Controllo del giroscopio. Come funziona: giroscopio

Gli smartphone e altri dispositivi mobili sono dotati di molte funzioni e sensori interessanti. Uno dei moduli principali è un sensore giroscopico o giroscopio. Una novità stravagante nel dispositivo, realizzata sulla base di un sistema microelettromeccanico, ha fatto un grande passo avanti nel miglioramento della funzionalità e ha conquistato grande simpatia tra gli utenti. L'origine della parola “giroscopio” ha una lunga storia. Sta per la frase “cerchio” e “io guardo”.

Il fondatore dell'antico detto greco fu il fisico francese Leon Foucault. Nel 19° secolo studiava la rotazione quotidiana della Terra e questo termine era perfetto per il nuovo dispositivo. I sensori giroscopici sono utilizzati dalle compagnie aeree, dalle spedizioni e dall'astronautica. Azienda Apple, produttore di moderni cellulari, è stato il primo a prendere questa funzionalità come base e ad implementarla nell'iPhone 4. Nonostante il video qui sotto sia attivo lingua inglese, una dimostrazione tecnologica di Steve Jobs è comprensibile senza traduzione.

Ora, per rispondere alle chiamate in arrivo o scorrere le pagine e-book, basta scuotere il telefono. Grazie al dispositivo, le foto e altre immagini vengono visualizzate rapidamente e la musica cambia. Una nuova applicazione sullo smartphone iPhone chiamata CoveFlow consente di utilizzare una calcolatrice. Funzioni come divisione, moltiplicazione, addizione e sottrazione ora possono essere eseguite facilmente. Quando si ruota il telefono di 90°, questa funzione passa automaticamente alla funzionalità avanzata con molte operazioni matematiche complesse.

Oltre alle funzioni semplici, gli sviluppatori hanno introdotto nel dispositivo anche funzioni più complesse. Software. Ad esempio, in alcuni sistemi operativi Scuotendo il telefono si avvia un aggiornamento per Bluetooth oppure si avvia un programma specifico per la misurazione degli angoli di inclinazione e dei livelli. Il giroscopio tiene perfettamente conto della velocità di movimento e determina la posizione di una persona su un terreno sconosciuto.

Da un punto di vista tecnico, un giroscopio è un dispositivo piuttosto complesso. Durante lo sviluppo, abbiamo preso come base il principio di funzionamento di un accelerometro, che è un pallone con una molla e un peso all'interno. Un peso è fissato su un lato della molla e l'altro lato della molla è fissato a uno smorzatore per smorzare le vibrazioni. Quando lo strumento di misura viene scosso (accelerato), la massa attaccata si muove e mette in tensione la molla.

Tali fluttuazioni possono essere rappresentate sotto forma di dati. Se posizioni tre di questi accelerometri perpendicolarmente, puoi avere un'idea di come si trova un oggetto nello spazio. Poiché è tecnicamente possibile posizionare un oggetto così ingombrante dispositivo di misurazione impossibile in uno smartphone, il principio di funzionamento è rimasto lo stesso, ma il carico è stato sostituito con una massa inerte, che si trova in un chip molto piccolo. Durante l'accelerazione cambia la posizione della massa inerziale e quindi viene calcolata la posizione dello smartphone nello spazio.

Con l'aiuto della navigazione GPS, sul display viene visualizzata una mappa che registra la stessa direzione degli oggetti per ogni rotazione del corpo. In altre parole, se ti trovi di fronte ad un fiume, questo apparirà automaticamente sulla mappa. Quando si gira di 180 gradi verso uno specchio d'acqua, sul monitor si verificano immediatamente cambiamenti simili. L'utilizzo di questa funzione semplifica la navigazione nell'area. Ciò è particolarmente importante per le persone coinvolte specie attive ricreazione.

Grazie al rilevamento accurato della velocità di movimento, il controllo dello smartphone diventa più comodo e armonioso. I dilettanti usano spesso i giroscopi su Android giochi per computer- giocatori. Un dispositivo unico nel dispositivo trasforma istantaneamente le immagini in realtà. I giochi di corse, i simulatori, i giochi di tiro e Pokemon Go diventano particolarmente plausibili.

Basta cambiare la posizione del tuo smartphone e la velocità di rotazione, e guidare un'auto virtuale ti sembrerà reale. Gli eroi sul display punteranno con precisione la mitragliatrice, punteranno il cannone, gireranno il volante, solleveranno l'elicottero in aria e uccideranno il nemico. I mostri tascabili non salteranno sull'erba virtuale, ma si sposteranno nel mondo reale nell'area visibile della fotocamera integrata.

Naturalmente, questo non è l'intero elenco delle caratteristiche positive inerenti Smartphone Android e iPhone. L'elenco dei momenti piacevoli e convenienti è infinito. Tuttavia, non tutti gli utenti hanno apprezzato le qualità universali. Alcuni hanno scelto di abbandonare il giroscopio nel nuovo smartphone, altri lo hanno semplicemente spento. E c'è una spiegazione per questo.
Tra i tanti vantaggi ci sono sottili svantaggi.

1. Uno degli svantaggi è l'installazione di singole applicazioni che reagiscono con un leggero ritardo ai cambiamenti di posizione nello spazio. Sembra una sciocchezza, ma la presenza di questo sensore provoca alcuni disagi all'utente dello smartphone. Gli svantaggi sono particolarmente evidenti quando si legge un e-book stando sdraiati. Il lettore cambia posizione, contemporaneamente un sensore giroscopico collegato al dispositivo cambia la posizione della pagina. Dobbiamo riconfigurare urgentemente il suo orientamento.
2. I produttori di smartphone nelle loro presentazioni nella maggior parte dei casi tacciono sulla presenza di un sensore importante. Quando si acquista un nuovo modello è possibile rilevare la presenza di un giroscopio specifiche tecniche gadget nell'elenco dei sensori. Esistono altri modi, ad esempio installando il client YouTube, che consente di installare rapidamente la funzionalità. Utilizzando l'app AnTuTu Benchmark, Sensor Sense determina anche il sensore giroscopico integrato o la sua mancanza.

L'elemento moderno di uno smartphone funziona su base continuativa. Si tratta di un sensore indipendente che non richiede calibrazione. Non è necessario accenderlo o spegnerlo. L'automazione farà questo lavoro per te. Se manca il dispositivo, non potrai giocare alla realtà virtuale. Dovrai solo comprare nuovo telefono con funzioni integrate.

Al giorno d'oggi tutti gli smartphone sono dotati di almeno un sensore, e molto spesso di diversi. I sensori più comuni sono i sensori di prossimità, di illuminazione e di movimento. La maggior parte degli smartphone è dotata di un accelerometro che risponde al movimento del dispositivo su due o al massimo tre piani. Per interagire completamente con un visore per realtà virtuale, è necessario un giroscopio che rilevi i movimenti in qualsiasi direzione.

Il giroscopio di uno smartphone è un convertitore microelettromeccanico di velocità angolari in un segnale elettrico. In altre parole, questo sensore calcola la variazione dell'angolo di inclinazione rispetto all'asse quando il dispositivo viene ruotato.

Un giroscopio appartiene ai sistemi microelettromeccanici (MEMS), che combinano parti meccaniche ed elettroniche. Tali chip hanno dimensioni dell'ordine di un paio di millimetri o meno.

Un giroscopio convenzionale è costituito da un oggetto inerziale che ruota rapidamente attorno al proprio asse. Pertanto, mantiene la sua direzione e lo spostamento dell'oggetto controllato viene misurato modificando la posizione delle sospensioni. Ovviamente un top del genere non entra negli smartphone; al suo posto viene utilizzato il MEMS.

Conversione del movimento meccanico in segnale elettrico

Il giroscopio ad asse singolo più semplice ha due masse mobili che si muovono in direzioni opposte (mostrate in blu nell'immagine). Non appena viene applicata una velocità angolare esterna, la massa è soggetta ad una forza di Coriolis, diretta perpendicolarmente al loro movimento (evidenziata in arancione).

Sotto l'influenza della forza di Coriolis, le masse si spostano in misura proporzionale alla velocità applicata. La modifica della posizione delle masse modifica la distanza tra gli elettrodi mobili (rotori) e gli elettrodi fissi (statori), il che porta a un cambiamento nella capacità del condensatore e, di conseguenza, nella tensione sulle sue piastre, e questo è un segnale elettrico . Sono questi segnali multipli che vengono riconosciuti dal giroscopio MEMS, determinando la direzione e la velocità del movimento.

Calcolo dell'orientamento dello smartphone

Il microcontrollore riceve le informazioni sulla tensione e le converte momentaneamente in velocità angolare. L'entità della velocità angolare può essere determinata con una determinata precisione, ad esempio fino a 0,001 gradi al secondo. Per determinare di quanti gradi attorno all'asse è stato ruotato il dispositivo, è necessario moltiplicare la velocità istantanea per il tempo che intercorre tra due letture del sensore. Se utilizziamo un giroscopio a tre assi, riceveremo dati sulle rotazioni relative a tutti e tre gli assi, ovvero in questo modo potremo determinare l'orientamento dello smartphone nello spazio.

Vale la pena notare qui che per ottenere i valori angolari è necessario integrare le equazioni originali, che includono le velocità angolari. Ad ogni integrazione l'errore aumenta. Se calcoli la posizione solo utilizzando un giroscopio, nel tempo i valori calcolati diventeranno errati.

Pertanto, negli smartphone, per determinare con precisione l'orientamento nello spazio, sono necessari anche i dati dell'accelerometro. Questo sensore misura l'accelerazione lineare ma non risponde alle curve. Entrambi i sensori sono in grado di descrivere completamente tutti i tipi di movimento. Il vantaggio principale di un giroscopio rispetto a un accelerometro è che risponde al movimento in qualsiasi direzione.

Perché hai bisogno di un giroscopio in uno smartphone?

Questo sensore ha ricevuto maggiore attenzione negli ultimi due anni, quando i giochi e le applicazioni di realtà virtuale hanno iniziato a svilupparsi attivamente. Per l’interazione dell’utente con la realtà virtuale, il programma deve determinare con precisione la posizione della persona nello spazio. Adesso anche nei più smartphone economiciÈ installato un accelerometro, ma le sue letture sono accompagnate da rumore e il sensore non risponde a virate e movimenti sul piano orizzontale. Pertanto, per un'immersione completa nella realtà virtuale, uno smartphone deve avere un giroscopio e un accelerometro.

Come scoprire se il tuo smartphone ha un giroscopio

In genere, le caratteristiche di uno smartphone indicano quali sensori ha. Se dubiti della veridicità delle informazioni, ti aiuteranno programmi speciali. Ad esempio, Sensor Box per Android mostra informazioni su tutti i sensori integrati. Il giroscopio è designato come Giroscopio. Esistono altri metodi che abbiamo descritto in questo articolo.

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GIROSCOPIO (dal greco γ?ρος - cerchio, circolo e σκοπ?ω - osservare), apparecchio che compie rapidi movimenti ciclici (rotazionali o oscillatori) ed è quindi sensibile alla rotazione nello spazio inerziale. Il termine “giroscopio” fu proposto nel 1852 da J. B. L. Foucault per il dispositivo da lui inventato, progettato per dimostrare la rotazione della Terra attorno al proprio asse. Per molto tempo, il termine "giroscopio" è stato utilizzato per riferirsi a un corpo rigido simmetrico in rapida rotazione. Nella tecnologia moderna, un giroscopio è l'elemento principale di tutti i tipi di dispositivi o strumenti giroscopici, ampiamente utilizzato per il controllo automatico del movimento di aerei, navi, siluri, missili, veicoli spaziali, robot mobili, per scopi di navigazione (rotta, virata, orizzonte , indicatori cardinali), per misurare l'orientamento angolare di oggetti in movimento e in molti altri casi (ad esempio, quando si superano pozzi di accesso, si costruiscono metropolitane, quando si perforano pozzi).

Giroscopio classico. Secondo le leggi della meccanica newtoniana, la velocità di rotazione dell'asse di un corpo solido simmetrico in rapida rotazione nello spazio è inversamente proporzionale alla sua stessa velocità angolare e, quindi, l'asse giroscopico ruota così lentamente che ad un certo intervallo di tempo può essere utilizzato come indicatore di una direzione costante nello spazio.

Il giroscopio più semplice è una trottola, il cui comportamento paradossale risiede nella sua resistenza al cambiamento della direzione dell'asse di rotazione. Sotto l'influenza di una forza esterna, l'asse della parte superiore inizia a muoversi in direzione perpendicolare al vettore della forza. È grazie a questa proprietà che la parte superiore rotante non cade e il suo asse descrive un cono attorno alla verticale. Questo movimento è chiamato precessione del giroscopio. Se una coppia di forze (P, P'), P' = -P, viene applicata all'asse di un giroscopio libero in rapida rotazione, con un momento M = Ph, dove h è il braccio della coppia di forze (Fig. 1), allora (contrariamente alle aspettative) il giroscopio inizierà a ruotare inoltre non attorno all'asse x, perpendicolare al piano della coppia di forze, ma attorno all'asse y, giacente in questo piano e perpendicolare alla z- asse di rotazione del giroscopio. Se in qualsiasi momento l'azione di una coppia di forze si ferma, anche la precessione si fermerà, cioè il movimento precessionale del giroscopio è privo di inerzia. Affinché l'asse del giroscopio possa ruotare liberamente nello spazio, il giroscopio è solitamente fissato negli anelli di un gimbal (Fig. 2), che è un sistema di corpi solidi (telai, anelli) collegati in serie da cerniere cilindriche. Di solito, in assenza di errori tecnologici, gli assi dei telai del gimbal si intersecano in un punto: il centro della sospensione. Un corpo di rotazione simmetrico (rotore) fissato in tale sospensione ha tre gradi di libertà e può effettuare qualsiasi rotazione attorno al centro della sospensione. Un giroscopio il cui centro di massa coincide con il centro della sospensione è detto bilanciato, astatico o libero. Lo studio delle leggi del moto di un giroscopio classico è un problema di dinamica del corpo rigido.

La principale caratteristica quantitativa del rotore di un giroscopio meccanico è il vettore del proprio momento cinetico, chiamato anche momento angolare o momento angolare,

dove I è il momento di inerzia del rotore del giroscopio rispetto all'asse della propria rotazione, Ω è la velocità angolare della rotazione del giroscopio rispetto all'asse di simmetria.

Il lento movimento del vettore del momento angolare del giroscopio sotto l'influenza di momenti di forze esterne, chiamato precessione del giroscopio, è descritto dall'equazione

ωxΗ = Μ, (2)

dove ω è il vettore della velocità angolare di precessione, H è il vettore del momento angolare proprio del giroscopio, M è la componente del vettore coppia delle forze esterne applicate al giroscopio ortogonale ad H.

Il momento delle forze applicate dal rotore ai cuscinetti dell'asse di rotazione del rotore, che si verifica quando cambia la direzione dell'asse ed è determinato dall'equazione

Ì g = -Ì = Η x ω, (3)

chiamato momento giroscopico.

Oltre ai lenti movimenti precessionali, l'asse del giroscopio può eseguire oscillazioni rapide di piccola ampiezza e alta frequenza- le cosiddette nutazioni. Per un giroscopio libero con un rotore dinamicamente simmetrico in una sospensione priva di inerzia, la frequenza delle oscillazioni nutazionali è determinata dalla formula

dove A è il momento d'inerzia del rotore rispetto ad un asse ortogonale all'asse della propria rotazione e passante per il centro di massa del rotore. In presenza di forze di attrito, le vibrazioni nutazionali solitamente decadono abbastanza rapidamente.

L'errore del giroscopio viene misurato dalla velocità con cui il suo asse si allontana dalla sua posizione originale. Secondo l'equazione (2), l'entità della deriva, detta anche deriva, è proporzionale al momento della forza M rispetto al centro della sospensione del giroscopio:

ω х = Ì/Í (4)

La perdita ω х viene solitamente misurata in gradi di arco per ora. Dalla formula (4) segue che un giroscopio libero funziona idealmente solo se il momento esterno M è uguale a 0. In questo caso la velocità angolare di precessione diventa nulla e l'asse della propria rotazione coinciderà esattamente con la direzione costante in spazio inerziale.

Tuttavia, in pratica, qualsiasi mezzo utilizzato per sospendere il rotore del giroscopio provoca momenti esterni indesiderati di grandezza e direzione sconosciute. La formula (4) determina i modi per aumentare la precisione di un giroscopio meccanico: è necessario ridurre il momento "dannoso" delle forze M e aumentare il momento cinetico N. Quando si sceglie la velocità angolare di un giroscopio, è necessario tenere in considerazione tenere conto di una delle principali limitazioni associate ai limiti di resistenza del materiale del rotore dovuti alle forze centrifughe che si verificano durante la forza di rotazione Quando il rotore accelera al di sopra della cosiddetta velocità angolare consentita, inizia il processo della sua distruzione.

I migliori giroscopi moderni hanno una deriva casuale di circa 10 -4 -10 -5 °/h. L'asse del giroscopio, con un errore di 10 -5 °/h, compie una rotazione completa di 360° in 4mila anni! La precisione di bilanciamento del giroscopio con un errore di 10 -5 °/h dovrebbe essere superiore a un decimillesimo di micrometro (10 -10 m), ovvero lo spostamento del centro di massa del rotore dal centro della sospensione dovrebbe non superare un valore dell'ordine del diametro di un atomo di idrogeno.

I dispositivi giroscopici possono essere suddivisi in potenza e misurazione. Dispositivi di potenza servono a creare momenti di forza applicati alla base su cui è installato il dispositivo giroscopico; quelli di misurazione sono progettati per determinare i parametri del movimento della base (i parametri misurati possono essere gli angoli di rotazione della base, proiezioni del vettore di velocità angolare, ecc.).

La prima volta che un giroscopio bilanciato trovò applicazione pratica fu nel 1898 in un dispositivo per stabilizzare la rotta di un siluro, inventato dall'ingegnere austriaco L. Aubry. Dispositivi simili in varie versioni iniziarono ad essere utilizzati negli anni '20 sugli aeroplani per indicare la direzione (giroscopio di direzione, girobussola) e successivamente per controllare il movimento dei razzi. La Figura 3 mostra un esempio di utilizzo di un giroscopio con tre gradi di libertà in un indicatore di rotta aeronautica (giro-semibussola). La rotazione del rotore nei cuscinetti a sfere è creata e supportata da un flusso di aria compressa diretto sulla superficie scanalata del cerchio. Utilizzando la scala di azimut fissata al telaio esterno, è possibile, impostando l'asse di rotazione del rotore parallelo al piano della base del dispositivo, inserire il valore di azimut richiesto. L'attrito nei cuscinetti è insignificante, quindi l'asse di rotazione del rotore mantiene una determinata posizione nello spazio. Usando la freccia attaccata alla base, puoi controllare la rotazione dell'aereo sulla scala dell'azimut.

L'orizzonte giroscopico, o orizzonte artificiale, che permette al pilota di mantenere il suo aereo in posizione orizzontale quando l'orizzonte naturale non è visibile, si basa sull'utilizzo di un giroscopio con asse di rotazione verticale che mantiene la sua direzione quando l'aereo è inclinato. Gli autopiloti utilizzano due giroscopi con assi di rotazione orizzontale e verticale; il primo serve a mantenere la rotta dell'aereo e controlla i timoni verticali, il secondo a mantenerla posizione orizzontale aereo e controlla i timoni orizzontali.

Utilizzando un giroscopio sono stati creati sistemi di navigazione inerziale autonomi (INS), progettati per determinare le coordinate, la velocità e l'orientamento di un oggetto in movimento (nave, aereo, veicolo spaziale, ecc.) senza utilizzare alcuna informazione esterna. Oltre al giroscopio, l'INS comprende accelerometri progettati per misurare l'accelerazione (sovraccarico) di un oggetto, nonché un computer che integra i segnali di uscita degli accelerometri nel tempo e fornisce informazioni di navigazione tenendo conto delle letture del giroscopio. All’inizio del 21° secolo, sono state create ANN così accurate che non sono più necessari ulteriori aumenti di precisione per risolvere molti problemi.

Lo sviluppo della tecnologia giroscopica negli ultimi decenni si è concentrato sulla ricerca di aree di applicazione non convenzionali dei dispositivi giroscopici: esplorazione mineraria, previsione dei terremoti, misurazione ultra precisa delle coordinate di binari ferroviari e oleodotti, apparecchiature mediche e molto altro.

Tipi non classici di giroscopi. Le elevate esigenze di precisione e caratteristiche operative dei dispositivi giroscopici hanno portato non solo a ulteriori miglioramenti al classico giroscopio con rotore rotante, ma anche alla ricerca di idee fondamentalmente nuove per risolvere il problema della creazione di sensori sensibili per l'indicazione e la misurazione dell'angolo movimenti di un oggetto nello spazio. Ciò è stato facilitato dai successi dell’elettronica quantistica, della fisica nucleare e di altri settori delle scienze esatte.

Un giroscopio supportato dall'aria sostituisce i cuscinetti a sfera utilizzati in un gimbal tradizionale con un "cuscino di gas" (supporto gasdinamico). Ciò ha completamente eliminato l'usura del materiale di supporto durante il funzionamento e ha permesso di aumentare la durata del dispositivo quasi indefinitamente. Gli svantaggi dei supporti a gas comprendono perdite di energia piuttosto elevate e la possibilità di guasti improvvisi se il rotore entra accidentalmente in contatto con la superficie di supporto.

Un giroscopio galleggiante è un giroscopio rotante in cui, per scaricare i cuscinetti della sospensione, tutti gli elementi mobili vengono pesati in un liquido ad alta densità in modo che il peso del rotore insieme all'involucro sia bilanciato dalle forze idrostatiche. Grazie a ciò, l'attrito a secco negli assi delle sospensioni viene ridotto di molti ordini di grandezza e aumenta la resistenza agli urti e alle vibrazioni del dispositivo. L'involucro sigillato, che funge da telaio interno del gimbal, è chiamato galleggiante. Il rotore del giroscopio all'interno del galleggiante ruota su un cuscino d'aria su cuscinetti aerodinamici ad una velocità di circa 30-60mila giri al minuto. Per aumentare la precisione del dispositivo, è necessario utilizzare un sistema di stabilizzazione termica. Un giroscopio galleggiante con elevato attrito del fluido viscoso è anche chiamato giroscopio integratore.

Un giroscopio sintonizzabile dinamicamente (DTG) appartiene alla classe dei giroscopi con sospensione elastica del rotore, in cui la libertà dei movimenti angolari dell'asse della propria rotazione è assicurata grazie alla conformità elastica degli elementi strutturali (ad esempio barre di torsione) . Nel DNG, a differenza del classico giroscopio, viene utilizzata la cosiddetta sospensione cardanica interna (Fig. 4), formata da un anello interno 2, che è fissato dall'interno tramite barre di torsione 4 all'albero del motore elettrico 5, e dall'esterno tramite le barre di torsione 3 al rotore 1. Il momento di attrito nella sospensione si manifesta solo come risultato dell'attrito interno nel materiale delle barre di torsione elastiche. Nel DNG, grazie alla scelta dei momenti d'inerzia dei telai delle sospensioni e della velocità angolare di rotazione del rotore, vengono compensati i momenti elastici della sospensione applicata al rotore. I vantaggi dei DNG includono le loro dimensioni miniaturizzate, l'assenza di cuscinetti con momenti di attrito specifici presenti in una sospensione cardanica classica, l'elevata stabilità delle letture e il costo relativamente basso.

Riso. 4. Giroscopio regolabile dinamicamente con sospensione cardanica interna: 1 - rotore; 2 - anello interno; 3 e 4 - barre di torsione; 5 - motore elettrico.

Un giroscopio laser ad anello (RLG), chiamato anche giroscopio quantistico, viene creato sulla base di un laser con un risonatore ad anello, in cui le onde elettromagnetiche contropropaganti si propagano simultaneamente lungo un circuito ottico chiuso. I vantaggi di KLG includono l'assenza di un rotore rotante, cuscinetti esposti a forze di attrito ed elevata precisione.

Un giroscopio a fibra ottica (FOG) è un interferometro a fibra ottica in cui si propagano onde elettromagnetiche contropropaganti. FOG è un convertitore analogico della velocità angolare di rotazione della base su cui è installato in un segnale elettrico in uscita.

Un giroscopio a onde a stato solido (SWG) si basa sull'uso delle proprietà inerti delle onde elastiche in un solido. Un'onda elastica può propagarsi in un mezzo continuo senza modificare la sua configurazione. Se in un risonatore assialsimmetrico vengono eccitate onde stazionarie di vibrazioni elastiche, la rotazione della base su cui è installato il risonatore fa ruotare l'onda stazionaria di un angolo più piccolo ma noto. Il movimento corrispondente dell'onda nel suo insieme è chiamato precessione. La velocità di precessione di un'onda stazionaria è proporzionale alla proiezione della velocità angolare di rotazione della base sull'asse di simmetria del risonatore. I vantaggi del VTG includono: elevato rapporto precisione/prezzo; capacità di sopportare forti sovraccarichi, compattezza e peso ridotto, bassa intensità energetica, breve tempo di disponibilità, debole dipendenza dalla temperatura ambiente.

Un giroscopio a vibrazione (VG) si basa sulla proprietà di un diapason di mantenere il piano di vibrazione delle sue gambe. Nella gamba di un diapason oscillante montato su una piattaforma rotante attorno all'asse di simmetria del diapason, si verifica un momento di forza periodico, la cui frequenza è uguale alla frequenza di vibrazione delle gambe e l'ampiezza è proporzionale alla velocità angolare di rotazione della piattaforma. Pertanto, misurando l'ampiezza dell'angolo di torsione della gamba del diapason, si può giudicare la velocità angolare della piattaforma. Gli svantaggi di VG includono l'instabilità delle letture dovuta alle difficoltà di misurazione ad alta precisione dell'ampiezza delle oscillazioni delle gambe, nonché il fatto che non funzionano in condizioni di vibrazione, che quasi sempre accompagna i siti di installazione dei dispositivi sugli oggetti in movimento. L'idea di un giroscopio a diapason ha stimolato un'intera linea di ricerca di nuovi tipi di giroscopi che sfruttano l'effetto piezoelettrico o la vibrazione di liquidi o gas in tubi appositamente curvi e simili.

Per giroscopio micromeccanico (MMG) si intendono i giroscopi a bassa precisione (inferiore a 10 -1 °/h). Quest'area è stata tradizionalmente considerata poco promettente per i problemi di controllo degli oggetti in movimento e di navigazione. Ma alla fine del 20° secolo, lo sviluppo degli MMG divenne una delle aree più intensamente sviluppate della tecnologia giroscopica, strettamente correlata alle moderne tecnologie del silicio. Un MMG è una sorta di chip elettronico con un substrato di quarzo con una superficie di diversi millimetri quadrati, sul quale viene applicato mediante fotolitografia un vibratore piatto come un diapason. La precisione dei moderni MMG è bassa e raggiunge i 10 1 -10 2 °/h, ma il costo estremamente basso degli elementi sensibili micromeccanici è di decisiva importanza. Grazie all'uso di ben sviluppato tecnologie moderne la produzione di massa della microelettronica apre la possibilità di utilizzare MMG in aree completamente nuove: automobili e binocoli, telescopi e videocamere, mouse e joystick computer personale, dispositivi robotici mobili e persino giocattoli per bambini.

Il giroscopio senza contatto si riferisce a dispositivi giroscopici ad altissima precisione (10 -6 -5·10 -4 °/h). Lo sviluppo di un giroscopio con sospensione cardanica senza contatto iniziò a metà del XX secolo. Nei gimbal senza contatto si realizza lo stato di levitazione, cioè uno stato in cui il rotore del giroscopio “galleggia” nel campo di forza del gimbal senza alcun contatto meccanico con i corpi circostanti. Tra i giroscopi senza contatto si distinguono i giroscopi con sospensioni del rotore elettrostatiche, magnetiche e criogeniche. In un giroscopio elettrostatico, un rotore sferico conduttivo al berillio è sospeso in una cavità evacuata in un campo elettrico controllato creato da un sistema di elettrodi. In un giroscopio criogenico, un rotore sferico superconduttore al niobio è sospeso in un campo magnetico; Il volume di lavoro del giroscopio viene raffreddato a temperature estremamente basse, in modo che il rotore entri in uno stato superconduttore. Un giroscopio con una sospensione a risonanza magnetica del rotore è un analogo di un giroscopio con una sospensione elettrostatica del rotore, in cui il campo elettrico è sostituito da un campo magnetico e il rotore in berillio è sostituito da uno in ferrite. I moderni giroscopi con sospensioni senza contatto sono dispositivi altamente complessi che incorporano i più recenti progressi tecnologici.

Oltre ai tipi di giroscopi sopra elencati, il lavoro è stato e viene svolto su tipi esotici di giroscopi, come il giroscopio ionico, il giroscopio nucleare, ecc.

Problemi matematici nella teoria del giroscopio. Le basi matematiche della teoria del giroscopio furono poste da L. Euler nel 1765 nella sua opera “Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum”. Il movimento di un giroscopio classico è descritto da un sistema di equazioni differenziali del sesto ordine, la cui soluzione è diventata uno dei problemi matematici più famosi. Questo problema appartiene alla sezione della teoria del moto rotatorio di un corpo rigido ed è una generalizzazione di problemi che possono essere completamente risolti con semplici mezzi di analisi classica. Tuttavia è così difficile che è ancora lontano dal completamento, nonostante i risultati ottenuti dai più grandi matematici dei secoli XVIII-XX. I moderni dispositivi giroscopici richiedevano la risoluzione di nuovi problemi matematici. Il movimento dei giroscopi senza contatto obbedisce alle leggi della meccanica con elevata precisione, pertanto, risolvendo le equazioni del movimento del giroscopio utilizzando un computer, è possibile prevedere con precisione la posizione dell'asse del giroscopio nello spazio. Grazie a ciò, gli sviluppatori di giroscopi senza contatto non devono bilanciare il rotore con una precisione di 10 -10 m, cosa impossibile da ottenere con l'attuale livello della tecnologia. È sufficiente misurare con precisione gli errori di fabbricazione del rotore di un dato giroscopio e introdurre le opportune correzioni nei programmi di elaborazione del segnale del giroscopio. Le equazioni del moto del giroscopio ottenute tenendo conto di queste correzioni risultano molto complesse, e per risolverle è necessario utilizzare molto computer potenti, utilizzando algoritmi basati sugli ultimi progressi della matematica. Lo sviluppo di programmi per il calcolo del movimento di un giroscopio con gimbal senza contatto può aumentare significativamente la precisione del giroscopio e quindi l'accuratezza nel determinare la posizione dell'oggetto su cui sono installati questi giroscopi.

Lett.: Magnus K. Giroscopio. Teoria e applicazione. M., 1974; Ishlinsky A. Yu. Orientamento, giroscopi e navigazione inerziale. M., 1976; Klimov D. M., Kharlamov S. A. Dinamica di un giroscopio in una sospensione cardanica. M., 1978; Ishlinsky A. Yu., Borzov V. I., Stepanenko N. P. Lezioni sulla teoria dei giroscopi. M., 1983; Novikov L.Z., Shatalov M.Yu. Meccanica dei giroscopi sintonizzati dinamicamente. M., 1985; Zhuravlev V.F., Klimov D.M. Giroscopio a stato solido Wave. M., 1985; Martynenko Yu. G. Movimento di un corpo rigido in campi elettrici e magnetici. M., 1988.

Quando provi a far girare un corpo che gira, si genera una forza che agisce perpendicolarmente alla forza che gli applichi. Nella seconda immagine potete vedere che quando le parti della ruota, indicate dai punti A e B, vengono ruotate di 90 gradi, tendono a far ruotare la ruota in senso orario nel piano dello schermo. Questo è chiamato precessione. A causa di questa forza, l'asse della trottola si muove sempre in cerchio, se non viene lanciata in modo fluido, molto non intuitivo.

Sogniamo l'estate, immaginiamo di andare in bicicletta. Possiamo vedere chiaramente la ruota anteriore, quasi dall'alto. Se proviamo a girare, ad esempio, a sinistra, applichiamo una forza all'asse della ruota. Quelle parti della ruota che sono attualmente davanti ricevono un impulso diretto a sinistra e parti posteriori la ruota ha un impulso a destra.

Ma, siccome stiamo andando veloci e la ruota gira, la parte che era proprio davanti finisce dietro, e il piccolo impulso che siamo riusciti a dare a questa parte della ruota ora funziona in senso contrario e la fa girare in senso contrario. direzione opposta.

Si scopre che a causa della rotazione della ruota ci impediamo di girarla. Cioè, la forza che applichiamo per girare la ruota ci viene restituita dopo mezzo giro della ruota.

Qualsiasi oggetto rotante può essere chiamato giroscopio. Contrasta la deviazione dell'asse di rotazione e le persone lo utilizzano attivamente:

Nei controller moderni console di gioco E l'iPhone 4 ha giroscopi, ma sono progettati secondo un principio completamente diverso.

Nei dispositivi di navigazione sugli aerei e navicella spaziale. Un giroscopio ben bilanciato su cerniere speciali, installato su un aereo, mantiene sempre la sua posizione nello spazio, nessuna acrobazia lo abbatterà. Ciò consente agli strumenti dell'aereo di sapere sempre qual è la direzione verso il basso.

Tra le armi. Il proiettile si gira quando viene sparato, il che gli conferisce una stabilità molto maggiore, che aumenta notevolmente la precisione del tiro.

Le ruote di una bicicletta o di una motocicletta funzionano come giroscopi e questo impedisce al ciclista di cadere. È più difficile andare in bicicletta lentamente che velocemente, perché ad alta velocità le ruote girano più velocemente e la rendono più stabile.

Esistono molti giocattoli in cui la parte principale è un giroscopio: tutti i tipi di trottole e yo-yo con cui puoi realizzare i seguenti trucchi:

Giroscopio inventato da Foucault (costruito da Dumolin-Froment, 1852)

Prima dell'invenzione del giroscopio, l'umanità utilizzava vari metodi per determinare la direzione nello spazio. Sin dai tempi antichi, le persone sono state guidate visivamente da oggetti distanti, in particolare dal Sole. Già nell'antichità apparvero i primi strumenti: un filo a piombo e una livella basata sulla gravità. Nel Medioevo in Cina fu inventata una bussola, sfruttando il magnetismo della Terra. In Europa l'astrolabio e altri strumenti furono creati in base alla posizione delle stelle.

Il vantaggio del giroscopio rispetto ai dispositivi più antichi era che funzionava correttamente in condizioni difficili (scarsa visibilità, scuotimenti, interferenze elettromagnetiche). Tuttavia, la rotazione del giroscopio rallentò rapidamente a causa dell'attrito.

Nella seconda metà del XIX secolo fu proposto di utilizzare un motore elettrico per accelerare e mantenere la rotazione del giroscopio. Il giroscopio fu utilizzato per la prima volta nella pratica intorno al 1880 dall'ingegnere Aubrey per stabilizzare la rotta di un siluro. Nel 20° secolo, i giroscopi iniziarono ad essere utilizzati su aeroplani, razzi e sottomarini al posto o insieme a una bussola.

Classificazione

Principali tipi di giroscopi per numero di gradi di libertà:

• a due stadi,
• tre gradi.

Esistono due tipi principali di giroscopi in base al loro principio di funzionamento:

• giroscopi meccanici,
• giroscopi ottici.

Giroscopi meccanici

Tra i giroscopi meccanici si distingue giroscopio rotante- un corpo solido in rapida rotazione (rotore), il cui asse di rotazione può cambiare liberamente orientamento nello spazio. In questo caso, la velocità di rotazione del giroscopio supera significativamente la velocità di rotazione del suo asse di rotazione. La proprietà principale di un tale giroscopio è la capacità di mantenere una direzione costante dell'asse di rotazione nello spazio in assenza dell'influenza di momenti di forze esterne su di esso e di resistere efficacemente all'azione di momenti di forze esterni. Questa proprietà è in gran parte determinata dalla velocità angolare della rotazione del giroscopio.

Per la prima volta questa proprietà fu utilizzata da Foucault nel . Fu grazie a questa dimostrazione che il giroscopio prese il nome dalle parole greche “rotazione”, “osservare”.

Proprietà di un giroscopio con rotore a tre gradi

Precessione di un giroscopio meccanico.

cioè è inversamente proporzionale alla velocità di rotazione del giroscopio.

Giroscopi a vibrazione

I giroscopi vibranti sono dispositivi che mantengono il piano delle loro vibrazioni quando la base viene ruotata. Questo tipo di giroscopio è molto più semplice ed economico con una precisione comparabile rispetto a un giroscopio rotante. Nella letteratura straniera viene utilizzato anche il termine "giroscopi a vibrazione di Coriolis", poiché il principio del loro funzionamento si basa sull'effetto della forza di Coriolis, come i giroscopi rotanti.
Ad esempio, i giroscopi a vibrazione vengono utilizzati nel sistema di misurazione dell'inclinazione dello scooter elettrico Segway. Il sistema è composto da cinque giroscopi a vibrazione, i cui dati vengono elaborati da due microprocessori.
È questo tipo di giroscopi che viene utilizzato dispositivi mobili, in particolare, nell'iPhone 4 e altri.

Principio di funzionamento

Due pesi sospesi vibrano su un piano in un giroscopio MEMS con una frequenza di .

Quando il giroscopio gira, si verifica un'accelerazione di Coriolis pari a , dove è la velocità e è la frequenza angolare di rotazione del giroscopio. La velocità orizzontale della massa oscillante si ottiene come: , e la posizione della massa nel piano è . Il movimento fuori piano causato dalla rotazione del giroscopio è pari a:

dove: è la massa della massa oscillante. - coefficiente di rigidezza della molla nella direzione perpendicolare al piano. - l'entità della rotazione nel piano perpendicolare al movimento della massa oscillante.

Varietà

Giroscopio al MAKS-2009

Giroscopi ottici

Si dividono in giroscopi a fibra ottica e laser. Il principio di funzionamento si basa sull'effetto Sagnac, scoperto nel 1913. Teoricamente, viene spiegato utilizzando SRT. Secondo STR, la velocità della luce è costante in qualsiasi sistema di riferimento inerziale. Mentre in un sistema non inerziale può differire da c. Quando si invia un raggio di luce nel senso di rotazione del dispositivo e contro il senso di rotazione, la differenza nel tempo di arrivo dei raggi (determinato dall'interferometro) permette di trovare la differenza nei percorsi ottici dei raggi nel sistema di riferimento inerziale e, di conseguenza, l'entità della rotazione angolare del dispositivo durante il passaggio del raggio. L'entità dell'effetto è direttamente proporzionale alla velocità angolare di rotazione dell'interferometro e all'area coperta dalla propagazione delle onde luminose nell'interferometro:

dove è la differenza nei tempi di arrivo dei raggi rilasciati in direzioni diverse, è l'area del contorno ed è la velocità angolare di rotazione del giroscopio. Poiché il valore è molto piccolo, la sua misurazione diretta utilizzando interferometri passivi è possibile solo nei giroscopi a fibra ottica con una lunghezza della fibra di 500-1000 m. Nell'interferometro ad anello rotante di un giroscopio laser, è possibile misurare lo sfasamento delle onde di contropropagazione uguale a:

dov'è la lunghezza d'onda.

Applicazione dei giroscopi nella tecnologia

Schema di un semplice giroscopio meccanico in un gimbal

Le proprietà di un giroscopio sono utilizzate nei dispositivi: giroscopi, la cui parte principale è un rotore a rotazione rapida, che ha diversi gradi di libertà (assi di possibile rotazione).

I più comunemente usati sono i giroscopi posizionati nei gimbal. Tali giroscopi hanno 3 gradi di libertà, cioè possono effettuare 3 rotazioni indipendenti attorno ai propri assi AA", BB" E CC", che si intersecano al centro della sospensione DI, che rimane rispetto alla base UN immobile.

Sistemi di stabilizzazione

I sistemi di stabilizzazione sono disponibili in tre tipi principali.

• Sistema stabilizzazione della forza(sui giroscopi a due stadi).

È necessario un giroscopio per la stabilizzazione attorno a ciascun asse. La stabilizzazione viene effettuata da un giroscopio e da un motore di scarico; all'inizio agisce il momento giroscopico, quindi viene collegato il motore di scarico.

• Sistema di stabilizzazione della potenza dell'indicatore (su giroscopi a due fasi).

È necessario un giroscopio per la stabilizzazione attorno a ciascun asse. La stabilizzazione viene effettuata solo scaricando i motori, ma all'inizio appare un piccolo momento giroscopico che può essere trascurato.

• Sistema di stabilizzazione dell'indicatore (su giroscopi a tre gradi)

Per stabilizzarsi attorno a due assi è necessario un giroscopio. La stabilizzazione viene effettuata solo scaricando i motori.

Nuovi tipi di giroscopi

I requisiti in costante crescita per la precisione e le caratteristiche prestazionali dei dispositivi giroscopici hanno costretto scienziati e ingegneri di molti paesi in tutto il mondo non solo a migliorare i giroscopi classici con rotore rotante, ma anche a cercare idee fondamentalmente nuove che risolvano il problema della creazione di sensori sensibili sensori per misurare e visualizzare i parametri del movimento angolare di un oggetto.

Attualmente noto più di cento vari fenomeni e principi fisici che consentono di risolvere problemi giroscopici. In Russia e negli Stati Uniti sono stati rilasciati migliaia di brevetti e certificati di copyright per scoperte e invenzioni rilevanti.

Poiché i giroscopi di precisione vengono utilizzati nei sistemi di guida dei missili strategici a lungo raggio, le informazioni sulle ricerche condotte in quest'area furono classificate come classificate durante la Guerra Fredda.

La direzione dello sviluppo dei giroscopi quantistici è promettente.

Prospettive per lo sviluppo della strumentazione giroscopica

Oggi sono stati creati sistemi giroscopici abbastanza accurati che soddisfano un'ampia gamma di consumatori. La riduzione dei fondi stanziati per il complesso militare-industriale nei bilanci dei principali paesi del mondo ha aumentato notevolmente l'interesse per le applicazioni civili della tecnologia giroscopica. Ad esempio, oggi è molto diffuso l'uso di giroscopi micromeccanici nei sistemi di stabilizzazione delle auto o nelle videocamere.

Secondo i sostenitori dei metodi di navigazione come GPS e GLONASS, gli eccezionali progressi nel campo della navigazione satellitare ad alta precisione hanno reso superflui gli ausili alla navigazione autonomi (all'interno dell'area di copertura del sistema di navigazione satellitare (SNS), cioè all'interno del pianeta). Attualmente i sistemi SNS sono superiori a quelli giroscopici in termini di peso, dimensioni e costi.

Attualmente in fase di sviluppo sistema di navigazione satellitare di terza generazione. Ti consentirà di determinare le coordinate degli oggetti sulla superficie terrestre con una precisione di diversi centimetri in modalità differenziale, quando si trovano nell'area di copertura del segnale di correzione DGPS. In questo caso, presumibilmente, non è necessario utilizzare giroscopi direzionali. Ad esempio, l'installazione di due ricevitori di segnale satellitare sulle ali di un aereo consente di ottenere informazioni sulla rotazione dell'aereo attorno ad un asse verticale.

Tuttavia, i sistemi SNS non sono in grado di determinare con precisione la posizione in ambienti urbani con scarsa visibilità satellitare. Problemi simili si riscontrano nelle aree boschive. Inoltre, il passaggio dei segnali SNS dipende dai processi nell'atmosfera, dagli ostacoli e dalle riflessioni del segnale. I dispositivi giroscopici autonomi funzionano ovunque: sottoterra, sott'acqua, nello spazio.

Negli aerei, l’SNS risulta essere più preciso dell’INS lungo le zone. Ma l’utilizzo di due ricevitori SNS per misurare gli angoli di inclinazione dell’aereo dà errori fino a diversi gradi. Anche il calcolo della rotta determinando la velocità dell'aereo utilizzando SNS non è sufficientemente accurato. Pertanto, nei moderni sistemi di navigazione, la soluzione ottimale è una combinazione di sistemi satellitari e giroscopici, chiamata sistema INS/SNS integrato (complesso).

Negli ultimi decenni, lo sviluppo evolutivo della tecnologia giroscopica si è avvicinato alla soglia dei cambiamenti qualitativi. Ecco perché l'attenzione degli specialisti nel campo della giroscopia è ora focalizzata sulla ricerca di applicazioni non standard per tali dispositivi. Si sono aperti compiti completamente nuovi e interessanti: esplorazione geologica, previsione dei terremoti, misurazione ultraprecisa delle posizioni di ferrovie e oleodotti, attrezzature mediche e molti altri.

Utilizzo di un giroscopio negli smartphone e nelle console di gioco

IPhone 4 con giroscopio interno

La significativa riduzione dei costi di produzione dei giroscopi MEMS ha portato al loro utilizzo negli smartphone e nelle console di gioco.

Anche giroscopio cominciò ad essere utilizzato nei controller di gioco di controllo, come: Sixaxis per Sony PlayStation 3 e Wii MotionPlus per Nintendo Wii. Entrambi questi controller utilizzano due sensori spaziali complementari: un accelerometro e giroscopio. Per la prima volta, Nintendo ha rilasciato un controller di gioco in grado di determinare la propria posizione nello spazio: il telecomando Wii per la console di gioco Wii, ma utilizza solo un accelerometro tridimensionale. Un accelerometro 3D non è in grado di misurare con precisione i parametri di rotazione durante movimenti altamente dinamici. Ed è per questo che negli ultimi controller di gioco: Sixaxis e Wii MotionPlus, oltre all'accelerometro, è stato utilizzato un sensore spaziale aggiuntivo - giroscopio.

Giocattoli basati sul giroscopio

Più semplici esempi i giocattoli realizzati sulla base di un giroscopio sono yo-yo, trottole (trottole) e modelli di elicotteri.
Le trottole differiscono dai giroscopi in quanto non hanno un unico punto fisso.
Inoltre, c'è un simulatore giroscopico sportivo.

Guarda anche

Appunti

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” (“Descrizione di una macchina per spiegare le leggi della rotazione della Terra attorno al suo asse e il cambio di direzione di quest’ultimo”) Tubing Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, pagine 72-83. Su Internet: 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” (“Articolo sul caso particolare del moto rotatorio dei corpi massicci”), Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pagine 247-262. Su Internet: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Foto del giroscopio di Bonenberger: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Walter R. Johnson (gennaio 1832) "Descrizione di un apparato chiamato rotascopio per mostrare diversi fenomeni e illustrare alcune leggi del movimento rotatorio", Il giornale americano di scienza e arte, 1a serie, vol. 21, n. 2, pagine 265-280. Su Internet: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Illustrazioni del giroscopio di Walter R. Johnson (“rotascopio”) compaiono in: Board of Regents, Decimo rapporto annuale del consiglio dei reggenti della Smithsonian Institution….(Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pagine 177-178. Su Internet: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, "La macchina di Bohnenberger", Istituto di Navigazione. Su 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 trascinati da un'ascia fissa sulla superficie della terra", Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Parigi), vol. 35, pagine 424-427. Su Internet: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Scorri verso il basso fino a “Sur les phénomènes d’orientation...”
8. (1) Julius Plücker (settembre 1853) "Über die Fessel'scherotationsmachine", Annalen der Physik, vol. 166, n. 9, pagine 174-177; (2) Julius Plücker (ottobre 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationmachine", Annalen der Physik, vol. 166, n. 10, pagine 348-351; (3) Charles Wheatstone (1864) "Sul giroscopio di Fessel", Atti della Royal Society di Londra, vol. 7, pagine 43-48. Su internet: .