьма капризное, а звезды и Солнце в любой момент могут спрятаться в густом тумане или за тучами штормового неба.

Отсутствие аппаратуры, обеспечивающей получение точной информации о местоположении, стало особенно ощущаться в конце XIX — начале ХХ века и оказалось серьезным препятствием на пути развития мореходства, в том числе подводного, и авиации. Новые навигационные задачи возникали при строительстве подземных сооружений: шахт и метро.

Выходом стало создание автономных инерциальных навигационных систем (ИНС), ключевыми элементами которых являются акселерометры — приборы для определения ускорения и гироскопы разного типа2.

Инерциальная навигация — это метод определения координат объекта, основанный на известном физическом явлении — инерции тел. Проявляется это, в частности, в свойстве известной детской игрушки — волчка устойчиво сохранять положение своей оси вращения параллельно земной оси.

Главное достоинство ИНС — они автономны, то есть не требуют наличия внешних ориентиров или сигналов, поступающих извне.

Инерциальная навигация стала одним из важнейших направлений судостроения, авиационной и космической техники, атомного подводного флота. А соответствующая отрасль приборостроения — одной из самых наукоемких в промышленности. Ведь вся история рождения и становления инерциальной навигации основана на непосредственном использовании теоретической механики и фундаментальной математики при решении практических инженерных задач.

И поэтому не случайно технологиями, необходимыми для создания инерциальных навигационных систем самой высокой точности, которые используются в первую очередь в военной и космической технике, в мире в полном объеме сейчас владеют всего четыре страны — США, Франция, Россия и Китай.

В последние десятилетия получили развитие и стали неотъемлемой частью нашей жизни спутниковые системы навигации — GPS, ГЛОНАСС и другие. Датчики этих систем установлены не только на кораблях или самолетах, но и в автомобилях и почти во всех современных гаджетах, позволяя нам самим определять свое местоположение, равно как и следить за нами, что многих уже стало и раздражать.

Но развитие космических систем навигации не отменило использования инерциальных систем. Дело в том, что GPS, ГЛОНАСС и им подобные не покрывают всей поверхности Земли и тем более подземных сооружений и подводных объектов, а возможный выход этих систем или их составляющих из строя заставляет предусматривать наличие дублирующих автономных навигационных систем. Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность использующих их объектов.

Важное направление развития современных навигационных систем — интеграция спутниковых (СНС) и инерциальных (ИСН) систем навигации, поскольку тем же современным летательным аппаратам не хватает точности, которую могут предоставить ИСН и СНС по отдельности.

Вот почему, несмотря на развитие космических систем навигации, инерциальные системы продолжают развиваться, а в последнее время даже очень интенсивно, к чему их подталкивает конкуренция с космическими средствами.

Как это устроено: Гироскопы | Журнал «Физика» № 15 за 2009 год

Материал к уроку

См. также № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13/09

Гироскопы – это скрытый мозг, поддерживающий на курсе самолёты в воздухе, спутники на орбите и суда в океане. Первые гироскопы для практического применения начали выпускаться в 1910 г. фирмой Sperry Gyroscope Co. Это были судовые стабилизаторы и так называемый «искусственный горизонт», который показывал пилотам высоту полёта. После смерти изобретателя и основателя фирмы Элмера Сперри в 1930 г. многочисленные дочерние фирмы продолжили дело и воплотили 400 его патентов в автоматизированные системы навигации и наведения военного назначения, предназначенные для использования в самолётах, ракетах, бомбах, спутниках и космических аппаратах. Сегодня гироскопы, как неотъемлемая часть навигационной системы, устанавливаются на роботах, в антиблокировочных системах (предотвращающих пробуксовывание колёс автомобиля), на автомобильных приборных досках, в космических летательных аппаратах и космических телескопах, марсоходах и системах индивидуального передвижения космонавтов в открытом космосе. Работа гироскопа базируется на двух принципах: любая вращающаяся масса стремится сохранить положение своей оси вращения в пространстве. Вращающийся гироскоп поддерживает постоянной ориентацию спутника относительно Земли, что обеспечивает надёжную связь с ним. Вращающаяся масса сопротивляется действию силы, стремящейся изменить её положение. В середине 1900-х гг. на судах ставили гигантские гироскопы, массой несколько тонн, которые вращались с помощью двигателей. Эти устройства выравнивали положение судна на волнах, поддерживая его всё время «мачтами вверх». Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей – прецессирует. Прецессия возникает, например, если крыло самолёта, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена (wing angle), что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен (pitch of the plane), от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолёта), то может функционировать как автопилот, т.е. автоматически поддерживать самолёт на курсе. Механических гироскопов сейчас всё меньше и меньше. В 1980-х гг. появились кольцевые лазерные и световодные гироскопы, которые точнее отслеживают изменения параметров полёта по изменению интерференционной картины. Кроме того, они легче и компактнее. Стоит лазерный гироскоп 3–4 тыс. долл. Путём микромеханической обработки кварца или кремния делают также крошечные гироскопы, чувствующие параметры вибраций. Они не такие точные, но зато могут производиться в больших количествах, как интегральные схемы, и довольно дёшевы – примерно по 20 долл. за штуку. Применяются такие гироскопы в бытовых устройствах и, в частности, в автомобилях.

• В микромеханическом гироскопе кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подаётся напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.

• В кольцевом лазерном гироскопе при подаче напряжения на два анода и катод газ возбуждается и генерируются две световые волны одной и той же частоты, распространяющиеся в противоположных направлениях. На детекторе возникает интерференционная картина. Если кольцо поворачивается под действием внешней силы, то одна волна распространяется немного быстрее другой, и по изменению интерференционной картины можно судить о скорости и направлении поворота. Чтобы частоты пучков слегка различались исходно, миниатюрный моторчик трясёт лазер.

• В гироскопе с динамической подстройкой железный ротор приводится во вращение двигателем постоянного тока и вращается в подшипниках с постоянной скоростью. Если гироскоп поворачивается под действием внешней силы, ротор начинает прецессировать, что вызывает изменение магнитного поля и появление сигнала, который несёт информацию о направлении и скорости поворота. Этот сигнал также воздействует на магниты подстройки, которые компенсируют прецессию, не допуская тем самым, чтобы ротор упёрся в кожух.

Знаете ли вы, что?..

• Стабильность показаний (уход) гироскопа зависит от трения в подшипниках и температуры. Наилучший пока результат – 0,01 град/ч, что позволяет навести снаряд на цель с точностью 1 морская миля (1,6 км) после часа полёта. Во время афганской войны бомбы наводились гироскопами с уходом 1 град/ч. Гироскопы в антиблокировочных автомобильных устройствах имеют уход 3600 град/ч, но вполне удовлетворяют потребителя, поскольку они задействованы очень короткое время, всего несколько секунд.

• В 1914 г. на аэрошоу в Париже Лоуренс Сперри, сын изобретателя гироскопа, продемонстрировал действие этого устройства: он провёл свой биплан на бреющем полёте, убрав руки с ручек управления, а его механик в это время прогуливался по крылу. Позднее отец и сын изобрели устройство, названное ими автоматическим пилотом, которое позволило Вилли Посту осуществить в 1933 г. первый кругосветный полёт. Автопилоты на судах часто называют «Железный Майк» (Metal Mike), признавая его невидимым членом экипажа.

• Законы США запрещают экспорт высокоточных гироскопов. В 1999 г. был арестован китайский бизнесмен, который пытался приобрести световодный гироскоп, предназначенный для наведения «умных» бомб. В 1995 г. ныряльщики подняли такой гироскоп со дна Тигра вблизи Багдада и передали его СССР, где в то время разрабатывались системы наведения баллистических ракет.

Продолжение следует

Scientific American, 2002, June, p. 96–97.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.Козловой

Гироскопический тренажёр — Википедия

Гироскопический тренажёр с намотанным на ротор шнурком для его начальной раскрутки

Гироскопический тренажёр — малогабаритный спортивный тренажёр, принцип работы которого основан на свойствах роторного гироскопа. Используется для создания нагрузки мышц и суставов кисти руки. Для достижения высоких степеней раскручивания ротора гироскопического тренажёра задействуются мышцы предплечья, плеча и плечевого пояса.

В некоторой степени этот тренажёр можно отнести к предметам развлечения (игрушкам), в силу своих довольно необычных свойств, демонстрирующих физические законы в области классической механики.

Представляет собой небольшой предмет шаровидной формы, который может прочно обхватываться ладонью и удерживаться пальцами одной руки взрослого человека. Также существуют модели тренажёра для детей — с меньшими габаритами, по сравнению со взрослой моделью. Есть ещё одна разновидность тренажёра с двумя диаметрально противоположно расположенными ручками по сторонам корпуса тренажёра, за которые держатся обеими руками одновременно как за рулевое колесо.

Корпус содержит в себе устройство гироскопа. В основном корпус изготавливается из прозрачной пластмассы, модели с корпусом из металла встречаются реже и стоят дороже пластмассовых. В корпусе, как правило, имеется отверстие, через которое осуществляется доступ к ротору для его начального раскручивания. Тренажёры без открытой части ротора имеют небольшие отверстия для продевания пластмассового стартера в виде тонкой полоски с зубчиками, который раскручивает ротор с помощью реечной передачи.

Основную массу тренажёра составляет массивный ротор, ось которого может вращаться в строго диаметральном положении по кольцевой канавке внутри корпуса. Ротор, в большинстве случаев, состоит из сочетания пластмассы и металла; роторы полностью состоящие из металла, так же как и в случае с корпусом, встречаются в более дорогих моделях тренажёра.

Возможность разборки тренажёра по частям (например, для его очистки) может присутствовать или нет.

Описание частей[править | править код]

• Корпус — если он разбирается, то состоит из двух частей-половинок. Части пластмассовых корпусов удерживаются защёлками и винтами, а части металлических закручиваются на резьбу^[1]. Корпус удерживает ось ротора в круговой канавке.
• Ротор — элемент, который может вращаться как вокруг собственной оси, так и в плоскости проходящей через ось вращения ротора по круговой канавке.
• Ограничительное кольцо — удерживает ось ротора строго в одной плоскости, не давая ей во время кручения «врезаться» в круговую канавку. Это кольцо вращается вместе с ротором по круговой канавке.

В тренажёрах, корпус которых изготовлен из металла, в паре используются сменные пластмассовые кольца, которые образуют круговую канавку и о которые трётся ось ротора, и поэтому преимущества в плане долговечности перед тренажёрами с пластмассовым корпусом не обнаруживается. Как правило, в комплекте металлического тренажёра прилагается сменный набор таких колец вместе с ограничительным кольцом^[1][2].

Особенности[править | править код]

Модель со счётчиком оборотов

Некоторые тренажёры оснащаются либо могут дооснаститься электронным счётчиком, который позволяет регистрировать максимальное количество оборотов в минуту (RPM, англ. Revolutions per minute). Текущий мировой рекорд — скорость в 17 015 оборота в минуту, был поставлен греком Акисом Критсинелисом (греч. Akis Kritsinelis) 7 января 2009 года. Также ему принадлежит рекорд индекса силы (количество оборотов за 90 секунд), равный 21 228 оборотов.

Существуют светящиеся модели тренажёра, на которых установлено несколько светодиодов и динамо-машина, вырабатывающая электричество для их работы.

Тренажёр во время использования необходимо крепко удерживать в руке, так как силы действия будут пытаться отклонять его в разные стороны. Нельзя допускать падения тренажёра, особенно во время его движения.

Сначала необходимо придать ротору некоторый минимальный кинетический момент. Это производится путём резкого и скользящего касания выступающей части ротора пальцем (как правило, большим) по направлению вращения. Для облегчения запуска используется стартер в виде шнурка который вставляется в небольшое отверстие в роторе и наматывается на него по жёлобу (как на катушку), после чего он выдёргивается за оставшуюся часть.

Когда ротор раскручивается до 2—3 тысяч оборотов в минуту, человек, удерживающий тренажёр в руке, может разогнать его до значительно более высоких скоростей путём совершения круговых движений кистью.

