Существует огромное количество изобретений, которые характеризуются длинной и весьма богатой историей использования в различных приборах и устройствах. Часто можно услышать название чего-либо, но даже не иметь представления о том, для чего оно предназначено. Именно так и возникает вопрос, что такое гироскоп? Стоит в нем разобраться.

Основное определение

Гироскоп представляет собой навигационный прибор, в котором в качестве основного элемента используется быстро вращающийся ротор, закрепленный таким образом, чтобы его ось вращения поворачивалась. Две рамки карданова подвеса обеспечивают три степени свободы. При отсутствии каких-либо внешних воздействий на устройство ось собственного вращения ротора сохраняет в пространстве постоянное направление. Если на него оказывает воздействие момент внешней силы, которая стремится повернуть ось собственного вращения, то она начинает свое движение не вокруг направления момента, а вокруг оси, находящейся перпендикулярно по отношению к нему.

Особенности устройства

Если говорить о том, что такое гироскоп, то стоит отметить, что в качественно сбалансированном и достаточно быстро вращающемся приборе, установленном на высокосовершенных подшипниках, с малым трением практически отсутствует момент внешних сил, поэтому устройство способно сохранять свою ориентацию в пространстве почти неизменной. Поэтому он способен указывать угол поворота основания, на котором его закрепили. Именно так впервые было наглядно продемонстрировано французским физиком Ж. Фуко. Если ограничить поворот оси специальной пружиной, то при установке прибора на который выполняет разворот, гироскоп будет деформировать пружину до тех пор, пока момент внешней силы не уравновесится. В данном случае сила растяжения или сжатия пружины будет пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. По такому принципу работает авиационный указатель поворота и многие другие гироскопические приборы. Так как в подшипниках создается очень малое трение, чтобы поддерживать вращение ротора гироскопа, не требуется больших затрат энергии. Обычн, для его приведения в движения, а также для поддержания этого движения достаточно электродвигателя малой мощности либо струи сжатого воздуха.

Гироскоп: применение

Чаще всего этот прибор используется в качестве чувствительного элемента для указывающих гироскопических приборов, а также в качестве датчика угла поворота или угловой скорости для устройств, работающих под автоматическим управлением. В некоторых случаях гироскоп может послужить в качестве генератора энергии или момента силы.

На текущий момент принцип работы гироскопа позволяет активно использовать его в авиации, судоходстве и космонавтике. Почти у каждого морского судна дальнего плавания имеется гирокомпас для автоматического или ручного управления судном, а в некоторых используются и гиростабилизаторы. Система управления огнем корабельной артиллерии обычно оснащается множеством дополнительных гироскопов, которые предназначены для обеспечения стабильной системы отсчета или для измерения угловых скоростей.

Если вам понятно, что такое гироскоп, то следует понимать, что без него просто немыслимо автоматическое управление торпедами. Вертолеты и самолеты тоже обязательно оборудуются этими приспособлениями для того, чтобы давать надежную информацию о деятельности систем навигации и стабилизации. К таким приборам можно отнести авиагоризонт, гироскопический указатель поворота и крена, гировертикаль. Если рассматривать вертолет с гироскопом, то тут этот прибор может служить как в качестве указывающего устройства, так и в качестве датчика автопилота. Многие самолеты оснащены гиростабилизированными и прочим оборудованием - фотоаппаратами с гироскопами, гиросектантами, навигационными визирами. В военной авиации активно используются гироскопы в качестве составных элементов в прицелах бомбометания и воздушной стрельбы.

Применение в современных гаджетах

Итак, если рассматривать, что такое гироскоп, то следует заметить, что этот прибор активно используется не только в указанных ранее сферах. Современные смартфоны и планшеты оснащены массой дополнительных функций и модулей, при этом некоторые оказываются очень даже полезными, а иные могут мешать комфортному использованию устройства, раздражая пользователей. Одним из них является гироскоп в телефоне, что это становится понятно, когда вы будете пользоваться своим аппаратом. С одной стороны, он оказывается очень даже полезным, хотя с другой - большинство пользователей предпочитают просто отключать его.

что это?

