Для чего нужен гироскоп в магнитоле

Как это работает. Гироскоп

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

От детского волчка до полетов в космос

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

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

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

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

Устройство механического гироскопа

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

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

Механический гироскоп в движении

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

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

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

Лазерный гироскоп − до сих пор на высоте

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

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

Бесплатформенная навигационная система БИНС-СП-1 с лазерным гироскопом

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

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

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

События, связанные с этим

Как это работает. Высотомер

Ка-62: из военных в гражданские

Что такое гироскопический пульт

Классические ПДУ, принцип действия которых основан на передаче инфракрасного импульса в сторону фотоэлемента приемника, были разработаны более 60 лет назад. Сама концепция устройства с того времени практически не изменилась. Но любой современный телевизор представляет собой полноценный медиацентр для просмотра видеоконтента. Соответственно, функций и возможностей простого ПДУ уже недостаточно. Так мы подошли к вопросу, что такое гироскопический пульт и зачем он нужен.

Что такое пульт с гироскопом

Это отдельный вид ПДУ (второе название – воздушная мышь, air mouse), оснащенный гироскопическим датчиком. С его помощью можно перемещать курсор по экрану телевизора, используя устройство как указку. Основная особенность в том, что такое гироскоп на пульте обеспечивает более быстрое и удобное управление техникой. Принцип действия схож с работой компьютерной мышки, но ее можно использовать только на ровной поверхности.
Преимущество устройства состоит в том, что такой пульт с гироскопом является универсальным девайсом. Данная особенность выделяет air mouse среди других видов ПДУ, в том числе стационарных. Это значит, что пульт мышь гироскопическая может использоваться для управления одновременно:

• смарт ТВ-приставками на базе Android;
• Smart-телевизорами;
• стационарными компьютерами и ноутбуками;
• планшетами;
• проекторами;
• различными устройствами, работающими на базе Windows, Linux, Mac OS, Android.

Любой гироскопический пульт дистанционный характеризуется приятным дизайном и удобной, эргономичной формой. Благодаря вытянутому и гладкому корпусу устройство приятно сидит в руке. В современные ПДУ разработчики внедряют энергосберегающие технологии, позволяющие сохранить заряд элементов питания.
Если перед вами универсальный девайс для управления техникой, и вы не знаете, как определить его тип (стандартный или воздушная мышь), осмотрите устройство. Как правило, если ПДУ оснащен клавиатурой, можно сделать вывод, что это гироскопический пульт. При этом ее наличие не всегда указывает на то, что перед вами air mouse.

Основные функции пульта с гироскопом

Гироскопический пульт это многофункциональное устройство, с помощью которого можно:

• регулировать громкость;
• быстро переключаться между крайними элементами меню;
• одним нажатием клавиши закрыть приложение и вернуться на рабочий стол;
• управлять смарт приставкой;
• выполнять навигацию по элементам меню;
• переписываться с другими пользователями, вводить текст и отправлять аудио-сообщения;
• перелистывать страницы в браузере;
• выключить гироскопический контроллер, чтобы перейти к мануальному управлению и т. д.

Также воздушная мышь может использоваться для игр, предусмотренных в приставках под управлением Android. Выбирая air mouse, нужно учитывать, что это пульт с гироскопом в первую очередь, а не джойстик. Соответственно, такой функциональный ПДУ подойдет не для всех приложений, а только для игр, адаптированных под управление воздушной мышью. Если в гироскопическом устройстве предусмотрен встроенный микрофон, голосовой поиск будет работать только на компьютере или смарт-приставке, но не на телевизоре.

Как работает гироскопический пульт

Пульт air mouse работает несколько иначе по сравнению с классическими ПДУ. Основным элементом устройства является гироскоп. Это специальный датчик со свободной осью вращения, который может реагировать на изменение угла тела, в котором он установлен.
Как работает гироскопический пульт: встроенный контроллер позволяет определить положение устройства при перемещении его в пространстве в ту или иную сторону. Датчик получает информацию об изменении положении тела в трех плоскостях, в соответствии с этим, выполняет расчет угла наклона. На основании данных, полученных от контроллера-гироскопа, курсор перемещается по экрану.

Как включить гироскоп на пульте

Если в ПДУ предусмотрен режим энергосбережения, гироскопический датчик может отключаться автоматически через определенное время, пока пульт не используется. Это позволяет предотвратить трату энергии батареек и исключить их преждевременный разряд. Как включить гироскоп на пульте в таком случае: достаточно нажать на любую кнопку. ПДУ выйдет из режима ожидания и будет готов к работе.
В некоторых моделях air mouse, к примеру, Fly T2 или G30, предусматриваются отдельные кнопки для включения и отключения гироскопического датчика. Во Fly T2 это специальная клавиша с индикатором в виде вибрирующей мышки. В AirMouse G30 это кнопка красного цвета со значком в виде стрелки и питания. В обоих случаях кратковременное нажатие используется для блокировки и разблокировки датчика.
Если на экране отсутствует курсор, нужно заново привязать пульт к USB-адаптеру. Краткое руководство на примере Fly T2:

1. Извлеките из ПДУ одну из батареек.
2. Отключите USB-адаптер от компьютера, приставки или телевизора.
3. Одновременно зажмите две кнопки – «ОК» и «Назад».
4. Удерживая клавиши, вставьте источник питания в ПДУ. Кнопки надо удерживать еще не менее 3 сек.
5. На гироскопическом пульте начнет мигать индикатор.
6. Приемник подключается к USB-разъему приставки или компьютера.
7. Пульт кладется на расстоянии 5-20 см от адаптера. В течение последующих 15-20 секунд индикатор отключится.

На этом процедура калибровки завершена. При замене USB-адаптера, в случае утери или поломки, привязка выполняется аналогичным образом.

Как это работает. Лазерный гироскоп

В лазерном центре «Швабе» нашли способ улучшить характеристики гироскопов, которые используются в навигационных системах самолетов и кораблей. Речь идет о совершенствовании зеемановских датчиков угловой скорости, на основе которых создаются современные лазерные гироскопы. Несмотря на стремительное развитие спутниковой навигации, гироскопы не сдают свои позиции. Эти устройства можно встретить практически везде, начиная от мобильного телефона и игровой приставки до современного истребителя и космического корабля.

О том, как устроены лазерные гироскопы, принципе их работы и перспективах применения – в нашем материале.

Гироскоп: от «железного» к лазерному

Гироскоп – это устройство, которое способно определять изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено. Без этого прибора сегодня не обойдется ни телефон, ни космический корабль. До изобретения технических благ цивилизации человечеству тоже нужно было как-то ориентироваться в пространстве. Первые «родственники» гироскопа появились еще в древности – отвес, уровень, компас, астролябия и другие приборы. Гироскоп занял место в этом списке лишь в 1817 году, его изобретателем считается немецкий астроном и математик Иоганн Боненбергер. Но только несколько десятилетий спустя, в 1852 году, французский ученый Фуко впервые использовал этот прибор для определения изменения направления и придумал само название «гироскоп».

В прошлом столетии гироскопы стали использоваться в самолетах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним. Новые технологии предоставили новые возможности для эволюции гироскопа – на смену «железному» (механическому) гироскопу пришел лазерный. Это стало возможным в первую очередь благодаря развитию квантовой физики. Еще в 1916 году Эйнштейн предсказал вынужденное излучение – одно из фундаментальных явлений, используемых в лазерах. В середине 1950-х советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американец Ч. Таунс показали это на молекулах аммиака. Так был создан первый квантовый генератор – мазер. В 1958 году заговорили о разработке твердотельных и газовых оптических квантовых генераторов – лазеров (Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Напомним, что за полученные результаты Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс получили в 1964 году Нобелевскую премию по физике.

О возникновении и развитии лазерных систем – История открытия: от мазера к лазеру

В те годы зарождения квантовой физики весь мир будоражили возможные будущие открытия. На слуху были самые смелые идеи: от изобретения сверхмощных «гиперболоидов» до голографического телевидения. Неудивительно, что на этом фоне померкло скромное сообщение Прохорова о возможности создания на основе лазеров новых измерительных приборов – лазерных гироскопов. Однако инженеры НИИ Прикладной физики с энтузиазмом отнеслись к идее создания таких приборов и начали работу по данному направлению.

В дальнейшем наибольшее развитие лазерные гироскопы получили в НИИ «Полюс» под руководством его основателя М.Ф. Стельмаха . Здесь было организовано серийное производство первых в стране лазерных гироскопов. Сегодня Институт является лазерным центром холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех.

Точность – до одной миллионной градуса

В основе работы лазерного гироскопа – эффект Саньяка, открытый еще в 1913 году. Простыми словами его суть можно объяснить так – время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, неподвижен или вращается данный контур, а также от направления его вращения. Данный эффект нашел свое прикладное применение в гироскопии именно с появлением лазеров.

Лазерный гироскоп по своей чувствительности намного превосходит механический, способен фиксировать угловые скорости от тысяч оборотов в секунду до скоростей в сотни миллиардов раз меньших – до одной миллионной градуса в час.

Трехосный лазерный гироскоп МТ-300 от НИИ «Полюс»

Современные лазерные гироскопы разделяются по способу создания так называемой частотной подставки на три основных типа – вибрационные, фарадеевские и зеемановские. Последние обладают рядом преимуществ: монолитность конструкции без подвижных частей, наличие гибкой электронно-управляемой магнитооптической частотной подставки, возможность использования четырехволнового режима генерации лазера. Благодаря этому зеемановские лазерные гироскопы применяются в сложных условиях, при высоком уровне воздействия внешних факторов.

История создания зеемановских лазерных гироскопов началась в 1967 году в НИИ «Полюс». В 1969 году в Институте был создан первый образец устройства. К концу 1990-х годов появился типоряд таких гироскопов – прототипов современных серийно выпускаемых приборов. Сегодня создание зеемановских лазерных гироскопов и систем на их основе является ведущим направлением лазерной техники в НИИ «Полюс», а сам Институт относится к лидерам отечественной лазерной гироскопии.

При всех преимуществах зеемановских гироскопов, есть направления для их совершенствования. Недавно специалисты лазерного центра «Швабе» предложили новое технологическое решение, как повысить точность и увеличить время непрерывной работы зеемановских лазерных датчиков угловой скорости.

Перспективы автономного полета

Помимо НИИ «Полюс» ведущими производителями лазерных гироскопов в России являются Раменский приборостроительный завод и Тамбовский завод «Электроприбор», входящие в «Концерн Радиоэлектронные технологии». Сегодня лазерные гироскопы, произведенные на предприятиях Ростеха, входят в состав высокоточных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) современных отечественных самолетов. Эти системы навигации часто называют автономными, потому что позволяют обойтись самолету без спутниковых систем, таких как GPS и ГЛОНАСС. Большой прогресс в области высокоточной спутниковой навигации не лишил «работы» автономных средств навигации.

Бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-СП-1 производства КРЭТ

Спутниковые системы могут не совсем точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Также могут быть погрешности при определении скорости самолета с помощью GPS. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических технологий. К примеру, в «Полюсе» разработана высокоточная лазерно-гироскопическая спутниково-навигационная система для пилотажно-навигационных комплексов самолетов.

В наши дни лазерные гироскопы не только сохраняют лидирующие позиции в навигации – специалисты в области гироскопии находят и нестандартные применения таких приборов. К примеру, гироскопы помогают в фундаментальных исследованиях земной коры, измеряют ее колебания (землетрясения). Для этих целей используются большие лазерные гироскопы с периметром в несколько метров, способные уловить тончайшее изменение проекции угловой скорости вращения Земли.

События, связанные с этим

ИННОПРОМ: главная витрина промышленных технологий

Скоростной гироскоп

Вращающиеся гироскопы, которые не ориентированы на Север, называются «гироскопами скорости поворота» . В отличие от гироскопов, ориентированных на Север, они имеют две вместо трех степеней свободы. Автопилоты используют гироскопы скорости поворота, чтобы автоматически управлять кораблем и показывать скорость поворота (ВРАЩЕНИЯ). Они используются только на более коротких расстояниях, поскольку не сохраняют свою ориентацию в пространстве в течение длительных периодов времени.

Требования к точности ИМО для приборов скорости поворота:

• Указанная скорость поворота не должна отклоняться от фактической скорости поворота судна более чем на 0,5 градуса в минуту плюс 5 процентов от указанной скорости поворота судна. Эти значения включают влияние скорость вращения Земли.
• Периодическое движение судна по крену с амплитудой ±5° и периодом до 25 секунд и периодическое движение при качке с амплитудой ±l° и периодом до 20 секунд, не должны изменять среднее значение указанной скорости поворота более чем на 0,5° в минуту.
• Прибор ROT должен соответствовать этим требованиям точности при всех скоростях судна до 10 узлов.

Гироскоп скорости поворота с панелью оператора и повторителем, который показывает скорость поворота,
ВРАЩЕНИЯ. (Raytheon Anschutz)

Кольцевой Лазерный гироскоп

Для обнаружения вращения прибора, кольцевые лазерные гироскопы (RLG) используют зеркала для отражения лазерного луча. Он разделен так, что один пучок направлен по часовой стрелке, а другой − против часовой стрелки. После, они отражаются в зеркалах. Когда устройство не вращается, два луча достигнут компаратора без разности фаз. Но когда устройство вращается, лазерные лучи должны проходить разные расстояния, чтобы пересечь цепь. Эта разница обнаруживается путем сравнения их фаз и вращение может быть измерено. Эта функция основана на так называемом эффекте Саньяка.

Волоконно-оптический гироскоп

Волоконно-оптический гироскоп (FOG) использует концепцию, аналогичную кольцевому лазерному гироскопу, но волоконно-оптическая катушка используется в качестве очень чувствительного датчика скорости.

Входной лазерный луч разделяется на два, которые движутся по одному и тому же пути, но в противоположных направлениях: один по часовой стрелке, а другой против часовой.

Когда происходит вращение, оптический путь для одного луча становится немного длиннее, в то время как путь противоположного луча становится короче, что приводит к сдвигу частоты Саньяка.

Комбинация трех таких волоконно-оптических катушек (гироскопов) и двухосевого электронного датчика уровня, способна определять направление истинного Севера. В этой системе нет карданного подвеса, нет движущихся частей. Волоконно-оптический гироскоп не имеет никаких ошибок, кроме одной небольшой, которая увеличивается с широтой.

Когда гироскоп не вращается, расстояние, пройденное светом, имеет одинаковую длину в обоих направлениях и никакой разницы в фазе не произойдет.

Когда гироскоп вращается, расстояние, пройденное разными путями, не равно и детектор может обнаружить разность фаз. FOG переводит это в измерение вращения

Спутниковый компас

Спутниковый компас измеряет курс судна, сравнивая разность фаз между несущими волнами разных спутников. Для этого требуется чтобы специальная антенна получала достаточное количество данных со спутников. Некоторым компасам для этой цели требуется не менее 6 спутников. Спутниковые компасы могут иметь до четырех антенн. По полученным сигналам прибор может рассчитать несколько параметров:

• Заголовок
• Скорость поворота (ROT)
• Курс над землей (COG)
• Крен и тангаж

Результаты очень точны. Спутниковый компас также получает данные GNSS о местоположении и отправляет сигналы на навигационный компьютер, поэтому нет необходимости в дополнительных антеннах.

Если сигналы перекрываются, например, мостами, каналами или гаванями, то резервная система компаса возьмет на себя задачу расчета курса на короткое время или до тех пор, пока сигнал не вернется. Резервная система состоит из твердотельного датчика магнитного поля Земли. Высококачественные спутниковые компасы имеют Инерционный измерительный блок (IMU) в качестве резервного. Он состоит из трех чувствительных к повороту датчиков и трех акселерометров. Качество системы резервного измерения определяет, как долго можно полагаться на данные, которые она предоставляет.

Разработка спутниковых компасов направлена на представление все большего и большего количества данных

Источники ошибок

• Могут возникать случайные ошибки в зависимости от расстояния между антеннами и от их количества, используемых компасом. GPS-компас с четырьмя антеннами и относительным расстоянием между ними в 3 метра имеет точность 0,05°. С тремя антеннами и относительным расстоянием менее 1 метра точность будет составлять от 0,25° до 0,4°. Наиболее распространенные спутниковые компасы имеют только две антенны.
• Так называемая A-ошибка, является постоянной величиной, зависящей от того, что она не установлена в направлении передней и задней линий. Установка также должна минимизировать эффекты мультилучей.
• Если компас не получает достаточного количества спутниковых сигналов, курс не выводится. Когда это происходит, резервная система берет управление на небольшой период.

Краткосрочная стабильность GPS-компаса заключается в его способности продолжать предоставлять информацию о местоположении, курсе, крене и качке, даже когда система работает с помехами: тень спутника, ошибки мультилучей, ошибки антенны и так далее.

GPS-компасы не были одобрены IMO в качестве замены магнитных или гироскопических компасов.