Гироскоп, также известный как датчик угловой скорости, представляет собой устройство обнаружения углового движения, использующее относительное пространство инерции чувствительной оболочки момента импульса высокоскоростного вращающегося тела вокруг одной или двух осей, ортогональных оси вращения. В то же время прибор для определения угловых перемещений, построенный на других принципах, играет ту же роль, что и прибор, называемый гироскопом.
Происхождение названия гироскопа
Происхождение названия гироскопа имеет долгую историю. Согласно исследованиям, в 1850 году французский физик Леон Фуко, стремясь изучить вращение Земли, впервые обнаружил, что при вращении с большой скоростью земля вращается ротором. В силу инерции его ось вращения всегда направлена в фиксированную сторону. Поэтому Фуко назвал прибор gyro scopei от греческих слов gyro (вращать) и skopein (видеть).
Простой способ изготовления самого раннего гироскопа заключается в следующем: на универсальный кронштейн надевается высокоскоростная вращающаяся вершина и по направлению гироскопа вычисляется угловая скорость. Простая схема показана ниже.
Среди них золотой ротор в центре - это гироскоп, который не будет меняться из-за эффекта инерции, а три "стальных кольца" вокруг него будут меняться из-за изменения положения оборудования. Благодаря этому можно определить текущее состояние оборудования. Ось, на которой расположены три "стальных кольца", является "тремя осями" в трехосевом гироскопе, а именно осью X, осью y и осью Z. Трехмерное пространство, окруженное тремя осями, совместно обнаруживает различные движения, а затем считывает направление, указанное осями, и автоматически посылает сигналы данных в систему управления. Итак, первоначально основным назначением гироскопа было измерение угловой скорости.
Основные компоненты гироскопа
В настоящее время при приближенном анализе движения гироскопа с точки зрения механики его можно рассматривать как жесткое тело с универсальной точкой опоры, причем гироскоп может вращаться вокруг этой точки опоры с тремя степенями свободы. Таким образом, движение гироскопа относится к вращательному движению жесткого тела вокруг неподвижной точки. Точнее говоря, гироскопом называется ротор маховика, вращающийся вокруг оси симметрии с большой скоростью. Гироскоп устанавливается на рамочном устройстве так, что ось вращения гироскопа имеет угловую свободу, общее устройство называется гироскопом.
Основными компонентами гироскопа являются: ротор гироскопа (часто используют синхронный двигатель, гистерезисный двигатель, трехфазный двигатель переменного тока, чтобы заставить ротор гироскопа вращаться вокруг оси вращения с высокой скоростью и видеть его скорость приблизительно постоянной); внутренняя и внешняя рама (или внутреннее и внешнее кольцо, которое является структурой, позволяющей оси вращения гироскопа получить необходимую угловую степень свободы вращения); вспомогательное оборудование (моментный двигатель, датчик сигнала и т.д.).
Принцип работы гироскопа
Гироскоп определяет угловую скорость. Он работает по принципу действия сил Кориолиса: Если при движении объекта по прямой в системе координат предположить, что система координат совершает вращение, то при вращении объект испытывает вертикальную силу и ускорение в вертикальном направлении.
На этом принципе основано образование тайфунов. Вращение Земли приводит к вращению атмосферы. Если на вращение атмосферы действует тангенциальная сила, то легко образуются тайфуны. Принцип действия силы Кориолиса объясняется с помощью наглядной метафоры.
В частности, гироскоп представляет собой центральную ось круга. По сути, нет никакой разницы между неподвижным гироскопом и движущимся гироскопом, если сам неподвижный гироскоп абсолютно сбалансирован, за исключением того фактора, что гироскоп может стоять без вращения. Если же размеры гироскопа не сбалансированы, то это приведет к наклону и падению модели гироскопа в состоянии покоя. Поэтому для поддержания равновесия несбалансированный гироскоп должен опираться на вращение.
Сам гироскоп связан с гравитацией, и под действием силы тяжести тяжелый конец несбалансированного гироскопа будет двигаться вниз, а легкий - вверх. В гравитационном поле грузу требуется время, чтобы упасть. Если скорость падения объекта намного меньше скорости вращения самого гироскопа, то гироскоп будет смещен в фокус, а баланс самого гироскопа будет постоянно меняться в процессе вращения, и образуется направление скорости вращения вверх. Конечно, если смещение гироскопа будет слишком большим, то собственные силы гироскопа влево и вправо не будут действовать.
При вращении, если гироскоп сталкивается с внешними силами, в какой-либо точке бегунка гироскопа возникает напряжение. Гироскоп сразу же наклонится, и если потенциальная энергия силовой точки гироскопа меньше скорости вращения гироскопа, то силовая точка наклонится из-за гироскопа. Под действием толчка вращения силовая точка гироскопа будет скользить от нижнего угла наклона к верхнему углу наклона. Однако, когда угол наклона синклинали идет вверх, потенциальная энергия точки напряжения гироскопа все еще идет вниз. И это приведет к тому, что когда гироскоп дойдет до верхнего угла наклона, оставшаяся потенциальная энергия в точке приложения силы будет давить вниз на потенциальную энергию верхнего угла наклона.
А противоположный конец диаметра силовой точки, также имеет соответствующую потенциальную энергию, эта потенциальная энергия противоположна направлению силовой точки, силовая точка вниз, а она вверх, и эта точка называется "точка связующего напряжения". Когда точка напряжения связи поворачивается на 180 градусов от верхнего угла к нижнему, то точка напряжения связи тянет гироскоп вверх. Под действием силы, действующей в точке крепления, гироскоп возвращается в равновесие.
Ось вращения быстро вращающегося тела стремится быть перпендикулярной внешним силам, изменяющим ее направление. Более того, когда вращающийся объект наклоняется вбок, сила тяжести действует в направлении увеличения наклона, а ось перемещается вертикально, что приводит к движению встряхивания головы (прецессионное движение). При вращении оси гироскопа по горизонтальной оси, вследствие вращения Земли, на нее действует сила вращения в прямом направлении, и вращающееся тело гироскопа создает прецессионное движение в направлении меридиана в горизонтальной плоскости. Он может применяться, когда ось параллельна меридиану и находится в состоянии покоя.
Роль гироскопа
В чем разница между гироскопом и гравитационным датчиком? Различий много, но главное из них состоит в том, что гравитационный датчик имеет меньшее количество измерений пространственного перемещения и достаточно хорошо чувствует шесть направлений, в то время как гироскоп - всенаправленный. Это очень важно, и не будет преувеличением сказать, что эти два продукта не находятся на одном уровне.
Если посмотреть на это, то можно почувствовать некоторую растерянность, ведь гироскоп очень хорош, как же его можно использовать в телефоне? Давайте посмотрим.
Первое применение - это навигация. Гироскопы используются для навигации с тех пор, как они были изобретены. Сначала немцы использовали их на ракетах V1 и V2. Поэтому в сочетании с GPS навигационные возможности мобильных телефонов выходят на небывалый уровень. Действительно, многие профессиональные портативные GPS-устройства оснащены гироскопами. Если на мобильный телефон установить соответствующее программное обеспечение, то его навигационные возможности будут не хуже, чем у многих кораблей и самолетов.
Во-вторых, его можно использовать вместе с камерой телефона, например, для борьбы с дрожанием, что значительно улучшит возможности телефона при съемке.
Третье применение - датчики для всевозможных игр, таких как игры-леталки, спортивные игры и даже некоторые игры со съемкой в первой перспективе. Гироскоп полностью отслеживает перемещение рук игроков, что позволяет добиться различных игровых эффектов. Тот, кто хоть раз пользовался Nintendo WII, прекрасно знает об этом.
Четвертое применение, которое может быть использовано в качестве устройства ввода, - гироскоп эквивалентен трехмерной мыши, функция, аналогичная третьему применению игровых датчиков, которую можно даже считать разновидностью.
Пятое и наиболее перспективное использование в будущем. Вот основные моменты. Это может помочь телефону в работе с дополненной реальностью. Дополненная реальность - это относительно недавняя концепция, которая, как и виртуальная реальность, является применением компьютеров. Идея заключается в том, чтобы использовать вычислительную мощность мобильного телефона или компьютера для более глубокого понимания объектов реального мира. Например, если вы не понимаете, что перед вами здание. Если навести на него камеру мобильного телефона, то можно сразу же получить на экране соответствующие параметры здания, такие как его высота, ширина и высота подъема. Если подключиться к базе данных, то можно даже узнать владельца здания, время постройки, текущее использование, количество людей, которые могут в нем разместиться, и так далее.
Эта технология дополненной реальности не просто любопытна. Она может быть использована во многих практических приложениях, например, при строительстве дома, когда можно узнать, не перекошена ли стена, сфотографировав ее на телефон. Насколько сильно она искривлена? Например, если вы солдат иракского сопротивления, вам достаточно иметь при себе мобильный телефон, пойти на базу и сфотографировать любой танк, бронетранспортер или вертолет. После этого можно сразу определить тип, скорость и направление движения оружия.
Семь распространенных гироскопов
В соответствии с инерцией или жесткостью и прецессией гироскопа распространенные гироскопы выглядят следующим образом:
Гирокомпас. Гироскоп с тремя степенями свободы, предназначенный для нахождения и сопровождения географических меридиональных плоскостей навигационных и летательных объектов. Внешний кольцевой вал прямой, вал ротора расположен горизонтально в меридиональной плоскости, положительный конец направлен на север;Отклонение центра тяжести от центра опоры вдоль вертикальной оси ведет вниз или вверх. Когда ось ротора отклоняется от меридиональной плоскости, она также отклоняется от горизонтальной плоскости и создает сильный момент, заставляющий гирокомпас прецессировать в меридиональной плоскости. Такой гирокомпас, использующий сильный момент, называется маятниковым. В XXI веке был разработан гирокомпас с электронным управлением, в котором вместо гравитационного маятника используется автоматическая система управления, что позволило создать платформенный компас, способный указывать как горизонтальную плоскость, так и меридиональную плоскость.
Тахеометрический гироскоп. Гироскоп с двумя степенями свободы, используемый для непосредственного определения угловой скорости транспортного средства. Внешнее кольцо уравнительного гироскопа крепится к транспортному средству, а ось внутреннего кольца перпендикулярна оси, на которой необходимо измерить угловую скорость. Когда транспортное средство вместе с внешним кольцом движется вокруг измерительной оси с угловой скоростью, гироскопический момент заставляет внутреннее кольцо вместе с ротором отклоняться от оси относительно транспортного средства.В гироскопе имеются пружины, которые ограничивают эту относительную прецессию, и угол прецессии внутреннего кольца пропорционален величине деформации пружины. Из угла прецессии внутреннего кольца в состоянии равновесия можно получить гироскопический момент и угловую скорость автомобиля. Интегральный гироскоп отличается от скоростного гироскопа только тем, что вместо пружинного ограничителя используется линейный демпфер. При вращении автомобиля с любой скоростью выходным сигналом интегрирующего гироскопа является Угол оси измерения (т.е. интеграл угловой скорости). Перечисленные выше два вида гироскопов широко используются в системах дистанционного измерения или автоматического управления и инерциальных навигационных платформах.
Гиростабилизированная платформа. С гироскопом в качестве основного компонента, устройство, поддерживающее устойчивость стабилизируемого объекта относительно заданной установки в инерциальном пространстве. Для остановки прецессии гироскопа в стабильной платформе обычно используется торкер на оси рамы платформы, состоящей из внешнего и внутреннего колец, создающий баланс вращающего и интерференционного моментов. Стабильная платформа называется динамическим стабилизатором гироскопа. В зависимости от количества осей вращения, по которым объект может сохранять устойчивость, гиростабилизированные платформы можно разделить на одноосные, двухосные и трехосные гиростабилизированные платформы. Гиростабилизированная платформа может использоваться для стабилизации приборов и оборудования, требующих точной ориентации, таких как измерительные приборы, антенны и т.д., и получила широкое применение в авиации и навигационных системах, а также в системах управления огнем, универсальной поддержки радиолокации. В качестве компонентов используются различные типы гироскопов по разным принципиальным схемам. Гироскопический момент, возникающий в результате прецессии гироскопа, используется для противодействия интерференционному моменту, после чего на выходе получается сигнал управления и камеры.
Гироскопический датчик. Гироскоп представляет собой простую и удобную в использовании систему позиционирования и управления, основанную на движении в свободном пространстве и жестах. Проводя мышью по воображаемой плоскости, курсор на экране перемещается и может обводить ссылки и нажимать кнопки. Это удобно делать, когда вы произносите речь или выходите из-за стола. Гироскопические датчики, первоначально использовавшиеся в моделях вертолетов, уже широко применяются в мобильных устройствах, например в мобильных телефонах (технология трехосевого гироскопа в IPHONE).
Волоконно-оптический гироскоп. Волоконно-оптический гироскоп представляет собой датчик на основе катушки из оптического волокна. Свет, излучаемый лазерным диодом, распространяется по оптическому волокну в двух направлениях. Изменение траектории распространения света определяет угловое перемещение датчика. По сравнению с традиционным механическим гироскопом преимущества волоконно-оптического гироскопа заключаются в том, что он полностью твердотельный, не имеет вращающихся частей и узлов трения, имеет длительный срок службы, большой динамический диапазон, мгновенный запуск, простую конструкцию, малые размеры, малый вес. По сравнению с лазерным гироскопом, оптоволоконный гироскоп не имеет проблемы блокировки, и не нуждается в кварцевом блоке точной обработки оптического пути, низкая стоимость.
Лазерный гироскоп. Принцип работы лазерного гироскопа заключается в измерении угловой скорости вращения (эффект Сагнака) с помощью разности оптических путей. Угловая скорость вращения в замкнутом оптическом пути может быть измерена путем обнаружения изменения разности фаз или интерференционной полосы при прохождении двух пучков света, передаваемых по часовой и против часовой стрелки от одного и того же источника света.
МЭМС-гироскоп. Гироскопы на основе МЭМС значительно дешевле волоконно-оптических или лазерных гироскопов, но имеют очень низкую точность и для повышения точности требуют компенсации с помощью эталонных датчиков.МЭМС-гироскоп основан на использовании переменных сил Кориолиса, возникающих при взаимно ортогональных вибрации и вращении. МЭМС-гироскоп использует силу Кориолиса для преобразования угловой скорости вращающегося объекта в сигналы постоянного напряжения, пропорциональные угловой скорости. Его основные компоненты изготавливаются серийно с помощью технологий легирования, литографии, коррозии, LIGA и упаковки.
Применение гироскопа
Применение гироскопа в аэрокосмической отрасли
Гироскопический прибор сначала использовался в навигации, но с развитием науки и техники он получил широкое распространение в авиационной и аэрокосмической промышленности.
Гироскопический прибор может использоваться не только как индикатор, но, что более важно, как чувствительный элемент в системе автоматического управления, который может быть использован в качестве датчика сигнала. В зависимости от потребностей, гироскопические приборы могут выдавать точные сигналы, такие как азимут, уровень, положение, скорость и ускорение, чтобы пилоты или автоматические навигаторы могли управлять самолетами, кораблями или космическими кораблями для полета по определенному курсу, а при наведении ракет, спутниковых аппаратов или ракет для исследования космоса и других аппаратов эти сигналы могут использоваться непосредственно для управления положением и орбитой аппарата.Гироскопические приборы могут использоваться в качестве стабилизаторов для удержания поездов на монорельсовой дороге, для уменьшения раскачивания судов при ветре и волнении, для стабилизации камер, установленных на самолетах или спутниках, относительно земли и т.д.
В качестве прецизионного контрольно-измерительного прибора гироприборы могут обеспечивать точные опорные точки для наземных установок, шахтных туннелей, подземных железных дорог, бурения нефтяных скважин, ракетных шахт.
Как видно, область применения гироскопического прибора достаточно широка, он играет важную роль в построении современной национальной обороны и народного хозяйства.
Инновационное применение гироскопа в бытовой электронике
Появление гироскопа открывает широкие возможности для применения в бытовой электронике. Например, в плане ввода информации с устройства, после клавиатуры, мыши и сенсорного экрана, гироскоп приносит нам жестовый ввод, а благодаря высокой точности он может реализовать даже электронную подпись. Речь также идет о том, чтобы сделать смартфоны умнее: помимо веб-серфинга и быстрой обработки данных, они могут "читать людей" и предоставлять соответствующие услуги.
Навигация. Гироскопы используются для навигации с момента их изобретения. Сначала немцы использовали их на ракетах V1 и V2. Поэтому в сочетании с GPS навигационные возможности мобильных телефонов достигнут небывалого уровня. Действительно, многие профессиональные портативные GPS-устройства оснащены гироскопами. Если на мобильный телефон установить соответствующее программное обеспечение, то его навигационные возможности не будут уступать многим кораблям и самолетам.
Камера устойчива к тряске. Гироскоп можно использовать совместно с камерой телефона, например, для борьбы с тряской, что значительно улучшит возможности телефона при съемке.
Улучшение игрового процесса. Датчики для всех видов мобильных игр, таких как летные игры, спортивные игры и даже некоторые игры-стрелялки с первой перспективой, гироскоп полностью отслеживает перемещение рук игроков, что позволяет добиться различных эффектов управления игрой, таких как переход горизонтального экрана в вертикальный, поворот в гоночных играх и т.д.
В качестве устройства ввода. Гироскоп также может использоваться в качестве устройства ввода. Он выполняет функцию стереоскопической мыши, аналогичную игровому сенсору в третьем по важности варианте использования, и даже может рассматриваться как его разновидность.
В то же время, помимо привычного нам смартфона, в автомобиле также используется множество MEMS-гироскопов, в автомобилях высокого класса - от 25 до 40 MEMS-датчиков, используемых для определения рабочего состояния различных частей автомобиля, для предоставления информации на водительский компьютер, чтобы пользователи лучше контролировали автомобиль.
Сообщений Просмотров: 0
Поделиться статьей