Гіроскопи в науці і техніц

Управління та стабілізації об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового діелектричного світловоду з малим загасанням. Саме конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять:

1.Потенційно високу чутливість (точність) приладу, яка вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град / рік і менше.

2.Малі габарити і масу конструкції, завдяки можливості створення ВОГ

повністю на інтегральних оптичних схемах.

3.Невисоку вартість виробництва та конструювання при масовому виготовленні і відносну простоту технології.

4.Нікчемне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ світлороздільниками, поляризаторів, фазових і частотних модуляторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем які знаходиться на початковій стадії розвитку. Кількість розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів і фотодетекторів обмежена.

Другу групу труднощі пов'язують з тим, що при удаваній простоті приладу і високій чутливості його до кутової швидкості обертання, він в той же час надзвичайно чутливий до дуже малим зовнішнім і внутрішнім збурень і нестабільності, що призводить до паразитного дрейфу, тобто до погіршення точності приладу. До згаданих збурень відносяться температурні градієнти, акустичні шуми і вібрації, флуктуації електричних і магнітних полів, оптичні нелінійні ефекти флуктуації інтенсивності і поляризації випромінювання, дробові шуми в фотодетектор, теплові шуми в електронних ланцюгах і ін.

Фірмами та розробниками ВОГ обидва ці завдання вирішуються і удосконалюється .

У Технології виробництва елементів у ВОГ, теоретично й експериментально досліджуються фізична природа збурень і нестабільності, створюються та випробовуються різні схемні варіанти ВОГ з компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до необхідної в інерційних системах управління.

У спеціальній науковій та періодичній літературі проблемі ВОГ вже опубліковано безліч наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність подальшого вивчення цієї проблеми та розробки нових способів поліпшення якісних характеристик ВОГ[10., ст. 323].

4 Використання гіроскопів в техніці

Використання гіроскопа в смартфонахі та ігрових приставках.

Значне здешевлення виробництва МЕМС-гіроскопів призвело до того, що вони починають використовуватися в смартфонах і ігрових приставках.

Поява МЕМС-гіроскопа в новому смартфоні Apple iPhone 4 відкриває нову революцію в 3D-іграх і в формуванні доповненої реальності . Вже сьогодні різні виробники смартфонів і ігрових приставкок обирають використовувати МЕМС-гіроскопи у свої продукти. Незабаром з'являться додатки на смартфонах і ігрових приставках, які зроблять комп'ютерний екран вікном в іншій - віртуальний світ. Наприклад в 3D-грі, користувач переміщаючи смартфон або мобільну ігрову консоль, побачить інші сторони ігровий - віртуальної реальності. Піднімаючи смартфон вгору - користувач побачить віртуальне небо, а опускаючи вниз - побачить віртуальну землю. Обертаючи по сторонах світу - може озирнутися навколо - всередині віртуального світу. Гіроскоп дає програмі дані про те, як орієнтований смартфон щодо реального світу, а програма пов'язує ці дані з віртуальним світом. Таким же чином, але вже не в грі, можна використовувати гіроскоп для формування доповненої реальності.

Так само гіроскоп став застосовуватися в керуючих ігрових контролерах, таких як: Sixaxis для Sony PlayStation 3 і Wi MotionPlus для Nintendo Wi. В обох перерахованих контролерах використані два доповнюють один одного, просторові сенсори: акселерометр і гіроскоп. Вперше ігровий контролер, що вміє визначати своє положення в просторі, був випущений компанією Nintendo - Wii Remote для ігрової приставки Wii, але в ньому використовується тільки тривимірний акселерометр. Тривимірний акселерометр не здатен давати точне вимірювання параметрів обертання при високодинамічних рухах. І саме тому в новітніх ігрових контролерах: Sixaxis і Wii MotionPlus, крім акселерометра, був використаний додатковий просторовий сенсор - гіроскоп.

Іграшки на основі гіроскопа .

Найпростішими прикладами іграшок, зроблених на основі гіроскопа, є йо-йо, дзига (Юла) і моделі вертольотів.

Крім того, існують кистьові тренажери, які також працюють на основі гіроскопічного ефекту (гіротренажери). Властивості гіроскопа використовуються в приладах - гіроскопах, основною частиною яких є швидко обертається ротор, який має кілька ступенів вільності (осей можливого обертання).

Найчастіше використовуються гіроскопи, поміщені в карданів підвіс. Такі гіроскопи мають 3 ступені вільності, тобто він може здійснювати 3 незалежних повороту навколо осей АА , BB і CC , що перетинаються в центрі підвісу О, який залишається по відношенню до основи A нерухомим. Гіроскопи, у яких центр мас збігається з центром підвісу O, називаються астатичними, в іншому випадку - статичними гіроскопами. Для забезпечення обертання ротора гіроскопа з високою швидкістю застосовуються спеціальні гіромотори.

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

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

Гіротеодоліт - гіроскопічні візирної пристрій, призначенийдля визначення справжнього азимута. Гіротеодоліт служить для визначення азимута (пеленга) орієнтована напрямки і широко використовується при проведенні маркшейдерських, геодезичних, топографічних та інших робіт.

Принципом дії гіротеодолітів є гірокомпас і належить до типу наземних гірокомпасів, за допомогою яких можна визначити напрямок географічного меридіана. Гіроскопічне орієнтування точніше магнітного і займає менше часу, ніж астрономічне вимірювання азимута.

5 Системи стабілізації

Системи стабілізації бувають трьох основних типів:

1.Система силової стабілізації (на 2-статечних гіроскопах).

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

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

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

3.Система індикаторної стабілізації (на 3-статечних гіроскопах)

Для стабілізації навколо двох осей потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється тільки двигунами розвантаження.

Система стабілізації Glidecam 2000 Pro. Підходить для камер вагою до 3-х кг. Це сама розповсюджена система стабілізації у весільному відео, через свою простоту і невисоку ціну, ідеально підходить для камер Sony VX2100, Panasonic DVX100, Canon XM-2 та інших. Країна виготовлення - США

Основа якісної професійної зйомки - стабільне зображення. Нестабільність кадру - властивість, що характеризує практично будь-яку улюблену зйомку. Використання штатива звісно рятує ситуацію, і в більшості випадків цього цілком достатньо. Але що робити, коли хочеться зняти камеру зі штатива і рухатися разом з об'єктом зйомки? Який вихід?

У кіноіндустрії відповідь давно знайдена - Steadicam, винахідник якого кінооператор Гаррет Браун.

Головне у зображенні, яке дає стедікам, полягає в тому, що воно максимально наближене до звичної картинки сприйняття світу кожним з нас, стедікам згладжує всі шорсткості знятого руху. Глядачеві на екрані пропонують динамічну картинку таку, яку би він побачив в житті, без додаткової авторської експресивності. Адже коли ми дивимося на світ, перед нами нічого не смикається. У нас в мозку існує своєрідна стабілізація образу руху. І таке бачення абсолютно не схоже на зйомку з рук. Операторський екран, візок, стедіки - це способи створення максимально комфортного кінозображення для глядача.

Існують зйомки у занижених або завищених точках, з стабіком коли можна стати на операторський кран або політати. Але на 80% зйомок стабіком використовується тоді, коли потрібно показати точку зору людини, яка йде в гущі людей, по сходах, в горах, то є, коли потрібна імітація вільної камери. Зазвичай це відбувається в тих місцях, де не можна або складно прокласти рейки: на сходових майданчиках, автомобільних трасах, на пересіченій місцевості.

6 Нові типи гіроскопів

Постійно зростаючі вимоги до точності і експлуатаційним характеристикам гіроприладів змусили вчених та інженерів багатьох країн світу не тільки вдосконалити класичні гіроскопи з обертовим ротором, але і шукати принципово нові ідеї, що дозволили вирішити проблему створення чутливих датчиків для вимірювання і відображення параметрів кутового руху об'єкта.

В даний час відомо більше ста різних явищ і фізичних принципів, які дозволяють вирішувати гіроскопічні завдання. У Росії і США видані тисячі патентів та авторських свідоцтв на відповідні відкриття та винаходи.

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

Перспективним є напрям розвитку квантових гіроскопів.

Перспективи розвитку гіроскопічного приладобудування.

Соьгодні створені достатньо точні гіроскопічні системи, що задовольняють велике коло споживачів. Скорочення коштів, що виділяються для військово-промислового комплексу в бюджетах провідних світових країн, різко підвищило інтерес до цивільних застосуванням гіроскопічної техніки. Наприклад, сьогодні широко поширене використання мікромеханічних гіроскопів в системах стабілізації автомобілів або відеокамер.

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

Зараз розробляється система 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 коригуючого сигналу DGPS. При цьому нібито відпадає необхідність у використанні курсових гіроскопів. Наприклад, установка на крилах літака двох приймачів супутникових сигналів, дозволяє отримати інформацію про поворот літака навколо вертикальної осі.

Проте системи GPS виявляються нездатні точно визначати положення в міських умовах, при поганій видимості супутників. Подібні проблеми виявляються і в лісистій місцевості. Крім того СНС залежить від процесів в атмосфері, перешкод і перевідбиттів сигналів. Автономні ж гіроскопічні прилади працюють в будь-якому місці - під землею, під водою, в космосі.

У літаках GPS виявляється точніше акселерометрів на довгих ділянках. Але використання двох GPS-приймачів 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 гіроскопічних систем, так звана інтегрована (комплексірована) ІНС / СНС система.

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

Висновоки

Гіроскоп-тверде тіло, швидко обертається навколо наявного у нього осі обертання. При цьому вісь обертання гіроскопа повинна мати можливість вільно повертатися в просторі, для чого гіроскоп звичайно закріплюють у т. н. кардановому підвісі. Основна властивість гіроскопа з 3 ступенями свободи полягає в тому, що його вісь стійко зберігає придане їй первинний напрям (напр., на яку-небудь зірку). Якщо ж на такий гіроскоп починає діяти сила, то його вісь відхиляється не в бік дії сили, а в напрямку, перпендикулярному до неї; в результаті гіроскоп починає процесувати. Властивість гіроскопа широко використовується в різних навігаційних приладах - гірокомпас, гіровертикалі та інші, а також для стабілізації руху літаків (автопілот), ракет, морських суден, торпедах.

Гірокомпас - навігаційний прилад, створений за принципом безперервного обертання осі гіроскопа. У такий спосіб горизонтально розташована вісь завжди вказує щирший північний напрямок незалежно від курсу й положення судна.

Отже, непряма стабілізація полягає в тому, що об'єкт (в нашому випадку платформа) утримується в заданому положенні за рахунок роботи замкнутої системи, що служить чутливим елементом якої є гіроскоп. Гіроскоп служить індикатором, виявляє відхилення об'єкта, і видає керуючий сигнал для ліквідації цього відхилення навколо будь-якої з двох аємноперпендикулярних осей, а тривісний повністю ізолює, що стабілізується об'єкт від будь-яких обертальних рухів, що здійснюються кораблем чи літаком.

У ряді випадків більш доцільно буває здійснити не непряму, а силову гіроскопічну стабілізацію. Найпростішим силовим гіростабілізатором є одноосьовий стабілізатор з одним гіроскопом.

Таким чином, гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Детальне дослідження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вісь гіроскопа відхилена від лінії S-V на малий кут, то вона станездійснювати біля цієї лінії гармонійні коливання. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гірокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гірокомпаса прийде в мерідіан.

У гіроскопах з механічним ротором розрізняють механічний, оплавцевий, газовий, магнітний, електростатичний типи підвісів. У більшості використовуються гіроскопи з механічним підвісом; виконаним у вигляді карданова підвісу.

В різних двух- і трьохстатечних гіроскопах для розвантаження механічних опор застосовуються рідинні, або поплавцеві, підвіси (наприклад, в поплавцевому інтегруючому гіроскопі), унаслідок чого подібні гіроскопи мало схильні вібраційним, ударним і ін. обурюючим діям і володіють високою точністю[10.,ст. 324].

Істотне підвищення точності Р. в. досягається при вживанні гіроскопів з газовим підвісом. Ротор такого гіроскопа зазвичай має сферичну форму і спирається па надзвичайно тонкий газовий шар, що утворюється між кулею-ротором і спеціальною опорою. Така куля є практично вільним гіроскопом. Газові опори можуть також застосовуватися в осях підвісу ротора і карданових кілець.

В деяких Р. в. використовується гіроскоп з магнітним підвісом, ротор якого, виконаний у вигляді феритової сфери, підтримується магнітним полем в зваженому стані. Необхідні характеристики поля автоматично регулюються спеціальною стежачою системою. Іншим різновидом магнітного підвісу є т.з. криогенний підвіс ротора, в якому використовується взаємодія магнітних полів, що створюються струмами в надпровідниках . Підтримуючі сили магнітного поля виникають при зміні положення ротора по відношенню до елементів підвісу. Матеріал ротора, котушок електромагнітів і спеціальних екранів приводиться в надпровідний стан шляхом глибокого охолоджування.

Список використаних джерел

1.Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов. - М.: МГУ, 1976. - 400 с.

2.Ишлинский А.Ю. и др. Лекции по теории гироскопов. - М.: МГУ, 1983. 243 с.

3.Климов Д.М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. -М.: Наука, 1978. - 220 с.

4.Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. - М.: Мир, 1974. - 626 с.

5.Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения - М.: Наука, 1971, - с.312 с.

6.Николаи Е.Л. Гироскоп в кардановом подвесе. - М.: Наука, 1964.

7.Одинцов A.A., Лазарев Ю.Ф. Гироскопические приборы курса. Киев: КПИ, 1980.

8.Гироскопические системы, ч. 1 и 2 / Под ред. Д.С. Пельпора. - М.: Высшая школа, 1971.

9.Одинцов A.A. и др. Теория гироскопов и гироскопических приборов. 10.Практикум. - К.: Вища школа, 1976. - 262 с.

11.Павловский М.А. Теорія гіроскопів. - К. Техніка, 2002. - 510 с. 11.Сайдов

12.Гироскопические системы, ч. 1 /Под ред. Д.С. Пельпора. - М.:Высшая школа, 1971. - 340 с.

Страницы: 1, 2