применение в технике » РобоВики
Данная статья является вводной теорией к уроку «Механический гироскоп. Авиагоризонт из Lego EV3» для кружка робототехники.
«
Я увидел вращение Земли под микроскопом»В 1852 году в Парижской академии наук французский физик, механик и астроном Леон Фуко (1819 — 1868) продемонстрировал прибор, позволяющий обнаружить вращение Земли. Гироскоп — так он назвал это устройство. «Гирос» — от греческого «вращение». «Скопео» — от греческого «вижу, наблюдаю». Гироскоп был придуман ранее другим изобретателем, но название этого прибора пошло именно от Фуко.
Французский физик Леон ФукоОригинальную конструкцию продемонстрированного в Парижской академии гироскопа со специальной шкалой Фуко изобрел сам. Постройку гироскопа ученый заказал у известного изобретателя Генриха Румкорфа (1803 — 1877), создателя катушки Румкорфа — устройства для получения электрических высоковольтных импульсов.
Гироскоп Фуко представлял из себя вращающийся ротор (волчок) подвешенный так, что его ось могла поворачиваться в любом направлении относительно некоторой центральной неподвижной точки.
Такой гироскоп имел наружную и внутреннюю рамку, которые могли вращаться относительно друг друга, и ротор, который концами оси крепился на внутренней рамке.
Оси вращения двух рамок и ротора пересекаются в точке О — он же центр масс этих тел.
Как бы не поворачивалось основание гироскопа, ось ротора сохраняет неизменное положение. Почему это так, нужно знать физические законы. Самые любознательные могут посмотреть видео по ссылкам в конце документа. Это свойство гироскопа было использовано Фуко для доказательства вращения Земли.
Гироскоп Фуко. Стрелка и шкала использовались для фиксации с помощью микроскопа смещения оси ротора при вращении ЗемлиФуко установил гороскоп в подвале дома на тяжелом столе, чтобы никакая внешняя сила не повлияла на его вращение. Ученый раскручивал ротор до большой скорости с помощью специальной машины и возвращал на подставку.
Чтобы увидеть мельчайшее смещение оси вращения ротора относительно метки, Фуко производил наблюдения в микроскоп.
И вскоре увидел смещение, которое повторялось из опыта к опыту.
— Я увидел вращение Земли под микроскопом, — сказал Фуко.
Кстати, Леону Фуко принадлежит другой опыт, доказывающий вращение нашей планеты. В 1851 году каждый парижанин мог «увидеть» вращение планеты во французском Пантеоне. В этом высоком храме Фуко построил огромный маятник с высотой подвеса в 67 метров и шаром массой 28 кг на конце. Позже в СССР в 1931 году маятник Фуко был установлен в Исаакиевском соборе, где демонстрировался до 1986 года. Прочитать о маятнике Фуко подробней можно по этой ссылке.
Демонстрация вращения Земли с помощью маятника Фуко в парижском ПантеонеМаятник Фуко в Исаакиевском соборе сбивает спичечный коробокПрименение гироскопа в техникеИгрушечный волчок — это простейший гироскоп, который вращается вокруг точки опоры. Гироскопические свойства проявляются во всех быстровращающихся устройствах — лопастях вертолета, турбине двигателя самолета.
При повороте основания гироскопа ось вращения ротора сохраняет свое изначальное положение. И это свойство гироскопа нашло отражение в приборах, созданных для навигации самолетов, ракет, кораблей. Гироскоп может быть установлен даже в ваш смартфон, только он будет не механический, а электронный.
Приборы, использующие гироскоп, получили название гироскопических. Кроме карданова подвеса в механических гироскопах может использоваться аэродинамический подвес (ротор плавает на воздушной подушке) или электромагнитный подвес (ротор подвешивается в магнитом поле).
Гирокомпас. Из-за вращения Земли вокруг своей оси ось ротора гироскопа автоматически выравнивается относительно южного и северного полюса. Такой компас не подвержен влиянию намагниченных масс металла или электрической проводки, имеющихся на кораблях и самолетах.
Гирокомпас на кораблеГиротахометр измеряет угловую скорость объекта, например, скорость и направление поворота самолета.
Авиагоризонт — гироскопический бортовой прибор самолета, который используется для определения углов тангажа (нос-хвост) и крена (левое-правое крыло) летательного аппарата. Это важнейшее устройство, с помощью которого опытный летчик может управлять самолетом с нулевой видимостью, не имея ориентиров в пространстве.
Прибор «Авиагоризонт» устанавливается на каждом самолете и находится в кабине экипажаГиростабилизатор на ракете, космическом корабле или спутнике дает понять электронной системе управления, в каком положении находится корабль относительно Земли или другого объекта. И с помощью такого гироскопа система управления может дать автоматический сигнал на запуск соответствующих корректирующих двигателей.
Гиростабилизатор позволяет установить систему координат для управления кораблем «Союз»Гиродины (сontrol moment gyroscope) — это силовые гиростабилизаторы, которые устанавливаются на космические корабли или ракеты для их выравнивания в пространстве.
Свойство крутящегося волчка оставаться в вертикальном положении можно использовать для отталкивания от него. Гиродины намного больше и тяжелее гироскопов, использующихся для навигации в пространстве. Их большая скорость вращения и большая масса дает большой момент инерции, который используется для изменения положения космического корабля. Космический корабль может оттолкнуться от такого гироскопа без использования двигателей ориентации. Так, четыре гиродина находится на МКС и позволяют поворачивать станцию без использования реактивных двигателей.
Литература:
- Творцы машин. Гироскоп Фуко
- Habr. Как опереться на пустоту?
- 1sept.ru. Как это устроено: Гироскопы
- ИНЕРЦИЯ И МОМЕНТ ИНЕРЦИИ: базовые сведения
Видео:
- Научфильм СССР. Гироскоп и его применение. 2 части
- НИЯУ МИФИ. Опыт с большим гироскопом. Гирокомпас
- НИЯУ МИФИ.
Гироскоп (гирокомпас) в карданном подвесе - GetAClass — Физика в опытах и экспериментах. Гироскоп
- GetAClass — Физика в опытах и экспериментах. Прецессия гироскопа
- Гироскоп . Вычисляется угловая скорость регулярной прецессии гироскопа
- Gyroscope Tricks and Physics Stunts
Гироскоп (гирокомпас) в карданном подвесе
Устройство гироскопа
Термин «гироскоп» имеет греческое происхождение, и сформировано от двух слов, которые, в переводе на русский язык означают «круглый» и «смотрю». Что касается смысла работы этого прибора, то он состоит в том, чтобы иметь возможность изменять свою ориентацию по определенным углам относительно некоей инерциальной системы отсчета.
Авторство названия этого прибора и самого термина приписывают Ж. Фуко, который впервые упомянул его в 1852 году в докладе, сделанном перед Французской Академией Наук. Само это сообщение было сделано для того, чтобы экспериментальным способом объяснить то, каким именно образом планета Земля вращается в инерциальном пространстве.
Именно поэтому сам прибор и был назван словом «гироскоп».
Что касается принципов действия, то различают два основных типа гироскопов: механические и оптические.
Механические гироскопы
Среди приборов этого типа, пожалуй, наиболее интересным является гироскоп роторный, основой которого является, как нетрудно догадаться из самого названия, ротор, насаженный на ось, которая имеет возможность свободного изменения положения в пространстве.
Гироскоп механический
То свойство, за которое, собственно говоря, и ценят гироскоп, – это его способность при отсутствии воздействия на него моментов различных внешних сил сохранять направление вращения оси в пространстве. Основным определяющим в этом процессе является значение величины угловой скорости собственного вращения этого прибора.
С точки зрения конструкции, механические гироскопы представляют собой некие достаточно специфичные высокоточные приборы, которые собираются из немалого количества разнообразных высококачественных деталей, которые способны достаточно эффективно обеспечить их функционирование.
Гироскопы нашли достаточно широкое применение в различных технических устройствах. В подавляющем большинстве случаев используются те из них, которые размещаются в кардановом подвесе. Как правило, они имеют три степени свободы, то есть имеют возможность совершать вокруг своих осей три независимых поворота.
Для того чтобы надежно и с требуемой высокой скоростью обеспечить вращение ротора гироскопов, в их конструкциях используются специализированные гиромоторы. Кроме того, для обеспечения снятия данных с различных плоскостей гироскопов, применяются такие устройства, как датчики момента и датчики угла.
Одно из основных предназначений гироскопов – это их применение в качестве составных частей различных навигационных систем, в том числе и тех, что используются для стабилизации и ориентации различных космических аппаратов.
Оптические гироскопы
Эти приборы подразделяются на активные оптические (лазерные), интегрально-оптические, волоконно-оптические и пассивные оптические гироскопы.
Когда в направлении вращения прибора посылается луч света, а против этого направления отсчитывается определяемая интерферометром разница во времени прихода лучей, то оказывается возможным просчитать не только разницу оптических путей лучей, вычисленную в инерциональной системе отсчета, но и показатель углового поворота прибора.
Точно так же, как и механические, оптические гироскопы собираются из высокоточных деталей.
Механические характеристики гироскопа
: самый важный параметр
к Харви Вайнберг Скачать PDF
Имеет смысл выбирать гироскоп, исходя из минимизации самых больших источников ошибок — в большинстве приложений это будет чувствительность к вибрации. Другие параметры можно легко улучшить с помощью калибровки или усреднения нескольких датчиков.
Стабильность смещения является одним из меньших компонентов бюджета ошибок.
При просмотре спецификации высокопроизводительного гироскопа первое, на что обращают внимание разработчики систем, – это характеристики стабильности смещения. В конце концов, это то, что описывает минимальное разрешение гироскопа, поэтому оно, безусловно, должно быть лучшим показателем производительности гироскопа! Тем не менее, гироскопы в реальном мире демонстрируют ошибки из-за нескольких источников, которые не позволяют пользователям использовать высокую стабильность смещения, рекламируемую в спецификации. Действительно, практически единственное место, где вы получите такой уровень производительности, — это лабораторный стол. Классический подход заключается в добавлении компенсации для минимизации влияния этих источников ошибок. В этой статье мы обсудим некоторые из этих методов и их ограничения. Наконец, мы обсудим альтернативную парадигму — выбор гироскопа по механическим характеристикам и способы улучшения его стабильности смещения, если это необходимо.
Ошибки среды
Все недорогие и умеренные МЭМС-гироскопы демонстрируют некоторые ошибки нулевого смещения нуля и масштабного коэффициента, а также некоторые изменения в зависимости от температуры. Поэтому пользователи обычно компенсируют их температуру. Вообще говоря, гироскопы содержат встроенные датчики температуры именно для этой цели. Абсолютная точность датчика температуры для этой задачи не важна — важна только повторяемость и тесная связь датчика температуры с фактической температурой гироскопа. Температурные датчики современных гироскопов почти никогда не имеют проблем с выполнением этих требований.
Существует множество методов, которые можно использовать для температурной компенсации (подгонка полиномиальной кривой, кусочно-линейная аппроксимация и т. д.). Конкретный используемый метод не имеет большого значения, если регистрируется достаточное количество температурных точек и при калибровке соблюдается достаточная осторожность. Например, недостаточное время выдержки при каждой температуре является распространенным источником ошибок.
На рис. 1 показана петля температурного гистерезиса гироскопа ADXRS453. Измерение смещения нуля некомпенсированного гироскопа регистрировалось при изменении температуры от +25°С до +130°С, до -45°С, обратно до +25°С. Существует небольшая разница в выходном сигнале нулевого смещения при +25°C между циклом нагрева и циклом охлаждения (в данном случае около 0,2°/с) — это температурный гистерезис. Эта ошибка не может быть компенсирована, так как она возникает независимо от того, включен гироскоп или нет. Кроме того, величина гистерезиса изменяется пропорционально степени применяемого температурного «возбуждения». То есть больший гистерезис возникает, когда к устройству применяется больший диапазон температур.
analog.com/-/media/analog/en/landing-pages/technical-articles/gyro-mechanical-performance/figure1.png?la=en?w=435 ‘ alt=’Рисунок 1’>
Рис. 1. Некомпенсированный выход нулевого смещения ADXRS453 при циклическом воздействии температуры (от –45°C до +130°C)
Если приложение допускает сброс смещения нуля при включении (т. е. включение происходит при отсутствии вращения) или обнуление смещения нуля в поле, эту ошибку можно игнорировать. В противном случае это может быть ограничителем характеристик стабильности смещения, поскольку нельзя контролировать условия доставки или хранения.
Подавление вибрации
В идеале гироскоп должен измерять только скорость вращения и ничего больше. На практике все гироскопы имеют некоторую чувствительность к ускорению из-за асимметрии их механической конструкции и/или неточностей микрообработки. На самом деле существует множество проявлений чувствительности к ускорению, серьезность которых варьируется от конструкции к конструкции.
Наиболее значимыми обычно являются чувствительность к линейному ускорению (
Очень дешевые гироскопы обычно разрабатываются с использованием чрезвычайно простых и компактных механических систем, которые не оптимизированы для подавления вибрации (скорее, они оптимизированы для снижения стоимости) и могут сильно страдать от вибрации. Более 1000°/ч/ г 9Чувствительность 0029 (или 0,3°/с/g ) g или более не является чем-то необычным — более чем в 10 раз хуже, чем можно было бы ожидать от высокопроизводительного гироскопа! Нет особого смысла искать хорошую стабильность смещения в таком гироскопе, так как небольшие повороты гироскопа в поле силы тяжести Земли приведут к огромным ошибкам из-за чувствительности 
Как правило, чувствительность к вибрации для этих типов гироскопов не указывается — предполагается, что она очень велика.
Более производительные МЭМС-гироскопы работают намного лучше. В таблице 1 приведены технические характеристики нескольких высокопроизводительных МЭМС-гироскопов. Большинство гироскопов этого класса имеют чувствительность g 360°/ч/g (или 0,1°/с/
Таблица 1.
| Производитель | Номер детали | Чувствительность (°/с/ г ) | г 2 Чувствительность (°/с/ г 2 ) | Стабильность смещения (°/ч) |
| Аналоговые устройства | АДКСРС646 | 0,015 | 0,0001 | 8 |
| Мелексис | MLX90609 | 0,1 | Не указано | 17 |
| Датчик кремния | CRG20-01 | 0,1 | 0,005 | 5 |
| ВТИ | СКР1100-Д04 | 0,1 | Не указано |  1 |
Некоторые разработчики пытаются компенсировать чувствительность к g с помощью внешнего акселерометра (чаще всего это делается в приложениях IMU, поскольку необходимый акселерометр уже присутствует), и в некоторых случаях это действительно может улучшить производительность. Однако компенсация g-чувствительности не может быть полностью успешной по ряду причин. Большинство гироскопов, как правило, имеют чувствительность к перегрузке, которая варьируется в зависимости от частоты вибрации. На рис. 2 показана реакция гироскопа Silicon Sensing CRG20-01 на вибрацию. Обратите внимание, что, хотя чувствительность гироскопа к g находится в пределах своих номинальных характеристик (за исключением некоторых незначительных всплесков на определенных частотах, но они вряд ли важны), она изменяется в соотношении 12 к 1 от постоянного тока до 100 Гц, поэтому калибровка нельзя сделать, просто измерив чувствительность g на постоянном токе. Действительно, схема компенсации была бы очень сложной, требуя изменения чувствительности в зависимости от частоты.
Рис. 2. Реакция чувствительности Silicon Sensing CRG20-01g на различные синусоидальные тоны
Напротив, на рис. 3 показан отклик гироскопа ADXRS646 в аналогичных условиях. Вывод состоит в том, что некоторые гироскопы легче компенсировать g-чувствительность, чем другие. К сожалению, эта информация почти никогда не доступна в технических описаниях и должна быть обнаружена пользователем — возможно, с большим трудом — часто во время проектирования системы, где нет времени на сюрпризы.
Рис. 3. Analog Devices ADXRS646 g Отклик чувствительности на случайную вибрацию (15 г среднеквадратичное значение, 0,11 г 2 /Гц) 1600 Гц С фильтром
Еще одна трудность заключается в согласовании фазовой характеристики компенсирующего акселерометра с гироскопом.
Если фазовая характеристика гироскопа и компенсирующего акселерометра не согласована, погрешности высокочастотной вибрации могут увеличиться! Подводя нас к другому выводу: g компенсация чувствительности работает только на низких частотах для большинства гироскопов.
Устранение вибрации часто не указывается. Иногда это происходит из-за того, что он неприлично плохой или сильно различается от устройства к устройству. Иногда это происходит просто из-за нежелания производителя гироскопа тестировать или указывать его (честно говоря, это может быть трудно протестировать). В любом случае, устранение вибрации должно вызывать озабоченность, поскольку ее нельзя компенсировать с помощью акселерометра. В отличие от отклика акселерометра, ошибка выходного сигнала гироскопа исправлена.
Наиболее распространенной стратегией повышения чувствительности g 2 является добавление механического антивибрационного крепления, как показано на рис. 4. Показан автомобильный гироскоп Panasonic, частично извлеченный из металлического корпуса.
Узел гироскопа изолирован от металлического корпуса резиновым антивибрационным креплением. Антивибрационные опоры очень сложно проектировать, поскольку они не имеют ровной характеристики в широком диапазоне частот (они особенно плохо работают на низких частотах), а их характеристики подавления вибрации меняются в зависимости от температуры и срока службы. Действительно, как и в случае с чувствительностью к перегрузке, отклик гироскопа на исправление вибрации может меняться в зависимости от частоты. В то время как антивибрационные опоры могут быть успешно спроектированы для ослабления узкополосной вибрации в известном спектре, такие опоры проблематичны для любых приложений общего назначения, где может присутствовать широкополосная вибрация.
Рис. 4. Типичное антивибрационное крепление
Серьезное нарушение правил поведения из-за механического насилия
Во многих приложениях регулярно происходят кратковременные нарушения, которые, хотя и не повреждают гироскоп, приводят к большим ошибкам.
Ниже приводится несколько примеров.
Некоторые гироскопы не могут выдерживать перегрузки по скорости без нарушения поведения. На рис. 5 показана реакция гироскопа Silicon Sensing CRG20 на скорость ввода примерно 70% в указанном диапазоне. Кривая слева показывает отклик CRS20, когда гироскоп подвергается вращению от 0°/с до 500°/с и удерживается. Кривая справа показывает его отклик при снижении скорости ввода с 500°/с до 0°/с. Выходной сигнал сильно колеблется от рельса к рельсу, когда скорость на входе выходит за пределы номинального диапазона измерения.
Рис. 5. Реакция Silicon Sensing CRG-20 на ввод скорости 500°/с
Другие гироскопы имеют тенденцию «зависать» при воздействии ударов силой всего в несколько сотен g. Например, на рис. 6 показана реакция VTI SCR1100-D04 при ударе 250 г в течение 0,5 мс (вызванном падением стального шарика диаметром 5 мм на печатную плату рядом с гироскопом с расстояния 40 см).
Гироскоп не поврежден ударом, но он больше не реагирует на скорость и требует выключения и включения питания для перезапуска. В этом нет ничего необычного; несколько гироскопов демонстрируют подобное поведение. Было бы разумно проверить, может ли рассматриваемый гироскоп выдержать удар в вашем приложении.
Рис. 6. Реакция VTI SCR1100-D04 на удар 250 г, 0,5 мс
Очевидно, что ошибки этого типа будут очень большими. Поэтому необходимо проявлять осторожность при определении того, какие условия злоупотребления могут присутствовать в любом конкретном приложении, и при проверке того, что гироскоп может выдерживать эти условия.
Ошибка расчета бюджета
Как упоминалось ранее, большинство приложений гироскопа используются в ситуациях, когда присутствует движение или вибрация.
Типичные бюджеты погрешностей для гироскопов, показанных в таблице 1, используемых в различных приложениях, показаны в таблице 2 с использованием технических характеристик, показанных ранее (в случаях, когда исправление вибрации не указано, использовалась консервативная оценка). Как видно из Таблицы 3, добавление схемы компенсации чувствительности к g, которая улучшает характеристики вибрации на полпорядка (непростая задача), по-прежнему приводит к тому, что чувствительность к вибрации часто вносит гораздо больший вклад в ошибку, чем стабильность смещения.
Таблица 2. Расчетная погрешность (°/с) из-за вибрации для нескольких гироскопов (без компенсации)
| Производитель | Номер детали | Бег (2 г пиков) | Вертолет (0,4 г Вибрация) | Бортовой (0,5 г, список ) | Строительное оборудование (50 г пиков) |
| Аналоговые устройства | АДКСРС646 | 4 | 22 | 5 | 36 |
| Мелексис | MLX90609 | 35 | 150 | 38 | 1080 |
| Датчик кремния | CRG20-01 | 32 | 147 | 37 | 630 |
| ВТИ | СКР1100-Д04 | 35 | 150 | 38 | 1080 |
Таблица 3.
Расчетная погрешность (°/с) из-за вибрации для нескольких гироскопов с г Компенсация чувствительности ( г Чувствительность улучшена в 5 раз)
| Производитель | Номер детали | Бег (2 г пиков) | Вертолет (0,4 г Вибрация) | Бортовой (0,5 г, список ) | Строительное оборудование (50 г пиков) |
| Аналоговые устройства | АДКСРС646 | 1 | 4 | 1 | 14 |
| Мелексис | MLX90609 | 12 | 35 | 9 | 936 |
| Датчик кремния | CRG20-01 | 9 | 32 | 8 | 486 |
| ВТИ | СКР1100-Д04 | 12 | 35 | 9 | 936 |
Новая парадигма отбора
Поскольку стабильность смещения является одним из меньших компонентов бюджета ошибок, более разумно выбирать гироскоп на основе его минимизации самых больших источников ошибок — в большинстве приложений это будет чувствительность к вибрации.
Однако иногда вам может потребоваться более низкий уровень шума или лучшая стабильность смещения, чем предлагает выбранный вами гироскоп. К счастью, есть решение: усреднение.
В отличие от ошибок окружающей среды или вибрации, обусловленных конструкцией, ошибка стабильности смещения большинства гироскопов имеет свойство шума. То есть некоррелированные от устройства к устройству. Таким образом, можно улучшить характеристики стабильности смещения, усредняя несколько устройств. На каждые n усредненных устройств можно ожидать улучшение на √ n . Аналогичным образом можно уменьшить широкополосный шум путем усреднения нескольких гироскопов.
Заключение
Хотя стабильность смещения долгое время считалась «золотым стандартом» для гироскопов, в реальном мире чувствительность к вибрации часто является более серьезным ограничением производительности. Выбор гироскопа на основе его способности подавления вибрации является разумным, поскольку другие параметры могут быть легко улучшены путем калибровки или усреднения нескольких датчиков.
Приложение: Расчет погрешности из-за вибрации
Расчет погрешности из-за вибрации в любом заданном приложении требует определенных знаний о величине ожидаемого ускорения, а также о том, как часто такое ускорение может возникать. Приложения, описанные в Таблице 2 и Таблице 3, распределяются следующим образом:
- При беге обычно возникают пики 2 g примерно в 4% времени.
- Вибрация вертолета довольно постоянная. Большинство спецификаций вертолетов требуют вибрации широкого спектра 0,4 g для 100% рабочего цикла.
- Корабли в бурной воде, особенно малые суда, могут крениться на ±30° (составляя ±0,5 г ). Рабочий цикл можно принять равным 20%.
- Строительная техника, такая как грейдеры или фронтальные погрузчики, производит сильные удары малой продолжительности г (50 г ) всякий раз, когда их отвал/ковш ударяется о скалу. Типичным является рабочий цикл 1%.
Для расчета погрешности из-за вибрации необходимо учитывать чувствительность г , а также чувствительность г ².
Например, для вертолета:
Если чувствительность г компенсируется с помощью акселерометра, только чувствительность г уменьшается на коэффициент компенсации.
Автор
Харви Вайнберг
Харви Вайнберг (Harvey Weinberg) — технолог подразделения Analog Devices Automotive. В течение последних нескольких лет он работал над идентификацией и разработкой ранних технологий, относящихся к автомобильной промышленности, в основном датчиков. Предыдущие должности в Analog Devices были менеджером по разработке системных приложений для автомобильного подразделения, а до этого — руководителем группы разработки приложений для инерциальных датчиков МЭМС. Он имеет 13 патентов США в различных технологиях, от ультразвукового измерения воздушного потока до применения инерциальных датчиков и лидарных систем. Он работает в Analog уже 23 года. До компании Analog он 12 лет работал разработчиком схем и систем, специализируясь на контрольно-измерительных приборах.
Он имеет степень бакалавра электротехники Университета Конкордия в Монреале, Канада.
Что такое гироскоп? Узнайте все о механике гироскопа в этой статье
Гироскоп, вероятно, является единственным загадочным устройством, созданным человеком, которое бросает вызов закону гравитации!
Обычный гироскоп представляет собой механизм, состоящий из ротора, выполненного с возможностью вращения вокруг одной оси, цапфы (винты) ротора, установленные во внутреннем кардане (кольце), и внутренний кардан, закрепленный для колебаний во внешнем кардане, который в свою очередь фиксируется для колебаний относительно опоры. Внешний карданный вал или кольцо установлено так, чтобы вращаться вокруг оси в своей плоскости, определяемой опорой.
Гироскоп представляет собой вращающееся колесо или диск, ось которого может принимать любую ориентацию/направление. Это направление изменяется гораздо меньше в ответ на известный внешний крутящий момент, чем без большого углового момента, связанного с высокой скоростью вращения гироскопа.
Поскольку внешнее усилие сводится к минимуму за счет установки устройства на шарнирах, его ориентация остается почти фиксированной, независимо от любого движения платформы, на которой оно установлено.
Гироскоп
Это устройство используется для измерения или поддержания ориентации на основе углового момента.
Ось прялки определяет ось вращения. Внутренний карданный вал обладает свободой вращения в два градуса, а его ось имеет одну степень свободы вращения. Ротор вращается вокруг оси, которая всегда перпендикулярна оси внутреннего карданного подвеса. Итак, ротор обладает тремя степенями свободы вращения, а его ось – двумя степенями.
Особые свойства гироскопа чрезвычайно важны и используются в множестве других инструментов, от обычного велосипеда до продвинутой навигации космического корабля.
Способность гироскопа игнорировать силу гравитации сбивает с толку!
Особое свойство гироскопа, которое не поддается гравитации, называется прецессией.
Прецессия относится к способности гироскопа сопротивляться движению вокруг оси вращения.
Это можно наблюдать, когда велосипедное колесо висит на веревке, привязанной к оси колеса, как показано ниже:
Велосипедное колесо
И при вращении колеса происходит самое удивительное, что может быть смотрите в следующем видео по ссылке в конце этой статьи.
Это странное поведение велосипедного колеса кажется очень иррациональным, что заставляет нас думать о логике оси велосипеда, висящей в воздухе вот так. Та же логика применима к гироскопу, который, если его свободно поддерживать на одном конце, будет описывать круговое движение, а не просто падать под действием силы тяжести.
Логику прецессии можно наблюдать и в волчке. Как только жало волчка отпущено, волчок вместо того, чтобы падать, как можно было бы ожидать, кажется, бросает вызов гравитации, оставаясь с горизонтальной осью, когда другой конец оси остается без поддержки, а свободный конец оси медленно описывает окружность в горизонтальной плоскости, в результате чего происходит поворот прецессии.