Управление на жироскоп. Как работи: жироскоп

много интересни функциии сензори са оборудвани със смартфони и други мобилни устройства. Един от водещите модули е жироскоп или жироскоп. Необичайна новост в устройството, направено на базата на микроелектромеханична система, направи голям скок в подобряването на функционалността и спечели големи симпатии сред потребителите. Произходът на думата „жироскоп“ има дълга история. Това означава фразата „кръг“ и „гледам“.

Основателят на древногръцката поговорка е френският физик Леон Фуко. През 19 век той изучава ежедневното въртене на Земята и този термин е идеален за новото устройство. Жироскопичните сензори се използват от авиокомпаниите, корабоплаването и астронавтиката. Apple Company, производител на модерни мобилни телефони, беше първият, който взе тази функционалност като основа и я внедри в iPhone 4. Въпреки факта, че видеото по-долу е на английски език, технологична демонстрация от Стив Джобс е разбираема без превод.

Сега, за да отговаряте на входящи повиквания или да превъртате страници електронна книга, просто разклатете телефона си. Благодарение на устройството снимките и другите изображения се преглеждат бързо, а музиката се променя. Ново приложение на смартфона iPone, наречено CoveFlow, ви позволява да използвате калкулатор. Функции като деление, умножение, събиране и изваждане вече се изпълняват лесно. Когато телефонът е завъртян на 90° тази функцияавтоматично превключва към широка функционалност с много сложни математически операции.

Наред с лесните функции, разработчиците са въвели по-сложни в устройството. софтуер. Например в някои операционна системаС разклащане на телефона се стартира ъпдейт за Bluetooth или се стартира специфична програма за измерване на ъгли и нива на наклон. Жироскопът перфектно отчита скоростта на движение и определя местоположението на човек в непознат терен.

От техническа гледна точка жироскопът е доста сложно устройство. При разработването му взехме за основа принципа на работа на акселерометър, който представлява колба с пружина и тежест вътре. Тежест е прикрепена към едната страна на пружината, а другата страна на пружината е фиксирана към амортисьор за потискане на вибрациите. Когато измервателният уред се разклати (ускори), прикрепената маса се движи и опъва пружината.

Такива колебания могат да бъдат представени под формата на данни. Ако поставите три такива акселерометъра перпендикулярно, можете да получите представа как се намира даден обект в пространството. Тъй като е технически възможно да се постави такъв обемист измервателен уредневъзможно в смартфон, принципът на работа е оставен същият, но товарът е заменен с инертна маса, която се намира в много малък чип. При ускорение позицията на инерционната маса се променя и така се изчислява позицията на смартфона в пространството.

С помощта на GPS навигация на дисплея се появява карта, която записва една и съща посока на обектите за всяко въртене на тялото. С други думи, ако сте срещу река, тя автоматично ще се появи на картата. При завъртане на 180 градуса към водно тяло подобни промени незабавно настъпват на монитора. Използването на тази функция улеснява навигацията в района. Това е особено важно за участващите хора активни видовеотдих.

Благодарение на точното проследяване на скоростта на движение, управлението на смартфона става по-удобно и хармонично. Аматьорите често използват жироскопи на Android компютърни игри- геймъри. Уникално устройство в устройството незабавно превръща снимките в реалност. Състезателни игри, симулатори, игри със стрелба и Pokemon Go стават особено правдоподобни.

Просто сменете позицията на вашия смартфон и скоростта на въртене и шофирането на виртуална кола ще ви изглежда реално. Героите на дисплея ще насочат точно картечницата, ще насочат оръдието, ще завъртят волана, ще вдигнат хеликоптера във въздуха и ще убият врага. Джобните чудовища няма да скачат върху виртуална трева, а ще се движат из реалния свят във видимата зона на вградената камера.

Разбира се, това не е целият списък с положителни характеристики, присъщи на Android смартфонии iPhone. Списъкът с приятни и удобни моменти е безкраен. Въпреки това, не всички потребители оцениха универсалните качества. Някои предпочетоха да се откажат от жироскопа в новия смартфон, други просто го изключиха. И за това си има обяснение.
Сред многото предимства има фини недостатъци.

1. Един от недостатъците е инсталирането на отделни приложения, които реагират с леко закъснение на промените в позициите в пространството. Изглежда като обикновена дреболия, но наличието на този сензор причинява известно неудобство на потребителя на смартфона. Недостатъците са особено забележими при четене на електронна книга в легнало положение. Четецът променя позицията си, в същото време жироскоп, свързан към устройството, променя позицията на страницата. Трябва спешно да променим ориентацията му.
2. Производителите на смартфони в своите презентации в повечето случаи мълчат за наличието на важен сензор. При закупуване на нов модел може да се установи наличието на жироскоп в технически спецификациипритурка в списъка със сензори. Има и други начини, например инсталиране на клиента на YouTube, което ви позволява бързо да инсталирате функционалността. Използвайки приложението AnTuTu Benchmark, Sensor Sense също определя вградения жироскоп сензор или липсата на такъв.

Модерният елемент на смартфона работи непрекъснато. Това е независим сензор, който не изисква калибриране. Не е необходимо да се включва или изключва. Автоматизацията ще свърши тази работа вместо вас. Ако устройството липсва, няма да можете да играете виртуална реалност. Просто ще трябва да купите нов телефонс вградени функции.

В днешно време всички смартфони са оборудвани с поне един сензор, а най-често няколко. Най-често срещаните сензори са сензори за близост, осветление и движение. Повечето смартфони са оборудвани с акселерометър, който реагира на движението на устройството в две или максимум три равнини. За да взаимодействате напълно със слушалки за виртуална реалност, имате нужда от жироскоп, който открива движения във всяка посока.

Жироскопът в смартфона е микроелектромеханичен преобразувател на ъглови скорости в електрически сигнал. С други думи, този сензор изчислява промяната в ъгъла на наклон спрямо оста, когато устройството се върти.

Жироскопът принадлежи към микроелектромеханичните системи (MEMS), които съчетават механични и електронни части. Такива чипове са с размери от порядъка на няколко милиметра или по-малко.

Конвенционалният жироскоп се състои от инерционен обект, който бързо се върти около оста си. Така той запазва посоката си, а преместването на контролирания обект се измерва чрез промяна на позицията на окачванията. Такава горна част очевидно няма да се побере в смартфони; вместо това се използва MEMS.

Преобразуване на механично движение в електрически сигнал

Най-простият едноосов жироскоп има две движещи се маси, движещи се в противоположни посоки (показани в синьо на снимката). Веднага щом се приложи външна ъглова скорост, масата е подложена на сила на Кориолис, която е насочена перпендикулярно на тяхното движение (маркирана в оранжево).

Под въздействието на силата на Кориолис масите се изместват с количество, пропорционално на приложената скорост. Промяната на позицията на масите променя разстоянието между движещите се електроди (ротори) и неподвижните електроди (статори), което води до промяна в капацитета на кондензатора и съответно напрежението върху неговите плочи и това е електрически сигнал . Именно тези множество сигнали се разпознават от MEMS жироскопа, определяйки посоката и скоростта на движение.

Изчисляване на ориентацията на смартфона

Микроконтролерът получава информацията за напрежението и я преобразува в ъглова скорост в момента. Големината на ъгловата скорост може да се определи с определена точност, например до 0,001 градуса в секунда. За да се определи на колко градуса около оста е завъртяно устройството, е необходимо моментната скорост да се умножи по времето между две показания на сензора. Ако използваме триосен жироскоп, ще получим данни за завъртанията спрямо трите оси, тоест по този начин можем да определим ориентацията на смартфона в пространството.

Тук си струва да се отбележи, че за да се получат стойностите на ъглите, е необходимо да се интегрират оригиналните уравнения, които включват ъглови скорости. С всяка интеграция грешката се увеличава. Ако изчислите позицията само с помощта на жироскоп, тогава с течение на времето изчислените стойности ще станат неправилни.

Следователно в смартфоните за точно определяне на ориентацията в пространството са необходими и данни от акселерометъра. Този сензор измерва линейното ускорение, но не реагира на завой. И двата сензора са способни да опишат напълно всички видове движение. Основното предимство на жироскопа пред акселерометъра е, че той реагира на движение във всяка посока.

Защо се нуждаете от жироскоп в смартфон?

Този сензор получи повишено внимание през последните няколко години, когато игрите и приложенията за виртуална реалност започнаха активно да се развиват. За взаимодействие на потребителя с виртуалната реалност, програмата трябва точно да определи позицията на човека в пространството. Сега дори и в най бюджетни смартфониИнсталиран е акселерометър, но неговите показания са придружени от шум и сензорът не реагира на завои и движения в хоризонталната равнина. Следователно, за пълно потапяне във виртуалната реалност, смартфонът трябва да има жироскоп и акселерометър.

Как да разберете дали вашият смартфон има жироскоп

Обикновено характеристиките на смартфона показват какви сензори има. Ако се съмнявате в достоверността на информацията, те ще помогнат специални програми. Например, Sensor Box за Android показва информация за всички вградени сензори. Жироскопът е обозначен като Gyroscope. Има и други методи, които описахме в тази статия.

Ще харесате още:

Защо смартфонът се нагрява: 7 популярни причини

ЖИРОСКОП (от гръцки γ?ρος - кръг, кръг и σκοπ?ω - наблюдавам), устройство, което извършва бързи циклични (ротационни или осцилаторни) движения и поради това е чувствително към въртене в инерционното пространство. Терминът „жироскоп“ е предложен през 1852 г. от Дж. Б. Л. Фуко за изобретеното от него устройство, предназначено да демонстрира въртенето на Земята около нейната ос. Дълго време терминът "жироскоп" се използва за обозначаване на бързо въртящо се симетрично твърдо тяло. В съвременната техника жироскопът е основният елемент на всички видове жироскопични устройства или инструменти, широко използвани за автоматично управление на движението на самолети, кораби, торпеда, ракети, космически кораби, мобилни роботи, за навигационни цели (курс, завой, хоризонт , кардинални индикатори), за измерване на ъглова ориентация на движещи се обекти и в много други случаи (например при преминаване на шахти, изграждане на метро, ​​при пробиване на кладенци).

Класически жироскоп.Според законите на Нютоновата механика скоростта на въртене на оста на бързо въртящо се симетрично твърдо тяло в пространството е обратно пропорционална на собствената му ъглова скорост и следователно жироскопичната ос се върти толкова бавно, че в определен интервал от време може да се използва като индикатор за постоянна посока в пространството.

Най-простият жироскоп е връх, чието парадоксално поведение се крие в неговата устойчивост на промяна на посоката на оста на въртене. Под въздействието на външна сила оста на върха започва да се движи в посока, перпендикулярна на вектора на силата. Благодарение на това свойство въртящият се връх не пада, а оста му описва конус около вертикалата. Това движение се нарича прецесия на жироскопа. Ако двойка сили (P, P'), P' = -P, се приложи към оста на бързо въртящ се свободен жироскоп, с момент M = Ph, където h е рамото на двойката сили (фиг. 1), тогава (противно на очакванията) жироскопът ще започне да се върти допълнително не около оста x, перпендикулярна на равнината на двойката сили, а около оста y, лежаща в тази равнина и перпендикулярна на z- оста на въртене на жироскопа. Ако в даден момент от времето действието на двойка сили спре, тогава прецесията ще спре едновременно, т.е. прецесионното движение на жироскопа е безинерционно. За да може оста на жироскопа да се върти свободно в пространството, жироскопът обикновено се фиксира в пръстените на кардан (фиг. 2), който е система от твърди тела (рамки, пръстени), свързани последователно чрез цилиндрични панти. Обикновено, при липса на технологични грешки, осите на карданните рамки се пресичат в една точка - центъра на окачването. Симетрично тяло на въртене (ротор), фиксирано в такова окачване, има три степени на свобода и може да извършва всяко въртене около центъра на окачването. Жироскоп, чийто център на масата съвпада с центъра на окачването, се нарича балансиран, астатичен или свободен. Изучаването на законите на движение на класическия жироскоп е проблем на динамиката на твърдото тяло.

Основната количествена характеристика на ротора на механичен жироскоп е неговият вектор на собствения му кинетичен момент, наричан още ъглов импулс или ъглов момент,

където I е инерционният момент на ротора на жироскопа спрямо оста на собственото му въртене, Ω е ъгловата скорост на собственото въртене на жироскопа спрямо оста на симетрия.

Бавното движение на вектора на собствения ъглов импулс на жироскопа под въздействието на моменти на външни сили, наречено прецесия на жироскопа, се описва с уравнението

ω x Η = Μ, (2)

където ω е векторът на ъгловата скорост на прецесията, H е векторът на собствения ъглов импулс на жироскопа, M е компонентът на вектора на въртящия момент на външните сили, приложени към жироскопа, ортогонален на H.

Моментът на силите, приложени от ротора към лагерите на оста на собственото въртене на ротора, което възниква при промяна на посоката на оста и се определя от уравнението

М g = -М = Η x ω, (3)

наречен жироскопичен момент.

В допълнение към бавните прецесионни движения, оста на жироскопа може да извършва бързи трептения с малка амплитуда и висока честота- така наречените нутации. За свободен жироскоп с динамично симетричен ротор в безинерционно окачване честотата на нутационните трептения се определя по формулата

където А е инерционният момент на ротора спрямо ос, ортогонална на оста на собственото му въртене и минаваща през центъра на масата на ротора. При наличието на сили на триене нутрационните вибрации обикновено затихват доста бързо.

Грешката на жироскопа се измерва със скоростта, с която оста му се отдалечава от първоначалното си положение. Съгласно уравнение (2), размерът на дрейфа, наричан още дрейф, е пропорционален на момента на сила M спрямо центъра на окачването на жироскопа:

ω ух = М/Н (4)

Загубата ω х обикновено се измерва в дъгови градуси на час. От формула (4) следва, че свободният жироскоп функционира идеално само ако външният момент M е равен на 0. В този случай ъгловата скорост на прецесия става нула и оста на собственото му въртене ще съвпада точно с постоянната посока в инерционно пространство.

На практика обаче всяко средство, използвано за окачване на ротора на жироскопа, причинява нежелани външни моменти с неизвестна величина и посока. Формула (4) определя начините за повишаване на точността на механичния жироскоп: необходимо е да се намали „вредният“ момент на силите M и да се увеличи кинетичният момент N. При избора на ъгловата скорост на жироскопа е необходимо да се вземе предвид отчитат едно от основните ограничения, свързани с границите на якост на материала на ротора поради центробежни сили, възникващи по време на силата на въртене Когато роторът се ускори над така наречената допустима ъглова скорост, започва процесът на неговото разрушаване.

Най-добрите съвременни жироскопи имат случаен дрейф от около 10 -4 -10 -5 °/h. Оста на жироскопа с грешка от 10 -5 °/h прави пълно завъртане на 360 ° за 4 хиляди години! Точността на балансиране на жироскопа с грешка от 10 -5 ° / h трябва да бъде по-висока от една десет хилядна от микрометъра (10 -10 m), т.е. изместването на центъра на масата на ротора от центъра на окачването трябва да не надвишава стойност от порядъка на диаметъра на водороден атом.

Жироскопичните устройства могат да бъдат разделени на силови и измервателни. Силови устройстваслужат за създаване на моменти на сила, приложени към основата, върху която е монтирано жироскопичното устройство; измервателните са предназначени да определят параметрите на движението на основата (измерените параметри могат да бъдат ъглите на въртене на основата, проекциите на вектора на ъгловата скорост и др.).

За първи път балансиран жироскоп намира практическо приложение през 1898 г. в устройство за стабилизиране на хода на торпедо, изобретено от австрийския инженер Л. Обри. Подобни устройства в различни версии започват да се използват през 20-те години на миналия век на самолети за указване на посоката (жироскоп за посока, жирокомпаси), а по-късно и за контрол на движението на ракети. Фигура 3 показва пример за използване на жироскоп с три степени на свобода в авиационен индикатор за посока (жиро-полукомпас). Въртенето на ротора в сачмените лагери се създава и поддържа от поток от сгъстен въздух, насочен към набраздената повърхност на джантата. С помощта на скалата на азимута, прикрепена към външната рамка, можете, като зададете оста на собственото въртене на ротора, успоредна на равнината на основата на устройството, да въведете необходимата стойност на азимута. Триенето в лагерите е незначително, така че оста на въртене на ротора поддържа дадено положение в пространството. С помощта на стрелката, прикрепена към основата, можете да контролирате въртенето на самолета по азимутната скала.

Жироскопът или изкуственият хоризонт, който позволява на пилота да поддържа самолета си в хоризонтално положение, когато естественият хоризонт не се вижда, се основава на използването на жироскоп с вертикална ос на въртене, който поддържа посоката си, когато самолетът е наклонен. Автопилотите използват два жироскопа с хоризонтална и вертикална ос на въртене; първият служи за поддържане на посоката на самолета и управлява вертикалните кормила, вторият - за поддържане хоризонтално положениесамолет и управлява хоризонталните кормила.

С помощта на жироскоп са създадени автономни инерциални навигационни системи (INS), предназначени да определят координатите, скоростта и ориентацията на движещ се обект (кораб, самолет, космически кораб и др.) Без използване на външна информация. В допълнение към жироскопа INS включва акселерометри, предназначени да измерват ускорението (претоварването) на обект, както и компютър, който интегрира изходните сигнали на акселерометрите във времето и предоставя навигационна информация, като взема предвид показанията на жироскопа. До началото на 21-ви век са създадени толкова точни ANN, че вече не са необходими допълнителни увеличения на точността за решаване на много проблеми.

Развитието на жироскопичните технологии през последните десетилетия се фокусира върху търсенето на нетрадиционни области на приложение на жироскопичните устройства - проучване на полезни изкопаеми, прогнозиране на земетресения, свръхпрецизно измерване на координатите на железопътни линии и нефтопроводи, медицинско оборудване и много други.

Некласически видове жироскопи.Високите изисквания към точността и експлоатационните характеристики на жироскопичните устройства доведоха не само до по-нататъшни подобрения на класическия жироскоп с въртящ се ротор, но и до търсене на принципно нови идеи за решаване на проблема за създаване на чувствителни сензори за показване и измерване на ъглови движение на обект в пространството. Това беше улеснено от успехите на квантовата електроника, ядрената физика и други области на точните науки.

Жироскоп с въздушна опора заменя сачмените лагери, използвани в традиционния кардан, с „газова възглавница“ (газодинамична опора). Това напълно елиминира износването на опорния материал по време на работа и направи възможно увеличаването на експлоатационния живот на устройството почти неограничено. Недостатъците на газовите опори включват доста големи загуби на енергия и възможността за внезапна повреда, ако роторът случайно влезе в контакт с опорната повърхност.

Поплавковият жироскоп е въртящ се жироскоп, при който за разтоварване на окачващите лагери всички движещи се елементи се претеглят в течност с висока плътност, така че теглото на ротора заедно с корпуса да се балансира от хидростатични сили. Благодарение на това сухото триене в осите на окачването се намалява с много порядъци и устойчивостта на удар и вибрации на устройството се увеличава. Запечатаният корпус, който действа като вътрешна рамка на карданния подвес, се нарича поплавък. Роторът на жироскопа вътре в поплавъка се върти на въздушна възглавница в аеродинамични лагери със скорост около 30-60 хиляди оборота в минута. За да се увеличи точността на устройството, е необходимо да се използва система за термична стабилизация. Поплавъчен жироскоп с високо вискозно флуидно триене се нарича още интегриращ жироскоп.

Динамично регулируемият жироскоп (DTG) принадлежи към класа жироскопи с еластично роторно окачване, при което свободата на ъглови движения на оста на собственото му въртене се осигурява благодарение на еластичното съответствие на структурните елементи (например торсионни пръти) . В DNG, за разлика от класическия жироскоп, се използва така нареченото вътрешно карданно окачване (фиг. 4), образувано от вътрешен пръстен 2, който е закрепен отвътре с торсионни пръти 4 към вала на електродвигателя 5, а отвън чрез торсиони 3 към ротора 1. Моментът на триене в окачването се проявява само в резултат на вътрешно триене в материала на еластичните торсиони. В DNG, поради избора на инерционните моменти на окачващите рамки и ъгловата скорост на въртене на ротора, еластичните моменти на окачването, приложени към ротора, се компенсират. Предимствата на DNG включват техния миниатюрен размер, липсата на лагери със специфични моменти на триене, присъстващи в класическо карданно окачване, висока стабилност на показанията и сравнително ниска цена.

Ориз. 4. Динамично регулируем жироскоп с вътрешно карданно окачване: 1 - ротор; 2 - вътрешен пръстен; 3 и 4 - торсионни пръти; 5 - електродвигател.

Пръстеновият лазерен жироскоп (RLG), наричан още квантов жироскоп, е създаден на базата на лазер с пръстеновиден резонатор, в който по затворена оптична верига едновременно се разпространяват противоположни електромагнитни вълни. Предимствата на KLG включват липсата на въртящ се ротор, лагери, изложени на сили на триене, и висока точност.

Фиброоптичният жироскоп (FOG) е фиброоптичен интерферометър, в който се разпространяват противоположни електромагнитни вълни. FOG е аналогов преобразувател на ъгловата скорост на въртене на основата, върху която е монтиран, в изходен електрически сигнал.

Вълновият жироскоп в твърдо състояние (SWG) се основава на използването на инертните свойства на еластичните вълни в твърдо тяло. Еластична вълна може да се разпространява в непрекъсната среда, без да променя конфигурацията си. Ако в осесиметричен резонатор се възбудят стоящи вълни от еластични вибрации, тогава въртенето на основата, върху която е монтиран резонаторът, кара стоящата вълна да се завърти под по-малък, но известен ъгъл. Съответното движение на вълната като цяло се нарича прецесия. Скоростта на прецесия на стояща вълна е пропорционална на проекцията на ъгловата скорост на въртене на основата върху оста на симетрия на резонатора. Предимствата на VTG включват: високо съотношение точност/цена; способност да издържа на големи претоварвания, компактност и ниско тегло, ниска енергийна интензивност, кратко време за готовност, слаба зависимост от температурата на околната среда.

Вибрационният жироскоп (VG) се основава на свойството на камертона да поддържа равнината на вибрация на краката си. В крака на осцилиращ камертон, монтиран върху платформа, въртяща се около оста на симетрия на камертона, възниква периодичен момент на сила, чиято честота е равна на честотата на вибрациите на краката, а амплитудата е пропорционална към ъгловата скорост на въртене на платформата. Следователно, чрез измерване на амплитудата на ъгъла на усукване на крака на камертона, може да се прецени ъгловата скорост на платформата. Недостатъците на VG включват нестабилност на показанията поради трудностите при високоточно измерване на амплитудата на трептенията на краката, както и факта, че те не работят в условия на вибрации, които почти винаги придружават местата за инсталиране на устройствата върху движещи се обекти. Идеята за жироскоп с камертон стимулира цяла линия от търсения на нови видове жироскопи, използващи пиезоелектричния ефект или вибрациите на течности или газове в специално извити тръби и други подобни.

Микромеханичният жироскоп (MMG) се отнася до жироскопи с ниска точност (под 10 -1 °/h). Тази област традиционно се счита за необещаваща за проблемите на управлението на движещи се обекти и навигацията. Но в края на 20-ти век развитието на MMG се превърна в една от най-интензивно развитите области на жироскопичните технологии, тясно свързани със съвременните силициеви технологии. MMG е вид електронен чип с кварцов субстрат с площ от няколко квадратни милиметра, върху който с помощта на фотолитография се прилага плосък вибратор като камертон. Точността на съвременните ММГ е ниска и достига 10 1 -10 2 °/h, но изключително ниската цена на микромеханичните чувствителни елементи е от решаващо значение. Благодарение на използването на добре развити модерни технологиимасовото производство на микроелектроника отваря възможността за използване на MMG в напълно нови области: автомобили и бинокли, телескопи и видеокамери, мишки и джойстици персонални компютри, мобилни роботизирани устройства и дори детски играчки.

Безконтактният жироскоп се отнася до свръхпрецизни жироскопични устройства (10 -6 -5·10 -4 °/h). Разработването на жироскоп с безконтактни кардани започва в средата на 20 век. В безконтактните карданни подвеси се реализира състояние на левитация, т.е. състояние, при което роторът на жироскопа „плува“ в силовото поле на карданния подвес без механичен контакт с околните тела. Сред безконтактните жироскопи се отличават жироскопи с електростатично, магнитно и криогенно роторно окачване. В електростатичен жироскоп проводящ берилиев сферичен ротор е окачен в евакуирана кухина в контролирано електрическо поле, създадено от система от електроди. В криогенен жироскоп свръхпроводящ ниобиев сферичен ротор е окачен в магнитно поле; Работният обем на жироскопа се охлажда до ултраниски температури, така че роторът преминава в свръхпроводящо състояние. Жироскоп с магнитно резонансно окачване на ротора е аналог на жироскоп с електростатично окачване на ротора, в който електрическото поле е заменено с магнитно поле, а берилиевият ротор е заменен с феритен. Съвременните жироскопи с безконтактно окачване са изключително сложни устройства, които включват най-новите технологични постижения.

В допълнение към видовете жироскопи, изброени по-горе, се работи и се работи върху екзотични видове жироскопи, като йонен жироскоп, ядрен жироскоп и др.

