Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Гіроскоп


Gyro Story Board.png

План:


Введення

Ілюстрація до основного властивості 3-статечного гіроскопа (ідеалізоване функціонування).

Гіроскоп (від др.-греч. γῦρος "Коло" і σκοπέω "Дивлюся") - пристрій, здатний реагувати на зміну кутів орієнтації пов'язаного з ним тіла відносно інерціальної системи координат, як правило, засноване на законі збереження обертального моменту (моменту імпульсу). Термін вперше введений Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в його доповіді в 1852 році Французької Академії Наук. Доповідь було присвячено способам експериментального виявлення обертання Землі в инерциальном просторі. Цим обумовлено і назва "гіроскоп".

Прецесія
Анімація прецесії механічного гіроскопа.
Gyro Story Board.png

1. Історія

Гіроскоп, винайдений Фуко (побудував Дюмолен-Фромент, 1852)
Гіроскоп на МАКС-2009

До винаходу гіроскопа людство використовувало різні методи визначення напрямку в просторі. Здавна люди орієнтувалися візуально по віддаленим предметів, зокрема, за Сонцем. Уже в давнину з'явилися перші прилади: схил і рівень, засновані на гравітації. В середні віки в Китаї був винайдений компас, який використовує магнетизм Землі. У Європі були створені астролябія та інші прилади, засновані на положенні зірок.

Гіроскоп винайшов Йоганн Боненбергер і опублікував опис свого винаходу в 1817 році [1]. Однак французький математик Пуассон ще в 1813 році згадує Боненбергера як винахідника цього пристрою [2]. Головною частиною гіроскопа Боненбергера був обертовий масивний кулю в кардановому підвісі [3]. У 1832 році американець Уолтер Р. Джонсон придумав гіроскоп з обертовим диском [4] [5]. Французький учений Лаплас рекомендував цей пристрій в навчальних цілях [6]. У 1852 році французький учений Фуко удосконалив гіроскоп і вперше використав його як прилад, що показує зміну напряму (в даному випадку - Землі), через рік після винаходу маятника Фуко, теж заснованого на збереженні обертального моменту [7]. Саме Фуко придумав назву "гіроскоп". Фуко, як і Боненбергер, використовував карданів підвіс. Не пізніше 1853 Фессель винайшов інший варіант підвіски гіроскопа [8].

Перевагою гіроскопа перед більш давніми приладами є те, що він правильно працює в складних умовах (погана видимість, тряска, електромагнітні перешкоди). Однак гіроскоп швидко зупинявся через тертя.

У другій половині XIX століття було запропоновано використовувати електродвигун для розгону і підтримки руху гіроскопа. Вперше на практиці гіроскоп був застосований в 1880-х роках інженером Обрі для стабілізації курсу торпеди. У XX столітті гіроскопи стали використовуватися в літаках, ракетах і підводних човнах замість компаса або спільно з ним.


2. Класифікація

Основні типи гіроскопів за кількістю ступенів свободи :

  • 2-статечні (інтегруючі, двічі інтегруючі, дифференцирующие)
  • 3-статечні.

Основні два типи гіроскопів за принципом дії:

  • механічні гіроскопи,
  • оптичні гіроскопи.

По режиму дії гіроскопи діляться на:

  • датчики кутовий швидкості,
  • покажчики напрямку.

Однак один і той же пристрій може працювати в різних режимах в залежності від типу управління.


2.1. Механічні гіроскопи

Схема найпростішого механічного гіроскопа в карданном підвісі

Серед механічних гіроскопів виділяється роторний гіроскоп - швидко обертається тверде тіло ( ротор), вісь обертання якого здатна змінювати орієнтацію в просторі. При цьому швидкість обертання гіроскопа значно перевищує швидкість повороту осі його обертання. Основна властивість такого гіроскопа - здатність зберігати в просторі незмінне напрямок осі обертання при відсутності впливу на неї моментів зовнішніх сил.

Вперше це властивість використовував Фуко в 1852 р. для експериментальної демонстрації обертання Землі. Саме завдяки цій демонстрації гіроскоп і отримав свою назву від грецьких слів "обертання", "спостерігаю".


2.1.1. Властивості двовісного роторного гіроскопа

Прецесія механічного гіроскопа.

При впливі моменту зовнішньої сили навколо осі, перпендикулярної осі обертання ротора, гіроскоп починає повертатися навколо осі прецесії, яка перпендикулярна моменту зовнішніх сил.

Наприклад, якщо дозволити осі гіроскопа рухатися тільки в горизонтальній площині, то вісь прагне встановитися по меридіану, при тому так, що обертання приладу відбувається так само, як і обертання Землі. Якщо ж осі дозволити рухатися вертикально (у площині меридіана), то вона прагне встановитися паралельно осі землі. Саме це чудова властивість гіроскопа і визначило широке застосування приладу.

