Абстрактен жироскоп

Жироскоп (от древногръцки γῦρος „кръг“ и σκοπέω „поглед“) - бързо въртящо се твърдо тяло, основа на едноименно устройство, способно да измерва промяната в ъглите на ориентация на тяло, свързано с него, спрямо инерция координатна система, обикновено базирана на закона за запазване на въртящия момент (ъглов момент).

Преди изобретението на жироскопа човечеството използва различни методи за определяне на посоката в пространството. От древни времена хората са били направлявани визуално от отдалечени обекти, по-специално от Слънцето. Още в древността се появяват първите устройства: отвес и ниво, основано на гравитацията. През Средновековието в Китай е изобретен компас, използващ земния магнетизъм. Астролаби и други устройства, базирани на положението на звездите, са създадени в Европа.

Предимството на жироскопа пред по-старите устройства е, че той работи правилно при трудни условия (лоша видимост, треперене, електромагнитни смущения). Жироскопът обаче бързо спря поради триене.

През втората половина на 19 век се предлага да се използва електрически мотор за ускоряване и поддържане на движението на жироскопа. За първи път на практика жироскопът е използван през 1880-те от инженер Обри за стабилизиране на хода на торпедо. През 20-ти век жироскопите започват да се използват в самолети, ракети и подводници, вместо или във връзка с компас.

2. Класификация

Основните видове жироскопи по броя на степени на свобода:

  • 2-мощност (интегриране, двойно интегриране, диференциране)
  • 3-градусова.

Съществуват два основни вида жироскопи според принципа на действие:

  • механични жироскопи,
  • оптични жироскопи.

Според начина на действие жироскопите се разделят на:

  • сензори за скорост на отклонение,
  • указателни знаци.

Въпреки това едно и също устройство може да работи в различни режими в зависимост от вида на управлението.

2.1. Механични жироскопи

Сред механичните жироскопи, роторен жироскоп - бързо въртящо се твърдо тяло (ротор), чиято ос на въртене може да промени ориентацията си в пространството. В този случай скоростта на въртене на жироскопа значително надвишава скоростта на въртене на оста на въртенето му. Основното свойство на такъв жироскоп е способността да поддържа постоянна посока на оста на въртене в пространството при липса на излагане на моменти на външни сили.

Това свойство е използвано за първи път от Фуко през 1852 г. за експериментално демонстриране на въртенето на Земята. Благодарение на тази демонстрация жироскопът получи името си от гръцките думи "въртене", "наблюдавам".

2.1.1. Свойства на двуосен ротационен жироскоп

Когато моментът на външната сила действа около ос, перпендикулярна на оста на въртене на ротора, жироскопът започва да се върти около оста на прецесия, която е перпендикулярна на момента на външните сили.

Например, ако оста на жироскопа е разрешена да се движи само в хоризонталната равнина, тогава оста има тенденция да се утвърди по меридиана, докато въртенето на устройството става по същия начин, както въртенето на Земята. Ако оста е позволено да се движи вертикално (в равнината на меридиана), тогава тя има тенденция да се установява успоредно на оста на земята. Именно това забележително свойство на жироскопа определя широкото използване на устройството.

Това свойство е пряко свързано с появата на така наречената сила на Кориолис. Така че, когато е изложен на момент на външна сила, жироскопът първоначално ще се върти точно в посоката на външния момент (нутационен хвърляне). По този начин всяка частица от жироскопа ще се движи с преносима ъглова скорост на въртене поради момента. Но въртящ се жироскоп, в допълнение към това, се върти сам, което означава, че всяка частица ще има относителна скорост. Следователно ще възникне сила на Кориолис, която ще принуди жироскопа да се движи в посоката, перпендикулярна на приложения момент, т.е. да прецесира. Прецесията ще предизвика сила на Кориолис, чийто момент ще компенсира момента на външната сила.

Жироскопският ефект на въртящите се тела е проява на основното свойство на материята - нейната инерция.

Опростено, поведението на жироскопа се описва с уравнението:

където векторите и са съответно моментът на силата, действаща върху жироскопа и неговият ъглов момент, скаларът е неговият момент на инерция, вектори и ъгловата скорост и ъгловото ускорение.

Оттук следва, че моментът на сила, приложена перпендикулярно на оста на въртене на жироскопа, т.е. перпендикулярна, води до движение, перпендикулярно и на двете, и, т.е. Ъгловата скорост на прецесията на жироскопа се определя от нейния ъглов момент и момента на приложената сила:

тоест тя е обратно пропорционална на скоростта на въртене на жироскопа.

2.1.2. Вибрационни жироскопи

Вибрационните жироскопи са устройства, които поддържат вибрациите си в една равнина при завъртане. Този тип жироскоп е много по-опростен и евтин със сравнима точност в сравнение с ротационен жироскоп. В чуждестранната литература се използва и терминът „вибрационни жироскопи на Кориолис“ - тъй като принципът им на действие се основава на ефекта на силата на Кориолис, както при ротационните жироскопи.
Например, вибриращи жироскопи се използват в системата за измерване на наклона на електрически скутер Segway. Системата се състои от пет вибрационни жироскопа, чиито данни се обработват от два микропроцесора.

Този тип жироскоп се използва в мобилни устройства, по-специално в iPhone 4

2.1.2.1. Принцип на действие

Две окачени тежести вибрират на равнина в MEMS жироскоп с честота .

При завъртане на жироскопа се получава ускорение на Кориолис, равно на, където е скоростта и ъгловата честота на жироскопа. Хоризонталната скорост на трептящото тегло се получава като:, а положението на тежестта в равнината е. Движението извън равнината, причинено от въртене на жироскопа, е равно на:

където: е масата на трептящото тегло. - коефициент на твърдост на пружината в посока, перпендикулярна на равнината. - количеството на въртене в равнината, перпендикулярна на движението на трептящата тежест.

2.1.2.2. Сортове
  • Пиезоелектрични жироскопи.
  • Твърдотелни вълнови жироскопи [9] [10] .
  • Жироскопи с камертон.
  • Вибриращи ротационни жироскопи
  • MEMS жироскопи.

2.2. Оптични жироскопи

Те са разделени на оптични и лазерни жироскопи. Принципът на действие се основава на ефекта на Саняк и е теоретично обяснен с помощта на SRT. Според SRT скоростта на светлината е постоянна във всяка инерционна референтна рамка. Докато е в неинерционна система, тя може да се различава от c. Когато лъч светлина се изпраща в посоката на въртене на устройството и срещу посоката на въртене, разликата във времето на пристигане на лъчите (определена от интерферометъра) дава възможност да се намери разликата в оптичните пътеки на лъчите в инерционната референтна рамка и, следователно, размера на ъгловото въртене на устройството по време на преминаването на лъча.

3. Приложение на жироскопите в технологията

Свойствата на жироскопа се използват в устройства - жироскопи, основната част от които е бързо въртящ се ротор, който има няколко степени на свобода (оси на възможно въртене).

Най-често използваните жироскопи се поставят в кардани (виж фиг.). Такива жироскопи имат 3 степени на свобода, т.е.могат да направят 3 независими завъртания около осите. AA ', BB ' и CC ', пресичащи се в центъра на окачването ОТНОСНО, който остава по отношение на основата A неподвижен.

Жироскопи, при които центърът на масата съвпада с центъра на окачването О, се наричат ​​астатични, в противен случай - статични жироскопи.

За да се осигури въртенето на ротора на жироскопа с висока скорост, се използват специални жироскопи.

Сензори за ъгъл и въртящ момент се използват за управление на жироскопа и четене на информация от него.

Жироскопите се използват като компоненти както в навигационните системи (изкуствен хоризонт, жирокомпас, INS и др.), Така и в нереактивните системи за разположение и стабилизиране на космическите кораби.

3.1. Стабилизационни системи

Стабилизационните системи са три основни типа.

  • Система за стабилизация на мощността (на двустепенни жироскопи).

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около всяка ос. Стабилизирането се извършва от жироскопа и разтоварващия двигател, в началото действа жироскопичният момент и след това се свързва разтоварващият двигател.

  • Система за стабилизация на индикаторната сила (на двустепенни жироскопи).

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около всяка ос. Стабилизирането се извършва само от двигателите за разтоварване, но в началото се появява малък гироскопичен момент, който може да се пренебрегне.

  • Система за стабилизация на индикатора (на 3-степенни жироскопи)

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около две оси. Стабилизирането се извършва само чрез разтоварване на двигателите.

3.2. Нови видове жироскопи

Непрекъснато нарастващите изисквания за точността и експлоатационните характеристики на жироустройствата принудиха учени и инженери от много страни по света не само да подобрят класическите жироскопи с въртящ се ротор, но и да търсят принципно нови идеи, които направиха възможно решаването на проблем за създаване на чувствителни сензори за измерване и показване на параметрите на ъгловото движение на обект.

Тъй като прецизните жироскопи се използват в системите за стратегическо насочване на ракети с голям обсег, по време на Студената война информацията за изследванията, проведени в тази област, е класифицирана като класифицирана.

Посоката на развитие на квантовите жироскопи е обещаваща.

3.3. Перспективи за развитие на жироскопски инструменти

Според привържениците на навигационните методи като GPS и ГЛОНАСС, изключителният напредък във високоточната сателитна навигация е направил ненужните помощни средства за автономна навигация (в зоната на покритие на сателитна навигационна система (SNS), т.е. в рамките на планетата). В момента SNS системите превъзхождат жироскопните по отношение на маса, размер и цена.

В момента се разработва трето поколение сателитна система за навигация. Той ще ви позволи да определите координатите на обектите на земната повърхност с точност до единици сантиметри в диференциален режим, докато сте в зоната на покритие на корекционния сигнал DGPS. Това уж елиминира необходимостта от използване на курсови жироскопи. Например, инсталирането на два сателитни приемника на крилата на самолета дава възможност да се получи информация за въртенето на самолета около вертикалната ос.

GPS системите обаче не могат да определят точно позицията в градска среда, при лоша видимост на спътниците. Подобни проблеми се срещат в гористите райони. Освен това преминаването на SNS сигнали зависи от процесите в атмосферата, препятствията и повторните отражения на сигнала. Автономните жироскопски устройства работят навсякъде - под земята, под вода, в космоса.

В самолетите GPS е по-точен от акселерометрите при дълги участъци. Но използването на два GPS приемника за измерване на ъглите на наклона на самолета дава грешки до няколко градуса. Изчисляването на курс чрез определяне на скоростта на самолет с помощта на GPS също не е достатъчно точно. Следователно в съвременните навигационни системи оптималното решение е комбинация от сателитни и жироскопични системи, наречена интегрирана (интегрирана) INS/SNS система.

През последните десетилетия еволюционното развитие на жироскопската технология се приближи до прага на качествените промени. Ето защо вниманието на специалистите в областта на жироскопията сега е насочено към търсенето на нестандартни приложения на такива устройства. Откриха се напълно нови и интересни задачи: проучване на полезни изкопаеми, прогнозиране на земетресения, ултра прецизно измерване на позициите на железопътните коловози и нефтопроводи, медицинска технология и много други.

Един и същ жироскоп започна да се използва в контролните контролери за игри като Sixaxis за Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus за Nintendo Wii. И в двата контролера се използват два допълващи се пространствени сензора: акселерометър и жироскоп. За първи път играчният контролер, който може да определи позицията си в космоса, беше пуснат от Nintendo - Wii Remote за игралната конзола Wii, но той използва само триизмерен акселерометър. 3D акселерометърът не може да измерва точно параметрите на въртене по време на силно динамични движения. И затова в най-новите игрови контролери: Sixaxis и Wii MotionPlus, в допълнение към акселерометъра е използван допълнителен пространствен сензор - жироскоп.

4. Играчки на основата на жироскоп

Най-простите примери за играчки, базирани на жироскоп, са йо-йо, въртящ се връх (въртене) и модели на хеликоптери.
Върховете се различават от жироскопите по това, че нямат нито една неподвижна точка.
Освен това има симулатор за спортен жироскоп.