Математически проблеми в теорията на жироскопа.Математическите основи на теорията на жироскопа са положени от Л. Ойлер през 1765 г. в неговия труд “Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum”. Движението на класическия жироскоп се описва от система от диференциални уравнения от 6-ти ред, чието решение се превърна в една от най-известните математически задачи. Тази задача принадлежи към раздела на теорията на въртеливото движение на твърдо тяло и е обобщение на проблеми, които могат да бъдат напълно решени с прости средства на класическия анализ. Толкова е трудно обаче, че все още е далеч от завършване, въпреки резултатите, получени от най-големите математици от 18-20 век. Съвременните жироскопични устройства изискват решаването на нови математически проблеми. Движението на безконтактните жироскопи се подчинява на законите на механиката с висока точност, следователно, чрез решаване на уравненията на движение на жироскоп с помощта на компютър, може точно да се предвиди позицията на оста на жироскопа в пространството. Благодарение на това разработчиците на безконтактни жироскопи не трябва да балансират ротора с точност от 10 -10 m, което е невъзможно да се постигне при сегашното ниво на технологиите. Достатъчно е точно да се измерят производствените грешки на ротора на даден жироскоп и да се въведат съответните корекции в програмите за обработка на сигнала на жироскопа. Уравненията на движението на жироскопа, получени като се вземат предвид тези корекции, се оказват много сложни и за решаването им е необходимо да се използват много мощни компютри, използвайки алгоритми, базирани на най-новите постижения в математиката. Разработването на програми за изчисляване на движението на жироскоп с безконтактни кардани може значително да повиши точността на жироскопа и следователно точността на определяне на местоположението на обекта, на който са инсталирани тези жироскопи.

Лит.: Магнус К. Жироскоп. Теория и приложение. М., 1974; Ишлинский А. Ю. Ориентация, жироскопи и инерционна навигация. М., 1976; Климов Д. М., Харламов С. А. Динамика на жироскоп в карданно окачване. М., 1978; Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теория на жироскопите. М., 1983; Новиков Л.З., Шаталов М.Ю. Механика на динамично настроените жироскопи. М., 1985; Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Вълнов твърдотелен жироскоп. М., 1985; Мартиненко Ю. Движение на твърдо тяло в електрически и магнитни полета. М., 1988.

Когато се опитате да завъртите въртящо се тяло, възниква сила, която действа перпендикулярно на силата, която прилагате към него. На втората снимка можете да видите, че когато частите на колелото, обозначени с точки A и B, се завъртят на 90 градуса, те се стремят да завъртят колелото по посока на часовниковата стрелка в равнината на екрана. Това се нарича прецесия. Поради тази сила, оста на върха винаги се движи в кръг, ако не се изстреля плавно, много неинтуитивен.

Да помечтаем за лятото, да си представим, че караме колело. Виждаме ясно предното колело, почти отгоре. Ако се опитаме да завием например наляво, тогава прилагаме сила към оста на колелото. Тези части на колелото, които в момента са напред, получават импулс, насочен наляво и задни частиколелото има импулс надясно.

Но тъй като караме бързо и колелото се върти, частта, която беше точно отпред, се оказва отзад и малкият импулс, който успяхме да дадем на тази част от колелото, сега работи в обратната посока и го завърта в противоположна посока.

Оказва се, че поради въртенето на колелото си пречим да го завъртим. Тоест силата, която прилагаме, за да завъртим колелото, ни се връща след половин оборот на колелото.

Всеки въртящ се обект може да се нарече жироскоп. Той противодейства на отклонението на оста на въртене и хората го използват активно:

В съвременните контролери игрови конзолиИ iPhone 4 има жироскопи, но те са проектирани на съвсем различен принцип.

В навигационните устройства на самолетите и космически кораб. Добре балансиран жироскоп на специални панти, монтиран на самолет, винаги поддържа позицията си в пространството; никакъв пилотаж няма да го събори. Това позволява на инструментите на самолета винаги да знаят кой път е надолу.

В оръжие. Куршумът се извива при изстрел, което му придава много по-голяма стабилност, което значително увеличава точността на стрелбата.

Колелата на велосипед или мотоциклет работят като жироскопи и това предпазва водача от падане. По-трудно е да караш велосипед бавно, отколкото бързо, защото при висока скорост колелата се въртят по-бързо и го правят по-стабилен.

Има много играчки, в които основната част е жироскоп: всякакви горнища и йо-йо, с които можете да правите следните трикове:

Жироскоп, изобретен от Фуко (построен от Dumolin-Froment, 1852)

Преди изобретяването на жироскопа човечеството използва различни методи за определяне на посоката в космоса. От древни времена хората са се ръководили визуално от отдалечени обекти, по-специално от Слънцето. Още в древни времена се появяват първите инструменти: отвес и ниво, базирано на гравитацията. През Средновековието в Китай е изобретен компас, използващ магнетизма на Земята. В Европа астролабията и други инструменти са създадени въз основа на положението на звездите.

Предимството на жироскопа пред по-старите устройства е, че той работи правилно в трудни условия (лоша видимост, треперене, електромагнитни смущения). Въртенето на жироскопа обаче бързо се забави поради триенето.

През втората половина на 19 век е предложено да се използва електрически мотор за ускоряване и поддържане на въртенето на жироскопа. Жироскопът е използван за първи път на практика през 1880 г. от инженер Обри за стабилизиране на курса на торпедо. През 20 век жироскопите започват да се използват в самолети, ракети и подводници вместо или заедно с компас.

Класификация

Основни видове жироскопи по брой степени на свобода:

• двустепенен,
• тристепенна.

Съществуват два основни типа жироскопи според принципа на действие:

• механични жироскопи,
• оптични жироскопи.

Механични жироскопи

Сред механичните жироскопи той се откроява ротационен жироскоп- бързо въртящо се твърдо тяло (ротор), чиято ос на въртене може свободно да променя ориентацията си в пространството. В този случай скоростта на въртене на жироскопа значително надвишава скоростта на въртене на неговата ос на въртене. Основното свойство на такъв жироскоп е способността да поддържа постоянна посока на оста на въртене в пространството при отсъствие на влиянието на моменти на външни сили върху него и ефективно да се съпротивлява на действието на външни моменти на сили. Това свойство до голяма степен се определя от ъгловата скорост на собственото въртене на жироскопа.

За първи път това свойство е използвано от Фуко през . Благодарение на тази демонстрация жироскопът получи името си от гръцките думи „въртене“, „наблюдение“.

Свойства на тристепенен роторен жироскоп

Прецесия на механичен жироскоп.

това е обратно пропорционално на скоростта на въртене на жироскопа.

Вибрационни жироскопи

Вибрационните жироскопи са устройства, които поддържат равнината на своите вибрации, когато основата се върти. Този тип жироскоп е много по-прост и по-евтин със сравнима точност в сравнение с ротационния жироскоп. В чуждестранната литература се използва и терминът „вибрационни жироскопи на Кориолис“ - тъй като принципът на тяхната работа се основава на ефекта на силата на Кориолис, подобно на ротационните жироскопи.
Например, вибрационни жироскопи се използват в системата за измерване на наклона на електрическия скутер Segway. Системата се състои от пет вибрационни жироскопа, чиито данни се обработват от два микропроцесора.
Именно този тип жироскопи се използват в мобилни устройства, по-специално в iPhone 4 и други.

Принцип на действие

Две окачени тежести вибрират в равнина в MEMS жироскоп с честота .

Когато жироскопът се завърти, възниква ускорение на Кориолис, равно на , където е скоростта, а е ъгловата честота на въртене на жироскопа. Хоризонталната скорост на осцилиращата тежест се получава като: , а позицията на тежестта в равнината е . Движението извън равнината, причинено от въртенето на жироскопа, е равно на:

където: е масата на осцилиращата тежест. - коефициент на твърдост на пружината в посока, перпендикулярна на равнината. - количеството на въртене в равнината, перпендикулярна на движението на осцилиращата тежест.

Разновидности

Жироскоп на МАКС-2009

Оптични жироскопи

Делят се на фиброоптични и лазерни жироскопи. Принципът на действие се основава на ефекта на Саняк, открит през 1913 г. Теоретично се обяснява с помощта на SRT. Според STR скоростта на светлината е постоянна във всяка инерционна отправна система. Докато в неинерциална система може да се различава от c. При изпращане на лъч светлина в посоката на въртене на устройството и срещу посоката на въртене, разликата във времето на пристигане на лъчите (определена от интерферометъра) позволява да се намери разликата в оптичните пътища на лъчите. в инерциалната референтна система и, следователно, количеството на ъглово въртене на устройството по време на преминаването на лъча. Големината на ефекта е право пропорционална на ъгловата скорост на въртене на интерферометъра и площта, покрита от разпространението на светлинните вълни в интерферометъра:

където е разликата във времената на пристигане на лъчите, пуснати в различни посоки, е площта на контура и е ъгловата скорост на въртене на жироскопа. Тъй като стойността е много малка, директното му измерване с помощта на пасивни интерферометри е възможно само във фиброоптични жироскопи с дължина на влакното 500-1000 m. Във въртящ се пръстен интерферометър на лазерен жироскоп може да се измери фазовото изместване на насрещно разпространяващите се вълни. равна на:

къде е дължината на вълната.

Приложение на жироскопите в техниката

Диаграма на прост механичен жироскоп в кардан

Свойствата на жироскопа се използват в устройства - жироскопи, чиято основна част е бързо въртящ се ротор, който има няколко степени на свобода (оси на възможно въртене).

Най-често използваните са жироскопите, поставени в кардани. Такива жироскопи имат 3 степени на свобода, тоест могат да направят 3 независими завъртания около осите си АА", BB"И CC", пресичащи се в центъра на окачването ОТНОСНО, което остава спрямо основата Анеподвижен.

Стабилизационни системи

Системите за стабилизиране се предлагат в три основни типа.

• Система стабилизиране на силата(на двустепенни жироскопи).

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около всяка ос. Стабилизацията се извършва от жироскоп и разтоварващ двигател;

• Индикаторна система за стабилизиране на мощността (на двустепенни жироскопи).

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около всяка ос. Стабилизацията се извършва само чрез разтоварване на двигатели, но в началото се появява малък жироскопичен момент, който може да бъде пренебрегнат.

• Система за стабилизиране на индикатора (на тристепенни жироскопи)

За стабилизиране около две оси е необходим един жироскоп. Стабилизирането се извършва само чрез разтоварване на двигатели.

Нови видове жироскопи

Постоянно нарастващите изисквания към точността и работните характеристики на жироустройствата принудиха учени и инженери от много страни по света не само да подобрят класическите жироскопи с въртящ се ротор, но и да търсят принципно нови идеи, които решават проблема със създаването на чувствителни сензори за измерване и показване на параметрите на ъгловото движение на обект.

В момента е известно повече от сторазлични явления и физични принципи, които позволяват решаването на жироскопични проблеми. В Русия и САЩ са издадени хиляди патенти и сертификати за авторски права за съответните открития и изобретения.

Тъй като прецизните жироскопи се използват в системите за насочване на стратегически ракети с голям обсег, информацията за изследванията, проведени в тази област, беше класифицирана като класифицирана по време на Студената война.

Посоката на развитие на квантовите жироскопи е обещаваща.

