Гироскоп (от древнегреческого γῦρος gŷros , «круглый» и σκοπέω skopéō , « смотреть») — устройство, используемое для измерения или поддержания ориентации и угловой скорости . [1] [2] Это прялка или диск, в котором ось вращения (ось вращения) может сама по себе принимать любую ориентацию. При вращении ориентация этой оси не зависит от наклона или поворота крепления в соответствии с законом сохранения углового момента .
Также существуют гироскопы, основанные на других принципах работы, такие как гироскопы MEMS в микрочипах, используемые в электронных устройствах (иногда называемые гирометрами ), твердотельные кольцевые лазеры , оптоволоконные гироскопы и чрезвычайно чувствительные квантовые гироскопы . [3]
Приложения гироскопов включают инерциальные навигационные системы , такие как космический телескоп Хаббл или внутри стального корпуса затопленной подводной лодки. Благодаря своей точности гироскопы также используются в гиротеодолитах для поддержания направления при разработке туннелей. [4] Гироскопы могут использоваться для создания гирокомпасов , которые дополняют или заменяют магнитные компасы (на кораблях, самолетах и космических кораблях, транспортных средствах в целом), для обеспечения устойчивости (велосипеды, мотоциклы и корабли) или используются как часть инерциальных компасов . система наведения .
МЭМС-гироскопы популярны в некоторой бытовой электронике, например в смартфонах.
Гироскоп — это инструмент, состоящий из колеса, установленного на двух или трех подвесах , обеспечивающих поворотные опоры, позволяющие колесу вращаться вокруг одной оси. Набор из трех подвесов, один из которых установлен на другом с ортогональными осями поворота, может использоваться для того, чтобы позволить колесу, установленному на самом внутреннем подвесе, иметь ориентацию, остающуюся независимой от ориентации в пространстве его опоры.
В случае гироскопа с двумя подвесами внешний подвес, представляющий собой раму гироскопа, устанавливается так, чтобы поворачиваться вокруг оси в собственной плоскости, определяемой опорой. Этот внешний подвес обладает одной степенью свободы вращения, а его ось — ни одной. Второй подвес, внутренний, установлен в раме гироскопа (внешний подвес) так, чтобы вращаться вокруг оси в своей плоскости, которая всегда перпендикулярна оси поворота рамы гироскопа (внешний подвес). Этот внутренний подвес имеет две степени свободы вращения.
Ось вращающегося колеса (ротора) определяет ось вращения. Ротор вынужден вращаться вокруг оси, которая всегда перпендикулярна оси внутреннего подвеса. Таким образом, ротор обладает тремя степенями свободы вращения, а его ось — двумя. Ротор реагирует на силу, приложенную к входной оси, силой реакции на выходную ось.
Поведение гироскопа легче всего оценить, рассмотрев переднее колесо велосипеда. Если колесо отклонить от вертикали так, что верхняя часть колеса сдвинется влево, передний обод колеса также повернется влево. Другими словами, вращение вращающегося колеса по одной оси приводит к вращению третьей оси.
Маховик гироскопа будет вращаться или сопротивляться вокруг выходной оси в зависимости от того, имеют ли выходные подвесы свободную или фиксированную конфигурацию. Примером некоторых устройств со свободным выходом являются гироскопы управления ориентацией , используемые для измерения или измерения углов наклона, крена и рыскания космического корабля или самолета.
Центр тяжести ротора может находиться в фиксированном положении. Ротор одновременно вращается вокруг одной оси и способен колебаться вокруг двух других осей, а также может свободно вращаться в любом направлении вокруг фиксированной точки (за исключением собственного сопротивления, вызванного вращением ротора). В некоторых гироскопах один или несколько элементов заменены механическими эквивалентами. Например, вращающийся ротор может быть подвешен в жидкости, а не установлен на подвесах. Гироскоп управляющего момента (CMG) является примером устройства с фиксированным выходом, которое используется на космическом корабле для удержания или поддержания желаемого угла ориентации или направления наведения с использованием силы гироскопического сопротивления.
В некоторых особых случаях внешний подвес (или его эквивалент) может отсутствовать, так что ротор будет иметь только две степени свободы. В других случаях центр тяжести ротора может быть смещен относительно оси колебаний, и, таким образом, центр тяжести ротора и центр подвески ротора могут не совпадать.
По сути, гироскоп — это волчок , объединенный с парой подвесов . Топы были изобретены во многих разных цивилизациях, включая классическую Грецию, Рим и Китай. [5] Большинство из них не использовались в качестве инструментов.
Первый известный аппарат, похожий на гироскоп («Вращающееся зеркало» или «Зеркало Серсона»), был изобретен Джоном Серсоном в 1743 году. Он использовался в качестве уровня для определения местоположения горизонта в туманных или туманных условиях.
Первый инструмент, больше похожий на настоящий гироскоп, был изготовлен Иоганном Боненбергером из Германии, который впервые написал о нем в 1817 году. Сначала он назвал его «Машиной». [6] [7] [8] Машина Боненбергера была основана на вращающейся массивной сфере. [9] В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон разработал аналогичное устройство, основанное на вращающемся диске. [10] [11] Французский математик Пьер-Симон Лаплас , работавший в Политехнической школе в Париже, рекомендовал машину для использования в качестве учебного пособия, и таким образом она привлекла внимание Леона Фуко . [12]
В 1852 году Фуко использовал его в эксперименте, демонстрирующем вращение Земли. [13] [14]
Именно Фуко дал устройству его современное название в эксперименте по наблюдению (греч. skopeein , видеть) вращения Земли (греч. gyros , круг или вращение), [15] [16] которое было видно в течение 8-10 минут. до того, как трение замедлило вращающийся ротор.
В 1860-х годах появление электродвигателей позволило гироскопу вращаться бесконечно; это привело к созданию первого прототипа указателей курса и довольно более сложного устройства — гирокомпаса . Первый функциональный гирокомпас был запатентован в 1904 году немецким изобретателем Германом Аншюц-Кемпфе . [17] Позднее в том же году американец Элмер Сперри разработал свою собственную разработку, и вскоре другие страны осознали военную важность изобретения – в эпоху, когда военно-морское мастерство было наиболее важным показателем военной мощи – и создали свои собственные отрасли производства гироскопов. Компания Sperry Gyrscope быстро расширилась и начала производить стабилизаторы для самолетов и военно-морских сил, и ее примеру последовали и другие разработчики гироскопов. [18] [ нужна полная цитата ]
В 1917 году компания Chandler из Индианаполиса создала «гироскоп Чендлера», игрушечный гироскоп с тросом и подставкой. Чендлер продолжал производить игрушку до тех пор, пока компания не была куплена TEDCO Inc. в 1982 году. Игрушка Чендлер до сих пор производится TEDCO. [19]
В первые несколько десятилетий 20-го века другие изобретатели пытались (безуспешно) использовать гироскопы в качестве основы для первых навигационных систем «черного ящика» , создавая стабильную платформу, с которой можно было бы выполнять точные измерения ускорения (чтобы обойти необходимость в звездных измерениях). наблюдения для расчета положения). Позднее аналогичные принципы были использованы при разработке инерциальных навигационных систем баллистических ракет . [20] [ нужна полная цитата ]
Во время Второй мировой войны гироскоп стал основным компонентом авиационных и зенитных прицелов. [21] После войны гонка по миниатюризации гироскопов для управляемых ракет и систем навигации оружия привела к разработке и производству так называемых миниатюрных гироскопов , которые весили менее 3 унций (85 г) и имели диаметр примерно 1 дюйм ( 2,5 см). Некоторые из этих миниатюрных гироскопов могли достигать скорости 24 000 оборотов в минуту менее чем за 10 секунд. [22]
Гироскопы продолжают оставаться инженерной проблемой. Например, осевые подшипники должны быть предельно точными. Подшипникам намеренно придается небольшое трение, поскольку в противном случае потребуется точность лучше дюйма (2,5 нм). [23]
Трехосные гироскопы на основе МЭМС также используются в портативных электронных устройствах, таких как планшеты , [24] смартфоны , [25] и умные часы . [26] Это дополняет возможность измерения 3-осевого ускорения, доступную на устройствах предыдущих поколений. Вместе эти датчики обеспечивают 6-компонентное обнаружение движения; акселерометры для движения по осям X, Y и Z, а также гироскопы для измерения степени и скорости вращения в пространстве (крен, тангаж и рыскание). Некоторые устройства [27] [28] дополнительно включают в себя магнитометр для обеспечения абсолютных угловых измерений относительно магнитного поля Земли. Новые инерциальные измерительные блоки на базе МЭМС объединяют до всех девяти осей измерения в едином корпусе интегральной схемы, обеспечивая недорогое и широко доступное определение движения. [29]
Все вращающиеся объекты обладают гироскопическими свойствами. Основные свойства, которые может испытывать объект при любом гироскопическом движении, — это жесткость в пространстве и прецессия .
Жесткость в космосе описывает принцип, согласно которому гироскоп остается в фиксированном положении в плоскости, в которой он вращается, и на него не влияет вращение Земли. Например, велосипедное колесо. Ранние формы гироскопа (тогда еще не известные под названием) использовались для демонстрации этого принципа. [30]
Простой случай прецессии, также известный как устойчивая прецессия, может быть описан следующим соотношением с моментом:
где представляет собой прецессию, представляет собой вращение , представляет собой угол нутации и представляет собой инерцию вдоль соответствующей оси. Это соотношение справедливо только в том случае, если момент по осям Y и Z равен 0.
Уравнение можно сократить еще больше, заметив, что угловая скорость вдоль оси z равна сумме прецессии и вращения: , Где представляет собой угловую скорость вдоль оси z.
или
Гироскопическая прецессия вызывается крутящим моментом. Описывается как скорость изменения углового момента и угловой скорости, вызванная одним и тем же приложенным крутящим моментом. Это физическое явление приводит к, казалось бы, невозможным динамическим явлениям. Например, волчок . Этот гироскопический процесс используется во многих аэрокосмических целях, например, в самолетах и вертолетах, чтобы направить их в желаемую ориентацию.
Во время съемок фильма 1983 года « Возвращение джедая» использовалась установка Steadicam в сочетании с двумя гироскопами для дополнительной стабилизации для съемки фоновых пластин во время погони на спидер-байке . Изобретатель Steadicam Гаррет Браун руководил съемкой, прогуливаясь по лесу из красного дерева, управляя камерой со скоростью один кадр в секунду. При проецировании со скоростью 24 кадра в секунду создавалось впечатление полета по воздуху на опасной скорости. [32] [33]
Указатель курса или гироскоп направления имеет ось вращения, расположенную горизонтально и указывающую на север. В отличие от магнитного компаса, он не ищет север. Например, при использовании в самолете он будет медленно отклоняться от севера, и его необходимо будет периодически переориентировать, используя магнитный компас в качестве ориентира. [34]
В отличие от гироскопа направления или указателя курса, гирокомпас ищет север. Он обнаруживает вращение Земли вокруг своей оси и ищет истинный север, а не магнитный север. Гирокомпасы обычно имеют встроенное демпфирование, чтобы предотвратить перерегулирование при повторной калибровке из-за внезапного движения.
Определив ускорение объекта и проинтегрировав его по времени, можно рассчитать скорость объекта. Снова интегрируя, можно определить положение. Простейший акселерометр представляет собой свободно перемещающийся по горизонтали груз, прикрепленный к пружине и устройству для измерения напряжения пружины. Это можно улучшить, введя противодействующую силу, которая будет отталкивать груз назад, и измерить силу, необходимую для предотвращения перемещения груза. Более сложная конструкция состоит из гироскопа с грузом на одной из осей. Устройство будет реагировать на силу, создаваемую грузом при ускорении, объединяя эту силу для создания скорости. [35]
Гиростат состоит из массивного маховика, скрытого в прочном корпусе . [36] [37] Его поведение на столе или с различными режимами подвески или поддержки служит иллюстрацией любопытного изменения обычных законов статического равновесия из-за гиростатического поведения внутреннего невидимого маховика при быстром вращении. Первый гиростат был разработан лордом Кельвином, чтобы проиллюстрировать более сложное состояние движения вращающегося тела, когда оно может свободно перемещаться по горизонтальной плоскости, как волчок, вращающийся на тротуаре, или велосипед на дороге. [38] Кельвин также использовал гиростаты для разработки механических теорий упругости материи и эфира. [39] [ нужна полная цитата ] В современной механике сплошных сред существует множество таких моделей, основанных на идеях лорда Кельвина. Они представляют собой особый тип теорий Коссера (впервые предложенных Эженом Коссера и Франсуа Коссера ), которые можно использовать для описания искусственно созданных интеллектуальных материалов, а также других сложных сред. Одна из них, так называемая среда Кельвина, имеет те же уравнения, что и магнитные изоляторы вблизи состояния магнитного насыщения в приближении квазимагнитостатики. [40]
В настоящее время концепция гиростата используется при проектировании систем ориентации орбитальных космических кораблей и спутников. [41] Например, космическая станция «Мир» имела три пары внутренних маховиков, известных как гиродины или гироскопы управления моментом . [42]
В физике существует несколько систем, динамические уравнения которых напоминают уравнения движения гиростата. [43] Примеры включают твердое тело с полостью, заполненной невязкой, несжимаемой, однородной жидкостью, [44] статически-равновесную конфигурацию напряженного упругого стержня в теории упругости , [45] динамику поляризации светового импульса, распространяющегося через нелинейная среда, [46] система Лоренца в теории хаоса, [47] и движение иона в масс-спектрометре с ловушкой Пеннинга . [48]
Гироскоп микроэлектромеханических систем (МЭМС) — это миниатюрный гироскоп, используемый в электронных устройствах. Он использует идею маятника Фуко и использует вибрирующий элемент. Этот тип гироскопа впервые использовался в военных целях, но с тех пор его стали использовать в коммерческих целях. [49]
Гироскоп с полусферическим резонатором (HRG), также называемый гироскопом-рюмкой [50] или грибовидным гироскопом, использует тонкую твердотельную полусферическую оболочку, закрепленную толстым стержнем. Эта оболочка приводится в изгибный резонанс под действием электростатических сил, создаваемых электродами, которые наносятся непосредственно на отдельные структуры из плавленого кварца, окружающие оболочку. Гироскопический эффект достигается за счет инерционного свойства изгибных стоячих волн. [51]
В гироскопе вибрирующей структуры (ВСГ), также называемом кориолисовым вибрационным гироскопом (ВГГ), [52] используется резонатор, изготовленный из различных металлических сплавов. Он занимает позицию между низкоточным и дешевым МЭМС-гироскопом и более точным и дорогим оптоволоконным гироскопом. Параметры точности повышаются за счет использования материалов с низким собственным демпфированием, вакуумирования резонатора и цифровой электроники для уменьшения температурно-зависимого дрейфа и нестабильности управляющих сигналов. [53]
Высококачественные резонаторы для вина используются в точных датчиках, таких как HRG. [54]
Динамически настраиваемый гироскоп (ДТГ) представляет собой ротор, подвешенный на карданном шарнире с шарнирными шарнирами. [55] Жесткость пружины изгиба не зависит от скорости вращения. Однако динамическая инерция (из-за эффекта гироскопической реакции) подвеса обеспечивает отрицательную жесткость пружины, пропорциональную квадрату скорости вращения (Howe and Savet, 1964; Lawrence, 1998). Следовательно, на определенной скорости, называемой скоростью настройки, два момента компенсируют друг друга, освобождая ротор от крутящего момента, что является необходимым условием идеального гироскопа.
Кольцевой лазерный гироскоп использует эффект Саньяка для измерения вращения путем измерения сдвига интерференционной картины луча, разделенного на два отдельных луча, которые движутся по кольцу в противоположных направлениях.
Когда Боинг 757-200 поступил на вооружение в 1983 году, он был оснащен первым подходящим кольцевым лазерным гироскопом. На разработку этого гироскопа ушло много лет, и экспериментальные модели претерпели множество изменений, прежде чем инженеры и менеджеры компаний Honeywell и Boeing сочли его готовым к производству . Это был результат конкуренции с механическими гироскопами, которые постоянно совершенствовались. Причина, по которой Honeywell из всех компаний решила разработать лазерный гироскоп, заключалась в том, что они были единственной компанией, у которой не было успешной линейки механических гироскопов, поэтому они не могли конкурировать сами с собой. Первая проблема, которую им пришлось решить, заключалась в том, что при использовании лазерных гироскопов вращение ниже определенного минимума вообще невозможно было обнаружить из-за проблемы, называемой «синхронизация», когда два луча действуют как связанные генераторы и сближают частоты друг друга. и, следовательно, нулевой выход. Решением было быстро встряхнуть гироскоп, чтобы он никогда не зафиксировался. Парадоксально, но слишком регулярное колебательное движение приводило к накоплению коротких периодов блокировки, когда устройство находилось в покое в крайних точках своего вибрационного движения. Это было решено путем применения к вибрации случайного белого шума . Материал блока также был изменен с кварца на новую стеклокерамику Cer-Vit производства Owens Corning из-за утечек гелия. [56]
Волоконно -оптический гироскоп также использует интерференцию света для обнаружения механического вращения. Две половины разделенного луча движутся в противоположных направлениях в бухте оптоволоконного кабеля длиной до 5 км. Как и кольцевой лазерный гироскоп , он использует эффект Саньяка . [57]
Лондонский моментный гироскоп основан на квантово-механическом явлении, при котором вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле , ось которого точно совпадает с осью вращения гироскопического ротора. Магнитометр определяет ориентацию генерируемого поля, которое интерполируется для определения оси вращения. Гироскопы этого типа могут быть чрезвычайно точными и стабильными. Например, те, которые использовались в эксперименте Gravity Probe B, измеряли изменения ориентации оси вращения гироскопа с точностью более 0,5 угловых миллисекунд (1,4 × 10−7 градусов или около2,4 × 10 −9 радиан ) за годичный период. [58] Это эквивалентно угловому расстоянию шириной в человеческий волос, наблюдаемому с расстояния 32 километра (20 миль). [59]
Гироскоп GP-B состоит из почти идеальной сферической вращающейся массы из плавленого кварца , которая обеспечивает диэлектрическую опору для тонкого слоя ниобиевого сверхпроводящего материала. Чтобы устранить трение, свойственное обычным подшипникам, узел ротора центрируется электрическим полем шести электродов. После первоначального раскрутки струей гелия, которая доводит ротор до 4000 об/мин , полированный корпус гироскопа вакуумируется до сверхвысокого вакуума, чтобы еще больше уменьшить сопротивление ротора. При условии, что электроника подвески останется включенной, чрезвычайная симметрия вращения , отсутствие трения и низкое сопротивление позволят угловому моменту ротора поддерживать его вращение в течение примерно 15 000 лет. [60]
Чувствительный СКВИД постоянного тока , который может различать изменения размером всего в один квант, или примерно 2 × 10.−15 Вб, используется для контроля гироскопа. Прецессияили наклон ориентации ротора приводит к смещению магнитного поля момента Лондона относительно корпуса . Движущееся поле проходит через сверхпроводящую петлю, прикрепленную к корпусу, индуцируя небольшой электрический ток. Ток создает напряжение на шунтирующем сопротивлении, которое микропроцессор преобразует в сферические координаты. Система предназначена для минимизации крутящего момента Лоренца на роторе. [61] [62]
Несущий винт вертолета действует как гироскоп. На его движение влияет принцип гироскопической прецессии, который заключается в том, что сила, приложенная к вращающемуся объекту, будет иметь максимальную реакцию примерно на 90 градусов позже. Реакция может отличаться от 90 градусов, когда действуют другие, более сильные силы. [63] Чтобы изменить направление, вертолеты должны корректировать угол тангажа и угол атаки. [64]
Прототип автомобиля Gyro X, созданный Алексом Тремулисом и Томасом Саммерсом в 1967 году. В автомобиле использовалась гироскопическая прецессия для движения на двух колесах. В роли большого гироскопа выступал узел, состоящий из маховика, установленного в корпусе кардана под капотом автомобиля. Маховик вращался с помощью гидравлических насосов, создавая гироскопический эффект на машину. Прецессионный цилиндр отвечал за вращение гироскопа, чтобы изменить направление силы прецессии и противодействовать любым силам, вызывающим дисбаланс транспортного средства. Единственный в своем роде прототип сейчас находится в музее Lane Motor в Нэшвилле, штат Теннесси. [65]
Гироскопы используются не только в компасах, самолетах, компьютерных манипуляторах и т. д., но и в бытовой электронике.
Поскольку гироскоп позволяет рассчитывать ориентацию и вращение, конструкторы внедрили их в современные технологии. Интеграция гироскопа позволила более точно распознавать движение в трехмерном пространстве, чем предыдущий одиночный акселерометр в ряде смартфонов. Гироскопы в бытовой электронике часто комбинируются с акселерометрами для более надежного определения направления и движения. Примеры таких приложений включают такие смартфоны, как Samsung Galaxy Note 4 , [66] HTC Titan , [67] Nexus 5 , iPhone 5s , [68] Nokia 808 PureView [69] и Sony Xperia , периферийные устройства игровых консолей, такие как PlayStation 3. контроллер и Wii Remote , а также гарнитуры виртуальной реальности, такие как Oculus Rift . [70]
Nintendo интегрировала гироскоп в контроллер Wii Remote консоли Wii с помощью дополнительного оборудования под названием « Wii MotionPlus ». [71] Он также включен в контроллеры 3DS , Wii U GamePad и Nintendo Switch Joy-Con и Pro , которые обнаруживают движение при повороте и встряхивании.
Круизные лайнеры используют гироскопы для выравнивания чувствительных к движению устройств, таких как самовыравнивающиеся бильярдные столы. [72]
В качестве альтернативы тренировочным колесам продается гироскоп-маховик с электроприводом, вставленный в колесо велосипеда. [73] Некоторые функции телефонов Android, такие как PhotoSphere или 360 Camera, а также использование гаджета VR, не работают без датчика гироскопа в телефоне. [74]
Под названием «инструменты прецессии» в течение ряда лет использовались различные устройства, основанные на принципе гироскопа, для иллюстрации прецессии равноденствий и параллельности земной оси при ее вращении вокруг Солнца.
{{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)