Гiроскопи в науцi i технiцi
Змiст
Вступ
1 Гiрополукомпаси. Гiрокомпас Фуко
4 Використання гiроскопiв в технiцi
5Системи стабiлiзацiї
6 Новi типи гiроскопiв
Висновки
Список використаних джерел
Вступ
Традицiйний гiроскоп — пристрiй, що мiстить швидкообертове тверде тiло, яке має три обертовi ступеня вiльностi, тобто можливiсть обертання навколо трьох взаємно-перпендикулярних осей. У бiльш широкому сенсi гiроскоп - це любий фiзичний прилад який дозволяє визначити кутову швидкiсть рухомого об’єкту, або його кут повороту.
Вiсь у тiлi (роторi) гiроскопа, навколо якої гiроскопу надано швидкого обертання, називають головною вiссю гiроскопа або вiссю власного обертання.
:
- стiйкiсть положення головної осi в iнерцiальному просторi, тобто здатнiсть ефективно опиратися зовнiшнiм силам, якi прагнуть змiнити напрямок головної осi у просторi;
- прецесiї: якщо на гiроскоп дiє постiйний момент сил, який прагне змiнити напрямок головної осi, то головна вiсь набуває обертання з постiйною кутовою швидкiстю у площинi, яка проходить через головну вiсь i вiсь прикладеного моменту сил;
у просторi конiчну поверхню з вершиною у точцi пiдвiсу.
стоячих хвиль у пружньому кiльцi та у вiсесиметричних оболонках), ефектi iнерцii поляризацiї пружнiх хвиль зсуву, тощо.
Прилади, що використовують властивостi гiроскопа, застосовуються в рядi галузей науки i технiки, зокрема в системах навiгацiї лiтальних апаратiв.
До винаходу гiроскопа людство використовувало рiзнi методи визначення напрямку у просторi. Здавна люди орiєнтувалися вiзуально по вiддалених предметiв, зокрема, за Сонцем. Вже в давнину з'явилися першi прилади: схил i рiвень, заснованi на гравiтацiї. У середнi столiття в Китаї був винайдений компас, який використовує магнетизм Землi. У Європi були створенi астролябiя та iншi прилади, заснованi на положеннi зiрок.
Боненбергера як винахiдника цього пристрою. Головною частиною гiроскопа Боненбергера був обертовий масивна куля в кардановому пiдвiсi. У 1832 роцi американець Уолтер Р. Джонсон придумав гiроскоп з обертовим диском. Французький вчений Лаплас рекомендував цей пристрiй в навчальних цiлях. У 1852 роцi французький учений Фуко удосконалив гiроскоп i вперше використав його як прилад, що показує змiну напряму (в даному випадку - Землi), через рiк пiсля винаходу маятника Фуко, теж заснованого на збереженнi обертального моменту. Саме Фуко придумав назву «гiроскоп». Фуко, як i Боненбергер, використовував карданiв пiдвiс. Не пiзнiше 1853 Фессель винайшов iнший варiант пiдвiски гiроскопа [7., ст. 202].
Перевагою гiроскопа перед бiльш давнiми приладами є те, що вiн правильно працює в складних умовах (погана видимiсть, тряска, електромагнiтнi перешкоди). Однак гiроскоп швидко зупинявся через тертя.
У другiй половинi XIX столiття було запропоновано використовувати електродвигун для розгону i пiдтримки руху гiроскопа. Вперше на практицi гiроскоп був застосований у 1880-х роках iнженером Обрi для стабiлiзацiї курсу торпеди. У XX столiттi гiроскопи стали використовуватися в лiтаках, ракетах i пiдводних човнах замiсть компаса або спiльно з ним.
1 Гiрополукомпаси
Однiєю з найважливiших величин, знання яких необхiдно для водiння корабля або лiтака, є курс. Визначення курсу можна робити магнiтним компасом або за допомогою гiроскопiчних приладiв. Як вiдомо, стрiлка магнiтного компаса вказує напрямок на Пiвнiч (точнiше - на пiвнiчний магнiтний полюс, який дещо змiщений щодо географiчного полюса Землi). Вимiрюючи на кораблi кут мiж напрямом магнiтної стрiлки i поздовжньою вiссю корабля, отримують курс. Однак магнiтний компас - вельми недосконалий прилад: показання його спотворюються присутнiстю залiзних мас, магнiтними бурями та iншими перешкодами. При поворотах корабля слiдом за ним захоплюється i магнiтна стрiлка, вiдхиляючись при цьому на значний кут вiд меридiана. Зважаючи на це отримали розвиток гiроскопiчнi покажчики курсу: гiрокомпас, гирополукомпас i ДРД гiрокомпас з чутливим елементом, що вказує на правлiння меридiана. Властивiсть цього приладу така, що його гiроскоп сам встановлюється своєю вiссю в напрямку на Пiвнiч. Цей напрямок є положенням його стiйкої рiвноваги; якщо вiдхилити гiроскоп вiд цього напрямку i надати самому собi, вiн знову до нього повернеться. Гiрокомпас використовуються тiльки на морських судах i абсолютно не застосовуються в авiацiї, тому що при сучасних швидкостях польоту вони мають неприпустимо великi похибки.
Уявiмо собi, що на кораблi, що рухається яким-небудь чином здiйснили горизонтальну площадку (при вiдсутностi хитавицi це може бути, наприклад, палуба корабля) i на нiй встановили гiроскоп в кардановому пiдвiсi. При цьому орiєнтували гiроскоп таким чином, що зовнiшня вiсь пiдвiсу перпендикулярна майданчику i, отже, спрямована по вертикалi, а вiсь гiроскопа спрямована на Пiвнiч. При такiй установцi три осi карданового пiдвiсу (вiсь зовнiшньої рамки, вiсь внутрiшньої рамки i вiсь гiроскопа) збiгаються з осями географiчного координатного тригранника.
Проте зазначений збiг має мiсце лише в першу мить, так як вiсь вiльного гiроскопа зберiгає свiй напрям в просторi незмiнним, а географiчний тригранник обертається як внаслiдок обертання Землi, так i внаслiдок руху корабля щодо земної сфери. Спостерiгачевi, що знаходиться на кораблi, буде здаватися, що змiнює своє положення не горизонтальна площина i не полуденна лiнiя (вiсь 0х), а вiсь гiроскопа. Спостережувана змiна положення осi гiроскопа по вiдношенню до земних орiєнтирiв (або географiчному тригранникiв) називається видимим, або удаваним рухом гiроскопа.
Таким чином , гiрокомпас Фуко в найпростiшому виглядi являє собою двоступеневий гiроскоп з вертикальним розташуванням осi гiрокамери. Детальне дослiдження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вiсь гiроскопа вiдхилена вiд лiнiї SV на малий кут, то вона стане здiйснювати бiля цiєї лiнiї гармонiйнi коливання. Якщо штучно створити на осi Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорцiйний кутовий швидкостi обертання гирокамери), то цi коливання стануть затухаючими i вiсь гiроскопа встановиться в напрямку полуденної лiнiї або, як прийнято говорити, гирокомпас прийде в меридiан [9., ст. 158].
i свiдчення його стають нестiйкими. В умовах корабля можна було б здiйснити двоступеневої гiрокомпас Фуко, якщо необхiдний для нього горизонтальний майданчик П створити штучно за допомогою, наприклад, гiроскопiчної стабiлiзацiї. Але при цьому потрiбна була б настiльки висока точнiсть пiдтримки горизонтального положення цього майданчика, яка чи досяжна практично. Тому проблема гiрокомпаса, придатного для корабельних умов, вирiшується трохи iнакше, хоча i з використанням основної iдеї Фуко.
Обертання вiдбуватиметься навколо осi зовнiшньої рамки, при цьому вiсь гiроскопа зробить за добу один повний оборот за годинниковою стрiлкою.
Поставимо гiроскоп в деяку довiльну точку О Пiвнiчної або Пiвденної пiвкулi Землi, будемо спостерiгати безперервну змiну положення осi гiроскопа як по вiдношенню до площини меридiана, так i по вiдношенню до площини горизонту, що вiдбувається внаслiдок добового обертання Землi. Однак можна змусити вiсь гiроскопа слiдувати за цими площинами, прикладаючи до гiроскопа вiдповiднi моменти. Як повиннi бути розрахованi цi моменти?
навколо осi OХ, з кутовою швидкiстю Wi навколо осi ОХ з кутовий швидкiстю т-то швидкiсть кiнця вектора Н матиме проекцiї на осi ОХ i по У вiдповiдно рiвнi. Згiдно з теоремою Резаля, такий рух гiроскопа можливо лише тодi, коли до нього включенi моменти.
Таким чином, прикладаючи розрахованi за формулою моменти МХ i MY щодо осей внутрiшньої i зовнiшньої рамок, перетворюємо вiльний гiроскоп в гiрополукомпас. Якщо виставити спочатку його вiсь у напрямку Пiвдень - Пiвнiч, то вона буде слiдувати за цим напрямком. Застосовуються (головним чином в авiацiї) i такi ЦПК, якi вказують напрямок ортодромiчного меридiана, дотична до ортодромiчного меридiану що бертається в просторi довкола вертикалi мiсця зi швидкiстю.
В цьому випадку вiсь гiроскопа, установлена спочатку по дотичнiй до ортодромiчного меридiана, зберiгає цей напрямок i надалi. На гiроскоп будуть дiяти вiдносно цiєї ж осi всякого роду шкiдливi моменти, породжуванi силами тертя, дебалансiв (неточним збiгом центру ваги гiроскопа з точкою опори), та iншi, величина i напрям яких наперед невiдомi. Цi моменти викличуть додаткове обертання гiроскопа навколо осi O, внаслiдок чого його вiсь буде, або вiдставати вiд напрямку меридiана, або випереджати його. Це явище називають «вiдходом», або «дрейфом», гiроскопа.
При конструюваннi i виготовленнi приладу вживаються заходи до того, щоб зменшити зазначенi шкiдливi моменти, а вiдставати вiд напрямку меридiана, або випереджати його. Це явище називають «вiдходом», або «дрейфом», гiроскопа.
Як вказувалося вище, гiроскопiчнi компаси застосовують головним чином на морських кораблях i пiдводних човнах. Їх призначення - вказувати напрям географiчного меридiана. Однак область застосування гiрокомпасiв не обмежується морськими об'єктами. Існують гiрокомпас для сухопутних рухомих установок, а також гiрокомпас, що працюють на нерухомiй вiдносно Землi пiдставi. Такi, наприклад, маркшейдерський гiрокомпас, що вживається при проходцi тунелiв, або гiротеодолiт, що дозволяє з великою точнiстю визначити напрям меридiана на сушi (набагато точнiше, нiж це можна зробити за допомогою магнiтного компаса). Нарештi, гiроорбiтант, застосовуваний на супутниках Землi для визначення положення площини орбiти супутника, також є свого роду гiроскопiчним компасом.
2 Гiростабiлiзатори
На рухомих об'єктах у рядi випадкiв потрiбно мати незмiнне або, як прийнято говорити, стабiлiзоване в просторi положення окремих блокiв, приладiв i пристроїв, яке має зберiгатися за будь-яких поворотах об'єкта. Наприклад, в системах управлiння лiтаком, ракетою або кораблем штучно отримують стабiлiзовану платформу, щодо якої контролюють кутове положення рухомого об'єкту. Стабiлiзують оптичнi осi телескопiв, спрямованих на будь-яке свiтило, оптичнi осi фотоапаратiв, бомбовi та артилерiйськi прицiли, знаряддя та iн.
Найбiльш точна i надiйна стабiлiзацiя може бути здiйснена за допомогою гiроскопiчних пристроїв, що одержали назву гiростабiлiзаторiв.
Описанний стабiлiзатор називають одноосьовим, так як вiн запобiгає обертанню платформи навколо однiєї лише осi; в нашому випадку - це вiсь паралельна поперечної осi корабля; при гойданнi корабля навколо поздовжньої осi (бортова хитавиця) платформа змушена буде гойдатися разом з ним. Існують i частiше застосовуються бiльш складнi стабiлiзатори - двовiснi i тривiснi. Як показує їх назву, двовiсний стабiлiзатор запобiгає обертання стабiлiзiруємого об'єкта навколо будь-якої з двох взаємно перпендикулярних осей, а тривiсний повнiстю iзолює, що стабiлiзується об'єкт вiд будь-яких обертальних рухiв, що здiйснюються кораблем чи лiтаком.
У рядi випадкiв бiльш доцiльно буває здiйснити не непряму, а силову гiроскопiчну стабiлiзацiю. Найпростiшим силовим гiростабiлiзатором є одноосьовий стабiлiзатор.
момент, пропорцiйний кутовий швидкостi обертання гiрокамери), то цi коливання стануть затухаючими i вiсь гiроскопа встановиться в напрямку полуденної лiнiї або гiрокомпас маркшейдерський
— вибухобезпечний гiроскопiчний прилад, призначений для визначення дирекцiйних кутiв сторiн при орiєнтуваннi пiдземної маркшейдерської зйомки, розвитку, поповненнi та реконструкцiї пiдземних маркшейдерських опорних мереж, а також при маркшейдерсько-геодезичних роботах на поверхнi. Складається вiн з гiроблока, вимiрювального блока та блока живлення. Перiод коливання Г. м. — промiжок часу, за який вiсь гiрокомпаса виконує одне повне коливання вiд однiєї крайньої точки (точки реверсiї) до другої крайньої точки i повертається в початкове положення[9., 112].
Гiрокомпас маятниковий
— гiроскопiчний пристрiй для визначення напрямку географiчного меридiана. В основi принципу дiї Г. м. лежать кутова швидкiсть обертання Землi i властивостi гiроскопа. Центр ваги вiльного гiроскопа змiщено вiдносно точки пiдвiсу. Головна вiсь Г. м. робить гармонiйнi коливання, положення рiвноваги яких збiгається з напрямком географiчного меридiана точки установки приладу[10., ст. 321].
для орiєнтування у всiх випадках, коли положення приладу - весь перiод орiєнтування на данiй точцi залишається незмiнним. До наземних гiрокомпасiв належать власне гiрокомпаси i гiротеодолiти як прийнято говорити, гiрокомпас прийде в меридiан.
В гiроскопi з електростатичним пiдвiсом ротор є порожнистою сферою, зовнiшня поверхня якої має високу провiднiсть. Ротор помiщається мiж електродами, до яких пiдводиться висока напруга, регульована спецiальною стежачою системою. Пiд дiєю електростатичних сил ротор центрується в просторi мiж електрода
При установцi на кораблi Г. з маятникової корекцiєю визначають кути бортової i кiльової хитавицi, а на лiтальному апаратi - кути крену i тангажа. Застосовуються в системах автоматичної стабiлiзацiї рiзних рухомих об'єктiв, в заспокоювача хитавицi корабля, для стабiлiзацiї лiтального апарату та iнших, а також для визначення викривлення бурових свердловин, шахт i т. д.
3 Гiроскопи в науцi
В даний час деякi моделi мобiльних телефонiв та iгрових контролерiв обладнуються датчиками прискорення, так званими акселерометра. Такi датчики дозволяють управляти цими пристроями, здiйснюючи ними нескладнi рухи в просторi. Тепер, завдяки новiй розробцi компанiї STMicroelectronics управлiння за допомогою руху стане ще функцiональнiшим. Ця нова розробка є твердотiлий гiроскоп, який здатний визначити точне положення пристрою в просторi.
Цей гiроскоп здатний визначити положення по ортогональних осях координат X, Y i Z. Кут визначення по кожнiй з осей становить 360 °, а точнiсть визначення є достатньою для використання цих датчикiв в призначених для користувача iнтерфейсах, заснованих на розпiзнаваннi природних рухiв i жестiв людини.
Завдяки своїм малим габаритам i низькому енергоспоживанню цей датчик iдеально пiдходить для застосування в мобiльних телефонах, iгрових контролерах, навiгаторах i iнших портативних електронних пристроях. Нам залишається тiльки дочекатися появи на ринку пристроїв з цим датчиком i програмного забезпечення, включаючи iгри, яке буде використовувати всi новi можливостi тривимiрного визначення положення в просторi.
Волоконний оптичний гiроскоп
(ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком i вдосконаленням елементної бази квантової електронiки. Прилад вимiрює кутову швидкiсть i кути повороту об'єкта, на якому вiн встановлений. Принцип дiї ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефектi Саньяка.
Інтерес зарубiжних i вiтчизняних фiрм до оптичного гiроскопа базується на його потенцiйнiй можливостi застосування як чутливого елемента обертання в iнерцiйних системах навiгацiї, керування i стабiлiзацiї. Цей прилад у рядi випадкiв може повнiстю замiнити складнi i дорогi електромеханiчнi (роторнi) гiроскопи i тривiснi гiростабiлiзованi платформи. За даними зарубiжнiй пресi у майбутньому в США близько 50% всiх гiроскопiв, що використовуються в системах навiгацiї .
Можливiсть створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового дiелектричного свiтловоду з малим загасанням. Саме конструювання ВОГ на таких свiтловодах визначає унiкальнi властивостi приладу. До цих властивостей вiдносять:
1. Потенцiйно високу чутливiсть (точнiсть) приладу, яка вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град / рiк i менше.
2. Малi габарити i масу конструкцiї, завдяки можливостi створення ВОГ
повнiстю на iнтегральних оптичних схемах.
3. Невисоку вартiсть виробництва та конструювання при масовому виготовленнi i вiдносну простоту технологiї.
4. Нiкчемне споживання енергiї, що має важливе значення при використаннi ВОГ свiтлороздiльниками, поляризаторiв, фазових i частотних модуляторiв, просторових фiльтрiв, iнтегральних оптичних схем якi знаходиться на початковiй стадiї розвитку. Кiлькiсть розроблених спецiально для ВОГ випромiнювачiв i фотодетекторiв обмежена.
збурень i нестабiльностi, що призводить до паразитного дрейфу, тобто до погiршення точностi приладу. До згаданих збурень вiдносяться температурнi градiєнти, акустичнi шуми i вiбрацiї, флуктуацiї електричних i магнiтних полiв, оптичнi нелiнiйнi ефекти флуктуацiї iнтенсивностi i поляризацiї випромiнювання, дробовi шуми в фотодетектор, тепловi шуми в електронних ланцюгах i iн.
У Технологiї виробництва елементiв у ВОГ, теоретично й експериментально дослiджуються фiзична природа збурень i нестабiльностi, створюються та випробовуються рiзнi схемнi варiанти ВОГ з компенсацiєю цих збурень, розробляються фундаментальнi питання використання iнтегральної оптики. Точнiсть ВОГ вже зараз близька до необхiдної в iнерцiйних системах управлiння.
У спецiальнiй науковiй та перiодичнiй лiтературi проблемi ВОГ вже опублiковано безлiч наукових статей. Аналiз цих статей свiдчить про необхiднiсть подальшого вивчення цiєї проблеми та розробки нових способiв полiпшення якiсних характеристик ВОГ[10., ст. 323].
4 Використання гiроскопiв в технiцi
Використання гiроскопа в смартфонахi та iгрових приставках
.
Поява МЕМС-гiроскопа в новому смартфонi Apple iPhone 4 вiдкриває нову революцiю в 3D-iграх i в формуваннi доповненої реальностi. Вже сьогоднi рiзнi виробники смартфонiв i iгрових приставкок обирають використовувати МЕМС-гiроскопи у свої продукти. Незабаром з'являться додатки на смартфонах i iгрових приставках, якi зроблять комп'ютерний екран вiкном в iншiй - вiртуальний свiт. Наприклад в 3D-грi, користувач перемiщаючи смартфон або мобiльну iгрову консоль, побачить iншi сторони iгровий - вiртуальної реальностi. Пiднiмаючи смартфон вгору - користувач побачить вiртуальне небо, а опускаючи вниз - побачить вiртуальну землю. Обертаючи по сторонах свiту - може озирнутися навколо - всерединi вiртуального свiту. Гiроскоп дає програмi данi про те, як орiєнтований смартфон щодо реального свiту, а програма пов'язує цi данi з вiртуальним свiтом. Таким же чином, але вже не в грi, можна використовувати гiроскоп для формування доповненої реальностi.
Так само гiроскоп став застосовуватися в керуючих iгрових контролерах, таких як: Sixaxis для Sony PlayStation 3 i Wi MotionPlus для Nintendo Wi. В обох перерахованих контролерах використанi два доповнюють один одного, просторовi сенсори: акселерометр i гiроскоп. Вперше iгровий контролер, що вмiє визначати своє положення в просторi, був випущений компанiєю Nintendo - Wii Remote для iгрової приставки Wii, але в ньому використовується тiльки тривимiрний акселерометр. Тривимiрний акселерометр не здатен давати точне вимiрювання параметрiв обертання при високодинамiчних рухах. І саме тому в новiтнiх iгрових контролерах: Sixaxis i Wii MotionPlus, крiм акселерометра, був використаний додатковий просторовий сенсор - гiроскоп.
Іграшки на основi гiроскопа
.
Найпростiшими прикладами iграшок, зроблених на основi гiроскопа, є йо-йо, дзига (Юла) i моделi вертольотiв.
Крiм того, iснують кистьовi тренажери, якi також працюють на основi гiроскопiчного ефекту (гiротренажери). Властивостi гiроскопа використовуються в приладах - гiроскопах, основною частиною яких є швидко обертається ротор, який має кiлька ступенiв вiльностi (осей можливого обертання).
Найчастiше використовуються гiроскопи, помiщенi в карданiв пiдвiс. Такi гiроскопи мають 3 ступенi вiльностi, тобто вiн може здiйснювати 3 незалежних повороту навколо осей АА , BB i CC , що перетинаються в центрi пiдвiсу О, який залишається по вiдношенню до основи A нерухомим. Гiроскопи, у яких центр мас збiгається з центром пiдвiсу O, називаються астатичними, в iншому випадку - статичними гiроскопами
. Для забезпечення обертання ротора гiроскопа з високою швидкiстю застосовуються спецiальнi гiромотори.
Гiроскопи використовуються у виглядi компонентiв як в системах навiгацiї (авiагоризонт, гiрокомпас, ІНС), так i в нереактивного системах орiєнтацiї i стабiлiзацiї космiчних апаратiв.
Гiротеодолiт - гiроскопiчнi вiзирної пристрiй, призначенийдля визначення справжнього азимута. Гiротеодолiт служить для визначення азимута (пеленга) орiєнтована напрямки i широко використовується при проведеннi маркшейдерських, геодезичних, топографiчних та iнших робiт.
Принципом дiї гiротеодолiтiв є гiрокомпас i належить до типу наземних гiрокомпасiв, за допомогою яких можна визначити напрямок географiчного меридiана. Гiроскопiчне орiєнтування точнiше магнiтного i займає менше часу, нiж астрономiчне вимiрювання азимута.
5
Системи стабiлiзацiї
Для стабiлiзацiї навколо кожної осi потрiбен один гiроскоп. Стабiлiзацiя здiйснюється гiроскопом i двигуном розвантаження, на початку дiє гiроскопiчний момент, а потiм пiдключається двигун розвантаження.
2. Система iндикаторно-силової стабiлiзацiї
(на 2-статечних гiроскопах).
Для стабiлiзацiї навколо кожної осi потрiбен один гiроскоп. Стабiлiзацiя здiйснюється тiльки двигунами розвантаження, але на початку з'являється невеликий гiроскопiчний момент, яким можна знехтувати.
3. Система iндикаторної стабiлiзацiї
(на 3-статечних гiроскопах)
Система стабiлiзацiї Glidecam 2000 Pro. Пiдходить для камер вагою до 3-х кг. Це сама розповсюджена система стабiлiзацiї у весiльному вiдео, через свою простоту i невисоку цiну, iдеально пiдходить для камер Sony VX2100, Panasonic DVX100, Canon XM-2 та iнших. Країна виготовлення - США
випадкiв цього цiлком достатньо. Але що робити, коли хочеться зняти камеру зi штатива i рухатися разом з об'єктом зйомки? Який вихiд?
пропонують динамiчну картинку таку, яку би вiн побачив в життi, без додаткової авторської експресивностi. Адже коли ми дивимося на свiт, перед нами нiчого не смикається. У нас в мозку iснує своєрiдна стабiлiзацiя образу руху. І таке бачення абсолютно не схоже на зйомку з рук. Операторський екран, вiзок, стедiки - це способи створення максимально комфортного кiнозображення для глядача.
яка йде в гущi людей, по сходах, в горах, то є, коли потрiбна iмiтацiя вiльної камери. Зазвичай це вiдбувається в тих мiсцях, де не можна або складно прокласти рейки: на сходових майданчиках, автомобiльних трасах, на пересiченiй мiсцевостi.
Постiйно зростаючi вимоги до точностi i експлуатацiйним характеристикам гiроприладiв змусили вчених та iнженерiв багатьох країн свiту не тiльки вдосконалити класичнi гiроскопи з обертовим ротором, але i шукати принципово новi iдеї, що дозволили вирiшити проблему створення чутливих датчикiв для вимiрювання i вiдображення параметрiв кутового руху об'єкта.
В даний час вiдомо бiльше ста рiзних явищ i фiзичних принципiв, якi дозволяють вирiшувати гiроскопiчнi завдання. У Росiї i США виданi тисячi патентiв та авторських свiдоцтв на вiдповiднi вiдкриття та винаходи.
Оскiльки прецизiйнi гiроскопи використовуються в системах наведення стратегiчних ракет великої дальностi, пiд час холодної вiйни iнформацiя про дослiдження, що проводяться в цiй областi, класифiкувалася як секретна.
Перспективи розвитку гiроскопiчного приладобудування.
рiзко пiдвищило iнтерес до цивiльних застосуванням гiроскопiчної технiки. Наприклад, сьогоднi широко поширене використання мiкромеханiчних гiроскопiв в системах стабiлiзацiї автомобiлiв або вiдеокамер.
На думку прихильникiв таких методiв навiгацiї, як GPS i ГЛОНАСС, видатний прогрес у сферi високоточної супутникової навiгацiї зробив непотрiбними автономнi засоби навiгацiї (в межах зони покриття супутникової навiгацiйної системи (СНС), тобто в межах планети). В даний час СНР системи за параметрами маси, габаритiв i вартостi перевершують гiроскопiчнi.
Зараз розробляється система навiгацiйних супутникiв третього поколiння. Вона дозволить визначати координати об'єктiв на поверхнi Землi з точнiстю до одиниць сантиметрiв у диференцiальному режимi, при знаходженнi в зонi покриття коригуючого сигналу DGPS. При цьому нiбито вiдпадає необхiднiсть у використаннi курсових гiроскопiв. Наприклад, установка на крилах лiтака двох приймачiв супутникових сигналiв, дозволяє отримати iнформацiю про поворот лiтака навколо вертикальної осi.
Проте системи GPS виявляються нездатнi точно визначати положення в мiських умовах, при поганiй видимостi супутникiв. Подiбнi проблеми виявляються i в лiсистiй мiсцевостi. Крiм того СНС залежить вiд процесiв в атмосферi, перешкод i перевiдбиттiв сигналiв. Автономнi ж гiроскопiчнi прилади працюють в будь-якому мiсцi - пiд землею, пiд водою, в космосi.
У лiтаках GPS виявляється точнiше акселерометрiв на довгих дiлянках. Але використання двох GPS-приймачiв для вимiрювання кутiв нахилу лiтака дає похибки до декiлькох градусiв. Пiдрахунок курсу шляхом визначення швидкостi лiтака за допомогою GPS також не є достатньо точним. Тому, в сьогоднiшнiх навiгацiйних системах оптимальним рiшенням є комбiнацiя супутникових гiроскопiчних систем, так звана iнтегрована (комплексiрована) ІНС / СНС система.
За останнi десятилiття, еволюцiйний розвиток гiроскопiчної технiки пiдступив до порога якiсних змiн. Саме тому увага фахiвцiв в областi гiроскопiї зараз зосередилася на пошуку нестандартних застосувань таких приладiв. Вiдкрилися абсолютно новi цiкавi завдання: розвiдка корисних копалин, передбачення землетрусiв, надточне вимiр положень залiзничних шляхiв i нафтопроводiв, медична технiка та багато iнших.
Гiроскоп-тверде тiло, швидко обертається навколо наявного у нього осi обертання. При цьому вiсь обертання гiроскопа повинна мати можливiсть вiльно повертатися в просторi, для чого гiроскоп звичайно закрiплюють у т. н. кардановому пiдвiсi. Основна властивiсть гiроскопа з 3 ступенями свободи полягає в тому, що його вiсь стiйко зберiгає придане їй первинний напрям (напр., на яку-небудь зiрку). Якщо ж на такий гiроскоп починає дiяти сила, то його вiсь вiдхиляється не в бiк дiї сили, а в напрямку, перпендикулярному до неї; в результатi гiроскоп починає процесувати. Властивiсть гiроскопа широко використовується в рiзних навiгацiйних приладах - гiрокомпас, гiровертикалi та iншi, а також для стабiлiзацiї руху лiтакiв (автопiлот), ракет, морських суден, торпедах.
Гiрокомпас- навiгацiйний прилад, створений за принципом безперервного обертання осi гiроскопа. У такий спосiб горизонтально розташована вiсь завжди вказує ширший пiвнiчний напрямок незалежно вiд курсу й положення судна.
Отже, непряма стабiлiзацiя полягає в тому, що об'єкт (в нашому випадку платформа) утримується в заданому положеннi за рахунок роботи замкнутої системи, що служить чутливим елементом якої є гiроскоп. Гiроскоп служить iндикатором, виявляє вiдхилення об'єкта, i видає керуючий сигнал для лiквiдацiї цього вiдхилення навколо будь-якої з двох аємноперпендикулярних осей, а тривiсний повнiстю iзолює, що стабiлiзується об'єкт вiд будь-яких обертальних рухiв, що здiйснюються кораблем чи лiтаком.
У рядi випадкiв бiльш доцiльно буває здiйснити не непряму, а силову гiроскопiчну стабiлiзацiю. Найпростiшим силовим гiростабiлiзатором є одноосьовий стабiлiзатор з одним гiроскопом.
Таким чином, гiрокомпас Фуко в найпростiшому виглядi являє собою двоступеневий гiроскоп з вертикальним розташуванням осi гiрокамери. Детальне дослiдження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вiсь гiроскопа вiдхилена вiд лiнiї S-V на малий кут, то вона станездiйснювати бiля цiєї лiнiї гармонiйнi коливання. Якщо штучно створити на осi Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорцiйний кутовий швидкостi обертання гiрокамери), то цi коливання стануть затухаючими i вiсь гiрокомпаса прийде в мерiдiан.
У гiроскопах з механiчним ротором розрiзняють механiчний, оплавцевий, газовий, магнiтний, електростатичний типи пiдвiсiв. У бiльшостi використовуються гiроскопи з механiчним пiдвiсом; виконаним у виглядi карданова пiдвiсу.
В рiзних двух- i трьохстатечних гiроскопах для розвантаження механiчних опор застосовуються рiдиннi, або поплавцевi, пiдвiси (наприклад, в поплавцевому iнтегруючому гiроскопi), унаслiдок чого подiбнi гiроскопи мало схильнi вiбрацiйним, ударним i iн. обурюючим дiям i володiють високою точнiстю[10.,ст. 324].
Істотне пiдвищення точностi Р. в. досягається при вживаннi гiроскопiв з газовим пiдвiсом. Ротор такого гiроскопа зазвичай має сферичну форму i спирається па надзвичайно тонкий газовий шар, що утворюється мiж кулею-ротором i спецiальною опорою. Така куля є практично вiльним гiроскопом. Газовi опори можуть також застосовуватися в осях пiдвiсу ротора i карданових кiлець.
В деяких Р. в. використовується гiроскоп з магнiтним пiдвiсом, ротор якого, виконаний у виглядi феритової сфери, пiдтримується магнiтним полем в зваженому станi. Необхiднi характеристики поля автоматично регулюються спецiальною стежачою системою. Іншим рiзновидом магнiтного пiдвiсу є т. з. криогенний пiдвiс ротора, в якому використовується взаємодiя магнiтних полiв, що створюються струмами в надпровiдниках. Пiдтримуючi сили магнiтного поля виникають при змiнi положення ротора по вiдношенню до елементiв пiдвiсу. Матерiал ротора, котушок електромагнiтiв i спецiальних екранiв приводиться в надпровiдний стан шляхом глибокого охолоджування.
Список використаних джерел
2. Ишлинский А. Ю. и др. Лекции по теории гироскопов. - М.: МГУ, 1983. 243 с.
5. Меркин Д. Р. Введение в теорию устойчивости движения - М.: Наука, 1971, - с. 312 с.
6. Николаи Е. Л. Гироскоп в кардановом подвесе. - М.: Наука, 1964.
7. Одинцов A. A., Лазарев Ю. Ф. Гироскопические приборы курса. Киев: КПИ, 1980.
8. Гироскопические системы, ч. 1 и 2 /Под ред. Д. С. Пельпора. – М.: Высшая школа, 1971.
9. Одинцов A. A. и др. Теория гироскопов и гироскопических приборов. 10. Практикум. – К.: Вища школа, 1976. – 262 с.
11. Павловский М. А. Теорiя гiроскопiв. – К. Технiка, 2002. – 510 с. 11. Сайдов
12. Гироскопические системы, ч. 1 /Под ред. Д. С. Пельпора. – М.:Высшая школа, 1971. – 340 с.
| 