Перспективи за развитие на жироскопично оборудване

Днес са създадени доста точни жироскопични системи, които удовлетворяват широк кръг потребители. Намаляването на средствата, заделяни за военно-промишления комплекс в бюджетите на водещите страни в света, рязко увеличи интереса към гражданските приложения на жироскопичните технологии. Например, днес използването на микромеханични жироскопи в системи за стабилизиране на автомобили или видеокамери е широко разпространено.

Според привържениците на навигационни методи като GPS и GLONASS, изключителният напредък в областта на високопрецизната сателитна навигация е направил ненужни автономните навигационни средства (в зоната на покритие на сателитната навигационна система (SNS), т.е. в рамките на планетата). В момента SNS системите превъзхождат жироскопичните по отношение на тегло, размери и цена.

В момента се разработва трето поколение навигационна сателитна система. Той ще ви позволи да определите координатите на обектите на земната повърхност с точност до няколко сантиметра в диференциален режим, когато се намират в зоната на покритие на DGPS коригиращия сигнал. В този случай се предполага, че няма нужда да се използват насочени жироскопи. Например, инсталирането на два приемника на сателитен сигнал на крилата на самолет ви позволява да получите информация за въртенето на самолета около вертикална ос.

SNS системите обаче не са в състояние да определят точно позицията в градска среда с лоша сателитна видимост. Подобни проблеми се срещат в гористи местности. Освен това преминаването на SNS сигналите зависи от процесите в атмосферата, препятствията и отраженията на сигнала. Автономните жироскопични устройства работят навсякъде – под земята, под водата, в космоса.

В самолетите SNS се оказва по-точен от INS дългообласти. Но използването на два SNS приемника за измерване на ъглите на наклон на самолета дава грешки до няколко градуса. Изчисляването на курса чрез определяне на скоростта на самолета с помощта на SNS също не е достатъчно точно. Ето защо в съвременните навигационни системи оптималното решение е комбинация от сателитни и жироскопични системи, наречена интегрирана (комплексна) INS/SNS система.

През последните десетилетия еволюционното развитие на жироскопичната технология се приближи до прага на качествени промени. Ето защо вниманието на специалистите в областта на жироскопията сега е насочено към намирането на нестандартни приложения за подобни устройства. Откриха се напълно нови интересни задачи: геоложко проучване, прогнозиране на земетресения, свръхпрецизно измерване на позициите на железопътни линии и нефтопроводи, медицинско оборудване и много други.

Използване на жироскоп в смартфони и игрови конзоли

IPhone 4 с жироскоп вътре

Значителното намаляване на разходите за производство на MEMS жироскопи доведе до използването им в смартфони и игрови конзоли.

Също жироскопзапочна да се използва в контролери за контролни игри, като например: Sixaxis за Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus за Nintendo Wii. И двата контролера използват два допълващи се пространствени сензора: акселерометър и жироскоп. За първи път игрален контролер, който може да определи позицията си в космоса, беше пуснат от Nintendo - Wii Remote за игровата конзола Wii, но използва само триизмерен акселерометър. 3D акселерометърът не е в състояние да измерва точно ротационните параметри по време на силно динамични движения. Ето защо в най-новите контролери за игри: Sixaxis и Wii MotionPlus, в допълнение към акселерометъра, беше използван допълнителен пространствен сензор - жироскоп.

Играчки с жироскоп

Повечето прости примерииграчките, направени на базата на жироскоп, са йо-йо, въртящ се топ (въртящ се връх) и модели на хеликоптери.
Топовете се различават от жироскопите по това, че нямат нито една фиксирана точка.
Освен това има спортен жироскопичен симулатор.

Вижте също

Бележки

1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) „Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren“ („Описание на машина, която обяснява законите на въртенето на Земята около нейната ос и промяната в посоката на последното“) Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, кн. 3, стр. 72-83. В Интернет: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Симеон-Дени Поасон (1813) „Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans“ („Статия за специалния случай на ротационно движение на масивни тела“), Journal de l'École Polytechnique, кн. 9, стр. 247-262. В Интернет: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Снимка на жироскопа на Bonenberger: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Уолтър Р. Джонсън (януари 1832 г.) „Описание на апарат, наречен ротаскоп за показване на няколко явления и илюстриране на определени закони на въртеливото движение“, Американското списание за наука и изкуство, 1-ва серия, кн. 21, бр. 2, стр. 265-280. В интернет: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Илюстрации на жироскопа на Уолтър Р. Джонсън („ротаскоп“) се появяват в: Board of Regents, Десети годишен доклад на Съвета на регентите на института Смитсониън...(Вашингтон, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), страници 177-178. В интернет: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Вагнер JF, "Машината на Боненбергер", Институтът по навигация. В интернет: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
7. L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un ax fixe à la surface de la terre," Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Париж), кн. 35, страници 424-427. В Интернет: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Превъртете надолу до „Sur les phénomènes d’orientation...“
8. (1) Юлиус Плюкер (септември 1853 г.) „Über die Fessel'sche rotationsmachine,“ Annalen der Physik, кн. 166, бр. 9, стр. 174-177; (2) Julius Plücker (октомври 1853 г.) „Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine,“ Annalen der Physik, кн. 166, бр. 10, стр. 348-351; (3) Чарлз Уитстоун (1864) „За жироскопа на Фесел“, Сборници на Кралското дружество в Лондон, кн. 7, стр. 43-48. В интернета: .