Сначала необходимо определиться с тем, что это за устройство и каким функционалом оно характеризуется. Итак, гироскоп в телефоне - что элемент необходим для определения того, как ориентирован прибор в пространстве. В некоторых случаях этот датчик можно применить для защиты отдельных элементов устройства от падения в будущем. Фактически данный датчик предназначен для определения смены положения, а при наличии акселерометра - и ускорения при падении. Затем информация передается вычислительному блоку гаджета. При наличии определенного программного обеспечения прибор принимает решение о том, как ему следует реагировать далее на изменения, произошедшие с ним.

Для чего еще он нужен?

Итак, если с вопросом, что такое гироскоп, становится все понятно, то остается выяснить, зачем его используют в телефонах. Защита внутренностей тут не является единственной задачей. В сочетании с разнообразным софтом на него ложится целый ряд различных функций. К примеру, смартфон может использоваться для игр, в которых управление осуществляется посредством наклонов, встряхивания или поворотов прибора. Подобное управление позволяет сделать игры поистине увлекательными, благодаря чему они пользуются повышенным спросом.

Можно отметить, что продукция компании "Эппл" оснащается гироскопами, и они играют весьма значимую роль, так как к ним привязана работа многих приложений. Под него специально разработали режим, получивший название CoverFlow. Существует очень большое количество приложений, работающих в данном режиме, однако можно остановиться на нескольких, наиболее наглядно демонстрирующих его. К примеру, если на iPhone использовать калькулятор, то в портретном положении пользователю будут доступны только простые действия, а именно: сложение, вычитание, деление и умножение. Но при повороте устройства на 90 градусов все изменится. Калькулятор при этом переключается в расширенный режим, то есть инженерный, в котором функций будет доступно гораздо больше.

Если вам понятно, как работает гироскоп, то следует отметить, что его функции могут использоваться и для определения собственного местоположения на местности.

Можно просматривать на таком приборе карту местности с применением GPS-навигации, и в этом случае карта всегда будет поворачиваться в ту сторону, куда направлен ваш взгляд. Поэтому, если вы стоите лицом, к примеру, к речке, то это отобразится на карте, а если повернетесь, то изменится и положение карты. Благодаря этому ориентирование на местности значительно упрощается и может стать достаточно полезно людям, увлеченным активным отдыхом.

Проблемы с гироскопом в телефоне

Можно сказать и о недостатках, присущих гироскопам. Очень часто их отключают из-за того, что программы реагируют на изменение положения в пространстве с некоторым запозданием. К примеру, если вы решили почитать, лежа на диване, с экрана смартфона или планшета, то гироскоп и программа, связанная с ним, будут менять ориентацию страницы каждый раз, когда вы будете поворачиваться или смените позу. Это причиняет много неудобств, так как очень редко устройство способно правильно интерпретировать положение в пространстве, а ситуация усугубляется из-за запоздалой реакции программы.

Современные разновидности

Первые гироскопы были механическими. Этот вид устройств используется и сейчас, но с некоторыми усовершенствованиями, позволяющими сделать их более полезными. На данный момент существует лазерный гироскоп, который лишен недостатков, свойственным механическим. И именно такой прибор используется в современной технике.

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

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.

Теоретическая часть Теоретические основы гироскопии

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:

Для цилиндра или диска

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

Для шара

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:

Для параллелепипеда

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) системы равен 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 гироскопа заключается в сохранении неизменной оси вращения при равенстве нулю момента внешних сил. Данное свойство может быть продемонстрировано с помощьюкарданова подвеса .

Сейчас все смартфоны оснащены как минимум одним датчиком, а чаще всего несколькими. Самыми распространенными стали датчики приближения, освещения и движения. Большинство смартфонов оснащены акселерометром, реагирующим на перемещение устройства в двух или максимум в трех плоскостях. Для полноценного взаимодействия с гарнитурой виртуальной реальности нужен гироскоп, который определяет движения в любом направлении.

Гироскоп в смартфоне – это микроэлектромеханический преобразователь угловых скоростей в электрический сигнал. Другими словами этот датчик рассчитывает изменение угла наклона относительно оси при повороте устройства.

Гироскоп относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС), которые совмещают в себе механическую и электронную часть. Подобные чипы имеют размеры порядка пары миллиметров или меньше.

Обычный гироскоп состоит из инерционного предмета, который быстро вращается вокруг своей оси. Тем самым он сохраняет свое направление, а смещение контролируемого объекта измеряется по изменению положения подвесов. В смартфоны такой волчок явно не поместиться, вместо него используется МЭМС.

Преобразование механического движения в электрический сигнал

В самом простом одноосевом гироскопе есть две подвижные массы, двигающиеся в противоположных направлениях (на картинке изображены синим цветом). Как только прикладывается внешняя угловая скорость, на массу действует сила Кориолиса, которая направлена перпендикулярно их движению (отмечена оранжевым цветом).

Под действием силы Кориолиса происходит смещение масс на величину пропорциональную прикладываемой скорости. Изменение положения масс меняет расстояние между подвижными электродами (роторами) и неподвижными (статорами), что приводит к изменению емкости конденсатора и соответственно напряжения на его обкладках, а это уже электрический сигнал. Вот такие множественные сигналы и распознаются гироскопом MEMS, определяя направление и скорость движения.

Вычисление ориентации смартфона

Микроконтроллер получает сведения о напряжении и преобразует их в угловую скорость в данный момент. Величину угловой скорости можно определять с заданной точностью, например до 0,001 градусов в секунду. Чтобы определить насколько градусов вокруг оси повернули устройство, необходимо мгновенную скорость умножить на время между двумя показаниями датчика. Если использовать трехосевой гироскоп, то получим данные о поворотах относительно всех трех осей, то есть таким образом определить ориентацию смартфона в пространстве.

Здесь стоит отметить, что для получения значений углов, необходимо интегрировать первоначальные уравнения, в которые входят угловые скорости. При каждом интегрировании увеличивается погрешность. Если вычислять положение только при помощи гироскопа, то со временем рассчитываемые значения станут некорректными.

Поэтому в смартфонах для точного определения ориентации в пространстве необходимы данные еще и акселерометра. Этот датчик измеряет линейное ускорение, но не реагирует на повороты. Оба датчика способны полностью описать все виды движения. Основное преимущество гироскопа над акселерометром в том, что он реагирует на движение в любом направлении.

Зачем нужен гироскоп в смартфоне

Повышенное внимание этому датчику оказывается последние пару лет, когда активно начали развиваться игры и приложения виртуальной реальности. Для взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью программе необходимо точно определить положение человека в пространстве. Сейчас даже в самых бюджетных смартфонах установлен акселерометр, но его показания сопровождаются шумами, и датчик не реагирует на повороты и движения в горизонтальной плоскости. Следовательно, для полного погружения в виртуальную реальность в смартфоне обязательно должен быть гироскоп и акселерометр.

Как узнать есть ли в смартфоне гироскоп

Обычно в характеристиках смартфона указано, какие в нем есть датчики. Если же вы сомневаетесь в правдивости информации, то помогут специальные программы. Например, Sensor Box for Android показывает информацию о всех встроенных датчиках. Гироскоп в нем обозначен как Gyroscope. Есть и другие способы, которые мы описывали в этой статье .

Также вам понравятся:

Почему нагревается смартфон: 7 популярных причин

ГИРОСКОП (от греческого γ?ρος - круг, окружность и σκοπ?ω - наблюдать), устройство, совершающее быстрые циклические (вращательные или колебательные) движения и чувствительное вследствие этого к повороту в инерциальном пространстве. Термин «гироскоп» предложен в 1852 году Ж. Б. Л. Фуко для изобретённого им прибора, предназначенного для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Долгое время термин «гироскоп» использовался для обозначения быстровращающегося симметричного твёрдого тела. В современной технике гироскоп - основной элемент всевозможных гироскопических устройств или приборов, широко применяемых для автоматического управления движением самолётов, судов, торпед, ракет, космических аппаратов, мобильных роботов, для целей навигации (указатели курса, поворота, горизонта, стран света), для измерения угловой ориентации подвижных объектов и во многих других случаях (например, при прохождении стволов штолен, строительстве метрополитенов, при бурении скважин).

Классический гироскоп. Согласно законам ньютоновской механики скорость поворота оси быстровращающегося симметричного твёрдого тела в пространстве обратно пропорциональна его собственной угловой скорости и, следовательно, ось гироскопа поворачивается столь медленно, что на некотором интервале времени её можно использовать в качестве указателя неизменного направления в пространстве.

Простейшим гироскопом является волчок, парадоксальность поведения которого заключается в его сопротивлении изменению направления оси вращения. Под воздействием внешней силы ось волчка начинает двигаться в направлении, перпендикулярном вектору силы. Именно благодаря этому свойству вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали. Это движение называется прецессией гироскопа. Если к оси быстро вращающегося свободного гироскоп придожить пару сил {Р, Р’}, Р’ = -Р, с моментом М = Ph, где h - плечо пары сил (рис. 1), то (против ожидания) гироскоп начнёт дополнительно поворачиваться не вокруг оси х, перпендикулярной к плоскости пары сил, а вокруг оси у, лежащей в этой плоскости и перпендикулярной оси z вращения гироскопа. Если в какой-либо момент времени действие пары сил прекратится, то одновременно прекратится прецессия, т. е. прецессионное движение гироскопа безынерционно. Чтобы ось гироскопа могла свободно поворачиваться в пространстве, гироскоп обычно закрепляют в кольцах карданового подвеса (рис. 2), который представляет собой систему твёрдых тел (рамок, колец), последовательно соединённых между собой цилиндрическими шарнирами. Обычно при отсутствии технологических погрешностей оси рамок карданового подвеса пересекаются в одной точке - центре подвеса. Закреплённое в таком подвесе симметричное тело вращения (ротор) имеет три степени свободы и может совершать любой поворот вокруг центра подвеса. Гироскоп, у которого центр масс совпадает с центром подвеса, называется уравновешенным, астатическим или свободным. Изучение законов движения классического гироскопа - задача динамики твёрдого тела.

Основной количественной характеристикой ротора механического гироскопа является его вектор собственного кинетического момента, называемого также моментом количества движения или моментом импульса,

где I - момент инерции ротора гироскопа относительно оси собственного вращения, Ω - угловая скорость собственного вращения гироскопа относительно оси симметрии.

Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил, называемое прецессией гироскопа, описывается уравнением

ω x Η = Μ, (2)

где ω - вектор угловой скорости прецессии, Н - вектор собственного кинетического момента гироскопа, М - ортогональная к Н составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу.

Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси и определяемый уравнением

М g = -М = Η x ω, (3)

называется гироскопическим моментом.

Кроме медленных прецессионных движений ось гироскопа может совершать быстрые колебания с малой амплитудой и высокой частотой - так называемые нутации. Для свободного гироскопа с динамически симметричным ротором в безынерционном подвесе частота нутационных колебаний определяется формулой

где А - момент инерции ротора относительно оси, ортогональной оси собственного вращения и проходящей через центр масс ротора. При наличии сил трения нутационные колебания обычно достаточно быстро затухают.

Погрешность гироскопа измеряется скоростью ухода его оси от первоначального положения. Согласно уравнению (2) величина ухода, называемого также дрейфом, пропорциональна моменту сил М относительно центра подвеса гироскопа:

ω ух = М/Н (4)

Уход ω ух обычно измеряется в угловых градусах в час. Из формулы (4) следует, что свободный гироскоп функционирует идеально лишь в том случае, если внешний момент М равен 0. При этом угловая скорость прецессии обращается в нуль и ось собственного вращения будет в точности совпадать с неизменным направлением в инерциальном пространстве.

Однако на практике любые средства, используемые для подвеса ротора гироскопа, являются причиной возникновения нежелательных внешних моментов неизвестной величины и направления. Формула (4) определяет пути повышения точности механического гироскопа: надо уменьшить «вредный» момент сил М и увеличить кинетический момент Н. При выборе угловой скорости гироскопа необходимо учитывать одно из главных ограничений, связанных с пределами прочности материала ротора из-за возникающих при вращении центробежных сил. При разгоне ротора выше так называемой допускаемой угловой скорости начинается процесс его разрушения.

Лучшие современные гироскопы имеют случайный уход порядка 10 -4 -10 -5 °/ч. Ось гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч совершает полный оборот на 360° за 4 тысячи лет! Точность балансировки гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч должна быть выше одной десятитысячной доли микрометра (10 -10 м), то есть смещение центра масс ротора из центра подвеса не должно превышать величину порядка диаметра атома водорода.

Гироскопические устройства можно разделить на силовые и измерительные. Силовые устройства служат для создания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироскопический прибор; измерительные предназначены для определения параметров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и тому подобное).

Впервые уравновешенный гироскоп нашёл практическое применение в 1898 году в приборе для стабилизации курса торпеды, изобретённом австрийским инженером Л. Обри. Аналогичные приборы в различных вариантах исполнения начали использовать в 1920-х годах на самолётах для указания курса (гироскоп направления, гирополукомпасы), а позднее для управления движением ракет. На рисунке 3 показан пример применения гироскопа с тремя степенями свободы в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создаётся и поддерживается струёй сжатого воздуха, направленной на рифлёную поверхность обода. По шкале азимута, прикреплённой к наружной рамке, можно, установив ось собственного вращения ротора параллельно плоскости основания прибора, ввести требуемое значение азимута. Трение в подшипниках незначительно, поэтому ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве. Пользуясь стрелкой, скреплённой с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолёта.

Гирогоризонт, или искусственный горизонт, позволяющий пилоту поддерживать свой самолёт в горизонтальном положении, когда естественный горизонт не виден, основан на использовании гироскопа с вертикальной осью вращения, сохраняющей своё направление при наклонах самолёта. В автопилотах применяются два гироскопа с горизонтальной и вертикальной осями вращения; первый служит для сохранения курса самолёта и управляет вертикальными рулями, второй - для сохранения горизонтального положения самолёта и управляет горизонтальными рулями.

С помощью гироскопа созданы автономные инерциальные навигационные системы (ИНС), предназначенные для определения координат, скорости и ориентации подвижного объекта (корабля, самолёта, космического аппарата и тому подобное) без использования какой-либо внешней информации. В состав ИНС кроме гироскопа входят акселерометры, предназначенные для измерения ускорения (перегрузки) объекта, а также компьютер, интегрирующий по времени выходные сигналы акселерометров и выдающий навигационную информацию с учётом показания гироскопа. К началу 21 века созданы настолько точные ИНС, что дальнейшего повышения точностей для решения многих задач уже не требуется.

Развитие гироскопической техники последних десятилетий сосредоточилось на поиске нетрадиционных областей применения гироскопических приборов - разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение координат железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многое другое.

Неклассические виды гироскопов. Высокие требования к точности и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов привели не только к дальнейшим усовершенствованиям классического гироскопа с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве. Этому способствовали успехи квантовой электроники, ядерной физики и других областей точных наук.

В гироскопе с воздушной опорой шариковые подшипники, используемые в традиционном кардановом подвесе, заменены «газовой подушкой» (газодинамической опорой). Это полностью устранило износ материала опор во время работы и позволило почти неограниченно увеличить время службы прибора. К недостаткам газовых опор относятся довольно большие потери энергии и возможность внезапного отказа при случайном контакте ротора с поверхностью опоры.

Поплавковый гироскоп представляет собой роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешиваются в жидкости с большой плотностью так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тысяч оборотов в минуту. Для повышения точности прибора необходимо использование системы термостабилизации. Поплавковый гироскоп с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.

Динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) принадлежит к классу гироскопа с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счёт упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В ДНГ, в отличие от классического гироскопа, используется так называемый внутренних карданов подвес (рис. 4), образованный внутренним кольцом 2, которое изнутри крепится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а снаружи - торсионами 3 к ротору 1. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В ДНГ за счёт подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам ДНГ относятся их миниатюрность, отсутствие подшипников со специфическими моментами трения, присутствующими в классическом кардановом подвесе, высокая стабильность показаний, относительно невысокая стоимость.

Рис. 4. Динамически настраиваемый гироскоп с внутренним кардановым подвесом: 1 - ротор; 2 - внутреннее кольцо; 3 и 4 - торсионы; 5 - электродвигатель.

Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. К достоинствам КЛГ относятся отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения, высокая точность.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) представляет собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. ВОГ является аналоговым преобразователем угловой скорости вращения основания, на котором он установлен, в выходной электрической сигнал.

Волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) основан на использовании инертных свойств упругих волн в твёрдом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде, не изменяя своей конфигурации. Если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора. К достоинствам ВТГ относятся: высокое отношение точность/цена; способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшая масса, низкая энергоёмкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.

Вибрационный гироскоп (ВГ) основан на свойстве камертона сохранять плоскость колебаний своих ножек. В ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодических 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. К недостаткам ВГ относится нестабильность показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек, а также то, что они не работают в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Идея камертонного гироскопа стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих пьезоэлектрический эффект либо вибрацию жидкостей или газов в специально изогнутых трубках и тому подобное.

Микромеханический гироскоп (ММГ) относится к гироскопам низких точностей (ниже 10 -1 °/ч). Эта область традиционно считалась малоперспективной для задач управления движущимися объектами и навигации. Но в конце 20 века разработка ММГ стала одним из наиболее интенсивно разрабатываемых направлений гироскопической техники, тесно связанным с современными кремниевыми технологиями. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа камертона. Точность современных ММГ невелика и достигает 10 1 -10 2 °/ч, однако решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Благодаря использованию хорошо отработанных современных технологий массового производства микроэлектроники открывается возможность применения ММГ в совершенно новых областях: автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, мыши и джойстики персональных компьютеров, мобильные робототехнические устройства и даже детские игрушки.

Неконтактный гироскоп относится к гироскопическим устройствам сверхвысоких точностей (10 -6 -5·10 -4 °/ч). Разработка гироскопа с неконтактными подвесами началась в середине 20 века. В неконтактных подвесах реализуется состояние левитации, т. е. состояние, при котором ротор гироскопа «парит» в силовом поле подвеса без какого-либо механического контакта с окружающими телами. Среди неконтактных гироскопов выделяют гироскопы с электростатическим, магнитным и криогенным подвесами ротора. В электростатическом гироскопе проводящий бериллиевый сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемом системой электродов. В криогенном гироскопе сверхпроводящий ниобиевый сферический ротор подвешен в магнитном поле; рабочий объём гироскопа охлаждается до сверхнизких температур, так, чтобы ротор перешёл в сверхпроводящее состояние. Гироскоп с магниторезонансным подвесом ротора является аналогом гироскопа с электростатическим подвесом ротора, в котором электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор - ферритовым. Современные гироскопы с неконтактными подвесами - это сложнейшие приборы, которые вобрали в себя новейшие достижения техники.

Кроме перечисленных выше типов гироскопов проводились и проводятся работы над экзотическими типами гироскопа, такими, как ионный гироскоп, ядерный гироскоп и др.

Математические задачи в теории гироскопа. Математические основы теории гироскопа заложены Л. Эйлером в 1765 году в его работе «Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum». Движение классического гироскопа описывается системой дифференциальных уравнений 6-го порядка, решение которой стало одной из самых знаменитых математических задач. Эта задача относится к разделу теории вращательного движения твёрдого тела и является обобщением задач, решаемых до конца простыми средствами классического анализа. Однако при этом она настолько трудна, что ещё далека от завершения, несмотря на результаты, полученные крупнейшими математиками 18-20 века. Современные гироскопические приборы потребовали решения новых математических задач. Движение неконтактных гироскопов с высокой точностью подчиняется законам механики, поэтому, решая уравнения движения гироскопа с помощью компьютера, можно точно предсказывать положение оси гироскопа в пространстве. Благодаря этому разработчикам неконтактных гироскопов не приходится балансировать ротор с точностью 10 -10 м, которую невозможно достичь при современном уровне технологии. Достаточно точно измерять погрешности изготовления ротора данного гироскопа и вводить соответствующие поправки в программы обработки сигналов гироскопа. Получающиеся с учётом этих поправок уравнения движения гироскопа оказываются очень сложными, и для их решения приходится применять весьма мощные компьютеры, использующие алгоритмы, основанные на последних достижениях математики. Разработка программ расчёта движения гироскопа с неконтактными подвесами позволяет существенно повысить точность гироскопа, а следовательно, и точность определения местоположения объекта, на котором установлены эти гироскопы.

Лит.: Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. М., 1974; Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976; Климов Д. М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. М., 1978; Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теории гироскопов. М., 1983; Новиков Л. З., Шаталов М. Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М., 1985; Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М., 1985; Мартыненко Ю. Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М., 1988.

Этим и обусловлено название «гироскоп».

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Опыт с большим гироскопом. Гирокомпас

✪ Прецессия гироскопа

✪ Гироскоп

✪ Урок 113. Векторное описание вращательного движения. Гироскопический эффект.

Субтитры

История

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: отвес и уровень , основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас , использующий магнетизм Земли. В Древней Греции были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды . В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы :

двухстепенные,
трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

механические гироскопы,
оптические гироскопы.

Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих ЯМР для отслеживания изменения спина атомных ядер.

Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п - быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа - способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

Впервые это свойство использовал Фуко в г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли . Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Свойства трехстепенного роторного гироскопа

Изменение вектора момента импульса под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силы , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный L → {\displaystyle {\vec {L}}} , приводит к движению, перпендикулярному как M → {\displaystyle {\vec {M}}} , так и L → {\displaystyle {\vec {L}}} , то есть к явлению прецессии . Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы :

M → = Ω → P × L → , {\displaystyle {\vec {M}}={\vec {\Omega }}_{P}\times {\vec {L}},}

то есть Ω → P {\displaystyle {\vec {\Omega }}_{P}} обратно пропорциональна моменту импульса ротора гироскопа, или, при неизменном моменте инерции ротора - скорости его вращения.

Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона , гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту M → {\displaystyle {\vec {M}}} , приложенному к гироскопу. Этот момент реакции называется гироскопическим моментом.

То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции - так называемую кориолисову силу . Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.

Вибрационные гироскопы

Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS-гироскопе с частотой ω r {\displaystyle \scriptstyle \omega _{r}} .

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное a → c = − 2 (v → × Ω →) {\displaystyle \scriptstyle {\vec {a}}_{c}=-2({{\vec {v}}\times {\vec {\Omega }}})} , где v → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {v}}} - скорость и Ω → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {\Omega }}} - угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как: X i p ω r cos ⁡ (ω r t) {\displaystyle \scriptstyle X_{ip}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)} , а положение грузика в плоскости - X i p sin ⁡ (ω r t) {\displaystyle \scriptstyle X_{ip}\sin(\omega _{r}t)} . Внеплоскостное движение y o p {\displaystyle \scriptstyle y_{op}} , вызываемое поворотом гироскопа равно:

y o p = F c k o p = 2 m Ω X i p ω r cos ⁡ (ω r t) k o p {\displaystyle y_{op}={\frac {F_{c}}{k_{op}}}={\frac {2m\Omega X_{ip}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)}{k_{op}}}} где: m {\displaystyle \scriptstyle m} - масса колеблющегося грузика. k o p {\displaystyle \scriptstyle k_{op}} - коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости. Ω {\displaystyle \scriptstyle \Omega } - величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

Разновидности

Оптические гироскопы

Δ t = 4 S Ω c 2 , {\displaystyle \Delta t={\frac {4S\Omega }{c^{2}}},}

где -разность времён прихода лучей, выпущенных в разных направлениях, S {\displaystyle S} - площадь контура, Ω {\displaystyle \Omega } - угловая скорость вращения гироскопа. Так как величина Δ t {\displaystyle \Delta t} очень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длиной волокна 500-1000 м. Во вращающемся кольцевом интерферометре лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный :

Δ φ = 8 π S Ω λ c , {\displaystyle \Delta \varphi ={\frac {8\pi S\Omega }{\lambda c}},}

где λ {\displaystyle \lambda } - длина волны.

Применение в технике

Свойства гироскопа используются в приборах - гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор , который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес . Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА" , BB" и CC" , пересекающихся в центре подвеса О , который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Системы стабилизации

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

Система силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

Система индикаторно-силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

Система индикаторной стабилизации (на трехстепенных гироскопах)

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В США , ЕС , Японии , России выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Поскольку прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная.

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов .

Перспективы развития гироскопической навигации

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации