Какво е жироскоп в телефона и за какво служи? Какво е жироскоп? Жироскоп на телефона - какво е това? Жироскоп за скорост.

ЖИРОСКОП (от гръцки γ?ρος - кръг, кръг и σκοπ?ω - наблюдавам), устройство, което извършва бързи циклични (ротационни или осцилаторни) движения и поради това е чувствително към въртене в инерционното пространство. Терминът „жироскоп“ е предложен през 1852 г. от Дж. Б. Л. Фуко за изобретеното от него устройство, предназначено да демонстрира въртенето на Земята около нейната ос. Дълго време терминът "жироскоп" се използва за обозначаване на бързо въртящо се симетрично твърдо тяло. В съвременната техника жироскопът е основният елемент на всички видове жироскопични устройства или инструменти, широко използвани за автоматично управление на движението на самолети, кораби, торпеда, ракети, космически кораби, мобилни роботи, за навигационни цели (курс, завой, хоризонт , кардинални индикатори), за измерване на ъглова ориентация на движещи се обекти и в много други случаи (например при преминаване на шахти, изграждане на метро, ​​при пробиване на кладенци).

Класически жироскоп.Според законите на Нютоновата механика скоростта на въртене на оста на бързо въртящо се симетрично твърдо тяло в пространството е обратно пропорционална на собствената му ъглова скорост и следователно жироскопичната ос се върти толкова бавно, че в определен интервал от време може да се използва като индикатор за постоянна посока в пространството.

Най-простият жироскоп е връх, чието парадоксално поведение се крие в неговата устойчивост на промяна на посоката на оста на въртене. Под въздействието на външна сила оста на върха започва да се движи в посока, перпендикулярна на вектора на силата. Благодарение на това свойство въртящият се връх не пада, а оста му описва конус около вертикалата. Това движение се нарича прецесия на жироскопа. Ако двойка сили (P, P'), P' = -P, се приложи към оста на бързо въртящ се свободен жироскоп, с момент M = Ph, където h е рамото на двойката сили (фиг. 1), тогава (противно на очакванията) жироскопът ще започне да се върти допълнително не около оста x, перпендикулярна на равнината на двойката сили, а около оста y, лежаща в тази равнина и перпендикулярна на z- оста на въртене на жироскопа. Ако в даден момент от времето действието на двойка сили спре, тогава прецесията ще спре едновременно, т.е. прецесионното движение на жироскопа е безинерционно. За да може оста на жироскопа да се върти свободно в пространството, жироскопът обикновено се фиксира в пръстените на кардан (фиг. 2), който е система от твърди тела (рамки, пръстени), свързани последователно чрез цилиндрични панти. Обикновено, при липса на технологични грешки, осите на карданните рамки се пресичат в една точка - центъра на окачването. Симетрично тяло на въртене (ротор), фиксирано в такова окачване, има три степени на свобода и може да извършва всяко въртене около центъра на окачването. Жироскоп, чийто център на масата съвпада с центъра на окачването, се нарича балансиран, астатичен или свободен. Изучаването на законите на движение на класическия жироскоп е проблем на динамиката на твърдото тяло.

Основната количествена характеристика на ротора на механичен жироскоп е неговият вектор на собствения му кинетичен момент, наричан още ъглов импулс или ъглов импулс,

където I е инерционният момент на ротора на жироскопа спрямо оста на собственото му въртене, Ω е ъгловата скорост на собственото въртене на жироскопа спрямо оста на симетрия.

Бавното движение на вектора на собствения ъглов импулс на жироскопа под въздействието на моменти на външни сили, наречено прецесия на жироскопа, се описва с уравнението

ω x Η = M, (2)

където ω е векторът на ъгловата скорост на прецесията, H е векторът на собствения ъглов импулс на жироскопа, M е компонентът на вектора на въртящия момент на външните сили, приложени към жироскопа, ортогонален на H.

Моментът на силите, приложени от ротора към лагерите на оста на собственото въртене на ротора, което възниква при промяна на посоката на оста и се определя от уравнението

М g = -М = Η x ω, (3)

наречен жироскопичен момент.

В допълнение към бавните прецесионни движения, оста на жироскопа може да извършва бързи трептения с малка амплитуда и висока честота - така наречените нутации. За свободен жироскоп с динамично симетричен ротор в безинерционно окачване честотата на нутационните трептения се определя по формулата

където А е инерционният момент на ротора спрямо ос, ортогонална на оста на собственото му въртене и минаваща през центъра на масата на ротора. При наличието на сили на триене нутрационните вибрации обикновено затихват доста бързо.

Грешката на жироскопа се измерва със скоростта, с която оста му се отдалечава от първоначалното си положение. Съгласно уравнение (2), размерът на дрейфа, наричан още дрейф, е пропорционален на момента на сила M спрямо центъра на окачването на жироскопа:

ω ух = М/Н (4)


Загубата ω х обикновено се измерва в дъгови градуси за час. От формула (4) следва, че свободният жироскоп функционира идеално само ако външният момент M е равен на 0. В този случай ъгловата скорост на прецесия става нула и оста на собственото му въртене ще съвпада точно с постоянната посока в инерционно пространство.

На практика обаче всяко средство, използвано за окачване на ротора на жироскопа, причинява нежелани външни моменти с неизвестна величина и посока. Формула (4) определя начините за повишаване на точността на механичния жироскоп: необходимо е да се намали „вредният“ момент на силите M и да се увеличи кинетичният момент N. При избора на ъгловата скорост на жироскопа е необходимо да се вземе предвид отчитат едно от основните ограничения, свързани с границите на якост на материала на ротора поради центробежни сили, възникващи по време на силата на въртене Когато роторът се ускори над така наречената допустима ъглова скорост, започва процесът на неговото разрушаване.

Най-добрите съвременни жироскопи имат случаен дрейф от около 10 -4 -10 -5 °/h. Оста на жироскопа с грешка от 10 -5 °/h прави пълно завъртане на 360 ° за 4 хиляди години! Точността на балансиране на жироскопа с грешка от 10 -5 ° / h трябва да бъде по-висока от една десет хилядна от микрометъра (10 -10 m), т.е. изместването на центъра на масата на ротора от центъра на окачването трябва да не надвишава стойност от порядъка на диаметъра на водороден атом.

Жироскопичните устройства могат да бъдат разделени на силови и измервателни. Силовите устройства се използват за създаване на въртящи моменти, приложени към основата, върху която е монтирано жироскопичното устройство; измервателните са предназначени да определят параметрите на движението на основата (измерените параметри могат да бъдат ъглите на въртене на основата, проекциите на вектора на ъгловата скорост и др.).

За първи път балансиран жироскоп намира практическо приложение през 1898 г. в устройство за стабилизиране на хода на торпедо, изобретено от австрийския инженер Л. Обри. Подобни устройства в различни версии започват да се използват през 20-те години на миналия век на самолети за указване на посоката (жироскоп за посока, жирокомпаси), а по-късно и за контрол на движението на ракети. Фигура 3 показва пример за използване на жироскоп с три степени на свобода в авиационен индикатор за посока (жиро-полукомпас). Въртенето на ротора в сачмените лагери се създава и поддържа от поток от сгъстен въздух, насочен към набраздената повърхност на джантата. С помощта на скалата на азимута, прикрепена към външната рамка, можете, като зададете оста на собственото въртене на ротора, успоредна на равнината на основата на устройството, да въведете необходимата стойност на азимута. Триенето в лагерите е незначително, така че оста на въртене на ротора поддържа дадено положение в пространството. С помощта на стрелката, прикрепена към основата, можете да контролирате въртенето на самолета по азимутната скала.

Жироскопът или изкуственият хоризонт, който позволява на пилота да поддържа самолета си в хоризонтално положение, когато естественият хоризонт не се вижда, се основава на използването на жироскоп с вертикална ос на въртене, който поддържа посоката си, когато самолетът е наклонен. Автопилотите използват два жироскопа с хоризонтална и вертикална ос на въртене; първият служи за поддържане на курса на самолета и управлява вертикалните кормила, вторият служи за поддържане на хоризонталното положение на самолета и управлява хоризонталните кормила.

С помощта на жироскоп са създадени автономни инерциални навигационни системи (INS), предназначени да определят координатите, скоростта и ориентацията на движещ се обект (кораб, самолет, космически кораб и др.) Без използване на външна информация. В допълнение към жироскопа INS включва акселерометри, предназначени да измерват ускорението (претоварването) на обект, както и компютър, който интегрира изходните сигнали на акселерометрите във времето и предоставя навигационна информация, като взема предвид показанията на жироскопа. До началото на 21-ви век са създадени толкова точни ANN, че вече не са необходими допълнителни увеличения на точността за решаване на много проблеми.

Развитието на жироскопичните технологии през последните десетилетия се фокусира върху търсенето на нетрадиционни области на приложение на жироскопичните устройства - проучване на полезни изкопаеми, прогнозиране на земетресения, свръхпрецизно измерване на координатите на железопътни линии и нефтопроводи, медицинско оборудване и много други.

Некласически видове жироскопи.Високите изисквания към точността и експлоатационните характеристики на жироскопичните устройства доведоха не само до по-нататъшни подобрения на класическия жироскоп с въртящ се ротор, но и до търсене на принципно нови идеи за решаване на проблема за създаване на чувствителни сензори за показване и измерване на ъглови движение на обект в пространството. Това беше улеснено от успехите на квантовата електроника, ядрената физика и други области на точните науки.

Жироскоп с въздушна опора заменя сачмените лагери, използвани в традиционния кардан, с „газова възглавница“ (газодинамична опора). Това напълно елиминира износването на опорния материал по време на работа и направи възможно увеличаването на експлоатационния живот на устройството почти неограничено. Недостатъците на газовите опори включват доста големи загуби на енергия и възможността за внезапна повреда, ако роторът случайно влезе в контакт с опорната повърхност.

Поплавковият жироскоп е въртящ се жироскоп, при който за разтоварване на окачващите лагери всички движещи се елементи се претеглят в течност с висока плътност, така че теглото на ротора заедно с корпуса да се балансира от хидростатични сили. Благодарение на това сухото триене в осите на окачването се намалява с много порядъци и устойчивостта на удар и вибрации на устройството се увеличава. Запечатаният корпус, който действа като вътрешна рамка на карданния подвес, се нарича поплавък. Роторът на жироскопа вътре в поплавъка се върти на въздушна възглавница в аеродинамични лагери със скорост около 30-60 хиляди оборота в минута. За да се увеличи точността на устройството, е необходимо да се използва система за термична стабилизация. Поплавъчен жироскоп с високо вискозно флуидно триене се нарича още интегриращ жироскоп.

Динамично регулируемият жироскоп (DTG) принадлежи към класа жироскопи с еластично роторно окачване, при което свободата на ъглови движения на оста на собственото му въртене се осигурява благодарение на еластичното съответствие на структурните елементи (например торсионни пръти) . В DNG, за разлика от класическия жироскоп, се използва така нареченото вътрешно карданно окачване (фиг. 4), образувано от вътрешен пръстен 2, който е закрепен отвътре с торсионни пръти 4 към вала на електродвигателя 5, а отвън чрез торсиони 3 към ротора 1. Моментът на триене в окачването се проявява само в резултат на вътрешно триене в материала на еластичните торсиони. В DNG, поради избора на инерционните моменти на окачващите рамки и ъгловата скорост на въртене на ротора, еластичните моменти на окачването, приложени към ротора, се компенсират. Предимствата на DNG включват техния миниатюрен размер, липсата на лагери със специфични моменти на триене, присъстващи в класическо окачване на кардан, висока стабилност на показанията и сравнително ниска цена.

Ориз. 4. Динамично регулируем жироскоп с вътрешно карданно окачване: 1 - ротор; 2 - вътрешен пръстен; 3 и 4 - торсионни пръти; 5 - електродвигател.

Пръстеновият лазерен жироскоп (RLG), наричан още квантов жироскоп, е създаден на базата на лазер с пръстеновиден резонатор, в който противоположно разпространяващите се електромагнитни вълни едновременно се разпространяват по затворена оптична верига. Предимствата на KLG включват липсата на въртящ се ротор, лагери, изложени на сили на триене, и висока точност.

Фиброоптичният жироскоп (FOG) е фиброоптичен интерферометър, в който се разпространяват противоположни електромагнитни вълни. FOG е аналогов преобразувател на ъгловата скорост на въртене на основата, върху която е монтиран, в изходен електрически сигнал.

Вълновият жироскоп в твърдо състояние (SWG) се основава на използването на инертните свойства на еластичните вълни в твърдо тяло. Еластична вълна може да се разпространява в непрекъсната среда, без да променя конфигурацията си. Ако в осесиметричен резонатор се възбудят стоящи вълни от еластични вибрации, тогава въртенето на основата, върху която е монтиран резонаторът, кара стоящата вълна да се завърти под по-малък, но известен ъгъл. Съответното движение на вълната като цяло се нарича прецесия. Скоростта на прецесия на стояща вълна е пропорционална на проекцията на ъгловата скорост на въртене на основата върху оста на симетрия на резонатора. Предимствата на VTG включват: високо съотношение точност/цена; способност да издържа на големи претоварвания, компактност и ниско тегло, ниска енергийна интензивност, кратко време за готовност, слаба зависимост от температурата на околната среда.

Вибрационният жироскоп (VG) се основава на свойството на камертона да поддържа равнината на вибрация на краката си. В крака на осцилиращ камертон, монтиран върху платформа, въртяща се около оста на симетрия на камертона, възниква периодичен момент на сила, чиято честота е равна на честотата на вибрациите на краката, а амплитудата е пропорционална към ъгловата скорост на въртене на платформата. Следователно, чрез измерване на амплитудата на ъгъла на усукване на крака на камертона, може да се прецени ъгловата скорост на платформата. Недостатъците на VG включват нестабилност на показанията поради трудностите при високоточно измерване на амплитудата на трептенията на краката, както и факта, че те не работят в условия на вибрации, които почти винаги придружават местата за инсталиране на устройствата върху движещи се обекти. Идеята за жироскоп с камертон стимулира цяла линия от търсения на нови видове жироскопи, използващи пиезоелектричния ефект или вибрациите на течности или газове в специално извити тръби и други подобни.

Микромеханичният жироскоп (MMG) се отнася до жироскопи с ниска точност (под 10 -1 °/h). Тази област традиционно се счита за необещаваща за проблемите на управлението на движещи се обекти и навигацията. Но в края на 20-ти век развитието на MMG се превърна в една от най-интензивно развитите области на жироскопичните технологии, тясно свързани със съвременните силициеви технологии. MMG е вид електронен чип с кварцов субстрат с площ от няколко квадратни милиметра, върху който с помощта на фотолитография се прилага плосък вибратор като камертон. Точността на съвременните ММГ е ниска и достига 10 1 -10 2 °/h, но изключително ниската цена на микромеханичните чувствителни елементи е от решаващо значение. Благодарение на използването на добре развити съвременни технологии за масово производство на микроелектроника, се отваря възможността за използване на MMG в напълно нови области: автомобили и бинокли, телескопи и видеокамери, мишки и джойстици за персонални компютри, мобилни роботизирани устройства и дори детски играчки.

Безконтактният жироскоп се отнася до свръхпрецизни жироскопични устройства (10 -6 -5·10 -4 °/h). Разработването на жироскоп с безконтактни кардани започва в средата на 20 век. В безконтактните карданни подвеси се реализира състояние на левитация, т.е. състояние, при което роторът на жироскопа „плува“ в силовото поле на карданния подвес без механичен контакт с околните тела. Сред безконтактните жироскопи се отличават жироскопи с електростатично, магнитно и криогенно роторно окачване. В електростатичен жироскоп проводящ берилиев сферичен ротор е окачен в евакуирана кухина в контролирано електрическо поле, създадено от система от електроди. В криогенен жироскоп свръхпроводящ ниобиев сферичен ротор е окачен в магнитно поле; Работният обем на жироскопа се охлажда до ултраниски температури, така че роторът преминава в свръхпроводящо състояние. Жироскоп с магнитно резонансно окачване на ротора е аналог на жироскоп с електростатично окачване на ротора, в който електрическото поле е заменено с магнитно поле, а берилиевият ротор е заменен с феритен. Съвременните жироскопи с безконтактно окачване са изключително сложни устройства, които включват най-новите технологични постижения.

В допълнение към видовете жироскопи, изброени по-горе, се работи и се извършва върху екзотични видове жироскопи, като йонен жироскоп, ядрен жироскоп и др.

Математически проблеми в теорията на жироскопа.Математическите основи на теорията на жироскопа са положени от Л. Ойлер през 1765 г. в неговия труд “Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum”. Движението на класическия жироскоп се описва от система от диференциални уравнения от 6-ти ред, чието решение се превърна в една от най-известните математически задачи. Тази задача принадлежи към раздела на теорията на въртеливото движение на твърдо тяло и е обобщение на проблеми, които могат да бъдат напълно решени с прости средства на класическия анализ. Толкова е трудно обаче, че все още е далеч от завършване, въпреки резултатите, получени от най-големите математици от 18-20 век. Съвременните жироскопични устройства изискват решаването на нови математически задачи. Движението на безконтактните жироскопи се подчинява на законите на механиката с висока точност, следователно, чрез решаване на уравненията на движение на жироскоп с помощта на компютър, може точно да се предвиди позицията на оста на жироскопа в пространството. Благодарение на това разработчиците на безконтактни жироскопи не трябва да балансират ротора с точност от 10 -10 m, което е невъзможно да се постигне при сегашното ниво на технологиите. Достатъчно е точно да се измерят производствените грешки на ротора на даден жироскоп и да се въведат съответните корекции в програмите за обработка на сигнала на жироскопа. Получените уравнения на движението на жироскопа, като се вземат предвид тези корекции, се оказват много сложни и за решаването им е необходимо да се използват много мощни компютри, използващи алгоритми, базирани на най-новите постижения на математиката. Разработването на програми за изчисляване на движението на жироскоп с безконтактни кардани може значително да повиши точността на жироскопа и следователно точността на определяне на местоположението на обекта, на който са инсталирани тези жироскопи.

Лит.: Магнус К. Жироскоп. Теория и приложение. М., 1974; Ишлинский А. Ю. Ориентация, жироскопи и инерционна навигация. М., 1976; Климов Д. М., Харламов С. А. Динамика на жироскоп в карданно окачване. М., 1978; Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теория на жироскопите. М., 1983; Новиков Л.З., Шаталов М.Ю. Механика на динамично настроените жироскопи. М., 1985; Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Вълнов твърдотелен жироскоп. М., 1985; Мартиненко Ю. Движение на твърдо тяло в електрически и магнитни полета. М., 1988.

Жироскоп, изобретен от Фуко (построен от Dumolin-Froment, 1852)

Преди изобретяването на жироскопа човечеството използва различни методи за определяне на посоката в космоса. От древни времена хората са се ръководили визуално от отдалечени обекти, по-специално от Слънцето. Още в древни времена се появяват първите инструменти: отвес и ниво, базирано на гравитацията. През Средновековието в Китай е изобретен компас, използващ магнетизма на Земята. В Европа астролабията и други инструменти са създадени въз основа на положението на звездите.

Предимството на жироскопа пред по-старите устройства е, че той работи правилно в трудни условия (лоша видимост, треперене, електромагнитни смущения). Въртенето на жироскопа обаче бързо се забави поради триенето.

През втората половина на 19 век е предложено да се използва електрически мотор за ускоряване и поддържане на въртенето на жироскопа. Жироскопът е използван за първи път на практика през 1880 г. от инженер Обри за стабилизиране на курса на торпедо. През 20 век жироскопите започват да се използват в самолети, ракети и подводници вместо или заедно с компас.

Класификация

Основни видове жироскопи по брой степени на свобода:

  • двустепенен,
  • тристепенна.

Съществуват два основни типа жироскопи според принципа на действие:

  • механични жироскопи,
  • оптични жироскопи.

Механични жироскопи

Сред механичните жироскопи той се откроява ротационен жироскоп- бързо въртящо се твърдо тяло (ротор), чиято ос на въртене може свободно да променя ориентацията си в пространството. В този случай скоростта на въртене на жироскопа значително надвишава скоростта на въртене на неговата ос на въртене. Основното свойство на такъв жироскоп е способността да поддържа постоянна посока на оста на въртене в пространството при отсъствие на влиянието на моменти на външни сили върху него и ефективно да се противопоставя на действието на външни моменти на сили. Това свойство до голяма степен се определя от ъгловата скорост на собственото въртене на жироскопа.

За първи път това свойство е използвано от Фуко през . Благодарение на тази демонстрация жироскопът получи името си от гръцките думи „въртене“, „наблюдение“.

Свойства на тристепенен роторен жироскоп

Прецесия на механичен жироскоп.

това е обратно пропорционално на скоростта на въртене на жироскопа.

Вибрационни жироскопи

Вибрационните жироскопи са устройства, които поддържат равнината на своите вибрации, когато основата се върти. Този тип жироскоп е много по-прост и по-евтин със сравнима точност в сравнение с ротационния жироскоп. В чуждестранната литература се използва и терминът „вибрационни жироскопи на Кориолис“ - тъй като принципът на тяхната работа се основава на ефекта на силата на Кориолис, подобно на ротационните жироскопи.
Например, вибрационни жироскопи се използват в системата за измерване на наклона на електрическия скутер Segway. Системата се състои от пет вибрационни жироскопа, чиито данни се обработват от два микропроцесора.
Именно този тип жироскопи се използват в мобилни устройства, по-специално в iPhone 4 и други.

Принцип на действие

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

Когато жироскопът се завърти, възниква ускорение на Кориолис, равно на , където е скоростта, а е ъгловата честота на въртене на жироскопа. Хоризонталната скорост на осцилиращата тежест се получава като: , а позицията на тежестта в равнината е . Движението извън равнината, причинено от въртенето на жироскопа, е равно на:

където: е масата на осцилиращата тежест. - коефициент на твърдост на пружината в посока, перпендикулярна на равнината. - количеството на въртене в равнината, перпендикулярна на движението на осцилиращата тежест.
Разновидности

Жироскоп на МАКС-2009

Оптични жироскопи

Делят се на фиброоптични и лазерни жироскопи. Принципът на действие се основава на ефекта на Саняк, открит през 1913 г. Теоретично се обяснява с помощта на SRT. Според STR скоростта на светлината е постоянна във всяка инерционна отправна система. Докато в неинерциална система може да се различава от c. При изпращане на лъч светлина в посоката на въртене на устройството и срещу посоката на въртене, разликата във времето на пристигане на лъчите (определена от интерферометъра) позволява да се намери разликата в оптичните пътища на лъчите. в инерционната референтна система и, следователно, количеството на ъглово въртене на устройството по време на преминаването на лъча. Големината на ефекта е право пропорционална на ъгловата скорост на въртене на интерферометъра и площта, покрита от разпространението на светлинни вълни в интерферометъра:

където е разликата във времената на пристигане на лъчите, пуснати в различни посоки, е площта на контура и е ъгловата скорост на въртене на жироскопа. Тъй като стойността е много малка, директното му измерване с помощта на пасивни интерферометри е възможно само във фиброоптични жироскопи с дължина на влакното 500-1000 m. Във въртящ се пръстен интерферометър на лазерен жироскоп може да се измери фазовото изместване на насрещно разпространяващите се вълни. равна на:

къде е дължината на вълната.

Приложение на жироскопите в техниката

Диаграма на прост механичен жироскоп в кардан

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

Най-често използваните са жироскопите, поставени в кардани. Такива жироскопи имат 3 степени на свобода, тоест могат да направят 3 независими завъртания около осите си АА", BB"И CC", пресичащи се в центъра на окачването ОТНОСНО, което остава спрямо основата Анеподвижен.

Стабилизационни системи

Системите за стабилизиране се предлагат в три основни типа.

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

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около всяка ос. Стабилизацията се извършва от жироскоп и разтоварващ двигател;

  • Индикаторна система за стабилизиране на мощността (на двустепенни жироскопи).

Необходим е един жироскоп за стабилизиране около всяка ос. Стабилизирането се извършва само чрез разтоварване на двигатели, но в началото се появява малък жироскопичен момент, който може да бъде пренебрегнат.

  • Система за стабилизиране на индикатора (на тристепенни жироскопи)

За стабилизиране около две оси е необходим един жироскоп. Стабилизирането се извършва само чрез разтоварване на двигатели.

Нови видове жироскопи

Постоянно нарастващите изисквания към точността и работните 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 решават проблема със създаването на чувствителни сензори за измерване и показване на параметрите на ъгловото движение на обект.

В момента е известно повече от сторазлични явления и физични принципи, които позволяват решаването на жироскопични проблеми. В Русия и САЩ са издадени хиляди патенти и сертификати за авторски права за съответните открития и изобретения.

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

Посоката на развитие на квантовите жироскопи е обещаваща.

Перспективи за развитие на жироскопично оборудване

Днес са създадени доста точни жироскопични системи, които удовлетворяват широк кръг потребители. Намаляването на средствата, заделяни за военно-промишления комплекс в бюджетите на водещите страни в света, рязко увеличи интереса към гражданските приложения на жироскопичните технологии. Например, днес използването на микромеханични жироскопи в системи за стабилизиране на автомобили или видеокамери е широко разпространено.

Според привържениците на навигационни методи като GPS и GLONASS, изключителният напредък в областта на високопрецизната сателитна навигация е направил ненужни автономните навигационни средства (в зоната на покритие на сателитната навигационна система (SNS), т.е. в рамките на планетата). В момента SNS системите превъзхождат жироскопичните по отношение на тегло, размери и цена.

В момента се разработва трето поколение навигационна сателитна система. Той ще ви позволи да определите координатите на обекти на земната повърхност с точност до няколко сантиметра в диференциален режим, когато се намирате в зоната на покритие на DGPS коригиращия сигнал. В този случай се предполага, че няма нужда да се използват насочени жироскопи. Например, инсталирането на два приемника на сателитен сигнал на крилата на самолет ви позволява да получите информация за въртенето на самолета около вертикална ос.

SNS системите обаче не са в състояние да определят точно позицията в градска среда с лоша сателитна видимост. Подобни проблеми се срещат в гористи местности. Освен това преминаването на SNS сигналите зависи от процесите в атмосферата, препятствията и отраженията на сигнала. Автономните жироскопични устройства работят навсякъде – под земята, под водата, в космоса.

В самолетите SNS се оказва по-точен от INS дългообласти. Но използването на два SNS приемника за измерване на ъглите на наклона на самолета дава грешки до няколко градуса. Изчисляването на курса чрез определяне на скоростта на самолета с помощта на SNS също не е достатъчно точно. Ето защо в съвременните навигационни системи оптималното решение е комбинация от сателитни и жироскопични системи, наречена интегрирана (комплексна) INS/SNS система.

През последните десетилетия еволюционното развитие на жироскопичната технология се приближи до прага на качествени промени. Ето защо вниманието на специалистите в областта на жироскопията сега е насочено към намирането на нестандартни приложения за подобни устройства. Откриха се напълно нови интересни задачи: геоложко проучване, прогнозиране на земетресения, свръхпрецизно измерване на позициите на железопътни линии и нефтопроводи, медицинско оборудване и много други.

Използване на жироскоп в смартфони и игрови конзоли

IPhone 4 с жироскоп вътре

Значителното намаляване на разходите за производство на MEMS жироскопи доведе до използването им в смартфони и игрови конзоли.

Също жироскопзапочна да се използва в контролери за контролни игри, като например: Sixaxis за Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus за Nintendo Wii. И двата контролера използват два допълващи се пространствени сензора: акселерометър и жироскоп. За първи път игрален контролер, който може да определи позицията си в космоса, беше пуснат от Nintendo - Wii Remote за игровата конзола Wii, но използва само триизмерен акселерометър. 3D акселерометърът не е в състояние да измерва точно параметрите на въртене по време на силно динамични движения. Ето защо в най-новите контролери за игри: Sixaxis и Wii MotionPlus, в допълнение към акселерометъра, беше използван допълнителен пространствен сензор - жироскоп.

Играчки с жироскоп

Най-простите примери за играчки, направени на базата на жироскоп, са йо-йо, топ (въртящ се връх) и модели на хеликоптери.
Топовете се различават от жироскопите по това, че нямат нито една фиксирана точка.
Освен това има спортен жироскопичен симулатор.

Вижте също

Бележки

  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“ („Описание на машина за обяснение на законите на въртенето на Земята около нейната ос и промяната в посоката на последното“) Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, кн. 3, стр. 72-83. В Интернет: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
  2. Симеон-Дени Поасон (1813) „Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans“ („Статия за специалния случай на ротационно движение на масивни тела“), Journal de l'École Polytechnique, кн. 9, стр. 247-262. В Интернет: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
  3. Снимка на жироскопа на Bonenberger: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
  4. Уолтър Р. Джонсън (януари 1832 г.) „Описание на апарат, наречен ротаскоп за показване на няколко явления и илюстриране на определени закони на въртеливото движение,“ Американското списание за наука и изкуство, 1-ва серия, кн. 21, бр. 2, стр. 265-280. В интернет: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
  5. Илюстрации на жироскопа на Уолтър Р. Джонсън („ротаскоп“) се появяват в: Board of Regents, Десети годишен доклад на Съвета на регентите на института Смитсониън...(Вашингтон, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), страници 177-178. В интернет: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
  6. Вагнер JF, "Машината на Боненбергер", Институтът по навигация. В интернет: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
  7. L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un ax fixe à la surface de la terre," Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Париж), кн. 35, страници 424-427. В Интернет: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Превъртете надолу до „Sur les phénomènes d’orientation...“
  8. (1) Юлиус Плюкер (септември 1853 г.) „Über die Fessel'sche rotationsmachine,“ Annalen der Physik, кн. 166, бр. 9, стр. 174-177; (2) Julius Plücker (октомври 1853 г.) „Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine,“ Annalen der Physik, кн. 166, бр. 10, стр. 348-351; (3) Чарлз Уитстоун (1864) „За жироскопа на Фесел“, Сборници на Кралското дружество в Лондон, кн. 7, стр. 43-48. В интернета: .

Най-новите смартфони са оборудвани с множество сензори. Един от най-полезните модули е жироскопът. Защо такова устройство се въвежда в системите за мобилни телефони? Жироскоп в смартфон - какво е това? Какви функции са му възложени? Всичко това ще бъде обсъдено в нашата публикация.

Кратка екскурзия в историята

Жироскопът е изобретение на френския учен Леон Фуко. Прототипът, според принципа на работа на който работят съвременните устройства, е използван от физика за наблюдение на характеристиките на дневното въртене на планетата.

Иновативните жироскопи се използват не само за проследяване на специфичните вибрации на различни тела. В наши дни основната цел на устройството е да определя ъглите на отклонение на обектите спрямо равнините. Защо се нуждаете от жироскоп в смартфон? Комбинирането на такъв модул с акселерометър отваря възможността за проследяване на движенията на телефона в триизмерното пространство.

За първи път Apple представи устройство за клетъчна комуникация с такъв модул на борда. Това се случи по време на представянето на модела смартфон iPhone 4. Впоследствие различни разработчици на телефони започнаха да имитират иновативното решение.

Жироскоп в смартфон - какво е това?

Жироскопът в мобилния телефон няма нищо общо с традиционното механично устройство. Тук модулът е микроскопична електронна платка, която може да изчислява ъглови скорости, предавайки съответната информация под формата на електрически сигнали. Обикновено размерите на такъв чип са само няколко милиметра. Ако отговорим общо на въпроса: „Жироскоп в смартфон - какво е това?“, Тогава на невеж човек може да изглежда, че тази функция не носи особена полза за собственика - използването на устройството е насочено само при определяне на отклонението на мобилната джаджа от собствената си ос. Но дали е така?

Разликата между жироскоп и акселерометър

Жироскоп в смартфон - какво е това? Такъв модул е ​​в състояние да предава данни на едно или друго приложение за ъгъла на наклон на мобилната джаджа спрямо земната повърхност. Подобна функция е възложена и на акселерометъра. Тези устройства обаче имат различни принципи на работа. В крайна сметка функционирането на акселерометъра се основава на изчисляване на собственото му ускорение в пространството. На практика отбелязаните възможности на двете системи се оказват взаимозаменяеми. Поради тази причина съвременните смартфони са оборудвани както с жироскоп, така и с акселерометър.

Функции на жироскопа

Защо се нуждаете от жироскоп в смартфон? Използването на сензор разкрива следните възможности. На първо място, благодарение на простото разклащане на мобилния телефон, потребителят може бързо да отговори на входящо повикване. Жироскопът ви позволява да преглеждате изображения, да превключвате аудио записи в плейъра и улеснява прелистването на страници, докато разглеждате текстови документи.

Защо иначе ще има жироскоп в смартфон? Модулът става изключително удобен при използване на калкулатор. Чрез накланяне на притурката в една или друга посока можете да изберете функциите за умножение, деление, изваждане и събиране на стойности.

Разработчиците на мобилни устройства също намериха приложение за жироскопа при работа с различни приложения и софтуер. Разклащането на някои устройства автоматично актуализира Bluetooth. Наличието на модул става много удобно, когато е необходимо да се измерват нива и ъгли на наклон.

Жироскопът е незаменим при работа с електронни карти. Модулът дава възможност за определяне на точната позиция на потребителя върху определена площ. Когато стартирате навигатора, картата ще промени позицията си след реда на човека. Ако потребителят се обърне с лице към определен обект, това веднага ще се покаже на визуалната диаграма. Тази функция ще бъде изключително полезна за хора, които се интересуват от дейности на открито, по-специално пътуване и ориентиране.

Феновете на мобилните игри не могат без жироскоп. Функционалният модул спомага за създаването на по-реалистична картина и улеснява управлението. Благодарение на жироскопа, всички видове симулатори, стрелци и 3D приключенски игри стават особено правдоподобни. За да изглежда шофирането на виртуална кола или летенето със самолет по-реално, е достатъчно просто да смените позицията на смартфона в една от равнините.

Ако потребителят на мобилен телефон планира да използва слушалки за виртуална реалност в бъдеще, тогава наличието на хороскоп е задължително условие. Без сензор ще бъде невъзможно системата на смартфона да проследява завъртанията на главата и човешките движения в пространството.

недостатъци

Но наличието на жироскоп в смартфон може да се окаже недостатък, дотолкова, че някои потребители се опитват незабавно да деактивират функционалния модул. Говорим за реакцията на някои приложения към промените в позицията на мобилния телефон в пространството със значително забавяне.

Сравнителен недостатък на наличието на жироскоп в смартфон е неудобството, което може да възникне при четене на електронна книга. Ако потребителят произволно промени позата си, сензорът веднага ще промени ориентацията на страницата в съответната равнина. Моменти като тези обикновено предизвикват раздразнение.

Как да определите дали смартфонът има жироскоп

Има няколко начина да разберете за наличието на функционален модул в системата на мобилното устройство. Най-простият и най-достъпен вариант е да прочетете описанието на модела смартфон на официалния уебсайт на производителя или да прегледате техническата документация, приложена към притурката.

Има и други решения. Например, можете да прибягвате до инсталиране на специални приложения на телефона си. Един от тях е AnTuTu Benchmark. След като инсталирате и стартирате приложението, просто отидете в раздела „Информация“. След няколко минути на екрана ще се покажат всички спецификации на смартфона.

Като алтернатива на горната опция можете да използвате помощната програма Sensor Sense. Приложението записва данни, които идват от всички сензори, вградени в мобилното устройство. Ако в списъка с модули за „насочване“ няма жироскоп, това ще означава липсата му.

навигационно устройство, чийто основен елемент е бързо въртящ се ротор, фиксиран така, че да може да се върти оста му на въртене. Три степени на свобода (оси на възможно въртене) на ротора на жироскопа се осигуряват от две карданни рамки. Ако такова устройство не се влияе от външни смущения, тогава оста на собственото въртене на ротора поддържа постоянна посока в пространството. Ако върху него действа момент на външна сила, стремящ се да завърти оста на собственото си въртене, тогава той започва да се върти не около посоката на момента, а около ос, перпендикулярна на него (прецесия).

В добре балансиран (астатичен) и сравнително бързо въртящ се жироскоп, монтиран на силно напреднали лагери с незначително триене, моментът на външни сили практически отсъства, така че жироскопът за дълго време запазва почти непроменена ориентацията си в пространството. Следователно той може да посочи ъгъла на въртене на основата, върху която е закрепен. Точно така френският физик Ж. Фуко (1819–1868) за първи път ясно демонстрира въртенето на Земята. Ако въртенето на оста на жироскопа е ограничено от пружина, тогава ако е монтирана по подходящ начин, да речем, на самолет, изпълняващ завой, жироскопът ще деформира пружината, докато моментът на външната сила не бъде балансиран. В този случай силата на натиск или опън на пружината е пропорционална на ъгловата скорост на самолета. Това е принципът на действие на мигач на самолет и много други жироскопични устройства. Тъй като има много малко триене в лагерите, не е необходима много енергия, за да се поддържа въртенето на ротора на жироскопа. За да се завърти и поддържа въртене, обикновено е достатъчен електродвигател с ниска мощност или струя сгъстен въздух.

Ригли У., Холистър У., Денхард У. Теория, дизайн и тестване на жироскопи. М., 1972
Бабаева Н.Ф. Жироскопи. Л., 1973
Поплавски М.А. Теория на жироскопа. Киев, 1986

Намерете „ЖИРОСКОП“ на

Един ден гледах разговор между двама приятели или по-скоро приятелки:

A: О, знаете ли, имам нов смартфон, дори има вграден жироскоп

Б: А, да, аз също го изтеглих за себе си и инсталирах жироскопа за един месец

A: Хм, сигурен ли си, че е жироскоп?

Б: Да, жироскоп за всички зодии.

За да намалим броя на такива диалози в света, предлагаме да разберем какво е жироскоп и как работи.

Жироскоп: история, определение

Жироскопът е устройство, което има свободна ос на въртене и е в състояние да реагира на промените в ъглите на ориентация на тялото, върху което е инсталирано. При въртене жироскопът запазва позицията си непроменена.

Самата дума идва от гръцки gyreuо– завъртете и скопео- гледайте, наблюдавайте. За първи път е въведен терминът жироскоп Жан Фукопрез 1852 г., но устройството е изобретено по-рано. Това е направено от немски астроном Йохан Боненбергерпрез 1817 г.

Те са твърди тела, въртящи се с висока честота. Оста на въртене на жироскопа може да променя посоката си в пространството. Въртящите се артилерийски снаряди, витлата на самолетите и роторите на турбините имат свойства на жироскоп.

Най-простият пример за жироскоп е Горна частили добре познатата детска играчка въртящ се връх. Въртящо се около определена ос тяло, което запазва своето положение в пространството, ако върху жироскопа не действат външни сили и моменти от тези сили. В същото време жироскопът е стабилен и е в състояние да издържи на влиянието на външни сили, което до голяма степен се определя от скоростта му на въртене.

Например, ако бързо завъртим въртящия се връх и след това го бутнем, той няма да падне, а ще продължи да се върти. И когато скоростта на върха спадне до определена стойност, ще започне прецесия - явление, когато оста на въртене описва конус, а ъгловият момент на върха променя посоката си в пространството.


Видове жироскопи

Има много видове жироскопи: двеИ тристепенна(разделяне чрез степени на свобода или възможни оси на въртене), механичен, лазерИ оптиченжироскопи (разделяне на базата на принцип на работа).

Нека да разгледаме най-често срещания пример - механичен ротационен жироскоп. По същество това е горна част, въртяща се около вертикална ос, която се върти около хоризонтална ос и на свой ред е фиксирана в друга рамка, която се върти около трета ос. Както и да обърнем горната част, тя винаги ще бъде във вертикално положение.

Приложение на жироскопи

Поради свойствата си, жироскопите са широко използвани. Използват се в системи за стабилизиране на космически кораби, в навигационни системи за кораби и самолети, в мобилни устройства и игрови конзоли, а също и като симулатори.

Чудя се как такова устройство може да се побере в модерен мобилен телефон и защо е необходимо там? Факт е, че жироскопът помага да се определи позицията на устройството в пространството и да се установи ъгълът на отклонение. Разбира се, телефонът няма директно въртяща се горна част; жироскопът е микроелектромеханична система (MEMS), съдържаща микроелектронни и микромеханични компоненти.

Как става това на практика? Нека си представим, че играете любимата си игра. Например състезания. За да завъртите волана на виртуална кола, не е нужно да натискате никакви бутони, просто трябва да промените позицията на притурката си в ръцете си.


Както можете да видите, жироскопите са невероятни устройства с полезни свойства. Ако трябва да решите проблема с изчисляването на движението на жироскоп в поле на външни сили, свържете се със специалисти от студентската служба, които ще ви помогнат да се справите с него бързо и ефективно!



 

Може да е полезно да прочетете: