63985 (Гіроскопи в науці і техніці), страница 2

При установці на кораблі Г. з маятникової корекцією визначають кути бортової і кільової хитавиці, а на літальному апараті - кути крену і тангажа. Застосовуються в системах автоматичної стабілізації різних рухомих об'єктів, в заспокоювача хитавиці корабля, для стабілізації літального апарату та інших, а також для визначення викривлення бурових свердловин, шахт і т.д.

3 Гіроскопи в науці

В даний час деякі моделі мобільних телефонів та ігрових контролерів обладнуються датчиками прискорення, так званими акселерометра. Такі датчики дозволяють управляти цими пристроями, здійснюючи ними нескладні рухи в просторі. Тепер, завдяки новій розробці компанії STMicroelectronics управління за допомогою руху стане ще функціональнішим. Ця нова розробка є твердотілий гіроскоп, який здатний визначити точне положення пристрою в просторі.

Цей гіроскоп здатний визначити положення по ортогональних осях координат X, Y і Z. Кут визначення по кожній з осей становить 360 °, а точність визначення є достатньою для використання цих датчиків в призначених для користувача інтерфейсах, заснованих на розпізнаванні природних рухів і жестів людини.

Завдяки своїм малим габаритам і низькому енергоспоживанню цей датчик ідеально підходить для застосування в мобільних телефонах, ігрових контролерах, навігаторах і інших портативних електронних пристроях. Нам залишається тільки дочекатися появи на ринку пристроїв з цим датчиком і програмного забезпечення, включаючи ігри, яке буде використовувати всі нові можливості тривимірного визначення положення в просторі.

Волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком і вдосконаленням елементної бази квантової електроніки. Прилад вимірює кутову швидкість і кути повороту об'єкта, на якому він встановлений. Принцип дії ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефекті Саньяка.

Інтерес зарубіжних і вітчизняних фірм до оптичного гіроскопа базується на його потенційній можливості застосування як чутливого елемента обертання в інерційних системах навігації, керування і стабілізації. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні і дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи і тривісні гіростабілізовані платформи. За даними зарубіжній пресі у майбутньому в США близько 50% всіх гіроскопів, що використовуються в системах навігації .

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

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

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

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

повністю на інтегральних оптичних схемах.

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

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

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

Фірмами та розробниками ВОГ обидва ці завдання вирішуються і удосконалюється .

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

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

4 Використання гіроскопів в техніці

Використання гіроскопа в смартфонахі та ігрових приставках.

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

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

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

Іграшки на основі гіроскопа .

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

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

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

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

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

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

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

5 Системи стабілізації

Системи стабілізації бувають трьох основних типів:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

6 Нові типи гіроскопів

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

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

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

Перспективним є напрям розвитку квантових гіроскопів.

Перспективи розвитку гіроскопічного приладобудування.

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

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

Зараз розробляється система навігаційних супутників третього покоління. Вона дозволить визначати координати об'єктів на поверхні Землі з точністю до одиниць сантиметрів у диференціальному режимі, при знаходженні в зоні покриття коригуючого сигналу DGPS. При цьому нібито відпадає необхідність у використанні курсових гіроскопів. Наприклад, установка на крилах літака двох приймачів супутникових сигналів, дозволяє отримати інформацію про поворот літака навколо вертикальної осі.

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