Во время приложения постоянной внешней силы к гироскопу, он начинает поворачиваться вокруг некоторой оси, не совпадающей по направлению с основной осью вращающегося ротора, то есть прецессировать. При этом вращение происходит не в соответствии с направлением воздействия внешней силы. Величина прецессии пропорциональна величине действующей силы. В случае прекращения внешнего воздействия прецессия мгновенно заканчивается, но ротор продолжает вращаться.

Как только ротор запущен, наклон устройства заставит один конец оси двигаться по верхней стороне канавки, а другой — по нижней. Когда ось вращающегося ротора соприкасается с верхней и нижней поверхностью канавки, это вызывает прецессию и ось ротора начнёт кольцевое движение по ней. Сила трения между осью и поверхностью канавки может либо ускорять, либо замедлять вращение гироскопа. Наибольшее ускорение достигается тогда, когда ось ротора начинает «скользить» по поверхности канавки максимально ровно. Поскольку сила трения очень важна для подобного эффекта, устройство ни в коем случае нельзя смазывать. Максимальная скорость вращения ротора достигается при удерживании сферы в руке и постоянном поддержании вращения движением кисти.

Рис. 1. Характерный внешний вид гироскопического тренажёра. Рис. 2. Основные составляющие гиротренажёра. Бледно-голубым цветом обозначен полупрозрачный корпус, светло-сиреневым — круговая канавка, чёрным — ось гироскопа, жёлтым — ротор. Рис. 3. Основные метрические параметры гиротренажёра. Длина оси 2R{\displaystyle 2R} и диаметр оси 2ρ{\displaystyle 2\rho }. Рис. 4. Ориентация оси относительно опор канавки и действие сил реакции опоры на ось гироскопа. Рис. 5. Обозначения и направления векторов. Режим торможения. Рис. 6. Обозначения и направления векторов. Режим ускорения.

На рисунке 1 показан вид компьютерной модели гиротренажёра. На примере этой модели построены все последующие рисунки, поясняющие устройство и его механику. На рисунке 2 показаны детали внутреннего строения гиротренажёра. Основные его составляющие это корпус, круговая канавка, по которой скользит ось гироскопа, ротор наглухо насаженный на ось, представляющую собой цилиндр длины 2R{\displaystyle 2R} и диаметра 2ρ{\displaystyle 2\rho }. Круговая канавка жёстко соединена с корпусом гиротренажёра. Ротор представляет собой однородное тело осевой симметрии. На рисунке 2 для большей наглядности часть корпуса «приоткрыта», так чтобы были видны внутренние элементы. Также удалена часть стенки круговой канавки. Ширина паза круговой канавки немного превышает диаметр оси. Ротор гироскопа может приводиться в быстрое вращение вокруг оси, которая может свободно скользить в пазах круговой канавки.

На рисунке 3 приведены обозначения наиболее важных размеров гиротренажёра. (Часть ротора удалена, так чтобы была видна ось.) Это длина оси гироскопа 2R{\displaystyle 2R} (точнее — расстояние между точками опоры оси на горизонтальные поверхности круговой канавки) и диаметр оси 2ρ{\displaystyle 2\rho }. При скольжении оси гироскопа по канавке на ось действуют силы трения, которые обычно приводят к уменьшению скорости вращения ротора. Но если определённым образом действовать на ось гироскопа, то те же силы трения будут ускорять вращение ротора.

Рассмотрим мгновенную ситуацию движения гироскопа. Кроме сил трения на ось гироскопа со стороны боковых поверхностей круговой канавки действуют силы реакции опоры. Если ось гиротренажёра покоится и оба конца оси опираются на нижнюю грань канавки, то на них действуют одинаковые силы реакции опоры, в сумме момент этих сил равен нулю. Поэтому, если разогнать ротор гиротренажёра до угловой скорости ω{\displaystyle \omega } и никак не двигать его корпус, то ось гироскопа не будет менять своего направления, а скорость вращения постепенно будет убывать из-за сил трения, действующих между осью гироскопа и поверхностями круговой канавки. Если после предварительного разгона ротора определённым образом поворачивать гиротренажёр, то один конец оси будет упираться на верхнюю грань, а другой — на нижнюю грань круговой канавки. При этом один конец оси упирается в верхнюю грань круговой канавки, а другой — в нижнюю, то есть мгновенные направления действий реакции опоры противоположны и, допустим для простоты, равны по модулю N{\displaystyle N} (рис. 4), и существует ненулевой момент внешних сил, действующий на ось гироскопа, вызывающий его прецессию. На рисунке 5 показаны вектора сил и скоростей описывающих прецессионное движение одного из концов оси. Для противоположного конца оси ситуация аналогична. Суммарный момент внешних сил равен:

M→=[R→×N→]+[−R→×−N→]=2[R→×N→]{\displaystyle {\vec {M}}=[{\vec {R}}\times {\vec {N}}]+[-{\vec {R}}\times -{\vec {N}}]=2[{\vec {R}}\times {\vec {N}}]} (1),

откуда для скалярных величин, в силу перпендикулярности векторов: R→{\displaystyle {\vec {R}}} и N→{\displaystyle {\vec {N}}}

M=2R⋅N{\displaystyle M=2R\cdot N} (2).

Двойка возникает из-за действия сил реакции опоры на обоих концах оси (рис. 4). Обозначим момент инерции гироскопа относительно оси вращения через Iz{\displaystyle I_{z}}, тогда момент импульса вращающегося гироскопа:

L→=Izω→{\displaystyle {\vec {L}}=I_{z}{\vec {\omega }}} (3),

(Ось вращения совпадает с главной осью тензора инерции ротора). Действие момента сил вызывает прецессию оси гироскопа с угловой скоростью Ω{\displaystyle \Omega }, равной в соответствии с приближённой теорией гироскопа [1], § 50 стр. 284 и с учётом формул 1—3:

Ω=ML=2N⋅RIz⋅ω{\displaystyle \Omega ={M \over L}={2N\cdot R \over I_{z}\cdot \omega }} (4)

Приближённая теория гироскопа даёт хорошее приближение при условии, что полный момент импульса ротора связан только с движением ротора вокруг своей оси, то есть при условии, что частью момента импульса ротора связанного с прецессией можно пренебречь. Такое условие выполняется если частота прецессии Ω{\displaystyle \Omega } значительно меньше частоты вращения ротора ω{\displaystyle \omega } и если главные моменты инерции ротора примерно одного порядка величины. Как будет показано ниже эти условия можно считать выполненными.

Линейная скорость центра оси относительно корпуса гиротренажёра Ω⋅R{\displaystyle \Omega \cdot R}, а линейная скорость боковой грани оси относительно центра оси: ω⋅ρ{\displaystyle \omega \cdot \rho }. (см. рисунки 5 и 6) Суммарная скорость элемента боковой грани в месте её контакта с поверхностью круговой канавки

V=ω⋅ρ−Ω⋅R{\displaystyle V=\omega \cdot \rho -\Omega \cdot R} (5)

Если V>0{\displaystyle V>0}, то сила трения, действующая всегда против направления скорости, будет направлена так, как показано на рисунке 5, то есть будет тормозить вращение ротора вокруг своей оси. Сила трения также как и сила реакции опоры имеет некоторый момент — момент силы трения. При этом момент силы трения будет стремиться инициировать прецессию в вертикальной плоскости, но из-за наличия опоры в виде круговой канавки такая прецессия невозможна. Такое действие момента силы трения приведёт лишь к усилению давления концов оси на опоры, вследствие чего возрастёт сила реакции N→{\displaystyle {\vec {N}}}.

Большая сила реакции опоры в соответствии с формулами 2 и 4 должна привести к более высокой частоте прецессии. Критическое значение частоты прецессии определяется условием V=0{\displaystyle V=0}, чему соответствует (Ω=ω⋅ρ/R){\displaystyle (\Omega =\omega \cdot \rho /R)}. Отношение ρ/R{\displaystyle \rho /R} можно считать, по крайней мере, не превышающем 0,1, следовательно, описание режимов при которых V{\displaystyle V} имеет значения вблизи нуля с помощью приближённой теории гироскопа корректно(Ω<<ω){\displaystyle (\Omega <<\omega )}.

При V=0{\displaystyle V=0} сила трения может принимать любое направление и любое значение в диапазоне от нуля до своего максимального значения, определяемого коэффициентом трения μ:Ffr.max=μ⋅N{\displaystyle \mu :F_{fr.max}=\mu \cdot N}. В самосогласованном режиме, когда V=0{\displaystyle V=0}, скольжения нет, но сила трения тем не менее имеет ненулевое значение меньшее Ffr.max{\displaystyle F_{fr.max}} которое обеспечивает, в конечном итоге, необходимую для частоты прецессии Ω{\displaystyle \Omega } силу реакции N{\displaystyle N}. Такое движение можно рассматривать как периметрическое (по периметру) движение оси гироскопа [1], стр 295—296. Потери энергии в таком режиме связаны в основном с трением качения и с вязким трением о воздух, что и приводит к постепенной остановке ротора.

Если же сторонними силами поддерживается такая сила реакции опоры, что выполняется условие V<0{\displaystyle V<0}, то сила трения будет направлена в противоположную сторону, как показано на рисунке 6. При этом сила трения будет ускорять вращение ротора вокруг своей оси, и, кроме того, уменьшать силу реакции опоры. Таким образом, для поддержания режима ускорения требуется приложение внешних сил, таких чтобы обеспечить достаточно большое значение силы реакции опоры. Условие для мгновенного значения силы реакции опоры в режиме ускорения вытекает из требования V<0{\displaystyle V<0}, то есть: Ω⋅R>ω⋅ρ⇒Ω>ω⋅ρR{\displaystyle \Omega \cdot R>\omega \cdot \rho \Rightarrow \Omega >{\omega \cdot \rho \over R}}, откуда получаем, с учётом (4):

2N>ρ⋅Iz⋅ω2R2{\displaystyle 2N>{\rho \cdot I_{z}\cdot \omega ^{2} \over R^{2}}} (6)

Как показывает вышеприведённое условие, требования к значению силы реакции опоры растут квадратично по отношению к частоте вращения ротора. Также можно отметить пропорциональность требуемой силы реакции радиусу оси гироскопа ρ{\displaystyle \rho } и обратную пропорциональность квадрату длины оси R{\displaystyle R}. Сложность поддержания режима ускорения при высоких угловых скоростях ω{\displaystyle \omega } также связана с тем, что направление внешних сил должно «отслеживать» мгновенное положение концов оси гироскопа.

На практике, человек держа в руке гиротренажёр с предварительно разогнанным ротором, начинает совершать кистью круговые движения. При этом плоскость круговой канавки меняет свою ориентацию, вращается, так что вектор нормали к этой плоскости описывает конусообразную поверхность. Со стороны круговой канавки на концы оси ротора в режиме ускорения всё время должно оказываться дополнительное усилие. «Отслеживать» положение оси помогает момент эффект прецессии, воспринимаемый кистью как сопротивление к вращению в задаваемом направлении. Частота круговых движений кисти должна совпадать с частотой прецессии Ω{\displaystyle \Omega }. При росте частоты вращения ротора ω{\displaystyle \omega }, минимальное требование к частоте прецессии растёт линейно с ω{\displaystyle \omega } (Ω>ω⋅ρ/R){\displaystyle (\Omega >\omega \cdot \rho /R)}. Поэтому на больших частотах ω{\displaystyle \omega } необходимо не только обеспечить высокое значение силы реакции опоры, но и быстрое изменение точки приложения и направления этой силы. В силу этих двух причин, при больших частотах ω{\displaystyle \omega } дальнейший разгон становится очень затруднительным.

Например, для гиротренажёра Powerball 250 Hz с отношением ρ/R=1/31{\displaystyle \rho /R=1/31} имеем Ω=250/31=8{\displaystyle \Omega =250/31=8} Гц. Иными словами, для разгона ротора до 15 000 об/мин (что соответствует частоте 250 Гц) кисть должна вращать шар с частотой 8 оборотов в секунду.

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. Том I. Механика. 4-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2005. — 560 с.

Гироскопы на радиоуправляемых моделях

Авторы — Виталий Пузрин

Назначение гироскопов и устройство датчиков поворота

Гироскопы предназначены для демпфирования угловых перемещений моделей вокруг одной из осей, либо стабилизации их углового перемещения. Применяются в основном на летающих моделях в случаях, когда необходимо повысить стабильность поведения аппарата или создать ее искусственно. Наибольшее применение (около 90%) гироскопы нашли в вертолетах обычной схемы для стабилизации относительно вертикальной оси путем управления шагом рулевого винта. Это обусловлено тем, что вертолет обладает нулевой собственной стабильностью по вертикальной оси. В самолетах гироскоп может стабилизировать крен, курс и тангаж. Курс стабилизируют в основном на турбореактивных моделях для обеспечения безопасного взлета и посадки, — там большие скорости и взлетные дистанции, а ВПП, как правило, узкая. Тангаж стабилизируют на моделях с малой, нулевой, либо отрицательной продольной устойчивостью (с задней центровкой), повышающей их маневренные возможности. Крен полезно стабилизировать даже на учебных моделях.

На самолетах и планерах спортивных классов гироскопы запрещены требованиями FAI.

Гироскоп состоит из датчика угловой скорости и контроллера. Как правило, они конструктивно объединены, хотя на устаревших, а также «крутых» современных гироскопах размешены в разных корпусах.

По конструкции датчиков вращения, гироскопы можно разделить на два основных класса: механические и пьезо. Точнее, сейчас делить особо уже не на что, потому что механические гироскопы полностью сняты с производства как морально устаревшие. Тем не менее, распишем и их принцип работы тоже, хотя бы ради исторической справедливости.

Основу механического гироскопа составляют тяжелые диски, закрепленные на валу электродвигателя. Двигатель в свою очередь имеет одну степень свободы, т.е. может свободно вращаться вокруг оси, перпендикулярной валу двигателя.

Раскрученные двигателем тяжелые диски обладают гироскопическим эффектом. Когда вся система начинает вращаться вокруг оси, перпендикулярной двум другим, двигатель с дисками отклоняется на определенный угол. Величина этого угла пропорциональна скорости поворота (те, кто интересуется силами, возникающими в гироскопах, могут поглубже ознакомиться с кориолисовым ускорением в специальной литературе). Отклонение мотора фиксируется датчиком, сигнал которого поступает на блок электронной обработки данных.

Развитие современных технологий позволило разработать более совершенные датчики угловых скоростей. В результате появились пьезогироскопы, которые к настоящему времени полностью вытеснили механические. Конечно, они по-прежнему используют эффект кориолисова ускорения, но датчики являются твердотельными, то есть вращающиеся части отсутствуют. В наиболее распространенных датчиках используются вибрирующие пластины. Поворачиваясь вокруг оси, такая пластина начинает отклоняться в плоскости, поперечной плоскости вибрации. Это отклонение измеряется и поступает на выход датчика, откуда снимается уже внешней схемой для последующей обработки. Самыми известными производителями подобных датчиков являются фирмы Murata и Tokin.

Пример типичной конструкции пьезоэлектрического датчика угловых скоростей дан на следующем рисунке.

У датчиков подобной конструкции есть недостаток в виде большого температурного дрейфа сигнала (т.е. при изменении температуры на выходе пьезодатчика, находящегося в неподвижном состоянии, может появиться сигнал). Однако достоинства, получаемые взамен, намного перекрывают это неудобство. Пьезогироскопы потребляют намного меньший ток по сравнению с механическими, выдерживают большие перегрузки (менее чувствительны к авариям), позволяют более точно реагировать на повороты моделей. Что касается борьбы с дрейфом, то в дешевых моделях пьезогироскопов есть просто регулировка «нуля», а в более дорогих — автоматическая установка «нуля» микропроцессором при подаче питания и компенсация дрейфа температурными датчиками.

Жизнь, однако, не стоит на месте, и вот уже в новой линейке гироскопов от Futaba (Семейство Gyxxx с системой «AVCS») уже стоят датчики от Silicon Sensing Systems, которые очень выгодно отличаются по характеристикам от продуктов Murata и Tokin. Новые датчики имеют более низкий температурный дрейф, более низкий уровень шумов, очень высокую виброзащищенность и расширенный диапазон рабочих температур. Это достигнуто за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Он выполнен в виде кольца, работающего в режиме изгибных колебаний. Кольцо делается методом фотолитографии, как микросхема, поэтому датчик называется SMM (Silicon Micro Machine). Не будем углубляться в технические подробности, любопытные смогут найти все здесь: http://www.spp.co.jp/sssj/comp-e.html. Приведем лишь несколько фотографий самого датчика, датчика без верхней крышки и фрагмента кольцевого пьезоэлемента.

Типичные гироскопы и алгоритмы их работы

Наиболее известными производителями гироскопов на сегодняшний день являются фирмы Futaba, JR-Graupner, Ikarus, CSM, Robbe, Hobbico и т.д.

Теперь рассмотрим режимы работы, которые используются в большинстве выпускаемых гироскопов (всякие необычные случаи рассмотрим потом отдельно).

Гироскопы со стандартным режимом работы

В этом режиме гироскоп демпфирует угловые перемещения модели. Такой режим достался нам в наследство от механических гироскопов. Первые пьезогироскопы отличались от механических в основном датчиком. Алгоритм работы остался неизменным. Суть его сводится к следующему: гироскоп измеряет скорость поворота и выдает коррекцию к сигналу с передатчика, чтобы замедлить вращение, насколько это возможно. Ниже дается пояснительная блок-схема.

Как видно из рисунка, гироскоп пытается подавить любое вращение, в том числе и то, которое вызвано сигналом с передатчика. Чтобы избежать такого побочного эффекта, желательно на передатчике задействовать дополнительные микшеры, чтобы при отклонение ручки управления от центра, чувствительность гироскопа плавно уменьшалась. Такое микширование может быть уже реализовано внутри контроллеров современных гироскопов (чтобы уточнить, есть оно или нет — посмотрите характеристики устройства и руководство по эксплуатации).

