Гіроскоп |

Гіроско́п(від др.-грец. γῦρος «коло» і σκοπέω «дивлюся») — тверде тіло, що швидко обертається, основа однойменного пристрою, здатного вимірювати зміну кутів орієнтації пов'язаного з ним тіла щодо інерційної системи координат, заснований на законі збереження обертального моменту (моменту імпульсу).

До винаходу гіроскопа людство використовувало різні методи визначення напрямку у просторі. З давніх-давен люди орієнтувалися візуально по віддалених предметах, зокрема, по Сонцю. Вже в давнину з'явилися перші прилади: виска та рівень, засновані на гравітації. У середні віки в Китаї було винайдено компас, який використовує магнетизм Землі. У Європі було створено астролябію та інші прилади, засновані на положенні зірок.

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

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

2. Класифікація

Основні типи гіроскопів за кількістю ступенів волі:

2-ступеневі (інтегруючі, двічі інтегруючі, диференціюючі)
3-ступеневі.

Основні два типи гіроскопів за принципом дії:

механічні гіроскопи,
оптичні гіроскопи.

За режимом дії гіроскопи поділяються на:

датчики кутової швидкості,
покажчики напряму.

Однак один і той же пристрій може працювати в різних режимах залежно від типу керування.

2.1. Механічні гіроскопи

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

Вперше цю властивість використовував Фуко у 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

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

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

Ця властивість безпосередньо пов'язана з виникненням так званої коріолісової сили. Так, при впливі моменту зовнішньої сили гіроскоп спочатку буде обертатися саме у напрямку впливу зовнішнього моменту (нутаційний кидок). Кожна частка гіроскопа таким чином рухатиметься зпереносний кутовий швидкістю обертання через момент. Але роторний гіроскоп, крім цього, і сам обертається, отже, кожна частка матиме відносну швидкість. Отже, виникне коріолісова сила, яка змушуватиме гіроскоп рухатися в перпендикулярному доданому моменту напрямку, тобто прецесувати. Прецесія викликає коріолісову силу, момент якої компенсує момент зовнішньої сили.

Гіроскопічний ефект тіл, що обертаються, є проявом корінної властивості матерії — її інертності.

Спрощено, поведінка гіроскопа описується рівнянням:

де вектори і є, відповідно, моментом сили, що діє на гіроскоп, та його моментом імпульсу, скаляр - його моментом інерції, вектори та кутовою швидкістю та кутовим прискоренням.

Звідси випливає, що момент сили , прикладений перпендикулярно до осі обертання гіроскопа, тобто перпендикулярний , призводить до руху, перпендикулярному як , так і , тобто до явища прецесії. Кутова швидкість прецесії гіроскопа визначається його моментом імпульсу та моментом прикладеної сили:

тобто обернено пропорційна швидкості обертання гіроскопа.

2.1.2. Вібраційні гіроскопи

Вібраційні гіроскопи - пристрої, що зберігають свої коливання в одній площині повороту. Даний тип гіроскопів є набагато простішим і дешевшим при порівнянні точності порівняно з роторним гіроскопом. У зарубіжній літературі також вживається термін «Коріолісові гіроскопи, що вібрують» — оскільки принцип їх дії заснований на ефекті сили Коріоліса, як і у роторних гіроскопів. Наприклад, вібраційні гіроскопи застосовуються в системі вимірювання нахилу електричного самокату Сігвей. Система складається з п'яти вібраційних гіроскопів, чиї дані обробляються двомамікропроцесорами. Саме цей тип гіроскопів використовується в мобільних пристроях, зокрема, в iPhone 4

2.1.2.1. Принцип роботи

Два підвішені грузики вібрують на площині в MEMS гіроскопі з частотою.

При повороті гіроскопа виникає прискорення Коріолісова рівне , де - швидкість і - кутова частота повороту гіроскопа. Горизонтальна швидкість вантажу, що коливається, виходить як : , а положення вантажу в площині — . Позаплощинний рух, що викликається поворотом гіроскопа:

де: - Маса вантажу, що коливається. - Коефіцієнт жорсткості пружини в напрямку, перпендикулярному площині. - Величина повороту в площині перпендикулярно руху вантажу, що коливається.

2.1.2.2. Різновиди

П'єзоелектричні гіроскопи.
Твердотільні хвильові гіроскопи [9] [10] .
Камертонні гіроскопи.
Вібраційні роторні гіроскопи
МЕМС гіроскопи.

2.2. Оптичні гіроскопи

Поділяються на волоконно-оптичні та лазерні гіроскопи. Принцип дії ґрунтується на ефекті Саньяка і теоретично пояснюється за допомогою СТО. Відповідно до СТО швидкість світла постійна у будь-якій інерційній системі відліку. У той час як у неінерційній системі вона може відрізнятись від c. При посиланні променя світла у напрямку обертання приладу та проти напрямку обертання різниця у часі приходу променів (визначена інтерферометром) дозволяє знайти різницю оптичних шляхів променів в інерційній 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 ротор, що швидко обертається і має кілька ступенів свободи.(Вісей можливого обертання).

Найчастіше використовуються гіроскопи, поміщені в карданів підвіс (див. рис.). Такі гіроскопи мають 3 ступені свободи, тобто він може здійснювати 3 незалежні повороти навколо осейАА',BB'іCC', що перетинаються в центрі підвісуО, який залишається по відношенню до основиAнерухомим.

Гіроскопи, у яких центр мас збігається з центром підвісуO, називаються астатичними, інакше - статичними гіроскопами.

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

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

Гіроскопи використовуються у вигляді компонентів як у системах навігації (авіагоризонт, гірокомпас, ІНС тощо), так і в нереактивних системах орієнтації та стабілізації космічних апаратів.

3.1. Системи стабілізації

Системи стабілізації бувають трьох основних типів.

Система силової стабілізації (на 2-ступеневих гіроскопах).

Для стабілізації навколо кожної осі потрібний один гіроскоп. Стабілізація здійснюється гіроскопом та двигуном розвантаження, на початку діє гіроскопічний момент, а потім підключається двигун розвантаження.

Система індикаторно-силової стабілізації (на 2-ступеневих гіроскопах).

Для стабілізації навколо кожної осі потрібний один гіроскоп. Стабілізація здійснюється тільки двигунами розвантаження, але на початку з'являється невеликий гіроскопічний момент, яким можна знехтувати.

Система індикаторної стабілізації (на 3-ступеневих гіроскопах)

Для стабілізації навколо двох осей потрібний один гіроскоп. Стабілізація здійснюється лише двигунамирозвантаження.

3.2. Нові типи гіроскопів

Постійно зростаючі вимоги до точнісних та експлуатаційних характеристик гіро-приладів змусили вчених та інженерів багатьох країн світу не тільки вдосконалити класичні гіроскопи з ротором, що обертається, а й шукати принципово нові ідеї, що дозволили вирішити проблему створення чутливих датчиків для вимірювання та відображення параметрів кутового.

Оскільки прецизійні гіроскопи використовуються в системах наведення стратегічних ракет великої дальності, під час холодної війни інформація про дослідження, що проводяться в цій галузі, класифікувалася секретною.

Перспективним є напрямок розвитку квантових гіроскопів.

3.3. Перспективи розвитку гіроскопічного приладобудування

На думку прихильників таких методів навігації, як GPS та ГЛОНАСС, видатний прогрес у галузі високоточної супутникової навігації зробив непотрібними автономні засоби навігації (у межах зони покриття супутникової навігаційної системи (СНР), тобто в межах планети). В даний час СНР системи за параметрами маси, габаритів і вартості перевершують гіроскопічні.

Зараз розробляєтьсясистема навігаційних супутників третього покоління. Вона дозволить визначати координати об'єктів на поверхні Землі з точністю до одиниць сантиметрів у диференціальному режимі, при знаходженні в зоні покриття сигналу DGPS, що коректує. При цьому нібито відпадає потреба у використанні курсових гіроскопів. Наприклад, установка на крилах літака двох приймачів супутникових сигналів дозволяє отримати інформацію про поворот літака навколо вертикальної осі.

Однак системи GPS виявляються нездатними точно визначати становище в міських умовах.погана видимість супутників. Подібні проблеми виявляються і в лісовій місцевості. Крім того, проходження сигналів СНР залежить від процесів в атмосфері, перешкод і перевідбиття сигналів. Автономні ж гіроскопічні прилади працюють у будь-якому місці – під землею, під водою, у космосі.

У літаках GPS виявляється точніше акселерометрів на довгих ділянках. Але використання двох приймачів GPS для вимірювання кутів нахилу літака дає похибки до декількох градусів. Підрахунок курсу шляхом визначення швидкості літака за допомогою GPS також не є достатньо точним. Тому в сьогоднішніх навігаційних системах оптимальним рішенням є комбінація супутникових та гіроскопічних систем, яка називається інтегрованою (комплексованою) ІНС/СНС системою.

За останні десятиліття еволюційний розвиток гіроскопічної техніки підступив до порога якісних змін. Саме тому увага фахівців у галузі гіроскопії зараз зосередилася на пошуку нестандартних застосувань таких приладів. Відкрилися нові цікаві завдання: розвідка корисних копалин, передбачення землетрусів, надточний вимір положень залізничних колій та нафтопроводів, медична техніка та багато інших.

Такожгіроскопстав застосовуватися в керуючих ігрових контролерах, таких як: Sixaxis для Sony PlayStation 3 і Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обох перерахованих контролерах використані два доповнюючі один одного, просторові сенсори: акселерометр і гіроскоп . Вперше ігровий контролер, що вміє визначати своє становище у просторі, був випущений компанією Nintendo - Wii Remote для ігрової приставки Wii, але в ньому використовується лише тривимірний акселерометр. Тривимірний акселерометр не здатний давати точний вимірпараметрів обертання при високодинамічних рухах І саме тому в новітніх ігрових контролерах: Sixaxis і Wii MotionPlus, крім акселерометра, був використаний додатковий просторовий сенсор - гіроскоп.

4. Іграшки на основі гіроскопа

Найпростішими прикладами іграшок, зроблених на основі гіроскопа, є йо-йо, дзига (юла) та моделі вертольотів. Дзиги відрізняються від гіроскопів тим, вони не мають жодної нерухомої точки. Крім того, існує спортивний гіроскопічний тренажер.