Ovládání gyroskopu. Jak to funguje: gyroskop

Smartphony a další mobilní zařízení jsou vybaveny mnoha zajímavými funkcemi a senzory. Jedním z předních modulů je gyroskopický senzor nebo gyroskop. Výstřední novinka v přístroji, vyrobená na bázi mikroelektromechanického systému, udělala velký skok ve vylepšení funkčnosti a mezi uživateli si získala velké sympatie. Původ slova „gyroskop“ má dlouhou historii. Znamená frázi „kruh“ a „koukám“.

Zakladatelem starověkého řeckého rčení byl francouzský fyzik Leon Foucault. V 19. století studoval denní rotaci Země a tento termín byl pro nové zařízení jako stvořený. Gyroskopické senzory používají letecké společnosti, lodní doprava a kosmonautika. Společnost Apple, výrobce modern mobilní telefony, jako první vzal tuto funkcionalitu za základ a implementoval ji do iPhonu 4. Navzdory tomu, že video níže je na anglický jazyk, ukázka technologie od Steva Jobse je srozumitelná bez překladu.

Nyní, abyste mohli přijímat příchozí hovory nebo procházet stránky e-kniha, stačí zatřást telefonem. Díky zařízení se rychle prohlížejí fotografie a další obrázky a mění se hudba. Nová aplikace na chytrém telefonu iPone s názvem CoveFlow vám umožňuje používat kalkulačku. Funkce jako dělení, násobení, sčítání a odčítání jsou nyní snadno proveditelné. Když telefon otočíte o 90°, tato funkce se automaticky přepne na pokročilé funkce s mnoha složitými matematickými operacemi.

Spolu se snadnými funkcemi zavedli vývojáři do zařízení i ty složitější. software. Například v některých operační systémy Zatřesením telefonu se spustí aktualizace pro Bluetooth nebo specifický program pro měření úhlů a úrovní sklonu. Gyroskop dokonale zohledňuje rychlost pohybu a určuje polohu osoby v neznámém terénu.

Z technického hlediska je gyroskop poměrně složité zařízení. Při vývoji jsme vycházeli z principu činnosti akcelerometru, což je baňka s pružinou a závažím uvnitř. Na jedné straně pružiny je připevněno závaží a druhá strana pružiny je připevněna k tlumiči pro tlumení vibrací. Při otřesu (zrychlení) měřicího přístroje se připojená hmota pohybuje a napíná pružinu.

Takové výkyvy mohou být reprezentovány ve formě dat. Pokud umístíte tři takové akcelerometry kolmo, můžete získat představu o tom, jak se objekt nachází v prostoru. Vzhledem k tomu, že je technicky možné umístit takový objemný měřící zařízení ve smartphonu nemožné, princip fungování byl ponechán stejný, ale zátěž byla nahrazena inertní hmotou, která se nachází ve velmi malém čipu. Při zrychlování se mění poloha setrvačné hmoty a tím se vypočítává poloha smartphonu v prostoru.

Pomocí GPS navigace se na displeji objeví mapa, která zaznamenává stejný směr objektů pro libovolné natočení těla. Jinými slovy, pokud stojíte čelem k řece, automaticky se objeví na mapě. Při otočení o 180 stupňů směrem k vodní ploše se na monitoru okamžitě objeví podobné změny. Použití této funkce usnadňuje navigaci v oblasti. To je důležité zejména pro zúčastněné osoby aktivní druhy rekreace.

Díky přesnému sledování rychlosti pohybu se ovládání chytrým telefonem stává pohodlnějším a harmoničtějším. Amatéři na Androidu často používají gyroskopy počítačové hry- hráči. Jedinečné zařízení v zařízení okamžitě promění obrázky ve skutečnost. Závodní hry, simulátory, střílečky a Pokemon Go se stávají obzvláště věrohodnými.

Stačí změnit polohu smartphonu a rychlost otáčení a řízení virtuálního auta se vám bude zdát skutečné. Hrdinové na displeji přesně namíří kulomet, zamíří dělo, otočí volant, zvednou vrtulník do vzduchu a zabijí nepřítele. Kapesní monstra nebudou skákat na virtuální trávě, ale budou se pohybovat po reálném světě ve viditelné oblasti vestavěné kamery.

Samozřejmě to není celý seznam pozitivních vlastností, které jsou s tím spojené smartphony Android a iPhone. Seznam příjemných a pohodlných chvil je nekonečný. Ne všichni uživatelé však ocenili univerzální vlastnosti. Někteří se rozhodli opustit gyroskop v novém smartphonu, jiní jej jednoduše vypnuli. A pro to existuje vysvětlení.
Mezi mnoha výhodami existují jemné nevýhody.

1. Jednou z nevýhod je instalace jednotlivých aplikací, které reagují s mírným zpožděním na změny poloh v prostoru. Vypadá to jako pouhá maličkost, ale přítomnost tohoto senzoru způsobuje uživateli chytrého telefonu určité nepříjemnosti. Nevýhody jsou patrné zejména při čtení e-knihy vleže. Čtečka mění svou polohu, zároveň gyro senzor připojený k zařízení mění polohu stránky. Musíme urychleně překonfigurovat její orientaci.
2. Výrobci smartphonů ve svých prezentacích ve většině případů o přítomnosti důležitého senzoru mlčí. Při nákupu nového modelu lze detekovat přítomnost gyroskopu v Technické specifikace gadget v seznamu senzorů. Existují i ​​​​jiné způsoby, například instalace klienta YouTube, který vám umožní rychle nainstalovat funkci. Pomocí aplikace AnTuTu Benchmark, Sensor Sense také určuje vestavěný gyroskopický senzor nebo jeho nedostatek.

Moderní prvek chytrého telefonu funguje průběžně. Jedná se o nezávislý senzor, který nevyžaduje kalibraci. Není nutné jej zapínat ani vypínat. Automatizace tuto práci udělá za vás. Pokud zařízení chybí, virtuální realitu si nezahrajete. Jen si budete muset koupit nový mobil s vestavěnými funkcemi.

V dnešní době jsou všechny smartphony vybaveny alespoň jedním senzorem a nejčastěji několika. Nejběžnějšími senzory jsou senzory přiblížení, osvětlení a pohybu. Většina smartphonů je vybavena akcelerometrem, který reaguje na pohyb zařízení ve dvou nebo maximálně třech rovinách. Pro plnou interakci s náhlavní soupravou pro virtuální realitu potřebujete gyroskop, který detekuje pohyby v jakémkoli směru.

Gyroskop v chytrém telefonu je mikroelektromechanický převodník úhlových rychlostí na elektrický signál. Jinými slovy, tento snímač vypočítává změnu úhlu sklonu vzhledem k ose při otáčení zařízení.

Gyroskop patří k mikroelektromechanickým systémům (MEMS), které kombinují mechanické a elektronické části. Takové čipy mají velikost v řádu několika milimetrů nebo méně.

Konvenční gyroskop se skládá z inerciálního objektu, který se rychle otáčí kolem své osy. Udržuje tedy svůj směr a posun řízeného objektu se měří změnou polohy závěsů. Takový top se evidentně nevejde do smartphonů, místo toho se používá MEMS.

Přeměna mechanického pohybu na elektrický signál

Nejjednodušší jednoosý gyroskop má dvě pohybující se hmoty pohybující se v opačných směrech (na obrázku znázorněny modře). Jakmile je aplikována vnější úhlová rychlost, na hmotu působí Coriolisova síla, která směřuje kolmo k jejich pohybu (označeno oranžově).

Pod vlivem Coriolisovy síly se hmoty posunou o velikost úměrnou použité rychlosti. Změna polohy hmot mění vzdálenost mezi pohybujícími se elektrodami (rotory) a stacionárními elektrodami (statory), což vede ke změně kapacity kondenzátoru a podle toho i napětí na jeho deskách, a to je elektrický signál. . Právě tyto vícenásobné signály rozpoznává gyroskop MEMS a určuje směr a rychlost pohybu.

Výpočet orientace smartphonu

Mikrokontrolér přijímá informaci o napětí a v tuto chvíli ji převádí na úhlovou rychlost. Velikost úhlové rychlosti lze určit s danou přesností, například až 0,001 stupně za sekundu. Pro určení, o kolik stupňů kolem osy bylo zařízení otočeno, je nutné vynásobit okamžitou rychlost časem mezi dvěma odečty senzoru. Pokud použijeme tříosý gyroskop, dostaneme data o rotacích vůči všem třem osám, tedy můžeme takto určit orientaci smartphonu v prostoru.

Zde stojí za zmínku, že pro získání hodnot úhlů je nutné integrovat původní rovnice, které zahrnují úhlové rychlosti. S každou integrací se chyba zvyšuje. Pokud vypočítáte polohu pouze pomocí gyroskopu, časem se vypočítané hodnoty stanou nesprávnými.

Proto jsou v chytrých telefonech pro přesné určení orientace v prostoru vyžadovány také údaje z akcelerometru. Tento snímač měří lineární zrychlení, ale nereaguje na zatáčení. Oba snímače jsou schopny plně popsat všechny druhy pohybu. Hlavní výhodou gyroskopu oproti akcelerometru je, že reaguje na pohyb v libovolném směru.

Proč potřebujete gyroskop ve smartphonu?

Tomuto senzoru byla věnována zvýšená pozornost v posledních několika letech, kdy se začaly aktivně vyvíjet hry a aplikace pro virtuální realitu. Pro interakci uživatele s virtuální realitou musí program přesně určit polohu osoby v prostoru. Nyní dokonce v tom nejvíce levné chytré telefony Je nainstalován akcelerometr, ale jeho hodnoty jsou doprovázeny hlukem a snímač nereaguje na otáčky a pohyby v horizontální rovině. Pro úplné ponoření do virtuální reality proto musí mít chytrý telefon gyroskop a akcelerometr.

Jak zjistit, zda má váš smartphone gyroskop

Charakteristiky smartphonu obvykle udávají, jaké senzory má. Pokud pochybujete o pravdivosti informací, pomohou speciální programy. Například Sensor Box pro Android zobrazuje informace o všech vestavěných senzorech. Gyroskop je označen jako Gyroskop. Existují další metody, které jsme popsali v tomto článku.

Také se vám bude líbit:

Proč se smartphone zahřívá: 7 oblíbených důvodů

GYROSKOP (z řeckého γ?ρος - kruh, kruh a σκοπ?ω - pozorovat), zařízení, které provádí rychlé cyklické (rotační nebo oscilační) pohyby a je tedy citlivé na rotaci v inerciálním prostoru. Termín „gyroskop“ navrhl v roce 1852 J. B. L. Foucault pro zařízení, které vynalezl a které mělo demonstrovat rotaci Země kolem své osy. Dlouhou dobu se termín „gyroskop“ používal pro označení rychle rotujícího symetrického tuhého tělesa. V moderní technologii je gyroskop hlavním prvkem všech druhů gyroskopických zařízení nebo nástrojů, široce používaných pro automatické řízení pohybu letadel, lodí, torpéd, raket, kosmických lodí, mobilních robotů, pro navigační účely (kurz, zatáčka, horizont , kardinální indikátory), pro měření úhlové orientace pohybujících se objektů a v mnoha dalších případech (např. při projíždění štol, stavbě podchodů, při vrtání studní).

Klasický gyroskop. Podle zákonů newtonské mechaniky je rychlost rotace osy rychle rotujícího symetrického tuhého tělesa v prostoru nepřímo úměrná jeho vlastní úhlové rychlosti, a proto se osa gyroskopu otáčí tak pomalu, že v určitém časovém intervalu lze jej použít jako indikátor konstantního směru v prostoru.

Nejjednodušším gyroskopem je vrchol, jehož paradoxní chování spočívá v jeho odolnosti vůči změně směru osy otáčení. Pod vlivem vnější síly se osa vrcholu začne pohybovat ve směru kolmém na vektor síly. Díky této vlastnosti rotující horní část nepadá a její osa popisuje kužel kolem svislice. Tento pohyb se nazývá precese gyroskopu. Pokud na osu rychle rotujícího volného gyroskopu působí dvojice sil (P, P'), P' = -P, s momentem M = Ph, kde h je rameno dvojice sil (obr. 1), pak se (na rozdíl od očekávání) začne gyroskop dodatečně otáčet nikoli kolem osy x, kolmé k rovině dvojice sil, ale kolem osy y, ležící v této rovině a kolmé na z- osa otáčení gyroskopu. Pokud se v kterémkoli okamžiku zastaví působení dvojice sil, zastaví se současně precese, tj. precesní pohyb gyroskopu je bez setrvačnosti. Aby se osa gyroskopu mohla volně otáčet v prostoru, je gyroskop obvykle upevněn v prstencích kardanu (obr. 2), což je soustava pevných těles (rámů, prstenců) spojených do série válcovými závěsy. Obvykle, při absenci technologických chyb, se osy kardanových rámů protínají v jednom bodě - ve středu zavěšení. Symetrické rotační těleso (rotor) upevněné v takovém závěsu má tři stupně volnosti a může provádět libovolné otáčení kolem středu závěsu. Gyroskop, jehož těžiště se shoduje se středem zavěšení, se nazývá vyvážený, astatický nebo volný. Studium zákonů pohybu klasického gyroskopu je problémem dynamiky tuhého tělesa.

Hlavní kvantitativní charakteristikou rotoru mechanického gyroskopu je jeho vektor vlastního kinetického momentu, nazývaného také moment hybnosti nebo moment hybnosti,

kde I je moment setrvačnosti rotoru gyroskopu vzhledem k ose jeho vlastní rotace, Ω je úhlová rychlost vlastní rotace gyroskopu vzhledem k ose symetrie.

Pomalý pohyb vektoru vlastního momentu hybnosti gyroskopu pod vlivem momentů vnějších sil, nazývaný precese gyroskopu, je popsán rovnicí

ω x Η = Μ, (2)

kde ω je vektor úhlové rychlosti precese, H je vektor vlastního momentu hybnosti gyroskopu, M je složka točivého momentu vnějších sil působících na gyroskop ortogonálně k H.

Moment sil působících z rotoru na ložiska osy vlastního otáčení rotoru, ke kterému dochází při změně směru osy a je určen rovnicí

М g = -М = Η x ω, (3)

tzv. gyroskopický moment.

Kromě pomalých precesních pohybů může osa gyroskopu provádět rychlé oscilace s malou amplitudou a vysoká frekvence- tzv. nutace. Pro volný gyroskop s dynamicky symetrickým rotorem v závěsu bez setrvačnosti je frekvence nutačních kmitů určena vzorcem

kde A je moment setrvačnosti rotoru vzhledem k ose kolmé k ose jeho vlastní rotace a procházející těžištěm rotoru. V přítomnosti třecích sil se nutační vibrace obvykle velmi rychle rozpadají.

Chyba gyroskopu se měří rychlostí, kterou se jeho osa vzdaluje od původní polohy. Podle rovnice (2) je velikost driftu, nazývaná také drift, úměrná momentu síly M vzhledem ke středu závěsu gyroskopu:

ω х = М/Н (4)

Ztráta ω х se obvykle měří v obloukových stupních za hodinu. Ze vzorce (4) vyplývá, že volný gyroskop funguje ideálně pouze tehdy, je-li vnější moment M roven 0. V tomto případě se úhlová rychlost precese stane nulovou a osa její vlastní rotace bude přesně souhlasit s konstantním směrem v inerciální prostor.

V praxi však jakýkoli prostředek použitý k zavěšení rotoru gyroskopu způsobuje nežádoucí vnější momenty neznámé velikosti a směru. Vzorec (4) určuje způsoby, jak zvýšit přesnost mechanického gyroskopu: je nutné snížit „škodlivý“ moment sil M a zvýšit kinetický moment N. Při volbě úhlové rychlosti gyroskopu je nutné vzít v úvahu zohledňují jedno z hlavních omezení spojených s pevnostními limity materiálu rotoru v důsledku odstředivých sil vznikajících během rotační pevnosti Když rotor zrychlí nad tzv. přípustnou úhlovou rychlost, začíná proces jeho destrukce.

Nejlepší moderní gyroskopy mají náhodný drift asi 10 -4 -10 -5 °/h. Osa gyroskopu se s chybou 10 -5 °/h otočí o 360 ° za 4 tisíce let! Přesnost vyvážení gyroskopu s chybou 10 -5 °/h by měla být vyšší než jedna desetitisícina mikrometru (10 -10 m), to znamená, že posunutí těžiště rotoru od středu zavěšení by mělo nepřekročí hodnotu v řádu průměru atomu vodíku.

Gyroskopické přístroje lze rozdělit na výkonové a měřicí. Napájecí zařízení slouží k vytváření momentů síly působících na základnu, na které je instalováno gyroskopické zařízení; měřící jsou určeny pro stanovení parametrů pohybu základny (měřenými parametry mohou být úhly natočení základny, průměty vektoru úhlové rychlosti atd.).

První praktické uplatnění našel vyvážený gyroskop v roce 1898 v zařízení pro stabilizaci kurzu torpéda, které vynalezl rakouský inženýr L. Aubry. Podobná zařízení v různých verzích se začala používat ve 20. letech 20. století na letounech k indikaci kurzu (směrový gyroskop, gyroskopy), později k řízení pohybu raket. Obrázek 3 ukazuje příklad použití gyroskopu se třemi stupni volnosti v ukazateli směru letectví (gyro-půlkompas). Otáčení rotoru v kuličkových ložiskách je vytvářeno a podporováno proudem stlačeného vzduchu nasměrovaným na drážkovaný povrch ráfku. Pomocí stupnice azimutu připevněné k vnějšímu rámu můžete nastavením osy vlastního otáčení rotoru rovnoběžně s rovinou základny zařízení zadat požadovanou hodnotu azimutu. Tření v ložiskách je nepatrné, takže osa otáčení rotoru zachovává danou polohu v prostoru. Pomocí šipky připevněné k základně můžete ovládat rotaci letadla na stupnici azimutu.

Gyroskopický horizont neboli umělý horizont, který umožňuje pilotovi udržet letadlo ve vodorovné poloze, když přirozený horizont není vidět, je založen na použití gyroskopu se svislou osou rotace, která udržuje směr, když je letadlo nakloněný. Autopiloti používají dva gyroskopy s horizontální a vertikální osou otáčení; první slouží k udržení směru letadla a ovládá vertikální kormidla, druhý - k udržení horizontální pozice letadla a ovládá horizontální kormidla.

Pomocí gyroskopu byly vytvořeny autonomní inerciální navigační systémy (INS), určené k určení souřadnic, rychlosti a orientace pohybujícího se objektu (lodě, letadla, kosmické lodi atd.) bez použití jakýchkoliv externích informací. Kromě gyroskopu INS zahrnuje akcelerometry určené k měření zrychlení (přetížení) objektu a také počítač, který integruje výstupní signály akcelerometrů v průběhu času a poskytuje navigační informace s přihlédnutím k hodnotám z gyroskopu. Na začátku 21. století byly vytvořeny tak přesné ANN, že k vyřešení mnoha problémů již není potřeba další zvyšování přesnosti.

Rozvoj gyroskopické techniky se v posledních desetiletích soustředil na hledání nekonvenčních oblastí použití gyroskopických přístrojů – průzkum nerostů, předpověď zemětřesení, ultrapřesné měření souřadnic železničních tratí a ropovodů, zdravotnické vybavení a mnoho dalšího.

Neklasické typy gyroskopů. Vysoké nároky na přesnost a provozní vlastnosti gyroskopických přístrojů vedly nejen k dalšímu zdokonalování klasického gyroskopu s rotujícím rotorem, ale také k hledání zásadně nových nápadů, jak vyřešit problém vytváření citlivých senzorů pro indikaci a měření úhlů. pohyby objektu v prostoru. To bylo usnadněno úspěchy kvantové elektroniky, jaderné fyziky a dalších oblastí exaktních věd.

Vzduchem podporovaný gyroskop nahrazuje kuličková ložiska používaná v tradičním gimbalu „plynovým polštářem“ (gas-dynamic support). Tím bylo zcela odstraněno opotřebení nosného materiálu při provozu a umožnilo se téměř neomezeně zvyšovat životnost zařízení. Nevýhody plynových podpěr zahrnují poměrně velké energetické ztráty a možnost náhlého selhání při náhodném kontaktu rotoru s podpěrnou plochou.

Plovákový gyroskop je rotační gyroskop, ve kterém jsou pro odlehčení závěsných ložisek všechny pohyblivé prvky váženy v kapalině s vysokou hustotou, takže hmotnost rotoru spolu s pláštěm je vyvážena hydrostatickými silami. Díky tomu se o mnoho řádů sníží suché tření v osách zavěšení a zvýší se odolnost zařízení proti nárazům a vibracím. Utěsněné pouzdro, které funguje jako vnitřní rám gimbalu, se nazývá plovák. Rotor gyroskopu uvnitř plováku se otáčí na vzduchovém polštáři v aerodynamických ložiskách rychlostí cca 30-60 tisíc otáček za minutu. Pro zvýšení přesnosti zařízení je nutné použít systém tepelné stabilizace. Plovákový gyroskop s vysokým třením viskózní kapaliny se také nazývá integrační gyroskop.

Dynamicky laditelný gyroskop (DTG) patří do třídy gyroskopů s pružným zavěšením rotoru, u kterých je zajištěna volnost úhlových pohybů osy vlastní rotace díky pružné poddajnosti konstrukčních prvků (například torzních tyčí) . U DNG je oproti klasickému gyroskopu použito tzv. vnitřní kardanové zavěšení (obr. 4), tvořené vnitřním kroužkem 2, který je zevnitř připevněn torzními tyčemi 4 k hřídeli elektromotoru. 5 a z vnějšku torzními tyčemi 3 k rotoru 1. Třecí moment v závěsu se projevuje pouze jako důsledek vnitřního tření v materiálu pružných torzních tyčí. V DNG jsou díky volbě momentů setrvačnosti rámů zavěšení a úhlové rychlosti otáčení rotoru kompenzovány elastické momenty zavěšení působící na rotor. Mezi výhody DNG patří jejich miniaturní rozměry, absence ložisek se specifickými třecími momenty přítomnými v klasickém závěsu kardanu, vysoká stabilita odečtů a relativně nízká cena.

Rýže. 4. Dynamicky nastavitelný gyroskop s vnitřním závěsem kardanu: 1 - rotor; 2 - vnitřní kroužek; 3 a 4 - torzní tyče; 5 - elektromotor.

Prstencový laserový gyroskop (RLG), nazývaný také kvantový gyroskop, je vytvořen na bázi laseru s prstencovým rezonátorem, ve kterém se protiběžně šířící elektromagnetické vlny současně šíří po uzavřeném optickém obvodu. Mezi výhody KLG patří absence rotujícího rotoru, ložiska vystavená třecím silám a vysoká přesnost.

Vláknový gyroskop (FOG) je optický interferometr, ve kterém se šíří protisměrně se šířící elektromagnetické vlny. FOG je analogový převodník úhlové rychlosti otáčení základny, na které je instalován, na výstupní elektrický signál.

Vlnový gyroskop v pevné fázi (SWG) je založen na využití inertních vlastností elastických vln v pevné látce. Elastická vlna se může šířit ve spojitém prostředí, aniž by změnila svou konfiguraci. Pokud jsou stojaté vlny elastických vibrací buzeny v osově symetrickém rezonátoru, pak rotace základny, na které je rezonátor instalován, způsobí rotaci stojaté vlny o menší, ale známý úhel. Odpovídající pohyb vlny jako celku se nazývá precese. Rychlost precese stojaté vlny je úměrná průmětu úhlové rychlosti rotace základny na osu symetrie rezonátoru. Mezi výhody VTG patří: vysoký poměr přesnost/cena; schopnost odolávat velkému přetížení, kompaktnost a nízká hmotnost, nízká energetická náročnost, krátká doba připravenosti, slabá závislost na okolní teplotě.

Vibrační gyroskop (VG) je založen na vlastnosti ladičky udržovat rovinu vibrací jejích nohou. V noze oscilační ladičky namontované na plošině rotující kolem osy symetrie ladičky vzniká periodický moment síly, jehož frekvence je rovna frekvenci vibrací noh a amplituda je úměrná na úhlovou rychlost otáčení plošiny. Změřením amplitudy úhlu natočení ramena ladičky tedy lze posoudit úhlovou rychlost plošiny. Nevýhody VG zahrnují nestabilitu odečtů kvůli potížím s vysoce přesným měřením amplitudy kmitů nohou, stejně jako skutečnost, že nepracují v podmínkách vibrací, které téměř vždy doprovázejí místa instalace zařízení. na pohybujících se předmětech. Myšlenka gyroskopu s ladičkou podnítila celou řadu hledání nových typů gyroskopů využívajících piezoelektrický efekt nebo vibrace kapalin či plynů ve speciálně zakřivených trubicích a podobně.

Mikromechanický gyroskop (MMG) označuje gyroskopy s nízkou přesností (pod 10 -1 °/h). Tato oblast byla tradičně považována za neperspektivní pro problémy s ovládáním pohybujících se objektů a navigací. Ale na konci 20. století se vývoj MMG stal jednou z nejintenzivněji rozvíjených oblastí gyroskopické technologie, úzce související s moderními křemíkovými technologiemi. MMG je druh elektronického čipu s křemenným substrátem o ploše několika čtverečních milimetrů, na který je pomocí fotolitografie nanesen plochý vibrátor jako ladička. Přesnost moderních MMG je nízká a dosahuje 10 1 -10 2 °/h, ale rozhodující význam má extrémně nízká cena mikromechanických snímacích prvků. Díky použití dobře vyvinutý moderní technologie masová výroba mikroelektroniky otevírá možnost využití MMG ve zcela nových oblastech: automobily a dalekohledy, teleskopy a videokamery, myši a joysticky osobní počítače, mobilní robotická zařízení a dokonce i dětské hračky.

Bezkontaktní gyroskop označuje ultra-vysoká přesná gyroskopická zařízení (10 -6 -5·10 -4 °/h). Vývoj gyroskopu s bezkontaktním závěsem začal v polovině 20. století. U bezkontaktních gimbalů je realizován stav levitace, tedy stav, kdy rotor gyroskopu „plave“ v silovém poli gimbalu bez jakéhokoli mechanického kontaktu s okolními tělesy. Mezi bezkontaktními gyroskopy se rozlišují gyroskopy s elektrostatickým, magnetickým a kryogenním zavěšením rotoru. V elektrostatickém gyroskopu je vodivý beryliový kulový rotor zavěšen v evakuované dutině v řízeném elektrickém poli vytvářeném soustavou elektrod. V kryogenním gyroskopu je supravodivý niobový sférický rotor zavěšen v magnetickém poli; Pracovní objem gyroskopu je ochlazen na ultra nízké teploty, takže rotor přejde do supravodivého stavu. Gyroskop s magnetickou rezonancí zavěšení rotoru je obdobou gyroskopu s elektrostatickým zavěšením rotoru, u kterého je elektrické pole nahrazeno polem magnetickým a beryliový rotor je nahrazen feritovým. Moderní gyroskopy s bezkontaktním zavěšením jsou vysoce komplexní zařízení, která zahrnují nejnovější technologické pokroky.

Kromě výše uvedených typů gyroskopů se pracovalo a pracuje na exotických typech gyroskopů, jako je iontový gyroskop, jaderný gyroskop atd.

Matematické problémy v teorii gyroskopů. Matematické základy teorie gyroskopu položil L. Euler v roce 1765 ve svém díle „Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum“. Pohyb klasického gyroskopu je popsán soustavou diferenciálních rovnic 6. řádu, jejíž řešení se stalo jedním z nejznámějších matematických problémů. Tento problém patří do sekce teorie rotačního pohybu tuhého tělesa a je zobecněním problémů, které lze zcela vyřešit jednoduchými prostředky klasické analýzy. Je však tak obtížná, že k dokončení má stále daleko, a to i přes výsledky, kterých dosáhli největší matematici 18.–20. století. Moderní gyroskopické přístroje vyžadovaly řešení nových matematických problémů. Pohyb bezkontaktních gyroskopů se s vysokou přesností řídí zákony mechaniky, takže řešením pohybových rovnic gyroskopu pomocí počítače lze přesně předpovědět polohu osy gyroskopu v prostoru. Díky tomu nemusí vývojáři bezkontaktních gyroskopů vyvažovat rotor s přesností 10 -10 m, což je při současné úrovni techniky nemožné. Stačí přesně změřit výrobní chyby rotoru daného gyroskopu a zavést vhodné korekce do programů pro zpracování signálu gyroskopu. Pohybové rovnice gyroskopu získané s přihlédnutím k těmto korekcím se ukazují jako velmi složité a k jejich řešení je nutné použít velmi výkonné počítače pomocí algoritmů založených na nejnovějších pokrokech v matematice. Vývoj programů pro výpočet pohybu gyroskopu s bezdotykovým závěsem může výrazně zvýšit přesnost gyroskopu, a tedy i přesnost určení polohy objektu, na kterém jsou tyto gyroskopy instalovány.

Lit.: Magnus K. Gyroskop. Teorie a aplikace. M., 1974; Ishlinsky A. Yu. Orientace, gyroskopy a inerciální navigace. M., 1976; Klimov D. M., Kharlamov S. A. Dynamika gyroskopu v závěsu kardanu. M., 1978; Ishlinsky A. Yu., Borzov V. I., Stepanenko N. P. Přednášky o teorii gyroskopů. M., 1983; Novikov L.Z., Shatalov M.Yu. Mechanika dynamicky laděných gyroskopů. M., 1985; Zhuravlev V.F., Klimov D.M. Vlnový gyroskop v pevné fázi. M., 1985; Martynenko Yu.G. Pohyb tuhého tělesa v elektrických a magnetických polích. M., 1988.

Když se pokusíte otočit rotující těleso, vznikne síla, která působí kolmo na sílu, kterou na něj působíte. Na druhém obrázku můžete vidět, že když jsou části kola označené body A a B otočené o 90 stupňů, mají tendenci otáčet kolo ve směru hodinových ručiček v rovině obrazovky. Tomu se říká precese. Kvůli této síle se osa vrcholu vždy pohybuje po kruhu, pokud není spuštěna hladce, velmi neintuitivní.

Sníme o létě, představme si, že jedeme na kole. Jasně vidíme přední kolo, téměř shora. Pokud se pokusíme zatočit např. doleva, pak působíme silou na osu kola. Těm částem kola, které jsou aktuálně vepředu, je dán impuls směrovaný doleva a zadní části kolo má impuls doprava.

Ale protože jedeme rychle a kolo se točí, část, která byla těsně před námi, skončí vzadu a malý impuls, který se nám podařilo dát této části kola, nyní působí v opačném směru a otáčí ji do opačný směr.

Ukazuje se, že kvůli otáčení kola si bráníme v jeho otáčení. To znamená, že síla, kterou působíme na otáčení kola, se nám vrací po polovině otáčky kola.

Jakýkoli rotující objekt lze nazvat gyroskopem. Působí proti odchylce osy otáčení a lidé ji aktivně využívají:

V moderních ovladačích herní konzole A iPhone 4 má gyroskopy, ale ty jsou navrženy na úplně jiném principu.

V navigačních zařízeních v letadlech a kosmická loď. Dobře vyvážený gyroskop na speciálních pantech, instalovaný v letadle, vždy udržuje svou polohu v prostoru, žádná akrobacie ho nesrazí. To umožňuje přístrojům letadla vždy vědět, kterým směrem je dolů.

Ve zbrani. Střela se při výstřelu kroutí, což jí dává mnohem větší stabilitu, což značně zvyšuje přesnost střelby.

Kola jízdního kola nebo motocyklu fungují jako gyroskopy a to zabraňuje pádu jezdce. Je obtížnější jet na kole pomalu než rychle, protože při vysoké rychlosti se kola točí rychleji a je stabilnější.

Existuje mnoho hraček, kde hlavní částí je gyroskop: všechny druhy topů a yo-ya, se kterými můžete dělat následující triky:

Gyroskop vynalezený Foucaultem (postavil Dumolin-Froment, 1852)

Před vynálezem gyroskopu lidstvo používalo různé metody pro určování směru ve vesmíru. Od pradávna se lidé vizuálně řídili vzdálenými objekty, zejména Sluncem. Již ve starověku se objevily první přístroje: olovnice a hladina založená na gravitaci. Ve středověku byl v Číně vynalezen kompas využívající magnetismus Země. V Evropě vznikl astroláb a další přístroje na základě postavení hvězd.

Výhodou gyroskopu oproti starodávnějším zařízením bylo, že správně fungoval v obtížných podmínkách (špatná viditelnost, otřesy, elektromagnetické rušení). Rotace gyroskopu se však vlivem tření rychle zpomalila.

V druhé polovině 19. století bylo navrženo použít elektromotor pro urychlení a udržení rotace gyroskopu. Gyroskop poprvé v praxi použil v 80. letech 19. století inženýr Aubrey ke stabilizaci kurzu torpéda. Ve 20. století se gyroskopy začaly používat v letadlech, raketách a ponorkách místo nebo ve spojení s kompasem.

Klasifikace

Hlavní typy gyroskopů podle počtu stupňů volnosti:

• dvoustupňový,
• třístupňové.

Existují dva hlavní typy gyroskopů založené na principu jejich činnosti:

• mechanické gyroskopy,
• optické gyroskopy.

Mechanické gyroskopy

Mezi mechanickými gyroskopy vyniká rotační gyroskop- rychle rotující pevné těleso (rotor), jehož osa rotace může libovolně měnit orientaci v prostoru. V tomto případě rychlost rotace gyroskopu výrazně převyšuje rychlost rotace jeho rotační osy. Hlavní vlastností takového gyroskopu je schopnost udržovat konstantní směr osy rotace v prostoru bez vlivu momentů vnějších sil na něj a účinně odolávat působení vnějších momentů sil. Tato vlastnost je do značné míry určena úhlovou rychlostí vlastní rotace gyroskopu.

Poprvé tuto nemovitost použil Foucault v roce . Právě díky této ukázce dostal gyroskop svůj název z řeckých slov „rotace“, „pozorovat“.

Vlastnosti třístupňového rotorového gyroskopu

Precese mechanického gyroskopu.

to znamená, že je nepřímo úměrná rychlosti otáčení gyroskopu.

Vibrační gyroskopy

Vibrační gyroskopy jsou zařízení, která udržují rovinu svých vibrací při otáčení základny. Tento typ gyroskopu je mnohem jednodušší a levnější se srovnatelnou přesností ve srovnání s rotačním gyroskopem. V zahraniční literatuře se také používá termín „Coriolisovy vibrační gyroskopy“ - protože princip jejich činnosti je založen na účinku Coriolisovy síly, jako rotační gyroskopy.
Například vibrační gyroskopy se používají v systému měření náklonu elektrického skútru Segway. Systém se skládá z pěti vibračních gyroskopů, jejichž data zpracovávají dva mikroprocesory.
Právě tento typ gyroskopů se používá v mobilní zařízení, zejména v iPhone 4 a dalších.

Princip činnosti

Dvě zavěšená závaží vibrují na rovině v gyroskopu MEMS s frekvencí .

Když se gyroskop otočí, dojde k Coriolisovu zrychlení rovnému , kde je rychlost a úhlová frekvence rotace gyroskopu. Horizontální rychlost kmitajícího závaží se získá jako: a poloha závaží v rovině je . Pohyb mimo rovinu způsobený rotací gyroskopu se rovná:

kde: je hmotnost kmitajícího závaží. - koeficient tuhosti pružiny ve směru kolmém k rovině. - velikost rotace v rovině kolmé na pohyb kmitajícího závaží.

Odrůdy

Gyroskop na MAKS-2009

Optické gyroskopy

Dělí se na vláknové optické a laserové gyroskopy. Princip fungování je založen na Sagnacově efektu objeveném v roce 1913. Teoreticky je to vysvětleno pomocí SRT. Podle STR je rychlost světla konstantní v jakékoli inerciální vztažné soustavě. Zatímco v neinerciální soustavě se může lišit od c. Při vyslání paprsku světla ve směru rotace zařízení a proti směru rotace umožňuje rozdíl v době příchodu paprsků (určený interferometrem) najít rozdíl v optických drahách paprsků. v inerciálním referenčním systému a v důsledku toho velikost úhlové rotace zařízení během průchodu paprsku. Velikost efektu je přímo úměrná úhlové rychlosti rotace interferometru a ploše pokryté šířením světelných vln v interferometru:

kde je rozdíl v dobách příchodu paprsků uvolněných v různých směrech, je oblast obrysu a je úhlová rychlost rotace gyroskopu. Vzhledem k tomu, že hodnota je velmi malá, je její přímé měření pomocí pasivních interferometrů možné pouze u gyroskopů s optickými vlákny s délkou vlákna 500-1000 m. V rotačním prstencovém interferometru laserového gyroskopu lze měřit fázový posun protisměrně se šířících vln. rovná:

kde je vlnová délka.

Aplikace gyroskopů v technice

Schéma jednoduchého mechanického gyroskopu v gimbalu

Vlastnosti gyroskopu se využívají v zařízeních - gyroskopech, jejichž hlavní součástí je rychle rotující rotor, který má několik stupňů volnosti (osy možné rotace).

Nejčastěji se používají gyroskopy umístěné v gimbalech. Takové gyroskopy mají 3 stupně volnosti, to znamená, že mohou provádět 3 nezávislé rotace kolem svých os AA", BB" A CC", protínající se ve středu zavěšení O, která zůstává vzhledem k základně A bez hnutí.

Stabilizační systémy

Stabilizační systémy existují ve třech hlavních typech.

• Systém stabilizace síly(na dvoustupňových gyroskopech).

Ke stabilizaci kolem každé osy je potřeba jeden gyroskop. Stabilizaci provádí gyroskop a odlehčovací motor, na začátku působí gyroskopický moment a poté se připojuje odlehčovací motor.

• Indikátor-systém stabilizace výkonu (na dvoustupňových gyroskopech).

Ke stabilizaci kolem každé osy je potřeba jeden gyroskop. Stabilizace se provádí pouze odlehčovacími motory, ale na začátku se objeví malý gyroskopický moment, který lze zanedbat.

• Systém stabilizace indikátoru (u třístupňových gyroskopů)

Ke stabilizaci kolem dvou os je potřeba jeden gyroskop. Stabilizace se provádí pouze vykládacími motory.

Nové typy gyroskopů

Neustále rostoucí požadavky na přesnost a výkonové charakteristiky gyroskopů přiměly vědce a inženýry z mnoha zemí světa nejen zdokonalovat klasické gyroskopy s rotujícím rotorem, ale také hledat zásadně nové nápady, které řeší problém vytváření citlivých senzory pro měření a zobrazování parametrů úhlového pohybu předmětu.

V současnosti známé více než sto různé jevy a fyzikální principy, které umožňují řešení gyroskopických problémů. V Rusku a USA byly vydány tisíce patentů a osvědčení o autorských právech na příslušné objevy a vynálezy.

Protože se v naváděcích systémech strategických raket dlouhého doletu používají přesné gyroskopy, byly informace o výzkumu prováděném v této oblasti klasifikovány jako utajované během studené války.

Směr vývoje kvantových gyroskopů je slibný.

Perspektivy rozvoje gyroskopické instrumentace

Dnes byly vytvořeny poměrně přesné gyroskopické systémy, které uspokojují širokou škálu spotřebitelů. Snížení prostředků vyčleněných na vojensko-průmyslový komplex v rozpočtech předních světových zemí prudce zvýšilo zájem o civilní aplikace gyroskopické techniky. Dnes je například rozšířené použití mikromechanických gyroskopů v systémech stabilizace automobilů nebo videokamer.

Podle zastánců navigačních metod, jako jsou GPS a GLONASS, mimořádný pokrok v oblasti vysoce přesné satelitní navigace učinil autonomní navigační pomůcky zbytečnými (v oblasti pokrytí satelitního navigačního systému (SNS), tj. v rámci planety). V současné době jsou systémy SNS lepší než gyroskopické, pokud jde o hmotnost, rozměry a cenu.

V současné době se vyvíjí satelitní navigační systém třetí generace. Umožní vám určit souřadnice objektů na povrchu Země s přesností několika centimetrů v diferenciálním režimu, když se nacházejí v oblasti pokrytí korekčního signálu DGPS. V tomto případě prý není potřeba používat směrové gyroskopy. Například instalace dvou přijímačů satelitního signálu na křídla letadla umožňuje získat informace o rotaci letadla kolem svislé osy.

Systémy SNS však nejsou schopny přesně určit polohu v městském prostředí se špatnou satelitní viditelností. Podobné problémy se vyskytují v zalesněných oblastech. Průchod signálů SNS navíc závisí na procesech v atmosféře, překážkách a odrazech signálů. Autonomní gyroskopické přístroje fungují kdekoli – pod zemí, pod vodou, ve vesmíru.

V letadlech se ukazuje, že SNS je přesnější než INS dlouho oblasti. Ale použití dvou přijímačů SNS k měření úhlů náklonu letadla dává chyby až několika stupňů. Výpočet kurzu určením rychlosti letadla pomocí SNS také není dostatečně přesný. V moderních navigačních systémech je proto optimálním řešením kombinace satelitních a gyroskopických systémů, nazývaná integrovaný (komplexní) systém INS/SNS.

Během posledních desetiletí se evoluční vývoj gyroskopické technologie přiblížil prahu kvalitativních změn. Proto se nyní pozornost specialistů v oboru gyroskopie soustředí na hledání nestandardních aplikací pro taková zařízení. Otevřely se zcela nové zajímavé úkoly: geologický průzkum, předpověď zemětřesení, ultrapřesné měření poloh železnic a ropovodů, lékařské vybavení a mnoho dalších.

Použití gyroskopu v chytrých telefonech a herních konzolích

IPhone 4 s gyroskopem uvnitř

Výrazné snížení nákladů na výrobu gyroskopů MEMS vedlo k jejich použití v chytrých telefonech a herních konzolích.

Taky gyroskop se začaly používat v ovládacích herních ovladačích, jako jsou: Sixaxis pro Sony PlayStation 3 a Wii MotionPlus pro Nintendo Wii. Oba tyto ovladače používají dva komplementární prostorové senzory: akcelerometr a gyroskop. Nintendo poprvé vydalo herní ovladač, který dokáže určit svou polohu ve vesmíru – Wii Remote pro herní konzoli Wii, ale používá pouze trojrozměrný akcelerometr. 3D akcelerometr není schopen přesně měřit rotační parametry při vysoce dynamických pohybech. A to je důvod, proč v nejnovějších herních ovladačích: Sixaxis a Wii MotionPlus byl kromě akcelerometru použit další prostorový senzor - gyroskop.

Hračky na bázi gyroskopu

Nejvíc jednoduché příklady hračkami vyrobenými na bázi gyroskopu jsou modely jojo, káča (káča) a vrtulník.
Vrcholy se od gyroskopů liší tím, že nemají jediný pevný bod.
Navíc je tu sportovní gyroskopický simulátor.

viz také

Poznámky

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“ („Popis stroje k vysvětlení zákonů Země kolem rotace axi“ změna směru posledně jmenovaného“) Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, sv. 3, strany 72-83. Na internetu: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Simeon-Denis Poisson (1813) „Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans“ („Článek o zvláštním případě rotačního pohybu masivních těles“), Journal de l'École Polytechnique, sv. 9, strany 247-262. Na internetu: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Fotografie Bonenbergerova gyroskopu: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Walter R. Johnson (leden 1832) "Popis přístroje zvaného rotascope pro předvádění několika jevů a ilustrování určitých zákonů rotačního pohybu," The American Journal of Science and Art, 1. řada, sv. 21, č. 2, strany 265-280. Na internetu: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Ilustrace gyroskopu Waltera R. Johnsona („rotascope“) se objevují v: Board of Regents, Desátá výroční zpráva rady regentů Smithsonian Institution….(Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), strany 177-178. Na internetu: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger," The Institute of Navigation. Na internetu: 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 (Paříž), sv. 35, str. 424-427. Na internetu: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Přejděte dolů na „Sur les phénomènes d’orientation...“
8. (1) Julius Plücker (září 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik, sv. 166, č.p. 9, str. 174-177; (2) Julius Plücker (říjen 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik, sv. 166, č.p. 10, str. 348-351; (3) Charles Wheatstone (1864) "Na Fesselově gyroskopu," Proceedings of the Royal Society of London, sv. 7, strany 43-48. Na internetu: .