Регулировка чувствительности реализуется несколькими способами:

1. Дистанционная регулировка отсутствует. Чувствительность задается на земле (регулятором на корпусе гироскопа) и не меняется во время полета.
2. Дискретная регулировка (dual rates gyro). На земле задается два значения чувствительности гироскопа (двумя регуляторами). В воздухе можно выбирать нужное значение чувствительности по каналу регулирования.
3. Плавная регулировка. Гироскоп выставляет чувствительность пропорционально сигналу в регулирующем канале.

В настоящее время практически все современные пьезогироскопы имеют плавную регулировку чувствительности (а о механических гироскопах можно уже смело забыть). Исключение составляют только базовые модели некоторых производителей, где чувствительность устанавливается регулятором на корпусе гироскопа. Дискретная регулировка необходима только с примитивными передатчиками (где нет дополнительного пропорционального канала или нельзя выставить длительности импульсов в дискретном канале). В этом случае в канал регулирования гироскопа можно включить небольшой дополнительный модуль, который будет выдавать заданные значения чувствительности в зависимости от положения тумблера дискретного канала передатчика.

Если говорить о достоинствах гироскопов, реализующих только «стандартный» режим работы, то можно отметить, что:

• Такие гироскопы имеют довольно низкую цену (вследствие простоты реализации)
• При установке на хвостовую балку вертолета, новичкам проще выполнять полеты по кругу, так как за балкой можно особенно не следить (балка сама разворачивается по ходу движения вертолета).

Недостатки:

• В недорогих гироскопах термокомпенсация сделана недостаточно хорошо. Необходимо вручную выставлять «ноль», который может сместиться при изменении температуры воздуха.
• Приходится применять дополнительные меры по устранению эффекта подавления гироскопом управляющего сигнала (дополнительное микширование в канале управления чувствительности или увеличение расхода рулевой машинки).

Вот довольно известные примеры описанного типа гироскопов:

При выборе рулевой машинки, которая будет подключаться к гироскопу, следует отдавать предпочтение более быстрым вариантам. Это позволит добиться большей чувствительности, без риска, что в системе возникнут механические автоколебания (когда из-за перерегулирования рули начинают сами двигаться из стороны в сторону).

Гироскопы с режимом удержания направления

В этом режиме стабилизируется угловое положение модели. Для начала маленькая историческая справка. Первой фирмой, которая сделала гироскопы с таким режимом, была CSM. Режим она назвала Heading Hold. Поскольку название было запатентовано, другие фирмы стали придумывать (и патентовать) свои собственные названия. Так возникли марки «3D», «AVSC» (Angular Vector Control System) и другие. Такое многообразие может повергнуть новичка в легкое замешательство, но на самом деле, никаких принципиальных различий в работе таких гироскопов нет.

И еще одно замечание. Все гироскопы, которые имеют режим Heading Hold, поддерживают также и обычный алгоритм работы. В зависимости от выполняемого маневра, можно выбирать тот режим гироскопа, который больше подходит.

Итак, о новом режиме. В нем гироскоп не подавляет вращение, а делает его пропорциональным сигналу с ручки передатчика. Разница очевидна. Модель начинает вращаться именно с той скоростью, с которой нужно, независимо от ветра и других факторов.

Посмотрите блок-схему. По ней видно, что из управляющего канала и сигнала с датчика получается (после сумматора) разностный сигнал ошибки, который подается на интегратор. Интегратор же меняет сигнал на выходе до тех пор, пока сигнал ошибки не будет равен нулю. Через канал чувствительности регулируется постоянная интегрирования, то есть скорость отработки рулевой машинки. Разумеется, вышеприведенные объяснения весьма приблизительны и обладают рядом неточностей, но ведь мы собираемся не делать гироскопы, а применять их. Поэтому нас гораздо больше должны интересовать практические особенности применения подобных устройств.

Достоинства режима Heading Hold очевидны, но хочется особо подчеркнуть плюсы, которые проявляются при установке такого гироскопа на вертолет (для стабилизации хвостовой балки):

• на вертолете начинающий пилот в режиме висения может практически не управлять хвостовым винтом
• отпадает необходимость в микшировании шага хвостового винта с газом, что несколько упрощает предполетную подготовку
• триммирование хвостового винта можно производить без отрыва модели от земли
• становится возможным выполнение таких маневров, которые раньше были затруднены (например, полет хвостом вперед).

Для самолетов применение данного режима тоже может быть оправдано, особенно на некоторых сложных 3D-фигурах вроде «Torque Roll».

Вместе с тем следует отметить, что каждый режим работы имеет свои особенности, поэтому использование Heading Hold везде подряд не является панацеей. При выполнении обычных полетов на вертолете, особенно новичками, использование функции Heading Hold может привести к потере управления. Например, если не управлять хвостовой балкой при выполнении виражей, то вертолет опрокинется.

В качестве примеров гироскопов, которые поддерживают режим Heading Hold, можно привести следующие модели:

Переключение между стандартным режимом и Heading Hold производится через канал регулировки чувствительности. Если менять длительность управляющего импульса в одну сторону (от средней точки), то гироскоп будет работать в режиме Heading Hold, а если в другую — то гироскоп перейдет в стандартный режим. Средная точка — когда длительность канального импульса равна примерно 1500 мкс; то есть, если бы мы подключили на этот канал рулевую машинку, то она установилась бы в среднее положение.

Отдельно стоит затронуть тему применяемых рулевых машинок. Для того, чтобы добиться максимального эффекта от Heading Hold, нужно ставить рулевые машинки с повышенной скоростью работы и очень высокой надежностью. При повышении чувствительности (если скорость отработки машинки позволяет), гироскоп начинает перекладывать сервомеханизм очень резко, даже со стуком. Поэтому машинка должна иметь серьезный запас прочности, чтобы долго прослужить и не выйти из строя. Предпочтение стоит отдавать так называемым «цифровым» машинкам. Для самых современных гироскопов разрабатывают даже специализированные цифровые сервомашинки (например, Futaba S9251 для гироскопа GY601). Помните, что на земле, из-за отсутствия обратной связи от датчика вражений, если не принять дополнительных мер, то гироскоп обязательно выведет рулевую машинку в крайнее положение, где она станет испытывать максимальную нагрузку. Поэтому если в гироскоп и рулевую машинку не встроены функции ограничения хода, то рулевая машинка должна уметь выдерживать большие нагрузки, чтобы не выйти из строя еще на земле.

Специализированные самолетные гироскопы

Для применения в самолетах с целью стабилизации крена начали выпускать специализированные гироскопы. От обычных они отличаются тем, что имеют еще один канал внешней команды.

При управлении каждого элерона отдельным серво, самолетчики с компьютерной аппаратурой задействуют функцию флаперонов. Микширование происходит на передатчике. Однако контроллер самолетного гироскопа на модели автоматически определяет синфазное отклонение обоих каналов элеронов и не мешает ему. А противофазное отклонение задействуется в петле стабилизации крена — в ней присутствуют два сумматора и один датчик угловой скорости. Других отличий нет. Если элероны управляются от одного серво, то специализированный самолетный гироскоп не нужен, сгодится и обычный. Самолетные гироскопы делают фирмы Hobbico, Futaba и другие.

Касаясь применения гироскопов на самолете, нужно отметить, что нельзя использовать режим Heading Hold на взлете и посадке. Точнее, в тот момент, когда самолет касается земли. Это потому, что когда самолет находится на земле, он не может накрениться или повернуть, поэтому гироскоп выведет рули в какое-нибудь крайнее положение. А при отрыве самолета от земли (или сразу после посадки), когда модель имеет большую скорость, сильное отклонение рулей может сыграть злую шутку. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать гироскоп на самолетах в стандартном режиме.

В самолетах эффективность рулей и элеронов пропорциональна квадрату скорости полета самолета. При широком диапазоне скоростей, что характерно для сложного пилотажа, необходимо компенсировать это изменение регулированием чувствительности гироскопа. Иначе при разгоне самолета система перейдет в автоколебательный режим. Если же задать сразу низкий уровень эффективности гироскопа, то на малых скоростях, когда он особенно нужен, от него не будет должного эффекта. На настоящих самолетах такое регулирование делает автоматика. Возможно, скоро так будет и на моделях. В некоторых случаях переход в автоколебательный режим органа управления полезен — при очень низких скоростях полета самолета. Многие наверное видели, как на МАКС-2001 «Беркут» С-37 показывал фигуру «харриер». Переднее горизонтальное оперение при этом работало в автоколебательном режиме. Гироскоп в канале крена позволяет делать самолет «несваливаемым на крыло». Подробнее о работе гироскопа в режиме стабилизации тангажа самолетов можно почитать в известной монографии И.В.Остославского «Аэродинамика самолета».

Заключение

В последние годы появилось много дешевых моделей миниатюрных гироскопов, позволяющих расширить сферу их применения. Простота инсталляции и низкие цены оправдывают использование гироскопов даже на учебных и радиобойцовых моделях. Прочность пьезоэлектрических гироскопов такова, что при аварии скорее испортится приемник или серво, чем гироскоп.

Вопрос о целесообразности насыщения летающих моделей современной авионикой каждый решает сам. На наш взгляд, в спортивных классах самолетов, — по крайней мере, на копиях, гироскопы все-таки со временем разрешат. Иначе невозможно обеспечить реалистичный, похожий на оригинал полет уменьшенной копии из-за разных чисел Рейнольдса. На хоббийных аппаратах применение искусственной стабилизации позволяет расширить диапазон погодных условий полетов, и летать в такой ветер, когда только ручное управление не в состоянии удержать модель.

Обсудить на форуме

Волоконно-оптический гироскоп — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

По круговому оптическому пути, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) — это оптико-электронный прибор, измеряющий абсолютную (относительно инерциального пространства) угловую скорость. Как и у всех оптических гироскопов, принцип работы основан на эффекте Саньяка.

Луч света в волоконно-оптическом гироскопе проходит через катушку оптоволокна, отсюда и название. Для повышения чувствительности гироскопа используют световод большой длины (порядка 1000 метров) уложенный витками. В отличие от кольцевого лазерного гироскопа, в волоконно-оптических гироскопах обычно используется свет с очень маленькой длиной когерентности, что необходимо для увеличения точности гироскопа до удовлетворительного уровня. В качестве источника света может использоваться даже не лазерный прибор, а, например, светодиод.

В оптическом гироскопе широкое применение находят частотные и фазовые модуляторы.

Первого типа модуляторы переводят фазу Саньяка в переменные изменения разности частот противоположно бегущих лучей; при компенсации фазы Саньяка разностная частота пропорциональна угловой скорости вращения Ω. Достоинством частотных модуляторов при использовании в ВОГ является представление выходного сигнала в цифровом виде.

Второго типа модуляторы переводят фазу Саньяка в изменение амплитуды переменного сигнала, что исключает низкочастотные шумы и облегчает измерение информационного параметра.

Частотные модуляторы основаны на акустооптическом эффекте, который состоит в том, что при прохождении в среде ультразвуковых колебании в ней появляются области с механическими напряжениями(области сжатия и разрежения), это приводит к изменению коэффициента преломления среды. Вызванные ультразвуковой волной изменения коэффициента преломления среды образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг света определяется частотой ультразвуковых колебаний.

Появлению такого прибора как волоконно-оптический гироскоп, способствовало развитие волоконной оптики, а именно разработка одномодового диэлектрического световода со специальными характеристиками (устойчивая поляризация встречных лучей, высокая оптическая линейность, достаточно малое затухание). Именно такие световоды определяют уникальные свойства прибора:

• потенциально высокая точность;
• малые габариты и масса конструкции;
• большой диапазон измеряемых угловых скоростей;
• высокая надежность, благодаря отсутствию вращающихся частей прибора.

Широко применяется в инерциальных навигационных системах среднего класса точности.

что это, для чего нужен, фото, описание? Как он устроен и за счет чего работает?

 

Автор: Олег Мальцев

Краткое содержание статьи:

 

Многие слышали про гироскоп в телефоне – что это такое интересно, пожалуй, только тем пользователям гаджета, которые в технических характеристиках заметили незнакомое название. На самом же деле функциями этого микроприбора мы пользуемся достаточно часто. Он способен выручить нас в момент отсутствия необходимого строительного инструмента, указать нам направление движения, когда это необходимо и справиться с различными, еще более сложными задачами.

 

 

Для чего гироскоп в вертолете?

Высокотехнологичные приборы широко используются в военно-техническом оснащении армии. Например, гироскоп является важной составляющей частью вертолетной навигационной системы. В вертолетах устанавливаются гироскопические приборы на качественных подшипниках, которые не позволяют внешним факторам воздействовать на его ось. Таким образом, он способен отображать уровень наклона поверхности, к которой прикреплен.

Когда вертолет заходит в поворот, устройство давит на соответствующую пружину, расположенную под его горизонтальным основанием до тех пор, пока экипаж не выровняет машину по вертикальной оси. Причем сила давления на пружину прямо пропорциональна угловой скорости вертолета.

Еще одной немаловажной функцией является стабилизация вертолета в момент раскачивания или заноса его хвоста. Гироскоп:

1. Определяет раскачивание;
2. Дает сигнал винтовым лопастям;
3. Лопасти в свою очередь начинают работу в режиме недопущения раскручивания машины.

Так вертолет остается в стабильном равновесии и не зависит от потоков воздуха или других внешних факторов.

В этом видео физик Аркадий Жалеев покажет принцип работы большого гирокомпаса:

 

Где еще используют прибор?

Гироскоп очень важен для самолетостроения. Его работа детально изучается пилотами, однако нам, простым пассажирам, понятно, что в небе самолет ориентируется именно благодаря этому прибору.

С его помощью выполняется:

• Работа автопилота;
• Маневрирование в воздухе;
• Взлет и посадка.

Все это обусловлено работой гироскопа.

В подводных лодках аппарат позволяет определить:

1. Курс судна;
2. Равновесие или баланс корпуса.

Также такие приборы используются в космонавтике, где ориентироваться по визуальным и тактильным ощущениям невозможно.

Велико место прибора в робототехнике. Благодаря его функциям могут отслеживаться изменения положения в пространстве различных предметов, например, головы или тела робота. Является основным и самым важным устройством в гироскутере.

Таким образом, гироскоп – крайне важный предмет для наукоемких производств, военно-промышленного комплекса и бытовой жизни каждого человека. Он намного облегчает нам жизнь и делает ее интереснее, а для науки является ценнейшим навигационным прибором.

 

Гироскоп: как работает устройство?

Современные гаджеты оснащены массой различных полезных функций. Одной из таких новинок является гироскоп. Впервые он был использован в телефонах компании Apple.

Это маленький чип внутри смартфона, суть работы которого заключается:

1. В определении местоположения смартфона в пространстве;
2. Вычислении углов горизонта.

Таким образом, многие функции телефона напрямую зависят от гироскопа:

• Направление и скорость движения в навигаторе;
• Автоматический переход экрана в горизонтальное или вертикальное положение;
• Игры в телефоне, где гироскоп используется в качестве руля;
• Ответ на звонок или переключение различных функций с помощью встряхивания телефона.

Также аппарат может выступать в качестве прибора, измеряющего угол наклона, например, всем известного уровня. Это бывает необходимо и в быту, и в строительной профессии.

Все это – помощь того самого вшитого чипа. Сегодня практически все телефоны оснащены таким датчиком. Убедиться в этом вы можете, обратившись к техническим характеристикам гаджета или установив программу, позволяющую определить все встроенные в телефон датчики.

 

Отличие гироскопа от акселерометра

Многие путают эти два устройства, называя их приборами с одинаковым функционалом, но разными названиями, однако такие рассуждения ошибочны. Принцип действия этих приборов немного разнится:

1. Акселерометр определяет угол ускорения относительно земли, тогда как его коллега – угол своего положения;
2. Акселерометр имеет возможность измерять длительность движения, а гироскоп – нет;
3. У акселерометра есть возможность издавать сигналы при прохождении определенного расстояния;
4. Гироскоп может определять стороны света, акселерометр – нет.

Таким образом, оба эти прибора отлично дополняют друг друга и часто используются в тандеме на различных устройствах.

 

Устройство гироскопа

Прибор гироскоп был изобретен еще в 19 веке. Его работа заключается во вращении твердых тел с высокой скоростью вокруг оси. Самым простым и наглядным примером работы агрегата является простая игрушка юла. Когда мы раскручиваем ее, она вращается вокруг оси до тех пока на нее не начинают воздействовать внешние силы.

Гироскоп в свою очередь не подвержен такому воздействию и сохраняет устойчивость благодаря гораздо большей силе вращения, чем у юлы. Таким образом, вы можете поворачивать аппарат как угодно, но его ось останется неизменно вертикальной.

Самый первый гироскоп был механическим, однако дальше, с развитием науки он стал лазерным и оптическим. В электромеханике сегодня такие приборы используются в виде микроэлектромеханических датчиков. Именно таким образом он умещается в телефон, сложную навигационную систему кораблей, самолетов и вертолетов.

Таким образом, в современном мире люди живут, что называется на высоких скоростях. Однако для упрощения и увеличения качества жизни в бытовой обиход входят все больше приборов, которые ранее использовались только для высоких технологий. Одним из таких примеров, является гироскоп в телефоне. Что это за устройство, давно знают капитаны морских судов и подводных лодок, пилоты и космонавты. В современном гаджете такое устройство появилось относительно недавно, но уже прочно закрепилось среди важных и полезных функций.

 

Видео о принципе работы приборов для ориентации в пространстве

В данном ролике Роман Лодин расскажет, с помощью чего гироскопу и акселерометру удается определить свое местоположение и чем отличаются эти два прибора: