Гироскопы это: Как это работает: гироскоп

Новое оптическое волокно вносит существенные улучшения в световые гироскопы

Новая технология, позволяющая создать более точные и компактные навигационные системы для самолетов, беспилотных транспортных средств, а также для наземной и морской навигации.

Исследователи сделали новый важный шаг в улучшении характеристик резонаторных волоконно-оптических гироскопов, типа волоконно-оптического датчика, который определяет вращение, используя только свет. Поскольку гироскопы являются основой большинства навигационных систем, новая работа может однажды внести важные улучшения в эти системы.

«Высокоэффективные гироскопы используются для навигации во многих типах воздушных, наземных, морских и космических приложений», – сказал Глен А. Сандерс, возглавлявший исследовательскую группу из Honeywell International. «Хотя наш гироскоп все еще находится на ранних стадиях разработки, если он достигнет своих полных возможностей, он будет готов стать одним из следующего поколения технологий наведения и навигации, которые не только расширяют границы точности, но и делают это при меньшем размере и вес”.

В журнале Оптического общества (OSA) Optics Letters исследователи из Honeywell и Исследовательского центра оптоэлектроники Саутгемптонского университета в Великобритании описывают, как они использовали новый тип оптического волокна с полой сердцевиной, чтобы преодолеть несколько факторов, которые ограничивали предыдущие резонаторные волоконно-оптические гироскопы. Это позволило им улучшить наиболее требовательные требования к стабильности гироскопа в 500 раз по сравнению с ранее опубликованными работами с использованием волокон с полой сердцевиной.

«Мы надеемся, что эти гироскопы будут использоваться в следующем поколении гражданской авиации, автономных транспортных средствах и во многих других приложениях, в которых используются навигационные системы», – сказал Сандерс. «В самом деле, по мере того, как мы повышаем производительность систем наведения и навигации, мы надеемся открыть совершенно новые возможности и приложения».

Ощущение вращения с помощью света.

Резонаторные волоконно-оптические гироскопы используют два лазера, которые проходят через катушку оптического волокна в противоположных направлениях.  Концы волокна соединены, образуя оптический резонатор, так что большая часть света рециркулирует и совершает многократные обходы по катушке. Когда катушка находится в состоянии покоя, световые лучи, движущиеся в обоих направлениях, имеют одну и ту же резонансную частоту, но когда катушка вращается, резонансные частоты смещаются относительно друг друга таким образом, что можно использовать для расчета направления движения или ориентации для транспортного средства или устройства, на котором установлен гироскоп.

Компания Honeywell в течение некоторого времени разрабатывала технологию резонаторного волоконно-оптического гироскопа из-за его потенциала для обеспечения высокоточной навигации в устройстве меньшего размера по сравнению с датчиками тока. Однако было сложно определить оптическое волокно, которое могло бы выдерживать даже умеренные уровни мощности лазера при сверхмалой ширине лазерной линии, необходимой для этих гироскопов, не вызывая нелинейных эффектов, ухудшающих характеристики датчика.

«В 2006 году мы предложили использовать оптоволокно с полой сердцевиной для резонаторного волоконно-оптического гироскопа», – сказал Сандерс. «Поскольку эти волокна ограничивают свет в центральной воздушной или газовой пустоте, датчики на их основе не страдают от нелинейных эффектов, присущих датчикам на основе твердых волокон».

Использование еще лучшего волокна.

В новой работе, проведенной Остином Тарантой из Университета Саутгемптона, исследователи хотели увидеть, может ли совершенно новый тип полого волокна с сердцевиной принести еще больше улучшений. Этот новый класс волокон, известных как безузловые антирезонансные волокна (NANF), демонстрирует даже более низкий уровень нелинейных эффектов, чем другие волокна с полой сердцевиной.

NANF также имеют низкое оптическое затухание, что улучшает качество резонатора, поскольку свет сохраняет свою интенсивность на более длинных длинах распространения по волокну. Фактически, эти волокна показали самые низкие потери света среди всех волокон с полой сердцевиной и для многих частей спектра самые низкие потери среди всех оптических волокон.

Для волоконно-оптических гироскопов с резонаторами критически важно, чтобы свет проходил через волокно только одним путем. NANF помогают сделать это возможным за счет устранения оптических ошибок, вызванных обратным рассеянием, поляризационной связью и модальными примесями, которые являются потенциальными источниками ошибок или дополнительных шумов в гироскопе. Их устранение устраняет наиболее существенные ограничения производительности для других волоконных технологий.

«Хотя основой этого датчика является оптическое волокно нового типа, мы также работали над значительным снижением шума при измерении резонансной частоты с беспрецедентной точностью», – сказал Сандерс. «Это имело решающее значение для повышения производительности и перехода к миниатюризации сенсора».

Достижение долгосрочной стабильности

Исследователи Honeywell провели лабораторные исследования, чтобы охарактеризовать характеристики нового волоконно-оптического гироскопического датчика в условиях стабильного вращения, то есть только при наличии вращения Земли.  Это устанавливает «стабильность смещения» прибора. Для устранения помех и помех в оптической установке в свободном пространстве гироскоп был установлен на устойчивой статической опоре. Включив NANF, исследователи смогли продемонстрировать долгосрочную стабильность смещения 0,05 градуса в час, что близко к уровням, необходимым для навигации гражданских самолетов.

«Демонстрируя высокие характеристики NANF в этой чрезвычайно сложной области применения, мы надеемся продемонстрировать исключительную перспективу использования этих волокон в других точных научных резонансных резонаторах», – сказал Таранта. Сейчас исследователи работают над созданием прототипа гироскопа с более компактной и стабильной конфигурацией. Они также планируют использовать NANF последнего поколения, которые демонстрируют четырехкратное улучшение оптических потерь, а также значительно улучшенную модальную и поляризационную чистоту.

Письма об оптике

Optics Letters предлагает быстрое распространение новых результатов во всех областях оптики с короткими, оригинальными, рецензируемыми сообщениями.  Optics Letters принимает статьи, которые заслуживают внимания значительной части оптического сообщества. Издано Оптическим обществом под руководством главного редактора Мигеля Алонсо, Institut Fresnel, École Centrale de Marseille и Aix-Marseille Université, Франция, Университет Рочестера, США. Письма об оптике доступны в Интернете на сайте OSA Publishing.

Об оптическом обществе

Оптическое общество (OSA), основанное в 1916 году, является ведущей профессиональной организацией для ученых, инженеров, студентов и руководителей предприятий, которые способствуют открытиям, формируют реальные приложения и ускоряют достижения в науке о свете. Посредством всемирно известных публикаций, встреч и членских инициатив OSA обеспечивает качественные исследования, вдохновляющие взаимодействия и специальные ресурсы для своей обширной глобальной сети экспертов по оптике и фотонике. 

 

ГИРОСКОП – это что такое ГИРОСКОП

(Gyroskope). Под гироскопом подразумевается прибор, в состав которого входит так называемый tore, или, по-русски, волчок, состоящий из оси (обыкновенно стальной), на которую насажено (обыкновенно латунное, иногда железное) тело вращения. Мы будем называть гироскопом сам tore, а приборы, его заключающие, будем называть гироскопическими приборами. Г., будучи приведен во вращение вокруг оси симметрии, имеет стремление сохранить направление своей оси неизменным в пространстве; это стремление тем более, чем больше угловая скорость вращения (см. “Вращательное движение”) и чем более момент инерции (см.) Г. вокруг оси симметрии.

Черт. 1.

Чтобы при той же массе придать Г. по возможности больший момент инерции, телу его дают вид кольца, окаймляющего диск (см. черт. 1, где Г. изображен в разрезе через ось), или конуса (см. черт. 2-й).

Черт. 2.

В середине диска или в вершине конуса сделано утолщение с отверстием, в которое вставляется ось, припаиваемая к стенкам отверстия. Центр тяжести Г., изображенного на черт. 1-м, находится на середине его оси, оконечности которой заострены. Этими остроконечиями ось вставляется в конические углубления, находящиеся на концах винтов, ввинченных в кольцо D (см. черт. 3-й).

Черт. 3.

Кольцо это составляет часть Карданова подвеса, состоящего из кольца ВВ, прикрепленного к подставке А, кольца СС, могущего вращаться вокруг вертикальной оси bb и кольца DD, могущего вращаться в кольце СС вокруг оси сс, перпендикулярной к bb; ось ее, вокруг которой вращается Г.в кольце DD, перпендикулярна к оси сс. Весь прибор, изображенный на черт. 3-м, называется Боненбергеровым гироскопическим прибором. Если сообщить Г., с помощью шнурка, быстрое вращение вокруг оси симметрии, то направление этой оси остается неизменным, какое бы положение ни было придано кольцу BB с подставкою А. Такая неизменяемость направления оси объясняется свойством инерции и неизменяемостью расстояний частиц тела Г. от его оси. Когда к вращающемуся Г. будет приложена пара сил, принуждающая его повернуться вокруг оси перпендикулярной к оси симметрии, то он действительно станет поворачиваться, но только вокруг третьей оси, перпендикулярной к первым двум. Для объяснения этого обстоятельства, представим себе, что Г. состоит из оси AB (черт. 4-й) и неизменно связанной с нею материальной окружности CDEF, заменяющей кольцо.

Черт. 4.

При вращении по инерции все точки окружности будут иметь равные скорости, направленные по касательной к окружности; так, точки С, D, Е, F будут иметь скорости Cc, Dd Ее, Ff.

Посмотрим, как должны измениться скорости точек окружности, при переходе оси из положения ВА в положение В₁А₁ (означенное на черт. 4-м прерывною прямой), составляющее с первоначальным весьма малый угол; на такой же угол повернется и окружность, придя в положение C₁DE₁F, и все точки ее, за исключением точек С и Е, должны изменить направления своих скоростей. Скорость С₁с₁ параллельна скорости Сс и скорость Е₁е₁ параллельна скорости Ее; скорость точки D должна получить направление Dd₁, а для этого необходимо, чтобы к скорости Dd была присоединена скорость Dp, которая, соединяясь по правилу параллелограмма со скоростью Dd, образует вместе с нею составную скорость Dd₁; точно так же к скорости Ff должна быть придана скорость Fq, чтобы образовалась скорость Ff, касательная к окружности FC₁D. Величины добавочных скоростей Dp и Fq должны быть равны vΔφ, где Δφ есть весьма малый угол АОА₁, а v — величина скорости Dd; если R есть радиус окружности, a ω угловая скорость Г., то v = Rω. Добавочная скорость какой-нибудь точки т полуокружности EDC должна быть направлена параллельно Dp и должна быть меньше ее в отношении mk:R, где mk есть расстояние точки т от оси ОС; добавочные скорости точек полуокружности EFC должны быть направлены параллельно Fq. Для сообщения этих добавочных скоростей надо приложить к точкам полуокружности EDC силы, направленные параллельно ОА, а к точкам полуокружности EFC — силы, направленные параллельно OB. Величины этих сил должны быть таковы, чтобы точка D получила ускорения v(dφ/dt), точка m — ускорение меньшее ускорения точки D в отношении mk:R. Вся совокупность этих сил может быть заменена парою сил (см.), ось которой имеет направление ОС и момент которой равен Jω(dφ/dt), где J есть момент инерции Г. вокруг ВА. Две силы, образующие эту пару, можно приложить к каким-либо точкам Г., напр. к оконечностям А и В его оси; на черт. 4-м изображены две равные и противоположные силы Аα и Bß, образующие пару сил, стремящуюся повернуть Г. вокруг оси ОС слева направо. Если какая-либо точка оси вращающегося Г. будет неподвижна, а к другой точке оси будет приложена сила, момент которой вокруг неподвижной точки будет направлен параллельно оси ОС, то вращающийся Г. начнет поворачиваться вокруг оси параллельной OD слева направо с угловою скоростью dφ/dt, равной L:Jω, где L есть величина момента приложенной силы вокруг неподвижной точки.

Такое свойство вращающегося Г. демонстрируется с помощью гироскопических приборов Фесселя и Фуко. Прибор Фесселя описывается во многих курсах физики; здесь ограничимся описанием прибора Фуко. Он состоит из Г., вращающегося внутри кольца. На наружной поверхности кольца приделан крючок, за который привязана нить, как изображено на черт. 5-м; верхний конец этой нити прикрепляется к неподвижной точке.

Черт. 5.

Когда гироскопу будет сообщено быстрое вращение вокруг его оси симметрии, а затем весь снаряд будет приведен в положение, изображенное на рисунке, и пущен свободно, то вместо того, чтобы опуститься вниз под влиянием силы тяжести, он станет вращаться вокруг вертикальной нити. Еще лучше, если вместо обыкновенного крючка будет прикреплен к кольцу прямоугольный крючок, оканчивающийся острием, которым снаряд будет опираться в дно маленькой чашечки, находящейся на вершине вертикального стержня, прикрепленного к неподвижной подставке. Если M есть масса снаряда, l — расстояние центра тяжести его от острия крючка и g ускорение силы тяжести, то момент веса снаряда вокруг неподвижной точки будет Mgl, если ось Г. будет горизонтальна, и Mglsinα — если ось составляет с отвесной линией угол α. Под влиянием такого клонящего момента угловая скорость вращения снаряда вокруг вертикальной оси будет:

Mglsinα/Jω,

то есть тем менее, чем более угловая скорость ω вращения Г. вокруг его оси симметрии. По мере уменьшения этой угловой скорости (вследствие сопротивлений), ось Г. будет наклоняться все более и более, а вместе с тем угловая скорость снаряда вокруг вертикальной оси будет все более и более увеличиваться.

Д. Б.

Что такое гироскоп? | Определение из TechTarget

От

• Участник TechTarget

Гироскоп представляет собой устройство с вращающимся диском или колесным механизмом, в котором используется принцип сохранения углового момента: тенденция к тому, чтобы вращение системы оставалось постоянным, если на нее не действует внешний крутящий момент.

Гироскопы используются во многих изобретениях, как старых, так и новых, для стабилизации, направления или измерения вращательного движения. Колеса велосипеда, например, действуют как гироскопы, когда они раскручиваются до нужной скорости, что позволяет легче оставаться в вертикальном положении и труднее нарушить инерцию. Управляемые ракеты используют гироскопы для отслеживания и направления своих курсов.

Изменение направления устройства с гироскопом достигается вращением гироскопа, изменением его оси выходной силы. Измеряемое вращение многоосевых гироскопов с помощью датчиков обеспечивает точное измерение и управление многими устройствами.

Многие недавние дискуссии, связанные с гироскопами, вращаются вокруг смартфонов. В сочетании с гироскопами и технологией отслеживания местоположения акселерометры смартфонов можно использовать для обнаружения движения устройства в трехмерном пространстве. Это точное отслеживание движения используется для таких функций, как правильная ориентация дисплея для просмотра. Датчики можно использовать для управления играми, приложениями и виртуальной реальностью не только в смартфонах, но и в других устройствах, таких как гарнитуры виртуальной реальности.

Несмотря на свою полезность в этих областях, гироскопы также представляют некоторые проблемы с безопасностью. Возможности гироскопов также можно использовать для отслеживания местоположения по желанию пользователя или других сторон, которые имеют или получают доступ к устройству. Наряду с модифицированным программным обеспечением для распознавания речи устройства могут включать подслушивание, когда микрофон недоступен. Их также можно использовать для поддержания точности вибрационных атак клавиатуры, несмотря на движение телефона.

Последнее обновление: март 2016 г.

Продолжить чтение О гироскопе

• Как работают гироскопы?

• Может ли гироскоп смартфона быть подслушивающим устройством?

• Поведение гироскопов

• Как лучше всего предотвратить отслеживание акселерометра?

• Ажиотаж вокруг данных датчиков растет, но успех будет зависеть от основ

узкий AI

Узкий ИИ — это применение технологий искусственного интеллекта для создания высокофункциональной системы, которая воспроизводит — и, возможно, превосходит — человеческий интеллект для определенной цели.

Сеть

• уровень представления

  Уровень представления находится на уровне 6 коммуникационной модели взаимодействия открытых систем (OSI) и гарантирует, что …

• кампусная сеть

  Сеть кампуса — это частная локальная сеть (LAN) или набор взаимосвязанных локальных сетей, обслуживающих корпорацию, государственное учреждение…

• точка присутствия (POP)

  Точка присутствия (POP) — это точка или физическое место, где две или более сетей или коммуникационных устройств создают соединение …

Безопасность

• Кровотечение

  Heartbleed — уязвимость в некоторых реализациях OpenSSL, криптографической библиотеки с открытым исходным кодом.

• Что такое управление рисками и почему это важно?

  Управление рисками — это процесс выявления, оценки и контроля угроз капиталу и доходам организации.

• Что такое кибербезопасность?

  Кибербезопасность — это защита подключенных к Интернету систем, таких как оборудование, программное обеспечение и данные, от киберугроз.

ИТ-директор

• эмоциональный интеллект (ЭИ)

  Эмоциональный интеллект (ЭИ) — это область когнитивных способностей, которая способствует межличностному поведению.

• PMO (офис управления проектами)

  Офис управления проектами (PMO) — это группа, агентство или отдел, который определяет и поддерживает стандарты управления проектами…

• агент изменений (агент изменений)

  Агент изменений или агент изменений — это тот, кто продвигает изменения и позволяет им происходить в любой группе или организации.

HRSoftware

• самообслуживание сотрудников (ESS)

  Самообслуживание сотрудников (ESS) — это широко используемая технология управления персоналом, которая позволяет сотрудникам выполнять множество связанных с работой . ..

• платформа обучения (LXP)

  Платформа обучения (LXP) — это управляемая искусственным интеллектом платформа взаимного обучения, предоставляемая с использованием программного обеспечения как услуги (…

• Поиск талантов

  Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса …

Служба поддержки клиентов

• распознавание голоса (распознавание говорящего)

  Распознавание голоса или говорящего — это способность машины или программы принимать и интерпретировать диктовку или понимать и …

• ТАМ САМ СОМ

  TAM SAM SOM — это набор аббревиатур, используемых для количественной оценки деловых возможностей бренда на данном рынке.

• видеомаркетинг

  Видеомаркетинг — это использование видеоконтента для продвижения бренда, продукта или услуги.

Понимание высокопроизводительных гироскопов и гирокомпасирования · VectorNav

В системах наведения, навигации и управления (GNC) иногда возникает потребность в высокопроизводительных или высокотехнологичных гироскопах. Такие гироскопы обеспечивают уникальные возможности навигации без посторонней помощи и определения курса с помощью гирокомпаса, которые невозможны при использовании современной гироскопической технологии MEMS. Наиболее распространенными из таких высококачественных гироскопов являются оптические гироскопы, используемые в приложениях с самыми строгими требованиями к производительности.

Оптические гироскопы

Оптические гироскопы используют эффект Саньяка для измерения угловой скорости. Поскольку в них нет механических движущихся частей, они, как правило, нечувствительны к вибрации. В основном существует два типа оптических гироскопов: кольцевые лазерные гироскопы (RLG) и волоконно-оптические гироскопы (FOG).

Эффект Саньяка

Оптические гироскопы используют лучи света, движущиеся в противоположных направлениях по замкнутому кольцу для измерения угловой скорости системы. Очевидно, что эти два световых луча проходят точно такое же расстояние в невращающейся системе, как показано на рис. 1.9а. Но поскольку свет распространяется с постоянной скоростью относительно инерциальной системы отсчета, если система подвержена угловой скорости, один луч света проходит большее расстояние, чем другой, как показано на рис. 1.9.б. Когда два луча снова сводятся вместе, это вызывает интерференцию, зависящую от степени вращения — явление, известное как эффект Саньяка.

(a) Стационарный(b) ВращающийсяРисунок: 1.9 Измерение с помощью гироскопа на эффекте Саньяка

Кольцевой лазерный гироскоп

Кольцевой лазерный гироскоп (RLG) представляет собой высокопроизводительный оптический гироскоп, использующий эффект Саньяка для обнаружения вращения. Как видно на рис. 1.10а, RLG использует резонатор лазера с обратной связью, обычно заполненный гелий-неоновым газом, для проведения измерений. Сам лазер встроен в камеру, поэтому внешне наблюдаемая интерференционная картина прямо пропорциональна углу поворота. Эти гироскопы являются самыми высокопроизводительными из доступных, что в сочетании с их сложностью делает их и самыми дорогими.

(a) Кольцевой лазерный гироскоп (RLG) (b) Волоконно-оптический гироскоп (FOG) в своих расчетах для обнаружения вращения. В ВОГ используются лазерный источник, светоделители, детектор и оптоволоконная катушка, как показано на рис. 1.10б. Он использует источник света, который разделяется на две длины волны, которые проходят через оптическое волокно в противоположных направлениях. Как только лучи достигают детектора, он может определить скорость вращения с помощью эффекта Саньяка. Чувствительность и производительность ВОГ могут варьироваться в зависимости от диаметра катушки и количества витков, при этом производительность напрямую зависит от длины волокна (некоторые используют более 1 км волокна в катушке). Волоконно-оптические гироскопы являются более новой технологией, чем RLG, и в них используются преимущества существующих, более дешевых технологий, что дает гораздо лучшую цену, хотя и с несколько меньшей производительностью по сравнению с RLG.

Гирокомпасирование

Гирокомпасирование — это способность высокопроизводительного гироскопа определять курс без посторонней помощи. Гирокомпас определяет истинный север, непосредственно измеряя угловую скорость Земли, когда она вращается вокруг своей оси один раз в день, как показано на рис. 1.11. Используя акселерометр для измерения направления силы тяжести, угловую скорость Земли ($\Omega_{_E}$) можно разложить на горизонтальную ($\omega_{_N}$) и вертикальную ($\omega_{_D}$) составляющие с горизонтальная составляющая указывает строго на север. Направление этого горизонтального компонента по отношению к осям датчика определяет курс ($\psi$).

Для достижения точного направления с помощью гирокомпаса требуется особенно малошумящий датчик с превосходной стабильностью смещения. Земля вращается со скоростью примерно 15 °/час, с горизонтальной составляющей, равной косинусу широты ($\Phi$). На широте 45° погрешность измерения угловой скорости всего 0,1°/час приводит к погрешности курса 0,5°.