Гироскоп что это такое

Как устроен гироскоп: суть, принцип работы, где применяется

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Источник

ГИРОСКО́П

В книжной версии

Том 7. Москва, 2007, стр. 177-180

Скопировать библиографическую ссылку:

ГИРОСКО́П (от греч. γῦρος – круг, ок­руж­ность и σϰοπέω – на­блю­дать), уст­рой­ст­во, со­вер­шаю­щее бы­ст­рые цик­ли­че­ские (вра­ща­тель­ные или ко­ле­ба­тель­ные) дви­же­ния и чув­ст­ви­тель­ное вслед­ст­вие это­го к по­во­ро­ту в инер­ци­аль­ном про­стран­ст­ве. Тер­мин «Г.» пред­ло­жен в 1852 Ж. Б. Л. Фу­ко для изо­бре­тён­но­го им при­бо­ра, пред­на­зна­чен­но­го для де­мон­ст­ра­ции вра­ще­ния Зем­ли во­круг сво­ей оси. Дол­гое вре­мя тер­мин «Г.» ис­поль­зо­вал­ся для обо­зна­че­ния бы­ст­ров­ра­щаю­ще­го­ся сим­мет­рич­но­го твёр­до­го те­ла. В совр. тех­ни­ке Г. – осн. эле­мент все­воз­мож­ных ги­ро­ско­пич. уст­ройств или при­бо­ров, ши­ро­ко при­ме­няе­мых для ав­то­ма­тич. управ­ле­ния дви­же­ни­ем са­мо­лё­тов, су­дов, тор­пед, ра­кет, кос­мич. ап­па­ра­тов, мо­биль­ных ро­бо­тов, для це­лей на­ви­га­ции (ука­за­те­ли кур­са, по­во­ро­та, го­ри­зон­та, стран све­та), для из­ме­ре­ния уг­ло­вой ори­ен­та­ции под­виж­ных объ­ек­тов и во мно­гих др. слу­ча­ях (напр., при про­хо­ж­де­нии ство­лов што­лен, строи­тель­ст­ве мет­ро­по­ли­те­нов, при бу­ре­нии сква­жин).

Источник

Гироскоп — что это такое, зачем нужен и как работает

Гороскоп является важной частью множества навигационных систем, различных устройств, техники и устанавливается практически на все модели телефонов и планшетов.

Он позволяет измерять перемещение объекта в пространстве, в каком сейчас положении находится устройство — горизонтально или вертикально. Дает множество возможностей в управлении.

Из прошлого материала вы узнали, как включить и настроить родительский контроль на Андроид. Сегодня мы подробно рассмотрим, что такое гироскоп простыми и понятными словами, зачем он нужен и, как работает.

Что такое гироскоп

Гироскоп (gyroscope, гиродатчик) — это устройство, предназначенное для измерения углов ориентации тела / объекта относительно поверхности земли. Он позволяет узнать направление движения объекта, на котором он установлен, угол его наклона / поворота. В каком положении сейчас находится объект, к примеру, смартфон сейчас в горизонтальном, вертикальном или каком-либо другом положении / наклоне.

Сам термин состоит из двух частей — gyreuо (вращаться) и skopeo (смотреть). Впервые использовался в 1 852 году Ж. Фуко в докладе на тему способов экспериментального обнаружения вращения земли в инерциальном пространстве, выступал он с ним в Французской Академии Наук. Сам же прибор был изобретен еще в 1 817 году немецким астроном Иоганном Боненбергером.

Что делает:

Современные гироскопы, которые устанавливаются на смартфоны и различную компьютерную технику представляют собой обычный чип — гироскоп MEMS.

Где используется:

Устройство гироскопа

Существует множество разных видов гироскопов: двух и трехстепенные — они отличаются по степеням свободы или возможным осям вращения. Также они разделяются на механические, лазерные и оптические, что определяет их принцип действия.

Сам прибор обычно представляет собой колесо, установленное на двух или трех карданных шарнирах — они обеспечивают поворотные опоры. Это позволяют колесу вращаться вокруг одной оси.

Рассмотрим самый распространенный — механический роторный гироскоп трехстепенный. Состоит из трех карданов, каждый из которых установлен один на другом с ортогональными осями поворота и колесом по центру. Это позволяет колесу, установленному в самом внутреннем кардане иметь ориентацию, независящую от ориентации его опоры. Т.е. как не крути такой прибор — колесо будет всегда в одном положении — крутиться вокруг определенной оси.

Чтобы понять, как все работает, возьмем детскую игрушку Юлу. Когда она крутится, то всегда в одном положении / вокруг определенной оси, если конечно на нее не действуют внешние силы. Плюс, она обладает устойчивостью, так если ее толкнуть, она вернется в то же положение и будет крутиться в том же положении. Момент, когда юла теряет скорость ее ось вращения начинает напоминать конус / меняет свое направление в пространстве — называет прецессией.

Интересно! Роторные устройства не используются, как датчики, их применяют исключительно в целях стабилизации для различных конструкций и механизмов. К примеру, он используется в гироскопическом тренажере.

Оптические гироскопы работают на основании физического эффекта Саньяка. Он подразумевает, что в инерциальной системе отчетов, скорость света является постоянной. Но, если отправить луч в неинерциальной системе, то его скорость будет изменена. Если пустить траекторию луча через место вращения устройства, то будет задержка в достижении им конечной точки. Полученная разница во времени напрямую зависит от величины углового поворота датчика.

Как уже писалось выше, в электронной технике используются гироскопы-MEMS, маленькие чипы, которые благодаря их размеру можно ставить даже на смарт браслеты. Там они используются вместе с акселерометром, чтобы получаемые данные были еще более точными.

Есть ли разница с акселерометром?

По своей сути, гироскоп и акселерометр могут выполнять практически одни и те же вычисления. Но, акселерометр лучше определяет повороты объекта в пространстве и измеряет кажущееся ускорение — для этого он и используется.

Гироскоп лучше определяет перемещение объекта в пространстве, текущий угол наклона, указывает стороны света, как компас, а также дает данные для расчета скорости движения. Гироскоп может делать все то же самое, что и акселерометр, а вот акселерометр уже нет.

Немного истории появления

Люди с давних времен искали способы, чтобы определять направление в пространстве. Изначально ориентирами были большие удаленные объекты — солнце, горы, луна. Затем появились первые приборы, которые основывались на гравитации земли: отвес и уровень. И первый, и второй до сих пор используются в строительстве. В Китай в средние века совершили прорыв изобрели компас, который использовал магнитное поле земли для определения сторон света.

Гироскоп был в первые описан в 1 817 году немецким астрологом Иоанном Боненбергером — эта дата считается официальной датой изобретения устройства. Но, по заверениям математика Пуассона, он изобрел его еще раньше в 1 813 году. Главную часть это прибора составлял массивный, который вращался в кардановом подвесе. В 1 832 году, был придуман гироскоп с вращающимся диском вместо шара.

В 1 852 году Ж. Фуко представил свой доклад о гироскопе, где он использовал его уже в качестве прибора, которые показывал изменение направления. Именно Фуко придумал сам термин — Gyroscope.

В 1 880-х годах гироскоп применили на практике, он использовался для стабилизации курса торпеды инженером Орби. Далее прибор начали устанавливать на самолеты, ракеты, подводные лодки для использования совместно с компасом.

В заключение

Это была основная информация по этой теме. Это действительно важный прибор, которые уже давно используется во всевозможных сферах, а сейчас без него нельзя представить ни один смартфон.

Источник

Гироскоп. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Гироскоп – это устройство со свободной осью вращения, способное реагировать на изменение угла ориентирования тела, в котором оно закрепляется. Ключевая особенность прибора в сохранении неизменного положения, что позволяет его использовать как датчик для определения перемещения и поворота объекта, в котором он расположен.

Как устроен и работает гироскоп

В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.

Разновидности гироскопов по принципу действия

Конструкцию гироскопа принято разделять на две группы по принципу действия:

Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.

Механические

Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве. Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил. При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.

Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. По данному принципу изготовляется спортивный кистевой гироскопический тренажер. Такой прибор представляет собой шар, внутри которого располагается гироскопический элемент со своей осью вращения.

Для его запуска применяется небольшой шнурок, который наматывается на центральную часть тренажера. При его выдергивании центральное тело начинает вращаться по своей оси, при этом внешняя оболочка тренажер раскручивается кистью по часовой стрелке. Вращающееся центральное тело начинает противодействовать оборотам корпуса, создавая значительную нагрузку. При этом такое воздействие лишь ускоряет обороты главного элемента, повышая противодействие. После запуска тренажер сложно удержать в руке, поскольку он постоянно норовит вырваться в разные стороны. Создается впечатление удержания живого объекта.

Оптические

Данная группа устройств представлена несколькими разновидностями. Все они работают на основании физического эффекта Саньяка. Согласно ему, скорость света является постоянной в инерциальной системе отсчетов. При этом если отправить луч в неинерциальной системе, то его скорость поменяется. Если траектория луча будет проходить через место вращения устройства, то произойдет задержка по времени достижения светом конечной точки. Получаемая оптическая разница напрямую зависит от величины углового поворота датчика.

Сфера использования гироскопов

Гироскоп широко используется в:

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

Наличие гироскопа обязательно для нормального функционирования навигационных систем. Такие датчики многократно увеличивают фактическую точность определения координат с погрешностью в несколько сантиметров. Дело в том, что навигация по спутниковому сигналу в определенных условиях работает хуже или полностью отказывает. В таком случае ориентация в пространстве возможна только с помощью гироскопа. Это в первую очередь наблюдается при нахождении под землей, под водой или в космосе. Комбинирование спутниковых и гироскопических систем дает возможность добиться максимальной точности определения местоположения движущихся объектов.

Гироскоп является не только полезным, но и интересным устройством, принцип работы которого был внедрен в производство нескольких видов детских игрушек. Примером этого является йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажер. В данном случае ценится качество устройства удерживаться в определенном положении благодаря вращению по главной оси. Что касается свойства гироскопа выступать в качестве датчика, то оно применяется при изготовлении вертолетов на радиоуправлении, квадрокоптеров.

Применение гироскопа в мобильных устройствах, планшетах и прочей портативной техники

В мобильной технике гироскоп применяется благодаря его свойству реагировать на изменение углов ориентации тела. Прибор выступает в качестве датчика, позволяющего определить, что мобильный телефон или планшет был повернут в ту или иную сторону. Наличие устройства позволяет получить информацию об изменении положения тела в 3 плоскостях. Внедренные в гаджеты гироскопы внешне напоминают миниатюрную микросхему.

Благодаря присутствию гироскопа в мобильном телефоне, в том удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным датчик является для реализации управления в играх, в частности гонках. При повороте экрана девайса осуществляется управление автотранспортом без необходимости нажатия на кнопки.

Отличие между гироскопом и акселерометром

Весьма похожим устройством на гироскоп является акселерометр. Последний позволяет определять повороты тела относительно его оси. При этом функционал гороскопа гораздо обширнее.

Он позволяет:

Наличие гироскопа позволяет решать те задачи, которые мог бы выполнять акселерометр. При этом использование акселерометра никогда не позволит сделать все то, что возможно с помощью гироскопа. Несмотря на схожесть датчиков, они часто используются в паре, особенно в мобильной технике, смарт-часах, планшетах и т.д. Работая вместе, они позволяют значительно быстрее получать различную информацию по перемещению устройств, что увеличивает скорость ее обработки. Это важно для мобильных игр, квадрокоптеров, гироскутеров.

Источник

Гироскоп

Гироско́п (от др.-греч. γῦρος «круг» и σκοπέω «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).

Термин впервые введен Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в его докладе в 1852 году Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».

Содержание

История

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Свойства трехстепенного роторного гироскопа

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Это свойство обусловлено возникновением так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать. Прецессия вызовет кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней силы (гироскопический момент).

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление коренного свойства материи — её инерционности.

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр — его моментом инерции, векторы и угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что момент силы , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный , приводит к движению, перпендикулярному как , так и , то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы [9] :

то есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие плоскость своих колебаний при повороте основания. Этот тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрационные гироскопы» — так как принцип их действия основан на эффекте действия силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.
Например, вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сигвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.
Именно такой тип гироскопов используется в мобильных устройствах, в частности, в iPhone 4 и других.

Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS гироскопе с частотой .

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное , где — скорость и — угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как : , а положение грузика в плоскости — . Внеплоскостное движение , вызываемое поворотом гироскопа равно:

где: — масса колеблющегося грузика. — коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости. — величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

Разновидности

Оптические гироскопы

где -разность времён прихода лучей, выпущенных в разных направлениях, — площадь контура, — угловая скорость вращения гироскопа. Так как величина очень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длинной волокна 500—1000 м. Во вращающемся кольцевом интерферометре лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный [12] :

где — длина волны.

Применение гироскопов в технике

Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА’, BB’ и CC’, пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае — статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.

Системы стабилизации

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В России и США выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Поскольку прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная.

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов.

Перспективы развития гироскопического приборостроения

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации (в пределах зоны покрытия спутниковой навигационной системы (СНС), то есть в пределах планеты). В настоящее время СНС системы по параметрам массы, габаритов и стоимости превосходят гироскопические.

В настоящее время разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приёмников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолёта вокруг вертикальной оси.

Однако системы СНС оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. Кроме того прохождение сигналов СНС зависит от процессов в атмосфере, препятствий и переотражений сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте — под землёй, под водой, в космосе.

В самолётах СНС оказывается точнее ИНС на длинных участках. Но использование двух СНС-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью СНС также не является достаточно точным. Поэтому, в современных навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических систем, называемая интегрированной (комплексированной) ИНС/СНС системой.

За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: геологоразведка, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

Использование гироскопа в смартфонах и игровых приставках

Значительное удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.

Также гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих перечисленных контроллерах использованы два дополняющих друг друга, пространственных сенсора: акселерометр и гироскоп. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo — Wii Remote для игровой приставки Wii, но в нём используется только трёхмерный акселерометр. Трёхмерный акселерометр не способен давать точное измерение параметров вращения при высокодинамичных движениях. И именно поэтому в новейших игровых контроллерах: Sixaxis и Wii MotionPlus, кроме акселерометра, был использован дополнительный пространственный сенсор — гироскоп.

Игрушки на основе гироскопа

Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо, волчок (юла) и модели вертолетов.
Волчки отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.
Кроме того, существует спортивный гироскопический тренажёр.

Источник

Гироскоп: что это, зачем он нужен, как работает

Примерно десять лет назад в мобильных устройствах появилась невероятная функция: вы поворачивали корпус устройства, и картинка на экране поворачивалась вслед за ним! Прошло совсем немного времени, и мы массово узнали слово «гироскоп», что это такое, как работает и какие его свойства. Кто еще не разобрался в данном вопросе, мы подробно расскажем в нашей статье.

Кто и когда изобрёл

Как часто бывает, изобретение это оказалось совсем не новым. В начале XIX века гироскоп изобрёл немецкий физик Иоганн Готтлиб Фридрих фон Боненбергер.

В середине XIX века изобретение Боненбергера доработал француз Фуко – тот самый, создатель знаменитого маятника. Тогдашние приборы использовали сложную систему механической балансировки массивного тела, чтобы оно оставалось на месте. А угол наклона тела по отношению к земной оси можно было измерить по изменению положений опор груза. Таким образом, прибор определял направление движения в пространстве через угол наклона к земной оси.

Принцип работы гироскопа в мобильном устройстве несколько иной: чтобы вписаться в миниатюрный чип, используются специальные конденсаторы, которые считывают смещение кристалла внутри чипа и так измеряют его отклонение от оси.

На сегодняшний день гироскоп в телефоне – вещь обязательная. До этого за определение положения отвечали одни только акселерометры – они худо-бедно справлялись, но, как оказалось, можно и лучше. Сегодня используются комбинированные модули из акселерометра и гироскопа, которые позволяют с высокой точностью отслеживать движения и посылать данные на обработку.

Гиродатчики в смартфонах и планшетах

Начиная с 2010 года, компания Apple снабдила iPhone 4 и последующие модели комбинацией из гироскопа и акселерометра. Такие комбинированные датчики очень хорошо отслеживают изменение положения смартфона или другого устройства (например, фитнес-трекера или умных часов). Чуть позже появился гироскоп в смартфоне на базе Андроид и планшете.

Теперь уже сложно представить себе устройство, не реагирующее на поворот. Наоборот, в моде тонкое управление. Например, вы можете рулить машиной в виртуальных гонках, просто вращая в руках телефон, как «баранку». Когда вы читаете книгу, экран может повернуться вправо или влево, и даже вверх ногами; но если вы выходите на рабочий стол телефона, поворот отключается. А вот планшет того же производителя и с той же версией ОС на поворот отреагирует и превратится в подобие ноутбука. И это только малая часть примеров тонкой настройки. В конце концов, в настройках можно вообще выключить и снова включить гироскоп на Андроиде, если в одних ситуациях он полезен, а в других мешает.

Калибровка

Датчик гироскопа в смартфоне – это ценнейший инструмент, но иногда он сбивается. К счастью, его можно откалибровать заново практически во всех актуальных моделях.

Калибровка гироскопа в Android делается с помощью соответствующих приложений. Чтобы откалибровать навигационный прибор на Андроид, лучше всего воспользоваться сторонним приложением. Дело в том, что разные производители используют несколько разные технологии и разные чипы, поэтому приложение, совместимое со всеми устройствами, должно быть независимым. Мы можем рекомендовать вам приложение Accelerometer Calibration Free. К сожалению, у него нет русскоязычного интерфейса, однако оно достаточно понятно и без перевода.

Apple, совершенно в своей манере, предполагает, что калибровка датчика в iPhone не нужна. Лукавит, конечно. Настроить гироскоп в айфоне бывает просто необходимо.

Для рекалибровки рекомендуют следующий сценарий действий:

Как включить гиродатчик на Андроид

Для того чтобы включить гироскоп на Андроид нужно выполнить следующие действия:

Как проверить, есть ли датчик в смартфоне

Как узнать, есть ли гироскоп в телефоне на Android? Это не сложно, следуйте нашим рекомендациям.

Скачивайте и устанавливайте любое из этих трех приложений, в которых можно посмотреть детально все датчики:

У смартфонов Apple проще, у всех моделей, начиная с iPhone 4 и выше, датчики гироскопа по умолчанию встроены в плату.

Так выглядит устройство гироскопа в смартфоне:

Что делать, если в смартфоне нет гироскопического прибора

Если нет гироскопа в телефоне, то есть три решения.

Гироскоп в часах и в фитнес-браслете

Гироскоп в часах – это один из важнейших элементов взаимодействия с миром. Когда вы поднимаете руку с носимым устройством, и в нем включается дисплей – это работает он, родимый. Когда новейшие Apple Watch распознают, что владелец упал и лежит без движения, и вызывают 911 – за спасение своей жизни хозяин должен сказать спасибо этому датчику. Также гироскоп отвечает за фитнес-функции, которые есть во всех современных моделях умных часов.

Он же помогает умному трекеру отследить, как вы ворочаетесь во сне, и оценить качество вашего сна. А более тонкое определение движений помогает распознавать разные виды спорта, которыми вы занимаетесь. Именно гироскоп в фитнес-браслете определяет количество сделанных вами шагов, по тому, как меняется ваше положение во время шага.

Гироскопы в других устройствах

Мы не берём в расчёт применение прибора в транспортных средствах или профессиональных системах навигации. Существуют и относительно небольшие устройства, в которых применяется навигационный прибор. Просто перечислим некоторые из них:

Вывод

Хотя современные устройства от чистой механики перешли к электронике, принцип гироскопа всё равно остаётся актуальным. За последние годы мы оценили, как облегчают жизнь датчики поворота и движения. И, поверьте, чем умнее и подвижнее становится техника, тем важнее будут сенсоры движения и наклона.

Источник

Как работает гироскоп в телефоне

Мы редко задумываемся о том, чем напичкан наш смартфон. Раньше мы использовали его только для звонков и SMS, теперь же смартфоны стали меньше и быстрее ноутбуков и компьютеров. Современные смартфоны богаты на самые разные сенсоры и умные датчики, которые помогают пользоваться нам самыми простыми функциями. Датчики и сенсоры очень чувствительны к внешним изменениям. Поворачиваете смартфон горизонтально, а экран ориентируется вместе с вами? Значит, стоит поблагодарить гироскоп, установленный в вашем устройстве. Кстати, благодаря гироскопу существует VR и все, что с этим связано. Рассказываем, как работает гироскоп, зачем он нужен, как его откалибровать на Android, чем отличается гироскоп от акселерометра.

Рассказываем, как работает гироскоп в смартфоне

Что такое гироскоп

Гироскоп — это устройство, которое помогает определить положение тела в пространстве. Изобретен он был достаточно давно, еще в 1817 году, а повсеместное применение находит до сих пор. Аналоговый гироскоп состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси ротора-волчка, которая меняет положение в пространстве, а скорость вращения волчка превышает скорость поворота оси его вращения. Из-за этого волчок сохраняет свое положение независимо от сил, действующих извне. Для точного определения положения в пространстве такие нехитрые приборы используются в самолетах, ракетах, квадрокоптерах, планшетах и смартфонах.

Как работает гироскоп в смартфоне

Так выглядит гироскоп смартфона

Гироскоп в смартфонах и других умных устройствах сильно отличается от обычных, хоть и выполняет ту же функцию. Механическая энергия в нем преобразуется в электрическую, что формируется в в алгоритм работы. В умных устройствах гироскоп представляет собой подвижные вещества, которые смещаются под наклоном, меняя электрическую емкость конденсаторов, связанную с процессором вашего смартфона. Самый просто вариант гироскопа выглядит как две подвижные единицы, которые меняют положение и посылают сигнал датчикам. При повороте устройства двигается и весь гироскоп, который посылает сигнал об изменившемся местоположении. Благодаря этому нехитрому устройству вы можете встряхивать смартфон и переворачивать, чтобы работали интересные фичи, встроенные в операционную систему вашего смартфона. Если вы планируете пользоваться устройством с VR, например, очками или шлемом, то гироскоп будет играть в этом важную роль, отслеживая повороты головы и направляя виртуальный взгляд именно туда, куда направлен ваш взор. Что еще интересного скрывает VR? Читайте наши материалы в Яндекс.Дзен — пишем то, о чем еще никто не знает!

Чем гироскоп отличается от акселерометра

Акселерометр помогает в играх на смартфоне

Если вы любите иногда играть на смартфоне, то эти два датчика делают вашу жизнь гораздо проще. Они оба предназначены для того, чтобы определять положение гаджета в пространстве. Если гироскоп высчитывает угол наклона вашего смартфона относительно поверхности, передавая информацию в операционную систему, то акселерометр очень точно вычисляет ускорение. Именно поэтому наши смартфоны неплохо справляются с функцией шагомеров. Данные будут плюс-минус точными: можете попробовать сравнить их с данными ваших умных часов или фитнес-браслета, отличия будут незначительными. В современных смартфонах устанавливают и гироскоп, и акселерометр, что помогает избежать случайных поворотов экрана при его перемещении. Что еще интересного хотите узнать о смартфоне? Пишите нам в Telegram-чате!

Как проверить гироскоп в смартфоне

С помощью видео в 360 можно проверить работоспособность смартфона

Все современные смартфоны оборудованы этими датчиками. Но если вам интересен принцип их работы, то есть отличный способ.

Проверить наличие и работоспособность устройств можно также в приложении AIDA64. Устанавливаете приложение и получаете информацию в разделе «Датчики» обо всех установленных комплектующих в вашем смартфоне.

Как откалибровать гироскоп на Android

Гироскоп — это самостоятельный датчик, который невозможно настроить самостоятельно. Он есть во всех смартфонах и включить/отключить его нельзя, он всегда работает. В этой ситуации возможно лишь настроить или откалибровать акселерометр. Например, включить или выключить функцию поворота экрана.

Функция «Автоповорот экрана» помогает избежать случайной смены ориентации экрана

Для калибровки акселерометра используется стороннее приложение Accelerometer Calibration. Мобильное устройство кладется на ровную поверхность, а когда показывающий равновесие шарик окажется в прицеле, надо нажать кнопку «Calibrate».

Гироскоп — это один из важнейших датчиков наряду с датчиком освещенности. Он помогает пользоваться навигацией, меняя положение телефона. Без него не работал бы автоповорот экрана,

Источник

Зачем нужен гироскоп и как узнать, есть ли он в смартфоне?

С некоторых пор выяснилось, что гироскоп является очень важным датчиком. И весьма печально, что об его отсутствии производители смартфонов скромно умалчивают на своих презентациях. К счастью, узнать о наличии или отсутствии гироскопа можно как до покупки устройства, так и после. Как это сделать — рассказано в сегодняшней статье.

Что такое гироскоп?

Но сначала давайте разберемся с тем, чем именно является гироскоп. Также мы постараемся выяснить, настолько ли важной деталью он считается. И лишь после этого мы расскажем вам о том, как проверить его наличие.

Полноценный гироскоп по своей форме похож на юлу или волчок. Он обладает подставкой, диском-ротором, шпилькой и несколькими обручами. Его конструкция выполнена таким образом, что диск всегда находится в одном положении, за что следует поблагодарить силу тяжести.

В смартфон невозможно установить классический гироскоп, так как он имеет слишком крупные размеры. Поэтому вместо него используется специальный датчик, построенный на основе микроэлектромеханической системы. Его ширина варьируется от 5 до 10 мм, а высота не превышает 5 мм. Однако и такие габариты кажутся некоторым производителям смартфонов чересчур большими, в связи с чем частенько они отказываются от установки гироскопа.

Где используется гироскоп?

Данный датчик является усовершенствованной версией акселерометра. С его помощью операционная система не только вовремя узнаёт о передвижении и вращении устройства, но и может с точностью отслеживать все эти действия. Если акселерометр — это своеобразный строительный уровень, то гироскоп увеличивает точность показаний этого датчика в разы.

Если вы в будущем хотите приобрести VR-шлем для Android, то в вашем аппарате обязан присутствовать гироскоп. Данный датчик будет отслеживать повороты вашей головы, направляя виртуальный взгляд именно в ту сторону, в которую направлены ваши настоящие глаза. Также гироскоп на Андроид помогает в просмотре звездного неба. Если использовать соответствующее приложение, то оно будет понимать, в какую сторону света направлена камера, показывая названия видимых в данный момент созвездий.

А ещё этот датчик используется в играх с дополненной реальностью. Самым ярким примером тому служит Pokemon Go. Если гироскопа в смартфоне нет, то карманные монстры будут прыгать по виртуальной траве. Если же датчик присутствует, то зверьки станут двигаться по настоящему миру, видимая область которого попадает во взгляд встроенной камеры.

Как узнать, имеется ли гироскоп в смартфоне или планшете

Существуют несколько способов узнать о том, присутствует ли в вашем устройстве гироскоп. Самый банальный — это пойти на официальный сайт производителя, чтобы ознакомиться с техническими характеристиками гаджета. Конкретно гироскоп нужно искать в перечне датчиков. Но мы ведь не ищем легких путей? Поэтому перейдет к другим способам.

Если на ваш смартфон или планшет установлен клиент YouTube, то откройте его и введите в поисковую строку запрос «360 видео». Запустите показ любого из выданных результатов. Если вы можете вертеть взглядом виртуальной камеры при помощи поворотов смартфона, то гироскоп присутствует и успешно функционирует. Если поворачивать взгляд можно только пальцем, то датчика в составе аппарата нет.

Другой способ заключается в использовании приложения AnTuTu Benchmark. Вам нужно его скачать, установить и запустить. Во вкладке «Инфа» вы обнаружите все технические спецификации своего устройства. В том числе вы увидите наименование встроенного гироскопа. Либо обнаружите, что он «Не поддерживается» (то есть, его попросту нет).

Вместо AnTuTu можно установить и более специализированную утилиту. Речь идет о Sensor Sense. Он отображает показания со всех встроенных в смартфон датчиков. Если гироскопа в списке нет, то он в гаджет не встроен. Это можно сказать и в том случае, если данные у этого датчика не изменяются при вращении аппарата в руках.

Как включить гироскоп на Андроиде?

Данный элемент смартфона работает на постоянной основе. Его нельзя включить или отключить. Если вы в этот момент думаете о функции поворота экрана, то за неё отвечает акселерометр. И эту функцию действительно можно отключить. Для этого совершите следующие действия:

Шаг 1. Перейдите в раздел с настройками системы.

Шаг 2. Перейдите в подраздел «Экран».

Шаг 3. Здесь вы без труда обнаружите пункт, отвечающий за действия устройства при его повороте. Смените его значение на нужное.

На смартфонах с актуальной версией Android управлять опцией автоповорота экрана можно через панель уведомлений. В зависимости от модели устройства данный параметр может называться по-разному.

На корпусе некоторых старых гаджетов (в основном на планшетных компьютерах) можно обнаружить отдельный переключатель. Он блокирует поворот экрана, вне зависимости от выставленных настроек.

Можно ли настроить гироскоп?

Как уже было сказано выше, гироскоп является совершенно самостоятельным датчиком, в работу которого вмешаться никак нельзя. Если акселерометр можно откалибровать, то с гироскопом никакие подобные действия совершить нельзя. Если же он вовсе отсутствует, то придется покупать для дополненной или виртуальной реальности новый телефон.

Источник

Как это работает. Гироскоп

Механизм, изобретенный в начале XIX века, сегодня находит применение практически повсеместно. Гироскопы используются в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах, игровых приставках и квадрокоптерах. Рассказываем об удивительном гироскопе – его истории, устройстве и принципе действия.

От детского волчка до полетов в космос

В основе многих научных открытий лежит наблюдение за простыми повседневными вещами. Так и один из важных приборов, применяющихся в составе современных устройств, – гироскоп – родился из старинной детской игрушки, известной как волчок. Сильно раскрученный волчок, удерживающий вертикальное положение даже при воздействии на него внешних сил, привлек внимание ученых. Изучая его свойства, люди науки задумывались о практическом применении эффекта. Волчком интересовались англичанин Исаак Ньютон, российский академик Леонард Эйлер, опубликовавший в 1765 году труд «Теория движения твердых тел», и другие ученые.

Первые механические гироскопы появились в начале XIX века. Но только в 1852 году французский физик Леон Фуко предложил использовать устройство для контроля изменения направления и дал ему название «гироскоп». Первый промышленный гироскоп был создан в конце XIX века − австрийский инженер Людвиг Обри придумал использовать его для стабилизации курса торпеды.

Следующим шагом в истории гироскопии стало создание лазерного гироскопа. Подготовка к его «рождению» заняла практически весь XX век, ведь для этого нужно было подтянуть квантовую физику и создать новые методы обработки материалов. Разработка лазерных гироскопов началась в 1970-х годах, а массовое применение пришлось на 2000-е. Сегодня мы находимся на этапе развития нового поколения гироскопов – волновых твердотельных и микромеханических.

В наше время гироскопы применяются в самых разных областях: для стабилизации фото- и видеокамер, в мобильных устройствах и игровых контроллерах, в огнестрельном оружии и робототехнике, в гироскутерах и квадрокоптерах, в системах навигации и управления в авиации, на кораблях и в космосе. Современные гироскопы на МЭМС-технологиях могут достигать миллиметровых размеров.

Устройство механического гироскопа

Как мы уже выяснили, гироскопы различаются в зависимости от принципа действия. Волчок, или юла – это простейший вариант механического гироскопа. Если массивный волчок раскрутить до достаточно высокой скорости, он сможет долго простоять в вертикальном положении, пока не затормозится, а также практически не отклоняться по вертикальной оси при применении к нему силы. Волчок не падает благодаря тому, что вращающееся тело стремится сохранить величину своей угловой скорости и направление оси вращения. Свободно вращающийся волчок под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей. Это явление называется прецессией.

Рассмотрим устройство на примере чуть более сложного роторного гироскопа с тремя степенями свободы. Подобный гироскоп, способный выполнять роль гирокомпаса, демонстрировал Леон Фуко. Три степени свободы гироскопа обеспечиваются с помощью карданового подвеса. Он состоит из двух колец: большого кольца, которое может вращаться вокруг вертикальной оси, и малого кольца, вращающегося вокруг горизонтальной оси. Внутри малого кольца закрепляется вращающееся тело – ротор. В результате благодаря кардановой системе подвеса ось ротора может иметь любое направление.

Механический гироскоп в движении

Для начала работы ротор раскручивается: чем быстрее раскручено колесо ротора, тем выше его сопротивление изменениям направления оси вращения. Как бы мы ни вращали все устройство, движущийся внутри него ротор сохраняет направление оси вращения в пространстве.

На этих свойствах вращающегося гироскопа основана работа гирокомпаса. Например, в авиации гирокомпас позволяет определять положение самолета в отсутствие ориентиров. Если самолет кренится в продольной или поперечной плоскости, с помощью гирокомпаса пилот увидит это отклонение по приборам. Кроме того, гирокомпас необходим в работе автопилота.

При очевидной полезности у механического гироскопа есть ряд недостатков. Для его стабильной работы нужны уникальные подшипники и предельная балансировка. Кроме того, на точность показаний влияет неизбежное трение в осях устройства.

Лазерный гироскоп − до сих пор на высоте

Избавиться от перечисленных слабых мест механики удалось в гироскопах следующего поколения − лазерных. В основе работы лазерного гироскопа – эффект Саньяка, открытый еще в 1913 году. Его суть заключается в том, что время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, покоится или вращается данный контур, а также от направления его вращения. Применить этот эффект в гироскопии удалось только с появлением лазеров.

Первые работы по созданию лазерного гироскопа были начаты практически одновременно в США и СССР. В 1962 году американские ученые В. Мацек и Д. Девис создали и запустили первый макетный образец лазерного гироскопа на базе кольцевого газового He-Ne-лазера. В середине 1963 года аналогичный результат был достигнут советскими учеными Л.Н. Курбатовым (НИИПФ) и В.Н. Курятовым (НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, сегодня входит в холдинг «Швабе» Ростеха).

Бесплатформенная навигационная система БИНС-СП-1 с лазерным гироскопом

Впоследствии наиболее значимые разработки лазерных гироскопов были организованы в НИИ «Полюс» под руководством его основателя М.Ф. Стельмаха, а начиная с 1969 года запущено промышленное производство и поставки серийных образцов.

Сегодня применяются лазерные гироскопы трех основных типов – вибрационный, фарадеевский и зеемановский. У первого частотная подставка основана на механическом реальном вращении гироскопа путем угловых вибраций, у второго и третьего – на искусственном, электрически управляемом расщеплении частот встречных волн в гироскопе. Лазерные гироскопы используются в составе инерциальных навигационных систем, позволяющих определять местоположение самолета без опоры на внешние источники информации.

Помимо НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха на сегодняшний день масштабными производителями лазерных гироскопов являются Раменский приборостроительный завод и Тамбовский завод «Электроприбор», входящие в «Концерн Радиоэлектронные технологии». Их гироскопы применяются в навигационных устройствах, которые устанавливаются на десятки моделей российских самолетов и вертолетов. Несмотря на общую тенденцию к миниатюризации техники и на совершенствование гироскопов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологии), лазерные гироскопы в силу своей высокой точности продолжают доминировать на рынке навигационных устройств.

Источник

Все стабильно или Как работает гироскоп?

Александра Иваницкая

Вы видели сложные конструкции, которыми пользуются фотографы и видеооператоры во время съемок — большие рамки, в которых подвешенные камеры всегда снимают идеально ровно. Это устройство называется стабилизатором и в основе у него — гироскоп. Механизм, который изобрели в начале XIX века и который сделал возможным не только съемку качественного видео на свадьбе, но и полеты в космос. Рассказываем, как работает этот механизм.

Что такое гироскоп?

Гироскоп — это устройство, способное реагировать на изменение углом объекта, на котором он установлен. То есть при наклоне или вращении он остается неподвижным, не наклоняется, не падает и не трясется.

Гироскоп был создан в 1817 году Иоганном Боненбергером, а в 1852 Жан Фуко усовершенствовал устройство и окрестил его гироскопом. Оба ученых использовали устройство для того, чтобы наглядно демонстрировать законы вращения земли вокруг своей оси. В дальнейшем Фуко изобрел известный маятник, показывающий движение нашей планеты.

Гироскопы бывают механическими, лазерными и оптическими.

Гироскоп состоит из свободной оси и ротора, двух рам и стабильного корпуса. Ротор вращается вокруг оси, а ось в то же время может поворачиваться в любую сторону. Оси всех частей гироскопа пересекаются в центре подвеса, который совпадает с центром масс этих тел. Благодаря этому гироскоп может сохранять свое положение относительно оси вращения. То есть ротор будет продолжать вращаться в одной плоскости, в то время, как основание конструкции будет менять положение относительно предмета, на котором гироскоп установлен.

Применение гироскопа

Свойства гироскопа пригодились не только астрономам. Одними из первых это устройство начали использовать в 1860-х в навигации, когда гироскоп объединили с компасом. Получившийся гирокомпас облегчал жизнь морякам на судне, когда нужно было пройти через шторм. В XX веке гироскоп использовали в черных ящиках — навигационных устройствах на борту самолетов, а впоследствии их использовали в космических кораблях.

Также гироскоп (а затем его более усовершенствованная версия — акселерометр) используется в смартфонах и умных часах. Именно это устройство помогает смартфону или часам понять, что вы — например — упали, и послать сигнал помощи.

Источник

ГИРОСКОП

ГИРОСКОП, навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия).

В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен. Именно так французский физик Ж.Фуко (1819–1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха.

Применение.

Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.
См. также МАХОВИК.

Основные области применения гироскопов – судоходство, авиация и космонавтика (см. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ). Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование – навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4–20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Гироскопический эффект создается той же самой центробежной силой, которая действует на юлу, вращающуюся, например, на столе. В точке опоры юлы о стол возникают сила и момент, под действием которых ось вращения юлы отклоняется от вертикали, а центробежная сила вращающейся массы, препятствуя изменению ориентации плоскости вращения, вынуждает юлу вращаться и вокруг вертикали, сохраняя тем самым заданную ориентацию в пространстве.

Таким вращением, называемым прецессией, ротор гироскопа отвечает на приложенный момент силы относительно оси, перпендикулярной оси его собственного вращения. Вклад масс ротора в этот эффект пропорционален квадрату расстояния до оси вращения, поскольку чем больше радиус, тем больше, во-первых, линейное ускорение и, во-вторых, плечо центробежной силы. Влияние массы и ее распределения в роторе характеризуется его «моментом инерции», т.е. результатом суммирования произведений всех составляющих его масс на квадрат расстояния до оси вращения. Полный же гироскопический эффект вращающегося ротора определяется его «кинетическим моментом», т.е. произведением угловой скорости (в радианах в секунду) на момент инерции относительно оси собственного вращения ротора.

Кинетический момент – векторная величина, имеющая не только численное значение, но и направление. На рис. 1 кинетический момент представлен стрелкой (длина которой пропорциональна величине момента), направленной вдоль оси вращения в соответствии с «правилом буравчика»: туда, куда подается буравчик, если его поворачивать в направлении вращения ротора.

Прецессия и момент силы тоже характеризуются векторными величинами. Направление вектора угловой скорости прецессии и вектора момента силы связано правилом буравчика с соответствующим направлением вращения.
См. также ВЕКТОР.

ГИРОСКОП С ТРЕМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

На рис. 1 дана упрощенная кинематическая схема гироскопа с тремя степенями свободы (тремя осями вращения), причем направления вращения на ней показаны изогнутыми стрелками. Кинетический момент представлен жирной прямой стрелкой, направленной вдоль оси собственного вращения ротора. Момент силы прикладывается нажатием пальца так, что он имеет составляющую, перпендикулярную оси собственного вращения ротора (вторую силу пары создают вертикальные полуоси, закрепленные в оправе, которая связана с основанием). Согласно законам Ньютона, такой момент силы должен создавать кинетический момент, совпадающий с ним по направлению и пропорциональный его величине. Поскольку же кинетический момент (связанный с собственным вращением ротора) фиксирован по величине (заданием постоянной угловой скорости посредством, скажем, электродвигателя), это требование законов Ньютона может быть выполнено только за счет поворота оси вращения (в сторону вектора внешнего момента силы), приводящего к увеличению проекции кинетического момента на эту ось. Этот поворот и есть прецессия, о которой говорилось ранее. Скорость прецессии возрастает с увеличением внешнего момента силы и убывает с увеличением кинетического момента ротора.

Гироскопический указатель курса.

На рис. 2 показан пример применения трехстепенного гироскопа в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создается и поддерживается струей сжатого воздуха, направленной на рифленую поверхность обода. Внутренняя и наружная рамки карданова подвеса обеспечивают полную свободу вращения оси собственного вращения ротора. По шкале азимута, прикрепленной к наружной рамке, можно ввести любое значение азимута, выровняв ось собственного вращения ротора с основанием прибора. Трение в подшипниках столь незначительно, что после того как это значение азимута введено, ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве, и, пользуясь стрелкой, скрепленной с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолета. Показания поворота не обнаруживают никаких отклонений, если не считать эффектов дрейфа, связанных с несовершенствами механизма, и не требуют связи с внешними (например, наземными) средствами навигации.

ДВУХСТЕПЕННЫЙ ГИРОСКОП

Во многих гироскопических приборах используется упрощенный, двухстепенный вариант гироскопа, в котором наружная рамка трехстепенного гироскопа устранена, а полуоси внутренней закрепляются непосредственно в стенках корпуса, жестко связанного с движущимся объектом. Если в таком устройстве единственная рамка ничем не ограничена, то момент внешней силы относительно оси, связанной с корпусом и перпендикулярной оси рамки, заставит ось собственного вращения ротора непрерывно прецессировать в сторону от этого первоначального направления. Прецессия будет продолжаться до тех пор, пока ось собственного вращения не окажется параллельной направлению момента силы, т.е. в положении, при котором гироскопический эффект отсутствует. На практике такая возможность исключается благодаря тому, что задаются условия, при которых поворот рамки относительно корпуса не выходит за пределы малого угла.

Если прецессия ограничивается только инерционной реакцией рамки с ротором, то угол поворота рамки в любой момент времени определяется проинтегрированным ускоряющим моментом. Поскольку момент инерции рамки обычно сравнительно мал, она слишком быстро реагирует на вынужденное вращение. Имеются два способа устранить этот недостаток.

Противодействующая пружина и вязкостный демпфер.

Датчик угловой скорости.

Прецессию оси вращения ротора в направлении вектора момента силы, направленного вдоль оси, перпендикулярной оси рамки, можно ограничить пружиной и демпфером, воздействующими на ось рамки. Кинематическая схема двухстепенного гироскопа с противодействующей пружиной представлена на рис. 3. Ось вращающегося ротора закреплена в рамке перпендикулярно оси вращения последней относительно корпуса. Входной осью гироскопа называется направление, связанное с основанием, перпендикулярное оси рамки и оси собственного вращения ротора при недеформированной пружине.

Момент внешней силы относительно опорной оси вращения ротора, приложенный к основанию в тот момент времени, когда основание не вращается в инерциальном пространстве и, следовательно, ось вращения ротора совпадает со своим опорным направлением, заставляет ось вращения ротора прецессировать в сторону входной оси, так что угол отклонения рамки начинает увеличиваться. Это эквивалентно приложению момента силы к противодействующей пружине, в чем состоит важная функция ротора, который в ответ на возникновение входного момента силы создает момент силы относительно выходной оси (рис. 3). При постоянной входной угловой скорости выходной момент силы гироскопа продолжает деформировать пружину, пока создаваемый ею момент силы, воздействующий на рамку, не заставит ось вращения ротора прецессировать вокруг входной оси. Когда скорость такой прецессии, вызванной моментом, создаваемым пружиной, сравняется с входной угловой скоростью, достигается равновесие и угол рамки перестает изменяться. Таким образом, угол отклонения рамки гироскопа (рис. 3), указываемый стрелкой на шкале, позволяет судить о направлении и угловой скорости поворота движущегося объекта.

На рис. 4 показаны основные элементы указателя (датчика) угловой скорости, ставшего в настоящее время одним из самых обычных авиакосмических приборов.

Вязкостное демпфирование.

Для гашения выходного момента силы относительно оси двухстепенного гироузла можно использовать вязкостное демпфирование. Кинематическая схема такого устройства представлена на рис. 5; она отличается от схемы на рис. 4 тем, что здесь нет противодействующей пружины, а вязкостный демпфер увеличен. Когда такое устройство поворачивается с постоянной угловой скоростью вокруг входной оси, выходной момент гироузла заставляет рамку прецессировать вокруг выходной оси. За вычетом эффектов инерционной реакции (с инерцией рамки связано в основном лишь некоторое запаздывание отклика) этот момент уравновешивается моментом сил вязкостного сопротивления, создаваемым демпфером. Момент демпфера пропорционален угловой скорости вращения рамки относительно корпуса, так что выходной момент гироузла тоже пропорционален этой угловой скорости. Поскольку этот выходной момент пропорционален входной угловой скорости (при малых выходных углах рамки), выходной угол рамки увеличивается по мере того, как корпус поворачивается вокруг входной оси. Стрелка, движущаяся по шкале (рис. 5), указывает угол поворота рамки. Показания пропорциональны интегралу угловой скорости вращения относительно входной оси в инерциальном пространстве, и поэтому устройство, схема которого представлена на рис. 5, называется интегрирующим двухстепенным гиродатчиком.

На рис. 6 изображен интегрирующий гиродатчик, ротор (гиромотор) которого заключен в герметично запаянный стакан, плавающий в демпфирующей жидкости. Сигнал угла поворота плавающей рамки относительно корпуса вырабатывается индукционным датчиком угла. Положение поплавкового гироузла в корпусе задает датчик момента в соответствии с поступающими на него электрическими сигналами. Интегрирующие гиродатчики обычно устанавливают на элементах, снабженных сервоприводом и управляемых выходными сигналами гироскопа. При таком расположении выходной сигнал датчика момента можно использовать как команду на поворот объекта в инерциальном пространстве. См. также ГИРОКОМПАС.

Источник

Принцип работы гироскопа

Простыми словами, гироскоп – это волчок, быстро вращающийся вокруг вертикальной оси, закрепленный на раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и закреплена на другой раме, которая поворачивается вокруг третьей оси.

Как бы мы ни поворачивали волчок, он всегда имеет возможность все равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор получает информацию и считывает с высокой точностью, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.

Что такое гироскоп в смартфоне

Современные мобильные устройства в большинстве своем оснащены гироскопами. Их еще называют гиродатчиками. Этот элемент смартфона работает на постоянной основе, автономно, не требует калибровки. Этот прибор не нужно включать, но в некоторых телефонах есть функция отключения с целью экономии энергии. Выполнен он в виде микроэлектромеханической схемы, расположенной под корпусом смартфона.

Для чего нужен

Внедрение технологии гиродачиков в мобильные девайсы существенно расширило их функционал и добавило новый способ управления устройствами. Например, простое встряхивание телефона позволит ответить на входящий звонок. Изменение ориентации экрана с помощью наклонов смартфона тоже реализовано благодаря гиродатчикам; этот прибор обеспечивает стабилизацию камеры. В приложении «Калькулятор» простой поворот экрана на 90 градусов открывает дополнительные функции программы.

Гиродатчик очень упростил пользование встроенными в смартфон картами. Если человек повернет свой девайс «лицом» к, скажем, конкретной улице, то это отобразится на карте с высокой точностью. Хороший смартфон с гироскопом обеспечивает пару интересных возможностей для мобильного гейминга. Управление виртуальным автомобилем становится невероятно реалистичным, когда для вождения машины используются повороты смартфона. В технологиях виртуальной реальности с помощью гиродатчиков отслеживаются повороты головы.

Как работает гироскопический датчик

В гиродатчике есть две массы, двигающиеся в противоположных направлениях. Когда появляется угловая скорость, на массу действует сила Кориолиса, направленная перпендикулярно их движению. Происходит смещение масс на величину, пропорциональную прикладываемой скорости. Меняется расстояние между подвижными и неподвижными электродами, что приводит к изменению емкости конденсатора и напряжению на его обкладках, а это уже электрический сигнал. Такие электронные сигналы и распознаются гиродатчиком.

Как узнать, есть ли гироскоп в смартфоне

Простой способ – ознакомиться с характеристиками девайса на официальном сайте производителя. Если гиродатчик имеется – это обязательно будет указано. Некоторые производители умалчивают о том, есть ли гироскоп на телефоне, не желая тратить на него место. Их можно понять – все сейчас стремятся сделать телефон легче и тоньше. В таких случаях помогут сторонние приложения.

На YouTube есть целый раздел видео, которые можно поворачивать на 360 градусов. Если у вас поддерживается возможность управления таким видео через повороты смартфона, значит работает гироскоп. Еще можно установить приложение AnTuTu Benchmark, которое проводит полную диагностику вашего устройства. Там вы найдете строку о наличии или отсутствии гироскопа.

В каких телефонах есть гироскоп

Первым смартфоном, в котором был установлен гиродатчик, является Iphone 4. Покупатели позитивно отнеслись к такому нововведению и с тех пор телефоны с гироскопом начали заполнять рынок. Все последующие версии смартфонов Apple были оборудованы гиродатчиками. Владельцам андроид-устройств в этом плане немного сложнее, благо, о наличии датчика можно спросить у консультанта перед покупкой, или проверить самому. Гироскоп в телефоне – это важный бонус.

Видео

Гироскоп: применение

Чаще всего этот прибор используется в качестве чувствительного элемента для указывающих гироскопических приборов, а также в качестве датчика угла поворота или угловой скорости для устройств, работающих под автоматическим управлением. В некоторых случаях гироскоп может послужить в качестве генератора энергии или момента силы.

Принцип работы гироскопа позволяет активно использовать его в авиации, судоходстве и космонавтике. Почти у каждого морского судна дальнего плавания имеется гирокомпас для автоматического или ручного управления судном, а в некоторых используются и гиростабилизаторы. Система управления огнем корабельной артиллерии обычно оснащается множеством дополнительных гироскопов, которые предназначены для обеспечения стабильной системы отсчета или для измерения угловых скоростей.

Вертолеты и самолеты тоже обязательно оборудуются этими приспособлениями для того, чтобы давать надежную информацию о деятельности систем навигации и стабилизации. К таким приборам можно отнести авиагоризонт, гироскопический указатель поворота и крена, гировертикаль. Если рассматривать вертолет с гироскопом, то тут этот прибор может служить как в качестве указывающего устройства, так и в качестве датчика автопилота.

Многие самолеты оснащены гиростабилизированными магнитными компасами и прочим оборудованием – фотоаппаратами с гироскопами, гиросектантами, навигационными визирами. В военной авиации активно используются гироскопы в качестве составных элементов в прицелах бомбометания и воздушной стрельбы.

Гироскоп в смартфоне – что это?

Отличие гироскопа от акселерометра

Гироскоп в смартфоне – что это? Такой модуль способен передавать данные тем или иным приложениям об угле наклона мобильного гаджета по отношению к земной поверхности. Подобная функция закреплена также за акселерометром. Однако указанные девайсы имеют различный принцип работы. Ведь функционирование акселерометра основано на вычислении собственного ускорения в пространстве. На практике отмеченные возможности обеих систем оказываются взаимозаменяемыми. Именно по этой причине современные смартфоны оснащаются как гироскопом, так и акселерометром.

Функции гироскопа

Зачем нужен гироскоп в смартфоне? Применение датчика открывает следующие возможности. В первую очередь благодаря элементарному встряхиванию мобильного телефона пользователь способен быстро ответить на входящий звонок. Гироскоп позволяет просматривать изображения, переключать аудиозаписи в плеере, облегчает переворачивание страниц во время просмотра текстовых документов.

Еще зачем гироскоп в смартфоне? Чрезвычайно удобным модуль становится при использовании калькулятора. Благодаря отклонению гаджета в ту или иную сторону можно выбирать функции умножения, деления, вычитать и слагать значения.

Разработчики мобильных устройств нашли применение гироскопу также при работе с различными приложениями и программным обеспечением. При встряхивании некоторых устройств автоматически происходит обновление Bluetooth. Очень удобным наличие модуля становится при необходимости измерения уровней и углов наклона.

Гироскоп незаменим в случае работы с электронными картами. Модуль дает возможность определять точное положение пользователя на определенной местности. При запуске навигатора карта будет менять положение вслед за поворотом человека. Если пользователь развернется лицом к тому или иному объекту, это сразу же отобразится на визуальной схеме. Такая функция будет крайне полезной для людей, которые увлекаются активным отдыхом, в частности путешествиями и ориентированием на местности.

Без гироскопа не могут обойтись любители мобильных игр. Функциональный модуль способствует созданию более реалистичной картинки и облегчает управление. Особенно правдоподобными благодаря гироскопу становятся всевозможные симуляторы, шутеры, трехмерные бродилки. Чтобы езда на виртуальной машине либо полет на самолете казались более реальными, достаточно изменения положения смартфона в одной из плоскостей.

Если пользователь мобильного телефона в дальнейшем планирует использовать шлем виртуальной реальности, в таком случае наличие гороскопа выступает обязательным условием. Без датчика станет невозможным отслеживание системой смартфона поворотов головы, перемещения человека в пространстве.

Недостатки

Но наличие в смартфоне гироскопа может обернуться минусом, да таким, что отдельные пользователи стараются сразу же отключить функциональный модуль. Речь идет о реакции некоторых приложений на изменения положения сотового телефона в пространстве со значительным запозданием.

Сравнительным недостатком наличия гироскопа в смартфоне выступают неудобства, которые способны возникать при чтении электронной книги. Если пользователь произвольно меняет позу, датчик тут же преобразит ориентацию странички в соответствующей плоскости. Подобные моменты обычно вызывают раздражение.

Как определить, есть ли гироскоп в смартфоне

Узнать о присутствии функционального модуля в системе мобильного устройства можно несколькими способами. Наиболее простой и доступный вариант – ознакомление с описанием модели смартфона на официальном сайте изготовителя либо просмотр прилагающейся к гаджету технической документации.

Существуют и другие решения. Например, можно прибегнуть к установке на телефон специальных приложений. Одним из таковых выступает AnTuTu Benchmark. После инсталляции и запуска приложения достаточно перейти на вкладку «Информация». Через несколько мгновений на экране отобразятся все спецификации смартфона.

В качестве альтернативы вышеуказанному варианту можно воспользоваться утилитой Sensor Sense. Приложение фиксирует данные, которые исходят со всех датчиков, встроенных в мобильное устройство. Если в списке «запеленгованных» модулей не окажется гироскопа, это будет свидетельствовать о его отсутствии.

Гироскоп в смартфоне. Зачем он нужен и как работает

На фотографии сверху можно увидеть мобильное приложение, имитирующее акселерометр.

Современное строение акселерометров позволяет связывать их с бортовым компьютером в автомобилях, поездах, самолетах и ракетах. Таким образом, получается абсолютная целостная система. Ее основной задачей является анализ измерения показателя ускорения. Впоследствии компьютером дается соответствующая команда о корректировке работы, при этом увеличивается или уменьшается скорость движения.

На данный момент использование датчика акселерометра вышло за пределы транспортной индустрии. Данное устройство также стало устанавливаться и в мобильные телефоны, но при этом в немного другой форме. Именно о современной вариации уменьшенного прибора и пойдет речь далее.

Что такое гироскоп в телефоне

Как и OTG, гироскоп в смартфонах на базе Андроида, Айфонах и других современных мобильных устройствах — это программно-аппаратная технология, позволяющая владельцу пользоваться своим телефоном с наибольшим уровнем комфорта. По сути же гироскоп — это небольшой датчик, встроенный в общую плату и передающий операционной системе информацию о текущем положении аппарата в пространстве.

Но сначала — несколько слов и гироскопах в целом. Устройства такого типа, позволяющие измерять отклонение от «точки спокойствия» во всех трёх измерениях, появились очень давно; традиционно изобретение прибора приписывают И. Боненбергеру, жившему в начале XIX века, однако практические модели существовали с незапамятных времён; самый простой их пример — юла, то есть игрушка, способная долгое время сохранять движение относительно центра тяжести.

Устройство, созданное Боненбергером и окончательно оформленное жившим чуть позже М. Фуко, технически представляло собой тяжёлый диск, вращающийся в трёх ориентированных по осям X, Y и Z сферах. И, как уже упоминалось, центр тяжести диска (в ранних версиях — шара) оставался неизменным вплоть до прекращения вращения, вне зависимости от наклона сфер.

Нанеся на внешние ободы прибора шкалу, учёные смогли отслеживать наклон, а стало быть — и изменение направления движения относительно Земли как неподвижной точки. С того времени и по сей день гироскопы, в том числе в телефонах, используются именно с этой общей целью: для определения перемещения в пространстве.

Разумеется, внутри смартфона нет ни вращающихся дисков, ни тяжёлых шаров; вместо них в плату впаиваются микроприборы, содержащие ничтожно малые количества перемещающегося вещества. Найти гироскоп, не разбираясь в схемотехнике на высоком уровне, почти невозможно — внешне он ничем не отличается от других датчиков.

Устройство гироскопа

Прибор гироскоп был изобретен еще в 19 веке. Его работа заключается во вращении твердых тел с высокой скоростью вокруг оси. Самым простым и наглядным примером работы агрегата является простая игрушка юла. Когда мы раскручиваем ее, она вращается вокруг оси до тех пока на нее не начинают воздействовать внешние силы.

Гироскоп в свою очередь не подвержен такому воздействию и сохраняет устойчивость благодаря гораздо большей силе вращения, чем у юлы. Таким образом, вы можете поворачивать аппарат как угодно, но его ось останется неизменно вертикальной.

Самый первый гироскоп был механическим, однако дальше, с развитием науки он стал лазерным и оптическим. В электромеханике сегодня такие приборы используются в виде микроэлектромеханических датчиков. Именно таким образом он умещается в телефон, сложную навигационную систему кораблей, самолетов и вертолетов.

Таким образом, в современном мире люди живут, что называется на высоких скоростях. Однако для упрощения и увеличения качества жизни в бытовой обиход входят все больше приборов, которые ранее использовались только для высоких технологий. Одним из таких примеров, является гироскоп в телефоне. Что это за устройство, давно знают капитаны морских судов и подводных лодок, пилоты и космонавты. В современном гаджете такое устройство появилось относительно недавно, но уже прочно закрепилось среди важных и полезных функций.

Источник

Гироскопы, и с чем их едят в авиации ⁠ ⁠

Многие видели видео с этими магическими штуками, не подчиняющимися гравитации. Сегодняшний пост про то, какие радости и печали они приносят на борт самолетов.

Сначала немного истории. В 1914 году во Франции состоялось что-то вроде нашего Макса, т.е. авиашоу + демонстрация новинок в самолетных делах. Один из самолетов пилотировался Лоренсом Сперри и его помощником. Они сделали 3 прохода вдоль реки на глазах у публики и жюри.

— В первом проходе оба пилота убрали руки со штурвала и подняли их над головой. Самолет летел прямо, вдоль реки.

— Во втором проходе помощник Сперри вышел на крыло. Самолет накренился было, но быстро выровнялся и продолжил лететь вдоль реки.

— В третьем проходе Сперри тоже вышел на крыло. В кабине никого не было, самолет летел вдоль реки.

Так мир увидел первый автопилот. Но обо всем по порядку.

1. Авиагоризонт. Вращающийся диск гироскопа стремится сохранить свое положение в пространстве. Правда для этого нужно, чтобы он мог свободно вращаться вокруг всех трех осей; для этого его подвешивают на две рамки.

Если раскрутить диск в горизонтальной плоскости и взять с собой в самолет, то он будет показывать, как располагается горизонт. По нему почти можно будет лететь (на самом деле нет). На этом принципе основано действие авиагоризонта. Обычные авиагоризонты стоят 500-2000 баксов.

Вот на этом видео, где камера крутится вместе со стулом, видно одну интересную особенность. Поначалу кажется, что внутренняя рамка проскакивает через внешнюю рамку, но если приглядеться, то нет. На этой гифке они никогда не совмещаются.

Совмещение рамок приводит к тому, что гироскоп теряет одну степень свободы и перестает сохранять положение в пространстве. Это называется «выбиванием» гироскопа. Такое бывает при очень резких маневрах, например при пилотаже, и приводит вот к чему:

Пока я писала этот пост, мне вспомнилось, что в телефонах тоже есть гироскопы. Они основаны на другом принципе и поэтому, как и лазерные гироскопы, не выбиваются. И да, я только что потратила 10 минут своей жизни на попытки выбить гироскоп в телефоне, прежде чем об этом узнала (телефон не пострадал).

2. Автопилот. Первый автопилот был очень простым: гироскоп механически соединялся с рулями самолета. Если по какой-то причине самолет отклонялся от фиксированного положения, гироскоп активировал рули и тем самым возвращал самолет обратно, что Сперри и продемонствировал во Франции. Кстати выиграл 10 000 баксов тогдашних.

Современные автопилоты конечно намного сложнее.

3. Указатель курса. Давайте я просто гифку покажу.

Здесь мы от свободных гироскопов плавно переходим к несвободным, т.е. тем, которые не могут свободно вращаться в пространстве.

Что за магия, и почему он не падает? Есть такой шутливый ответ на вопрос «почему конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный?» Типа постоянный упирается в конденсатор, а переменный из-за синусоиды его огибает.

Так вот, давайте пока в шутку будем думать, что гироскоп вертел действующие силы, в прямом смысле этого слова:

Сила тяжести пытается уронить гироскоп, при этом развернув его вертикально (белая стрелка). Но гироскоп вертел эту стрелку на 90 градусов по вращению и превратил ее в желтую стрелку. Она и заставляет гороскоп крутиться, а сила тяжести как будто бы исчезла.

Как это он так не падает?

Очень прикольные ощущения, когда пытаешься наклонить раскрученный гироскоп. Он, как живой, сопротивляется и пытается вильнуть в сторону. Представьте, сколько подколок можно придумать, пряча гироскопы внутри обычных предметов. Берешь кружку, а она вырывается из рук.

У этого гироскопа всего 10-30 секунд «полезного» вращения, но его хватает, чтобы наиграться. Он раскручивается резким движением палочки с резьбой.

Вернемся к авиации. Есть такая шутка, «назовите самую большую деревянную деталь в самолете» (летчик). Как вы думаете, какой гироскоп в самолете самый большой? Не авиагоризонт. Вот самый большой гироскоп в самолете:

У Харриера (самолет с вертикальным взлетом) пришлось делать вращающиеся в разные стороны ступени компрессора, чтобы уменьшить гироскопические силы.

А теперь источник колдунства: взяли вы крутящийся гироскоп и решили нажать пальцем на край:

Но у той точки, на которую вы нажали, были свои планы лететь вбок, она же крутилась вместе с гироскопом, а тут вы нажали:

Куда она полетит, вниз? Нет. скорости сложатся, и она полетит по диагонали, вот так:

То есть ее вращение вокруг центра просто перейдет на новую орбиту.

Источник

Как это работает: гироскоп

Привет всем, уважаемые пользователи лучшего мобильного портала Trashbox. Сегодняшняя шестая по счёту статья из рубрики «Как это работает» посвящается гироскопу. Если вам не известно, что это такое — данная статья для вас. Давайте же узнаем, что такое гироскоп и как это работает. Самое интересное под катом.

Содержание

Гироскоп (в переводе значит «вращение» или «смотреть») — устройство, имеющее способность измерения изменения углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. В настоящее время известно два типа гироскопов: механический и оптический. По режиму действия гироскопы делятся на: датчики угловой скорости и указатели направления. Однако, одно устройство может работать одновременно в разных режимах в зависимости от типа управления.

Что касается механических гироскопов, то из них больше всех известен роторный гироскоп — это твёрдое тело, которое быстро вращается и ось которого способна изменять ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом существенно превышает скорость поворота оси его вращения. Основным свойством данного гироскопа является способность сохранения в пространстве неизменного направления оси вращения при отсутствии какого-либо воздействия на неё внешних сил. Основная часть роторного гироскопа — быстро-вращающийся ротор, имеющий несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Принцип работы

Принцип работы гироскопа заключается в грузиках, которые вибрируют на плоскости с частотой скорости умноженной на перемещение. При повороте гироскопа возникает так называемое Кориолисово ускорение. Если вы пропускали физику в школе или не знаете, то у всех тел есть единое свойство — при вращении они сохраняют свою ориентацию относительно направления силы тяжести. По сути, гироскоп — это волчок, который вращается вокруг вертикальной оси, закреплённый в раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и в свою очередь закреплена в другой раме, которая может поворачиваться вокруг третьей оси. Таким образом, можно придти к выводу: как бы мы не поворачивали волчок, он всегда имеет возможность всё равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор считывает, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.

Гироскопы применяются в технике. Они используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. Что касается той самой системы стабилизации, то она бывает трёх типов: система силовой стабилизации (используется на двухстепенных гироскопах), система индикаторно-силовой стабилизации (также на двухстепенных гироскопах) и система индикаторной стабилизации (на трёхстепенных гироскопах).

А теперь поподробнее об этих трёх основных типах. Система силовой стабилизации: для стабилизации вокруг каждой оси требуется один гироскоп. Сама стабилизация осуществляется непосредственно гироскопом, а также двигателем разгрузки. В начале действует гироскопический момент, а потом уже подключается двигатель разгрузки. Система индикаторно-силовой стабилизации: для стабилизации также требуется один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент. И последняя — система индикаторной стабилизации: для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Использование гироскопа в мобильных устройствах

Давайте же затронем тему использования гироскопа в мобильных устройствах и игровых приставках. В настоящее время в большинстве смартфонов используется так называемый МЭМС-акселерометр. Будучи датчиком ускорения, в покойном состоянии он видит только один вектор — вектор всемирной силы тяготения, который всегда направлен к центру Земли. По разложениям вектора на чувствительные оси датчика без каких-либо затруднений вычисляется угловое положение устройства в пространстве. Также разложение вектора может показать, что датчик неспособен определить разворот устройства по углу курса, то есть поворот влево или вправо при поставленном на ребро смартфоне — проекция вектора на курс всегда равняется нулю. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo — Wii Remote для игровой приставки Wii, и в нём используется только трёхмерный акселерометр.

Кроме того, гироскоп стал применяться и в игровых контроллерах. Например, Sixaxis для SONY PlayStation третьего поколения и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих игровых контроллерах используются два дополняющих друг друга пространственных сенсора: гироскоп, а также акселерометр. Также в новейших контроллерах, кроме акселерометра, используется дополнительный пространственный сенсор — гироскоп. Если привести работу гироскопа в других вещах, то существуют игрушки на основе гироскопа. Самыми банальными примерами являются йо-йо и волчок или в народе его называют «юла». Волчки же отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.

В других сферах также есть применение гироскопу — их целый список. Гироскоп используется в приборах навигации в самолётах и космических аппаратах, в оружии (пуля при стрельбе закручивается, это придаёт ей гораздо большую устойчивость и повышает точность стрельбы), колёса велосипеда или подобного устройства работают как гироскопы — это не даёт ездоку упасть. Таким образом, любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом — он противодействует отклонению оси вращения.

Источник