Дана властивість прямо пов'язане з виникненням так званої коріолісовой сили. Так, при дії моменту зовнішньої сили гіроскоп спочатку буде обертатися саме в напрямку дії зовнішнього моменту ( нутационниє кидок). Кожна частка гіроскопа буде таким чином рухатися з переносною кутовий швидкістю обертання через моменту. Але роторний гіроскоп, крім цього, і сам обертається, значить, кожна частинка буде мати відносну швидкість. Отже, виникне коріолісова сила, яка буде змушувати гіроскоп рухатися в перпендикулярному прикладеному моменту напрямку, тобто прецессировать. Прецесія викличе коріолісову силу, момент якої компенсує момент зовнішньої сили.

Гіроскопічний ефект обертових тіл є прояв корінного властивості матерії - її інертності.

Спрощено, поведінка гіроскопа описується рівнянням:

\ Vec {M} = {{d \ vec {L}} \ over {dt}} = {{d (I \ vec {\ omega})} \ over {dt}} = I \ vec {\ varepsilon},

де вектори \ Vec {M} і \ Vec {L} є, відповідно, моментом сили, що діє на гіроскоп, і його моментом імпульсу, скаляр ~ I - Його моментом інерції, вектори \ Vec {\ omega} і \ Vec {\ varepsilon}кутовий швидкістю і кутовим прискоренням.

Звідси випливає, що момент сили \ Vec {M} , Прикладений перпендикулярно осі обертання гіроскопа, тобто перпендикулярний \ Vec {L} , Призводить до руху, перпендикулярному як \ Vec {M} , Так і \ Vec {L} , Тобто до явища прецесії. Кутова швидкість прецесії \ Vec {\ Omega} _P гіроскопа визначається його моментом імпульсу і моментом прикладеної сили:

\ Vec {M} = \ vec {\ Omega} _P \ times \ vec {L},

тобто \ Vec {\ Omega} _P обернено пропорційна швидкості обертання гіроскопа.


2.1.2. Вібраційні гіроскопи

Вібраційні гіроскопи - пристрої, що зберігають свої коливання в одній площині при повороті. Даний тип гіроскопів є набагато більш простим і дешевим при порівнянній точності в порівнянні з роторним гіроскопом. У зарубіжній літературі також вживається термін "Коріолісова вібруючі гіроскопи" - так як принцип їх дії заснований на ефекті сили Коріоліса, як і в роторних гіроскопів.
Наприклад, вібраційні гіроскопи застосовуються в системі вимірювання нахилу електричного самоката Сигвей. Система складається з п'яти вібраційних гіроскопів, чиї дані обробляються двома мікропроцесорами.
Саме даний тип гіроскопів використовується у мобільних пристроях, зокрема, в iPhone 4


2.1.2.1. Принцип роботи

Два підвішених грузика вібрують на площині в MEMS гіроскопі з частотою \ Scriptstyle \ omega_r .

При повороті гіроскопа виникає Коріолісове прискорення рівне \ Scriptstyle \ vec {a} _c = -2 ({\ vec {v} \ times \ vec {\ Omega}}) , Де \ Scriptstyle \ vec {v} - Швидкість і \ Scriptstyle \ vec {\ Omega} - Кутова частота повороту гіроскопа. Горизонтальна швидкість коливного грузика виходить як: \ Scriptstyle X_ {ip} \ omega_r \ cos (\ omega_r t) , А положення грузика в площині - \ Scriptstyle X_ {ip} \ sin (\ omega_r t) . Внеплоскостное рух \ Scriptstyle y_ {op} , Що викликається поворотом гіроскопа одно:

y_ {op} = \ frac {F_c} {k_ {op}} = \ frac {2m \ Omega X_ {ip} \ omega_r \ cos (\ omega_r t)} {k_ {op}}
де:
\ Scriptstyle m - Маса коливається грузика.
\ Scriptstyle k_ {op} - Коефіцієнт жорсткості пружини в напрямку, перпендикулярному площині.
\ Scriptstyle \ Omega - Величина повороту в площині перпендикулярно руху коливного грузика.

2.1.2.2. Різновиди
  • П'єзоелектричні гіроскопи.
  • Твердотільні хвильові гіроскопи [9] [10]. Робота одного з різновидів ТВГ розробленого компанією Innalabs заснована на управлінні двома стоячими хвилями в фізичному тілі - резонаторі, який може бути як осесиметричним, так і неосесімметрічной. При цьому, осесиметричну форма резонатора дозволяє досягти видатних характеристик гіроскопа, а саме: значно збільшити термін життя гіроскопа та його ударостійкість. Резонатор КВГ функціонує в режимі другої форми коливань. Таким чином, стоячі хвилі - це коливання еліптичної форми з чотирма пучностями і чотирма вузлами, розташованими по колу краю резонатора. Кут між суміжними вузлами / пучностями становить 45 градусів. Еліптична форма коливань збуджується до певної амплітуди. Коли гіроскоп повертається навколо осі чутливості, результуючі Коріолісова сили, що впливають на елементи вібруючої маси резонатора, збуджують другий режим коливань. Кут між головними осями двох режимів складає 45 градусів. Замкнутий контур управління призводить другий режим коливання до нуля. Сила, необхідна для цього, пропорційна швидкості обертання датчика. Відповідна система замкнутого контуру управління називається компенсаційною. Для генерування компенсаційної сили і зчитування викликаних рухів використовуються п'єзоелектричні елементи, закріплені на резонаторі. Подібна електромеханічна система у високому ступені ефективна і забезпечує низький рівень шуму вихідного сигналу і широкий діапазон вимірювання, необхідні для багатьох критичних застосувань.
  • Камертонні гіроскопи.
  • Вібраційні роторні гіроскопи
  • МЕМС гіроскопи.

2.2. Оптичні гіроскопи

Діляться на волоконно-оптичні та лазерні гіроскопи. Принцип дії заснований на ефекті Саньяка і теоретично пояснюється за допомогою СТО. Згідно СТО швидкість світла постійна в будь інерціальній системі відліку. У той час як в неінерціальній системі вона може відрізнятися від c. При посилці променя світла в напрямку обертання приладу і проти напрямку обертання різниця в часі приходу променів (обумовлена інтерферометром) дозволяє знайти різницю оптичних шляхів променів в інерціальній системі відліку, і, отже, величину кутового повороту приладу за час проходження променя.


3. Застосування гіроскопів у техніці

Властивості гіроскопа використовуються в приладах - гіроскопах, основною частиною яких є швидко обертається ротор, який має кілька ступенів свободи (осей можливого обертання).

Найчастіше використовуються гіроскопи, поміщені в карданів підвіс (див. рис.). Такі гіроскопи мають 3 ступені свободи, тобто він може здійснювати 3 незалежних повороту навколо осей АА ', BB' і CC ', що перетинаються в центрі підвісу О, який залишається по відношенню до основи A нерухомим.

Гіроскопи, у яких центр мас збігається з центром підвісу O, називаються астатичними, в іншому випадку - статичними гіроскопами.

Для забезпечення обертання ротора гіроскопа з високою швидкістю застосовуються спеціальні гіромотори.

Для управління гіроскопом і зняття з нього інформації використовуються датчики кута і датчики моменту.

Гіроскопи використовуються у вигляді компонентів як в системах навігації ( авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.


3.1. Системы стабилизации

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

  • Система силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

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

  • Система индикаторно-силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

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

  • Система индикаторной стабилизации (на 3-степенных гироскопах)

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


3.2. Новые типы гироскопов

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

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

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

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов.


3.3. Перспективы развития гироскопического приборостроения

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

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации (в пределах зоны покрытия спутниковой навигационной системы (СНС), то есть в пределах планеты). В настоящее время СНС системы по параметрам массы, габаритов и стоимости превосходят гироскопические.

Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приёмников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолёта вокруг вертикальной оси.

Однако системы СНС оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. Кроме того прохождение сигналов СНС зависит от процессов в атмосфере, препятствий и переотражений сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте - под землёй, под водой, в космосе.

В самолётах СНС оказывается точнее ИНС на длинных участках. Но использование двух СНС-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью СНС также не является достаточно точным. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических систем, называемая интегрированной (комплексированной) ИНС/СНС системой.

За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.


3.4. Использование гироскопа в смартфонах и игровых приставках

Значительное удешевление производства МЭМС -гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.

Появление МЭМС -гироскопа [11] в новом смартфоне Apple iPhone 4 открывает новые возможности в 3D -играх и в формировании дополненной реальности [12]. Уже сегодня, разные производители смартфонов и игровых приставок собираются использовать МЭМС -гироскопы в своих продуктах. Вскоре появятся приложения на смартфонах и игровых приставках, которые сделают компьютерный экран окном в другой - виртуальный мир. Например в 3D -игре, пользователь перемещая смартфон или мобильную игровую консоль, увидит другие стороны игровой - виртуальной реальности. Поднимая смартфон вверх - пользователь увидит виртуальное небо, а опуская вниз - увидит виртуальную землю. Вращая по сторонам света - может осмотреться вокруг - внутри виртуального мира. Гироскоп даёт программе данные о том, как ориентирован смартфон относительно реального мира, а программа связывает эти данные с виртуальным миром. Таким же образом, но уже не в игре, можно использовать гироскоп для формирования дополненной реальности.

Так же гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих перечисленных контроллерах использованы два дополняющих друг друга, пространственных сенсора : акселерометр и гироскоп. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo - Wii Remote для игровой приставки Wii, но в нем используется только трёхмерный акселерометр. Трёхмерный акселерометр не способен давать точное измерение параметров вращения при высокодинамичных движениях. И именно поэтому в новейших игровых контроллерах : Sixaxis и Wii MotionPlus, кроме акселерометра, был использован дополнительный пространственный сенсор - гироскоп.


4. Игрушки на основе гироскопа

Самими простими прикладами іграшок, зроблених на основі гіроскопа, є йо-йо, дзига (юла) і моделі вертольотів.
Вовчки відрізняються від гіроскопів тим, що не мають жодної нерухомої точки.
Крім того, існує спортивний гіроскопічний тренажер.

5. Примітки

  1. Johann GF Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erluterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Vernderung der Lage der letzteren" ("Опис машини для пояснення законів обертання Землі навколо своєї осі і зміни напрямку останньої") Tbinger Bltter fr Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. В інтернеті: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf - www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
  2. Simeon-Denis Poisson (1813) "Mmoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" ("Стаття про особливе випадку обертального руху масивних тіл"), Journal de l'cole Polytechnique, vol. 9, pages 247-262. В інтернеті: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf - www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
  3. Фото гіроскопа Боненбергера: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 - www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
  4. Walter R. Johnson (January 1832) "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion," The American Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265-280. В books.google.com / books? id = BjwPAAAAYAAJ & pg = PA265 & lpg = PR5 & dq = Johnson rotascope & ie = ISO-8859-1 & output = html
  5. Illustrations of Walter R. Johnson's gyroscope ("rotascope") appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution .... (Washington, DC: Cornelius Wendell, 1856), pages 177-178. В books.google.com / books? id = fEyT4sTd7ZkC & pg = PA178 & dq = Johnson rotascope & ie = ISO-8859-1 & output = html
  6. Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger," The Institute of Navigation. В інтернеті: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 - www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
  7. L. Foucault (1852) "Sur les phnomnes d'orientation des corps tournants entrans par un axe fixe la surface de la terre," Comptes rendus hebdomadaires des sances de l'Acadmie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424-427. В інтернеті: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html - www.bookmine.org / memoirs / pendule.html. Scroll down to "Sur les phnomnes d'orientation ..."
  8. (1) Julius Plcker (September 1853) "ber die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik, vol. 166, no. 9, pages 174-177, (2) Julius Plcker (October 1853) "Noch ein wort ber die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik, vol. 166, no. 10, pages 348-351, (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel's gyroscope," Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7, pages 43-48. В books.google.com / books? id = CtGEAAAAIAAJ & pg = RA1-PA307 & lpg = RA1-PA307 & dq = Fessel .
  9. Lynch DD HRG Development at Delco, Litton, and Northrop Grumman / / Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19-21 May, 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. - ISBN 978-976-02-5248-6.
  10. Sarapuloff SA 15 Years of Solid-State Gyrodynamics Development in the USSR and Ukraine: Results and Perspectives of Applied Theory / / Proc. of the National Technical Meeting of US Institute of Navigation (ION) (Santa Monica, Calif., USA. January 14-16,1997). - P.151-164.
  11. Стаття на сайті deepapple.com: "Таємниця чіпа AGD1 розкрита, або Гіроскоп iPhone 4 під рентгеном" - deepapple.com/news/37653.html
  12. Форум IT-професіоналів. Стаття: "Гіроскоп в смартфоні відкриє вікно в новий вимір" - habrahabr.ru/blogs/games/95788 /

6. Література

  • Бороздін В. Н. Гіроскопічні прилади та пристрої систем управління: Учеб. посібник для Втузов., М., Машинобудування, 1990.
  • Меркур'єв І. В., Подалков В. В. Динаміка мікромеханічних і хвильового твердотільного гіроскопів. - М.: Физматлит, 2009. - 228 с. - ISBN 978-5-9221-1125-6
  • Гіроскопічні системи / За ред. Д. С. Пельпора. У 3 ч. М.: Вища. шк., 1986-1988. Ч. 1: Теорія гіроскопів і гіроскопічних стабілізаторов.1986; Ч. 2: Гіроскопічні прилади і системи. 1988; Ч. 3: Елементи гіроскопічних приладів. 1988
  • Павловський М. А. Теорія гіроскопів: Підручник для ВУЗів., Київ, Вища Школа, 1986.
  • Сивухин Д. В. Загальний курс фізики. - Видання 5-е, стереотипне. - М .: Физматлит, 2006. - Т. I. Механіка. - 560 с. - ISBN 5-9221-0715-1.

7. Кафедри

8.1. Російська Федерація


8.1.2. Україна


Див також


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас