Contrôle du gyroscope. Comment ça marche : gyroscope

Les smartphones et autres appareils mobiles sont équipés de nombreuses fonctions et capteurs intéressants. L'un des principaux modules est un capteur gyroscopique ou un gyroscope. Une nouveauté extravagante dans l'appareil, réalisée sur la base d'un système microélectromécanique, a fait un grand pas en avant dans l'amélioration de la fonctionnalité et a suscité une grande sympathie parmi les utilisateurs. L’origine du mot « gyroscope » a une longue histoire. Cela représente l'expression « cercle » et « Je regarde ».

Le fondateur du dicton grec ancien était le physicien français Léon Foucault. Au XIXe siècle, il étudiait la rotation quotidienne de la Terre, et ce terme était parfait pour désigner le nouvel appareil. Les capteurs gyroscopiques sont utilisés par les compagnies aériennes, le transport maritime et l'astronautique. Société Apple, fabricant de produits modernes téléphones portables, a été le premier à prendre cette fonctionnalité comme base et à l'implémenter dans l'iPhone 4. Malgré le fait que la vidéo ci-dessous soit sur langue anglaise, une démonstration technologique de Steve Jobs est compréhensible sans traduction.

Désormais, pour répondre aux appels entrants ou faire défiler les pages livre électronique, secouez simplement votre téléphone. Grâce à l'appareil, les photos et autres images sont visualisées rapidement et la musique change. Une nouvelle application sur le smartphone iPhone appelée CoveFlow permet d'utiliser une calculatrice. Les fonctions telles que la division, la multiplication, l'addition et la soustraction sont désormais faciles à exécuter. Lorsque vous faites pivoter le téléphone de 90°, cette fonction passe automatiquement aux fonctionnalités avancées avec de nombreuses opérations mathématiques complexes.

Outre des fonctions simples, les développeurs ont introduit des fonctions plus complexes dans l'appareil. logiciel. Par exemple, dans certains systèmes d'exploitation En secouant le téléphone, une mise à jour pour Bluetooth est lancée ou un programme spécifique de mesure des angles et niveaux d'inclinaison est lancé. Le gyroscope prend parfaitement en compte la vitesse de déplacement et détermine la localisation d'une personne en terrain inconnu.

D'un point de vue technique, un gyroscope est un appareil assez complexe. Lors de son développement, nous nous sommes basés sur le principe de fonctionnement d'un accéléromètre, qui est un flacon avec un ressort et un poids à l'intérieur. Un poids est fixé d’un côté du ressort et l’autre côté du ressort est fixé à un amortisseur pour amortir les vibrations. Lorsque l'instrument de mesure est secoué (accéléré), la masse attachée se déplace et tend le ressort.

De telles fluctuations peuvent être représentées sous forme de données. Si vous placez trois de ces accéléromètres perpendiculairement, vous pouvez avoir une idée de la façon dont un objet se trouve dans l'espace. Puisqu'il est techniquement possible de placer un appareil aussi volumineux appareil de mesure impossible dans un smartphone, le principe de fonctionnement est resté le même, mais la charge a été remplacée par une masse inerte située dans une très petite puce. Lors de l'accélération, la position de la masse inertielle change et ainsi la position du smartphone dans l'espace est calculée.

À l'aide de la navigation GPS, une carte apparaît à l'écran qui enregistre la même direction des objets pour toute rotation du corps. Autrement dit, si vous faites face à une rivière, elle apparaîtra automatiquement sur la carte. Lorsque vous tournez à 180 degrés vers un plan d’eau, des changements similaires se produisent instantanément sur le moniteur. L'utilisation de cette fonction facilite la navigation dans la zone. Ceci est particulièrement important pour les personnes impliquées espèce active des loisirs.

Grâce au suivi précis de la vitesse de déplacement, le contrôle du smartphone devient plus pratique et harmonieux. Les amateurs utilisent souvent des gyroscopes sur Android jeux d'ordinateur- les joueurs. Un dispositif unique dans l'appareil transforme instantanément les images en réalité. Les jeux de course, les simulateurs, les jeux de tir et Pokemon Go deviennent particulièrement plausibles.

Changez simplement la position de votre smartphone et la vitesse de rotation, et conduire une voiture virtuelle vous semblera réel. Les héros à l'écran pointeront avec précision la mitrailleuse, viseront le canon, tourneront le volant, soulèveront l'hélicoptère dans les airs et tueront l'ennemi. Les monstres de poche ne sauteront pas sur l'herbe virtuelle, mais se déplaceront dans le monde réel dans la zone visible de la caméra intégrée.

Bien sûr, ce n'est pas la liste complète des caractéristiques positives inhérentes à Smartphones Android et iPhone. La liste des moments agréables et pratiques est infinie. Cependant, tous les utilisateurs n’ont pas apprécié ses qualités universelles. Certains ont choisi d'abandonner le gyroscope du nouveau smartphone, d'autres l'ont simplement éteint. Et il y a une explication à cela.
Parmi les nombreux avantages, il existe de subtils inconvénients.

1. L'un des inconvénients est l'installation d'applications individuelles qui réagissent avec un léger retard aux changements de position dans l'espace. Cela semble être une bagatelle, mais la présence de ce capteur provoque certains désagréments pour l'utilisateur du smartphone. Les inconvénients sont particulièrement visibles lors de la lecture d'un livre électronique en position allongée. Le lecteur change de position, en même temps, un capteur gyroscopique connecté à l'appareil change la position de la page. Nous devons de toute urgence reconfigurer son orientation.
2. Les fabricants de smartphones, dans leurs présentations, passent dans la plupart des cas sous silence la présence d'un capteur important. Lors de l'achat d'un nouveau modèle, la présence d'un gyroscope peut être détectée dans spécifications techniques gadget dans la liste des capteurs. Il existe d'autres moyens, par exemple l'installation du client YouTube, qui vous permet d'installer rapidement la fonctionnalité. À l'aide de l'application AnTuTu Benchmark, Sensor Sense détermine également le capteur gyroscopique intégré ou son absence.

L’élément moderne d’un smartphone fonctionne en permanence. Il s'agit d'un capteur indépendant qui ne nécessite pas d'étalonnage. Il n'est pas nécessaire de l'allumer ou de l'éteindre. L'automatisation fera ce travail pour vous. Si l'appareil est manquant, vous ne pourrez pas jouer à la réalité virtuelle. Il te suffira d'acheter nouveau téléphone avec fonctions intégrées.

De nos jours, tous les smartphones sont équipés d’au moins un capteur, et le plus souvent de plusieurs. Les capteurs les plus courants sont les capteurs de proximité, d’éclairage et de mouvement. La plupart des smartphones sont équipés d'un accéléromètre qui répond aux mouvements de l'appareil sur deux ou trois plans maximum. Pour interagir pleinement avec un casque de réalité virtuelle, vous avez besoin d'un gyroscope capable de détecter les mouvements dans toutes les directions.

Le gyroscope d'un smartphone est un convertisseur microélectromécanique de vitesses angulaires en signal électrique. En d'autres termes, ce capteur calcule la variation de l'angle d'inclinaison par rapport à l'axe lors de la rotation de l'appareil.

Un gyroscope appartient aux systèmes microélectromécaniques (MEMS), qui combinent des pièces mécaniques et électroniques. Ces copeaux ont une taille de l’ordre de quelques millimètres ou moins.

Un gyroscope conventionnel est constitué d'un objet inertiel qui tourne rapidement autour de son axe. Ainsi, il maintient sa direction, et le déplacement de l'objet contrôlé est mesuré en changeant la position des suspensions. Un tel haut ne rentre évidemment pas dans les smartphones, c’est du MEMS qui est utilisé à la place.

Conversion d'un mouvement mécanique en signal électrique

Le gyroscope à axe unique le plus simple comporte deux masses mobiles se déplaçant dans des directions opposées (indiquées en bleu sur l'image). Dès qu'une vitesse angulaire externe est appliquée, la masse est soumise à une force de Coriolis, dirigée perpendiculairement à son mouvement (marquée en orange).

Sous l’influence de la force de Coriolis, les masses se déplacent d’une quantité proportionnelle à la vitesse appliquée. Changer la position des masses modifie la distance entre les électrodes mobiles (rotors) et les électrodes fixes (stators), ce qui entraîne une modification de la capacité du condensateur et, par conséquent, de la tension sur ses plaques, et il s'agit d'un signal électrique . Ce sont ces multiples signaux qui sont reconnus par le gyroscope MEMS, déterminant la direction et la vitesse du mouvement.

Calculer l'orientation du smartphone

Le microcontrôleur reçoit les informations de tension et les convertit en vitesse angulaire pour le moment. L'amplitude de la vitesse angulaire peut être déterminée avec une précision donnée, par exemple jusqu'à 0,001 degrés par seconde. Pour déterminer de combien de degrés autour de l'axe l'appareil a tourné, il est nécessaire de multiplier la vitesse instantanée par le temps entre deux lectures du capteur. Si nous utilisons un gyroscope à trois axes, nous recevrons des données sur les rotations par rapport aux trois axes, c'est-à-dire que nous pourrons ainsi déterminer l'orientation du smartphone dans l'espace.

Il convient de noter ici que pour obtenir les valeurs d’angle, il est nécessaire d’intégrer les équations originales, qui incluent les vitesses angulaires. À chaque intégration, l'erreur augmente. Si vous calculez la position uniquement à l'aide d'un gyroscope, avec le temps, les valeurs calculées deviendront incorrectes.

Par conséquent, dans les smartphones, pour déterminer avec précision l'orientation dans l'espace, des données d'accéléromètre sont également nécessaires. Ce capteur mesure l'accélération linéaire mais ne répond pas aux virages. Les deux capteurs sont capables de décrire pleinement tous les types de mouvements. Le principal avantage d’un gyroscope par rapport à un accéléromètre est qu’il réagit aux mouvements dans n’importe quelle direction.

Pourquoi avez-vous besoin d'un gyroscope dans un smartphone ?

Ce capteur a fait l'objet d'une attention accrue au cours des deux dernières années, lorsque les jeux et les applications de réalité virtuelle ont commencé à se développer activement. Pour l’interaction de l’utilisateur avec la réalité virtuelle, le programme doit déterminer avec précision la position de la personne dans l’espace. Maintenant, même dans le plus smartphones économiques Un accéléromètre est installé, mais ses lectures sont accompagnées de bruit et le capteur ne répond pas aux virages et aux mouvements dans le plan horizontal. Ainsi, pour une immersion complète dans la réalité virtuelle, un smartphone doit disposer d’un gyroscope et d’un accéléromètre.

Comment savoir si votre smartphone dispose d'un gyroscope

Généralement, les caractéristiques d'un smartphone indiquent de quels capteurs il dispose. Si vous doutez de la véracité des informations, ils vous aideront programmes spéciaux. Par exemple, Sensor Box pour Android affiche des informations sur tous les capteurs intégrés. Le gyroscope est désigné comme Gyroscope. Il existe d'autres méthodes que nous avons décrites dans cet article.

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GYROSCOPE (du grec γ?ρος - cercle, cercle et σκοπ?ω - observer), un appareil qui effectue des mouvements cycliques rapides (de rotation ou d'oscillation) et est donc sensible à la rotation dans l'espace inertiel. Le terme « gyroscope » a été proposé en 1852 par J. B. L. Foucault pour désigner le dispositif qu'il a inventé, destiné à démontrer la rotation de la Terre autour de son axe. Pendant longtemps, le terme « gyroscope » a été utilisé pour désigner un corps rigide symétrique à rotation rapide. Dans la technologie moderne, un gyroscope est l'élément principal de toutes sortes de dispositifs ou instruments gyroscopiques, largement utilisés pour le contrôle automatique du mouvement des avions, navires, torpilles, missiles, engins spatiaux, robots mobiles, à des fins de navigation (cap, virage, horizon , indicateurs cardinaux), pour mesurer l'orientation angulaire d'objets en mouvement et dans de nombreux autres cas (par exemple, lors du passage de puits de galerie, de la construction de métros, lors du forage de puits).

Gyroscope classique. Selon les lois de la mécanique newtonienne, la vitesse de rotation de l'axe d'un corps solide symétrique en rotation rapide dans l'espace est inversement proportionnelle à sa propre vitesse angulaire et, par conséquent, l'axe gyroscopique tourne si lentement qu'à un certain intervalle de temps, il peut être utilisé comme indicateur d’une direction constante dans l’espace.

Le gyroscope le plus simple est une toupie dont le comportement paradoxal réside dans sa résistance au changement de sens de l'axe de rotation. Sous l'influence d'une force externe, l'axe du sommet commence à se déplacer dans une direction perpendiculaire au vecteur force. C'est grâce à cette propriété que le plateau tournant ne tombe pas, et son axe décrit un cône autour de la verticale. Ce mouvement est appelé précession du gyroscope. Si une paire de forces (P, P'), P' = -P, est appliquée à l'axe d'un gyroscope libre en rotation rapide, avec un moment M = Ph, où h est le bras de la paire de forces (Fig. 1), alors (contrairement aux attentes) le gyroscope commencera à tourner en plus non pas autour de l'axe x, perpendiculaire au plan de la paire de forces, mais autour de l'axe y, situé dans ce plan et perpendiculaire au z- axe de rotation du gyroscope. Si à un moment donné l’action d’une paire de forces s’arrête, alors la précession s’arrêtera simultanément, c’est-à-dire que le mouvement de précession du gyroscope est sans inertie. Pour que l'axe du gyroscope puisse tourner librement dans l'espace, le gyroscope est généralement fixé dans les anneaux d'un cardan (Fig. 2), qui est un système de corps solides (cadres, anneaux) reliés en série par des charnières cylindriques. Habituellement, en l'absence d'erreurs technologiques, les axes des cadres à cardan se croisent en un point - le centre de la suspension. Un corps de rotation symétrique (rotor) fixé dans une telle suspension possède trois degrés de liberté et peut effectuer n'importe quelle rotation autour du centre de la suspension. Un gyroscope dont le centre de masse coïncide avec le centre de la suspension est dit équilibré, astatique ou libre. L'étude des lois du mouvement d'un gyroscope classique est un problème de dynamique des corps rigides.

La principale caractéristique quantitative du rotor d'un gyroscope mécanique est son vecteur de son propre moment cinétique, également appelé moment cinétique ou moment cinétique,

où I est le moment d'inertie du rotor du gyroscope par rapport à l'axe de sa propre rotation, Ω est la vitesse angulaire de la rotation du gyroscope par rapport à l'axe de symétrie.

Le mouvement lent du vecteur du moment cinétique du gyroscope sous l’influence de moments de forces extérieures, appelé précession du gyroscope, est décrit par l’équation

ω x Η = Μ, (2)

où ω est le vecteur de la vitesse angulaire de précession, H est le vecteur du moment cinétique propre au gyroscope, M est la composante du vecteur couple des forces externes appliquées au gyroscope orthogonal à H.

Le moment des forces appliquées du rotor aux roulements de l'axe de rotation propre du rotor, qui se produit lorsque la direction de l'axe change et est déterminé par l'équation

М g = -М = Η x ω, (3)

appelé moment gyroscopique.

En plus des mouvements de précession lents, l'axe du gyroscope peut effectuer des oscillations rapides de faible amplitude et haute fréquence- ce qu'on appelle les nutations. Pour un gyroscope libre avec un rotor dynamiquement symétrique dans une suspension sans inertie, la fréquence des oscillations nutationnelles est déterminée par la formule

où A est le moment d'inertie du rotor par rapport à un axe orthogonal à l'axe de sa propre rotation et passant par le centre de masse du rotor. En présence de forces de friction, les vibrations nutationnelles diminuent généralement assez rapidement.

L'erreur du gyroscope est mesurée par la vitesse à laquelle son axe s'éloigne de sa position d'origine. D'après l'équation (2), l'ampleur de la dérive, également appelée dérive, est proportionnelle au moment de force M par rapport au centre de la suspension du gyroscope :

ω х = М/Н (4)

La perte ω х est généralement mesurée en degrés d'arc par heure. De la formule (4), il résulte qu'un gyroscope libre ne fonctionne idéalement que si le moment externe M est égal à 0. Dans ce cas, la vitesse angulaire de précession devient nulle et l'axe de sa propre rotation coïncidera exactement avec la direction constante dans espace inertiel.

Cependant, dans la pratique, tout moyen utilisé pour suspendre le rotor du gyroscope provoque des moments externes indésirables d'ampleur et de direction inconnues. La formule (4) détermine les moyens d'augmenter la précision d'un gyroscope mécanique : il est nécessaire de réduire le moment de force « nocif » M et d'augmenter le moment cinétique N. Lors du choix de la vitesse angulaire d'un gyroscope, il est nécessaire de prendre en compte prendre en compte l'une des principales limitations associées aux limites de résistance du matériau du rotor en raison des forces centrifuges apparaissant lors de la résistance à la rotation Lorsque le rotor accélère au-dessus de la vitesse angulaire dite admissible, le processus de destruction commence.

Les meilleurs gyroscopes modernes ont une dérive aléatoire d'environ 10 -4 -10 -5 °/h. L'axe du gyroscope, avec une erreur de 10 -5 °/h, fait une rotation complète de 360° en 4 mille ans ! La précision d'équilibrage du gyroscope avec une erreur de 10 -5 °/h doit être supérieure à un dix millième de micromètre (10 -10 m), c'est-à-dire que le déplacement du centre de masse du rotor par rapport au centre de la suspension doit ne dépasse pas une valeur de l’ordre du diamètre d’un atome d’hydrogène.

Les appareils gyroscopiques peuvent être divisés en puissance et mesure. Appareils électriques servir à créer des moments de force appliqués à la base sur laquelle le dispositif gyroscopique est installé ; ceux de mesure sont conçus pour déterminer les paramètres du mouvement de la base (les paramètres mesurés peuvent être les angles de rotation de la base, les projections du vecteur vitesse angulaire, etc.).

La première fois qu'un gyroscope équilibré a trouvé une application pratique, c'était en 1898 dans un dispositif de stabilisation de la trajectoire d'une torpille, inventé par l'ingénieur autrichien L. Aubry. Des dispositifs similaires, dans diverses versions, ont commencé à être utilisés dans les années 1920 sur les avions pour indiquer le cap (gyroscope de direction, gyrocompas), puis pour contrôler le mouvement des fusées. La figure 3 montre un exemple d'utilisation d'un gyroscope à trois degrés de liberté dans un indicateur de cap aéronautique (gyroscope-demi-boussole). La rotation du rotor dans les roulements à billes est créée et soutenue par un flux d'air comprimé dirigé vers la surface rainurée de la jante. À l’aide de l’échelle d’azimut fixée au cadre extérieur, vous pouvez, en réglant l’axe de rotation du rotor parallèle au plan de la base de l’appareil, saisir la valeur d’azimut requise. La friction dans les roulements est insignifiante, donc l'axe de rotation du rotor maintient une position donnée dans l'espace. A l'aide de la flèche fixée à la base, vous pouvez contrôler la rotation de l'avion sur l'échelle d'azimut.

L'horizon gyroscopique, ou horizon artificiel, qui permet au pilote de maintenir son avion en position horizontale lorsque l'horizon naturel n'est pas visible, repose sur l'utilisation d'un gyroscope à axe de rotation vertical qui maintient sa direction lorsque l'avion est incliné. Les pilotes automatiques utilisent deux gyroscopes avec des axes de rotation horizontal et vertical ; le premier sert à maintenir le cap de l'avion et contrôle les gouvernes de direction verticales, le second - à maintenir position horizontale avion et contrôle les gouvernes de direction horizontales.

À l'aide d'un gyroscope, des systèmes de navigation inertielle autonomes (INS) ont été créés, conçus pour déterminer les coordonnées, la vitesse et l'orientation d'un objet en mouvement (navire, avion, vaisseau spatial, etc.) sans utiliser aucune information extérieure. En plus du gyroscope, l'INS comprend des accéléromètres conçus pour mesurer l'accélération (surcharge) d'un objet, ainsi qu'un ordinateur qui intègre les signaux de sortie des accéléromètres au fil du temps et fournit des informations de navigation en tenant compte des lectures du gyroscope. Au début du 21e siècle, des ANN si précis ont été créés qu’il n’est plus nécessaire d’augmenter encore la précision pour résoudre de nombreux problèmes.

Le développement de la technologie gyroscopique au cours des dernières décennies s'est concentré sur la recherche de domaines d'application non conventionnels des dispositifs gyroscopiques - exploration minérale, prévision des tremblements de terre, mesure ultra-précise des coordonnées des voies ferrées et des oléoducs, équipements médicaux et bien plus encore.

Types de gyroscopes non classiques. Les exigences élevées en matière de précision et de caractéristiques opérationnelles des dispositifs gyroscopiques ont conduit non seulement à de nouvelles améliorations du gyroscope classique à rotor rotatif, mais également à la recherche d'idées fondamentalement nouvelles pour résoudre le problème de la création de capteurs sensibles pour indiquer et mesurer l'angle. mouvements d'un objet dans l'espace. Cela a été facilité par les succès de l'électronique quantique, de la physique nucléaire et d'autres domaines des sciences exactes.

Un gyroscope à air remplace les roulements à billes utilisés dans un cardan traditionnel par un « coussin de gaz » (support dynamique à gaz). Cela a complètement éliminé l'usure du matériau de support pendant le fonctionnement et a permis d'augmenter la durée de vie de l'appareil presque indéfiniment. Les inconvénients des supports à gaz comprennent des pertes d'énergie assez importantes et la possibilité d'une défaillance soudaine si le rotor entre accidentellement en contact avec la surface du support.

Un gyroscope à flotteur est un gyroscope rotatif dans lequel, pour décharger les roulements de suspension, tous les éléments mobiles sont pesés dans un liquide à haute densité afin que le poids du rotor et du boîtier soit équilibré par les forces hydrostatiques. Grâce à cela, le frottement sec dans les axes de suspension est réduit de plusieurs ordres de grandeur et la résistance aux chocs et aux vibrations de l'appareil est augmentée. Le boîtier scellé, qui fait office de cadre interne du cardan, est appelé flotteur. Le rotor du gyroscope à l'intérieur du flotteur tourne sur un coussin d'air dans des roulements aérodynamiques à une vitesse d'environ 30 000 à 60 000 tours par minute. Pour augmenter la précision de l'appareil, il est nécessaire d'utiliser un système de stabilisation thermique. Un gyroscope à flotteur avec friction de fluide visqueux élevé est également appelé gyroscope intégrateur.

Un gyroscope accordable dynamiquement (DTG) appartient à la classe des gyroscopes à suspension élastique du rotor, dans lesquels la liberté de mouvements angulaires de l'axe de sa propre rotation est assurée grâce à la souplesse élastique des éléments structurels (par exemple, barres de torsion) . Dans le DNG, contrairement au gyroscope classique, on utilise la suspension dite à cardan interne (Fig. 4), formée par une bague intérieure 2, qui est fixée de l'intérieur par des barres de torsion 4 à l'arbre du moteur électrique. 5, et de l'extérieur par les barres de torsion 3 jusqu'au rotor 1. Le moment de frottement dans la suspension ne se manifeste que par le frottement interne dans le matériau des barres de torsion élastiques. Dans le DNG, du fait du choix des moments d'inertie des cadres de suspension et de la vitesse angulaire de rotation du rotor, les moments élastiques de la suspension appliqués au rotor sont compensés. Les avantages des DNG incluent leur taille miniature, l'absence de roulements avec des moments de friction spécifiques présents dans une suspension à cardan classique, une grande stabilité des lectures et un coût relativement faible.

Riz. 4. Gyroscope à réglage dynamique avec suspension à cardan interne : 1 - rotor ; 2 - bague intérieure ; 3 et 4 - barres de torsion ; 5 - moteur électrique.

Un gyroscope laser en anneau (RLG), également appelé gyroscope quantique, est créé sur la base d'un laser doté d'un résonateur en anneau, dans lequel des ondes électromagnétiques contra-propagatives se propagent simultanément le long d'un circuit optique fermé. Les avantages du KLG incluent l'absence de rotor rotatif, les roulements exposés aux forces de frottement et une grande précision.

Un gyroscope à fibre optique (FOG) est un interféromètre à fibre optique dans lequel se propagent des ondes électromagnétiques contra-propagatives. FOG est un convertisseur analogique de la vitesse angulaire de rotation du socle sur lequel il est installé en un signal électrique de sortie.

Un gyroscope à ondes solides (SWG) est basé sur l'utilisation des propriétés inertes des ondes élastiques dans un solide. Une onde élastique peut se propager dans un milieu continu sans changer sa configuration. Si des ondes stationnaires de vibrations élastiques sont excitées dans un résonateur axisymétrique, alors la rotation de la base sur laquelle le résonateur est installé fait tourner l'onde stationnaire selon un angle plus petit mais connu. Le mouvement correspondant de la vague dans son ensemble est appelé précession. Le taux de précession d'une onde stationnaire est proportionnel à la projection de la vitesse angulaire de rotation de la base sur l'axe de symétrie du résonateur. Les avantages du VTG incluent : un rapport précision/prix élevé ; capacité à résister à de lourdes surcharges, compacité et faible poids, faible intensité énergétique, temps de préparation court, faible dépendance à la température ambiante.

Un gyroscope vibrant (VG) repose sur la propriété d’un diapason de maintenir le plan de vibration de ses jambes. Dans la jambe d'un diapason oscillant monté sur une plate-forme tournant autour de l'axe de symétrie du diapason, apparaît un moment de force périodique dont la fréquence est égale à la fréquence de vibration des jambes, et l'amplitude est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation de la plateforme. Par conséquent, en mesurant l’amplitude de l’angle de torsion de la jambe du diapason, on peut juger de la vitesse angulaire de la plate-forme. Les inconvénients de VG incluent l'instabilité des lectures en raison des difficultés de mesure de haute précision de l'amplitude des oscillations des jambes, ainsi que du fait qu'ils ne fonctionnent pas dans des conditions de vibration, qui accompagnent presque toujours les sites d'installation des appareils. sur des objets en mouvement. L'idée d'un gyroscope à diapason a stimulé toute une série de recherches de nouveaux types de gyroscopes utilisant l'effet piézoélectrique ou la vibration de liquides ou de gaz dans des tubes spécialement incurvés, etc.

Le gyroscope micromécanique (MMG) fait référence aux gyroscopes de faible précision (inférieure à 10 -1 °/h). Ce domaine a traditionnellement été considéré comme peu prometteur pour les problèmes de contrôle des objets en mouvement et de navigation. Mais à la fin du 20e siècle, le développement des MMG est devenu l'un des domaines de la technologie gyroscopique les plus développés, étroitement lié aux technologies modernes du silicium. Un MMG est une sorte de puce électronique dotée d'un substrat de quartz d'une superficie de plusieurs millimètres carrés, sur laquelle est appliqué par photolithographie un vibrateur plat semblable à un diapason. La précision des MMG modernes est faible et atteint 10 1 -10 2 °/h, mais le coût extrêmement faible des éléments de détection micromécaniques revêt une importance décisive. Grâce à l'utilisation de logiciels bien développés technologies modernes la production de masse de produits microélectroniques ouvre la possibilité d'utiliser le MMG dans des domaines complètement nouveaux : voitures et jumelles, télescopes et caméras vidéo, souris et joysticks Ordinateur personnel, des appareils robotiques mobiles et même des jouets pour enfants.

Le gyroscope sans contact fait référence aux appareils gyroscopiques de très haute précision (10 -6 -5·10 -4 °/h). Le développement d’un gyroscope doté de cardans sans contact a commencé au milieu du 20e siècle. Dans les cardans sans contact, l'état de lévitation est réalisé, c'est-à-dire un état dans lequel le rotor du gyroscope « flotte » dans le champ de force du cardan sans aucun contact mécanique avec les corps environnants. Parmi les gyroscopes sans contact, on distingue les gyroscopes à suspensions de rotor électrostatiques, magnétiques et cryogéniques. Dans un gyroscope électrostatique, un rotor sphérique conducteur en béryllium est suspendu dans une cavité sous vide dans un champ électrique contrôlé créé par un système d'électrodes. Dans un gyroscope cryogénique, un rotor sphérique supraconducteur en niobium est suspendu dans un champ magnétique ; Le volume utile du gyroscope est refroidi à des températures ultra-basses, de sorte que le rotor passe dans un état supraconducteur. Un gyroscope avec une suspension de résonance magnétique du rotor est un analogue d'un gyroscope avec une suspension électrostatique du rotor, dans lequel le champ électrique est remplacé par un champ magnétique et le rotor en béryllium est remplacé par un rotor en ferrite. Les gyroscopes modernes à suspension sans contact sont des dispositifs très complexes qui intègrent les dernières avancées technologiques.

En plus des types de gyroscopes énumérés ci-dessus, des travaux ont été et sont menés sur des types de gyroscopes exotiques, tels que le gyroscope ionique, le gyroscope nucléaire, etc.

Problèmes mathématiques en théorie du gyroscope. Les fondements mathématiques de la théorie du gyroscope ont été posés par L. Euler en 1765 dans son ouvrage « Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum ». Le mouvement d'un gyroscope classique est décrit par un système d'équations différentielles du 6ème ordre, dont la solution est devenue l'un des problèmes mathématiques les plus célèbres. Ce problème appartient à la section de la théorie du mouvement de rotation d'un corps rigide et constitue une généralisation de problèmes qui peuvent être complètement résolus par des moyens simples d'analyse classique. Mais elle est si difficile qu’elle est encore loin d’être achevée, malgré les résultats obtenus par les plus grands mathématiciens des XVIIIe-XXe siècles. Les appareils gyroscopiques modernes nécessitaient de résoudre de nouveaux problèmes mathématiques. Le mouvement des gyroscopes sans contact obéit aux lois de la mécanique avec une grande précision. Par conséquent, en résolvant les équations du mouvement d'un gyroscope à l'aide d'un ordinateur, il est possible de prédire avec précision la position de l'axe du gyroscope dans l'espace. Grâce à cela, les développeurs de gyroscopes sans contact n'ont pas besoin d'équilibrer le rotor avec une précision de 10 à 10 m, ce qui est impossible à réaliser avec le niveau technologique actuel. Il suffit de mesurer avec précision les erreurs de fabrication du rotor d'un gyroscope donné et d'introduire les corrections appropriées dans les programmes de traitement du signal du gyroscope. Les équations du mouvement du gyroscope obtenues en tenant compte de ces corrections s'avèrent très complexes, et pour les résoudre il faut utiliser très ordinateurs puissants, en utilisant des algorithmes basés sur les dernières avancées mathématiques. Le développement de programmes de calcul du mouvement d'un gyroscope avec des cardans sans contact peut augmenter considérablement la précision du gyroscope, et donc la précision de détermination de l'emplacement de l'objet sur lequel ces gyroscopes sont installés.

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Lorsque vous essayez de faire tourner un corps en rotation, une force apparaît qui agit perpendiculairement à la force que vous lui appliquez. Sur la deuxième image, vous pouvez voir que lorsque les parties de la roue, indiquées par les points A et B, pivotent de 90 degrés, elles ont tendance à faire tourner la roue dans le sens des aiguilles d'une montre dans le plan de l'écran. C'est ce qu'on appelle la précession. En raison de cette force, l'axe du sommet se déplace toujours en cercle, s'il n'est pas lancé en douceur, très peu intuitif.

Rêvons de l'été, imaginons que nous faisons du vélo. On voit bien la roue avant, presque d'en haut. Si nous essayons de tourner, par exemple, vers la gauche, nous appliquons alors une force sur l'axe de la roue. Les parties de la roue qui sont actuellement en avant reçoivent une impulsion dirigée vers la gauche, et parties arrière la roue a une impulsion vers la droite.

Mais comme on roule vite et que la roue tourne, la partie qui était juste devant se retrouve derrière, et la petite impulsion que l'on a réussi à donner à cette partie de la roue travaille maintenant dans le sens inverse et la fait tourner dans le sens inverse. direction opposée.

Il s'avère qu'en raison de la rotation de la roue, nous nous empêchons de la faire tourner. C'est-à-dire que la force que nous appliquons pour faire tourner la roue nous est restituée après un demi-tour de roue.

Tout objet en rotation peut être appelé un gyroscope. Il neutralise la déviation de l'axe de rotation et les gens l'utilisent activement :

Dans les contrôleurs modernes consoles de jeux Et l'iPhone 4 dispose de gyroscopes, mais ils sont conçus selon un principe complètement différent.

Dans les appareils de navigation des avions et vaisseau spatial. Un gyroscope bien équilibré sur des charnières spéciales, installé sur un avion, maintient toujours sa position dans l'espace ; aucune voltige ne le renversera. Cela permet aux instruments de l'avion de toujours savoir dans quelle direction se trouve la descente.

Dans les bras. La balle se tord lorsqu'elle est tirée, ce qui lui confère une bien plus grande stabilité, ce qui augmente considérablement la précision du tir.

Les roues d'un vélo ou d'une moto fonctionnent comme des gyroscopes, ce qui empêche le cycliste de tomber. Il est plus difficile de faire du vélo lentement que rapidement, car à grande vitesse, les roues tournent plus vite et le rendent plus stable.

Il existe de nombreux jouets dont la partie principale est un gyroscope : toutes sortes de toupies et de yo-yos avec lesquels vous pouvez réaliser les tours suivants :

Gyroscope inventé par Foucault (construit par Dumolin-Froment, 1852)

Avant l’invention du gyroscope, l’humanité utilisait diverses méthodes pour déterminer la direction dans l’espace. Depuis l’Antiquité, les hommes se laissent guider visuellement par des objets lointains, notamment par le Soleil. Déjà dans l’Antiquité, les premiers instruments sont apparus : un fil à plomb et un niveau basé sur la gravité. Au Moyen Âge, une boussole fut inventée en Chine, utilisant le magnétisme de la Terre. En Europe, l'astrolabe et d'autres instruments ont été créés en fonction de la position des étoiles.

L'avantage du gyroscope par rapport aux appareils plus anciens était qu'il fonctionnait correctement dans des conditions difficiles (mauvaise visibilité, tremblements, interférences électromagnétiques). Cependant, la rotation du gyroscope a rapidement ralenti à cause du frottement.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, il a été proposé d'utiliser un moteur électrique pour accélérer et entretenir la rotation du gyroscope. Le gyroscope a été utilisé pour la première fois dans les années 1880 par l'ingénieur Aubrey pour stabiliser la trajectoire d'une torpille. Au XXe siècle, les gyroscopes ont commencé à être utilisés dans les avions, les fusées et les sous-marins à la place ou en conjonction avec une boussole.

Classification

Principaux types de gyroscopes par nombre de degrés de liberté :

• en deux étapes,
• trois degrés.

Il existe deux grands types de gyroscopes selon leur principe de fonctionnement :

• gyroscopes mécaniques,
• gyroscopes optiques.

Gyroscopes mécaniques

Parmi les gyroscopes mécaniques, il se distingue gyroscope rotatif- un corps solide (rotor) à rotation rapide, dont l'axe de rotation peut changer librement d'orientation dans l'espace. Dans ce cas, la vitesse de rotation du gyroscope dépasse largement la vitesse de rotation de son axe de rotation. La propriété principale d'un tel gyroscope est la capacité de maintenir une direction constante de l'axe de rotation dans l'espace en l'absence d'influence de moments de forces externes sur celui-ci et de résister efficacement à l'action de moments de forces externes. Cette propriété est largement déterminée par la vitesse angulaire de rotation du gyroscope.

Pour la première fois cette propriété a été utilisée par Foucault en . C'est grâce à cette démonstration que le gyroscope tire son nom des mots grecs « rotation », « observer ».

Propriétés d'un gyroscope à rotor à trois degrés

Précession d'un gyroscope mécanique.

c'est-à-dire qu'elle est inversement proportionnelle à la vitesse de rotation du gyroscope.

Gyroscopes vibrants

Les gyroscopes vibrants sont des appareils qui maintiennent le plan de leurs vibrations lorsque la base tourne. Ce type de gyroscope est beaucoup plus simple et moins cher avec une précision comparable à un gyroscope rotatif. Dans la littérature étrangère, le terme « gyroscopes à vibration Coriolis » est également utilisé - puisque le principe de leur fonctionnement est basé sur l'effet de la force de Coriolis, comme les gyroscopes rotatifs.
Par exemple, des gyroscopes vibrants sont utilisés dans le système de mesure d’inclinaison du scooter électrique Segway. Le système se compose de cinq gyroscopes à vibration dont les données sont traitées par deux microprocesseurs.
C'est ce type de gyroscopes qui est utilisé dans appareils mobiles, en particulier, dans l'iPhone 4 et autres.

Principe d'opération

Deux poids suspendus vibrent sur un avion dans un gyroscope MEMS avec une fréquence de .

Lorsque le gyroscope tourne, une accélération de Coriolis se produit égale à , où est la vitesse et la fréquence angulaire de rotation du gyroscope. La vitesse horizontale de la masse oscillante est obtenue comme : , et la position de la masse dans le plan est . Le mouvement hors plan provoqué par la rotation du gyroscope est égal à :

où : est la masse de la masse oscillante. - coefficient de raideur du ressort dans la direction perpendiculaire au plan. - l'ampleur de la rotation dans le plan perpendiculaire au mouvement de la masse oscillante.

Variétés

Gyroscope au MAKS-2009

Gyroscopes optiques

Ils sont divisés en gyroscopes à fibre optique et laser. Le principe de fonctionnement est basé sur l'effet Sagnac, découvert en 1913. Théoriquement, cela est expliqué en utilisant SRT. Selon STR, la vitesse de la lumière est constante dans tout référentiel inertiel. Alors que dans un système non inertiel, cela peut différer de c. Lors de l'envoi d'un faisceau lumineux dans le sens de rotation de l'appareil et contre le sens de rotation, la différence du temps d'arrivée des rayons (déterminé par l'interféromètre) permet de retrouver la différence des trajets optiques des rayons dans le système de référence inertiel et, par conséquent, l'ampleur de la rotation angulaire du dispositif lors du passage du faisceau. L'ampleur de l'effet est directement proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation de l'interféromètre et à la zone couverte par la propagation des ondes lumineuses dans l'interféromètre :

où est la différence entre les temps d'arrivée des rayons émis dans différentes directions, est la zone du contour et est la vitesse angulaire de rotation du gyroscope. Étant donné que la valeur est très petite, sa mesure directe à l'aide d'interféromètres passifs n'est possible que dans des gyroscopes à fibre optique d'une longueur de fibre de 500 à 1 000 m. Dans un interféromètre à anneau rotatif d'un gyroscope laser, le déphasage des ondes contra-propagatives peut être mesuré égal à:

où est la longueur d'onde.

Application des gyroscopes à la technologie

Schéma d'un gyroscope mécanique simple dans un cardan

Les propriétés d'un gyroscope sont utilisées dans des appareils - des gyroscopes dont la partie principale est un rotor à rotation rapide, qui possède plusieurs degrés de liberté (axes de rotation possibles).

Les plus couramment utilisés sont les gyroscopes placés dans des cardans. De tels gyroscopes ont 3 degrés de liberté, c'est-à-dire qu'ils peuvent effectuer 3 rotations indépendantes autour de leurs axes AA", BB" Et CC", se croisant au centre de la suspension À PROPOS, qui reste par rapport à la base UN immobile.

Systèmes de stabilisation

Les systèmes de stabilisation sont de trois types principaux.

• Système stabilisation des forces(sur les gyroscopes à deux étages).

Un gyroscope est nécessaire pour la stabilisation autour de chaque axe. La stabilisation est réalisée par un gyroscope et un moteur de déchargement ; au début, le moment gyroscopique agit, puis le moteur de déchargement est connecté.

• Système de stabilisation de la puissance de l'indicateur (sur les gyroscopes à deux étapes).

Un gyroscope est nécessaire pour la stabilisation autour de chaque axe. La stabilisation s'effectue uniquement en déchargeant les moteurs, mais au début un petit moment gyroscopique apparaît, qui peut être négligé.

• Système de stabilisation des indicateurs (sur les gyroscopes à trois degrés)

Pour stabiliser autour de deux axes, un gyroscope est nécessaire. La stabilisation s'effectue uniquement par déchargement des moteurs.

Nouveaux types de gyroscopes

Les exigences constamment croissantes en matière de précision et de performances des dispositifs gyroscopiques ont contraint les scientifiques et les ingénieurs de nombreux pays du monde non seulement à améliorer les gyroscopes classiques à rotor rotatif, mais également à rechercher des idées fondamentalement nouvelles qui résolvent le problème de la création de capteurs sensibles. capteurs pour mesurer et afficher les paramètres du mouvement angulaire d'un objet.

Actuellement connu plus d'une centaine divers phénomènes et principes physiques qui permettent de résoudre des problèmes gyroscopiques. En Russie et aux États-Unis, des milliers de brevets et de certificats de droits d'auteur ont été délivrés pour des découvertes et des inventions pertinentes.

Étant donné que des gyroscopes de précision sont utilisés dans les systèmes de guidage des missiles stratégiques à longue portée, les informations sur les recherches menées dans ce domaine ont été classées secrètes pendant la guerre froide.

L'orientation du développement des gyroscopes quantiques est prometteuse.

Perspectives de développement de l'instrumentation gyroscopique

Aujourd'hui, des systèmes gyroscopiques assez précis ont été créés pour satisfaire un large éventail de consommateurs. La réduction des fonds alloués au complexe militaro-industriel dans les budgets des principaux pays du monde a fortement accru l'intérêt pour les applications civiles de la technologie gyroscopique. Par exemple, l'utilisation de gyroscopes micromécaniques dans les systèmes de stabilisation des voitures ou dans les caméras vidéo est aujourd'hui très répandue.

Selon les partisans des méthodes de navigation telles que le GPS et le GLONASS, les progrès remarquables dans le domaine de la navigation par satellite de haute précision ont rendu inutiles les aides à la navigation autonomes (dans la zone de couverture du système de navigation par satellite (SNS), c'est-à-dire au sein de la planète). Actuellement, les systèmes SNS sont supérieurs aux systèmes gyroscopiques en termes de poids, de dimensions et de coût.

En cours de développement système de navigation par satellite de troisième génération. Il vous permettra de déterminer les coordonnées d'objets à la surface de la Terre avec une précision de plusieurs centimètres en mode différentiel, lorsqu'ils se situent dans la zone de couverture du signal de correction DGPS. Dans ce cas, il n’est apparemment pas nécessaire d’utiliser des gyroscopes directionnels. Par exemple, l'installation de deux récepteurs de signaux satellite sur les ailes d'un avion permet d'obtenir des informations sur la rotation de l'avion autour d'un axe vertical.

Cependant, les systèmes SNS sont incapables de déterminer avec précision la position dans des environnements urbains où la visibilité des satellites est mauvaise. Des problèmes similaires se retrouvent dans les zones boisées. De plus, le passage des signaux SNS dépend des processus dans l'atmosphère, des obstacles et des réflexions des signaux. Les appareils gyroscopiques autonomes fonctionnent n'importe où : sous terre, sous l'eau, dans l'espace.

Dans les avions, le SNS s'avère plus précis que l'INS long zones. Mais l’utilisation de deux récepteurs SNS pour mesurer les angles d’inclinaison des avions donne lieu à des erreurs pouvant atteindre plusieurs degrés. Calculer le cap en déterminant la vitesse de l'avion à l'aide de SNS n'est pas non plus assez précis. Par conséquent, dans les systèmes de navigation modernes, la solution optimale est une combinaison de systèmes satellitaires et gyroscopiques, appelée système INS/SNS intégré (complexe).

Au cours des dernières décennies, le développement évolutif de la technologie gyroscopique s’est rapproché du seuil des changements qualitatifs. C'est pourquoi l'attention des spécialistes dans le domaine de la gyroscopie se concentre désormais sur la recherche d'applications non standard pour de tels dispositifs. De toutes nouvelles tâches intéressantes se sont ouvertes : exploration géologique, prévision des tremblements de terre, mesure ultra-précise de la position des voies ferrées et des oléoducs, équipements médicaux et bien d'autres.

Utiliser un gyroscope dans les smartphones et les consoles de jeux

IPhone 4 avec gyroscope à l'intérieur

La réduction significative du coût de production des gyroscopes MEMS a conduit à leur utilisation dans les smartphones et les consoles de jeux.

Aussi gyroscope a commencé à être utilisé dans les contrôleurs de jeux de contrôle, tels que : Sixaxis pour Sony PlayStation 3 et Wii MotionPlus pour Nintendo Wii. Ces deux contrôleurs utilisent deux capteurs spatiaux complémentaires : un accéléromètre et gyroscope. Pour la première fois, un contrôleur de jeu capable de déterminer sa position dans l'espace a été lancé par Nintendo - Wii Remote pour la console de jeu Wii, mais il n'utilise qu'un accéléromètre tridimensionnel. Un accéléromètre 3D n'est pas capable de mesurer avec précision les paramètres de rotation lors de mouvements hautement dynamiques. Et c'est pourquoi dans les derniers contrôleurs de jeu : Sixaxis et Wii MotionPlus, en plus de l'accéléromètre, un capteur spatial supplémentaire a été utilisé - gyroscope.

Jouets basés sur un gyroscope

Le plus exemples simples les jouets fabriqués à partir d'un gyroscope sont des modèles de yo-yo, de toupie (toupie) et d'hélicoptère.
Les sommets diffèrent des gyroscopes en ce sens qu'ils n'ont pas de point fixe unique.
De plus, il existe un simulateur gyroscopique sportif.

voir également

Remarques

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 » (« Description d'une machine pour expliquer les lois de la rotation de la Terre autour de son axe et le changement de direction de ce dernier ») Tübinger Blätter für Naturwissenschaften et Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. Sur Internet : http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Siméon-Denis Poisson (1813) « Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans », Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pages 247 à 262. Sur Internet : http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Photo du gyroscope de Bonenberger : http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Walter R. Johnson (janvier 1832) "Description d'un appareil appelé rotascope pour présenter plusieurs phénomènes et illustrer certaines lois du mouvement rotatif", Le Journal américain de la science et de l'art, 1ère série, vol. 21, non. 2, pages 265-280. Sur Internet : http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Des illustrations du gyroscope (« rotascope ») de Walter R. Johnson apparaissent dans : Board of Regents, Dixième rapport annuel du Conseil des régents de la Smithsonian Institution….(Washington, DC : Cornelius Wendell, 1856), pages 177-178. Sur Internet : http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, « La Machine de Bohnenberger », L'Institut de Navigation. Sur Internet : 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 axe fixe à la surface de la terre », Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424-427. Sur Internet : http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Faites défiler jusqu’à « Sur les phénomènes d’orientation… »
8. (1) Julius Plücker (septembre 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine", Annales de la physique, vol. 166, non. 9, pages 174-177 ; (2) Julius Plücker (octobre 1853) « Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine », Annales de la physique, vol. 166, non. 10, pages 348 à 351 ; (3) Charles Wheatstone (1864) "Sur le gyroscope de Fessel", Actes de la Royal Society de Londres, vol. 7, pages 43 à 48. Sur Internet: .