Гироскоп, что это в телефоне и как он используется. Гироскоп в телефоне – что это такое и как работает

Существует огромное количество изобретений, которые характеризуются длинной и весьма богатой историей использования в различных приборах и устройствах. Часто можно услышать название чего-либо, но даже не иметь представления о том, для чего оно предназначено. Именно так и возникает вопрос, что такое гироскоп? Стоит в нем разобраться.

Основное определение

Гироскоп представляет собой навигационный прибор, в котором в качестве основного элемента используется быстро вращающийся ротор, закрепленный таким образом, чтобы его ось вращения поворачивалась. Две рамки карданова подвеса обеспечивают три степени свободы. При отсутствии каких-либо внешних воздействий на устройство ось собственного вращения ротора сохраняет в пространстве постоянное направление. Если на него оказывает воздействие момент внешней силы, которая стремится повернуть ось собственного вращения, то она начинает свое движение не вокруг направления момента, а вокруг оси, находящейся перпендикулярно по отношению к нему.

Особенности устройства

Если говорить о том, что такое гироскоп, то стоит отметить, что в качественно сбалансированном и достаточно быстро вращающемся приборе, установленном на высокосовершенных подшипниках, с малым трением практически отсутствует момент внешних сил, поэтому устройство способно сохранять свою ориентацию в пространстве почти неизменной. Поэтому он способен указывать угол поворота основания, на котором его закрепили. Именно так впервые было наглядно продемонстрировано французским физиком Ж. Фуко. Если ограничить поворот оси специальной пружиной, то при установке прибора на который выполняет разворот, гироскоп будет деформировать пружину до тех пор, пока момент внешней силы не уравновесится. В данном случае сила растяжения или сжатия пружины будет пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. По такому принципу работает авиационный указатель поворота и многие другие гироскопические приборы. Так как в подшипниках создается очень малое трение, чтобы поддерживать вращение ротора гироскопа, не требуется больших затрат энергии. Обычн, для его приведения в движения, а также для поддержания этого движения достаточно электродвигателя малой мощности либо струи сжатого воздуха.

Гироскоп: применение

Чаще всего этот прибор используется в качестве чувствительного элемента для указывающих гироскопических приборов, а также в качестве датчика угла поворота или угловой скорости для устройств, работающих под автоматическим управлением. В некоторых случаях гироскоп может послужить в качестве генератора энергии или момента силы.

На текущий момент принцип работы гироскопа позволяет активно использовать его в авиации, судоходстве и космонавтике. Почти у каждого морского судна дальнего плавания имеется гирокомпас для автоматического или ручного управления судном, а в некоторых используются и гиростабилизаторы. Система управления огнем корабельной артиллерии обычно оснащается множеством дополнительных гироскопов, которые предназначены для обеспечения стабильной системы отсчета или для измерения угловых скоростей.

Если вам понятно, что такое гироскоп, то следует понимать, что без него просто немыслимо автоматическое управление торпедами. Вертолеты и самолеты тоже обязательно оборудуются этими приспособлениями для того, чтобы давать надежную информацию о деятельности систем навигации и стабилизации. К таким приборам можно отнести авиагоризонт, гироскопический указатель поворота и крена, гировертикаль. Если рассматривать вертолет с гироскопом, то тут этот прибор может служить как в качестве указывающего устройства, так и в качестве датчика автопилота. Многие самолеты оснащены гиростабилизированными и прочим оборудованием - фотоаппаратами с гироскопами, гиросектантами, навигационными визирами. В военной авиации активно используются гироскопы в качестве составных элементов в прицелах бомбометания и воздушной стрельбы.

Применение в современных гаджетах

Итак, если рассматривать, что такое гироскоп, то следует заметить, что этот прибор активно используется не только в указанных ранее сферах. Современные смартфоны и планшеты оснащены массой дополнительных функций и модулей, при этом некоторые оказываются очень даже полезными, а иные могут мешать комфортному использованию устройства, раздражая пользователей. Одним из них является гироскоп в телефоне, что это становится понятно, когда вы будете пользоваться своим аппаратом. С одной стороны, он оказывается очень даже полезным, хотя с другой - большинство пользователей предпочитают просто отключать его.

что это?

Сначала необходимо определиться с тем, что это за устройство и каким функционалом оно характеризуется. Итак, гироскоп в телефоне - что элемент необходим для определения того, как ориентирован прибор в пространстве. В некоторых случаях этот датчик можно применить для защиты отдельных элементов устройства от падения в будущем. Фактически данный датчик предназначен для определения смены положения, а при наличии акселерометра - и ускорения при падении. Затем информация передается вычислительному блоку гаджета. При наличии определенного программного обеспечения прибор принимает решение о том, как ему следует реагировать далее на изменения, произошедшие с ним.

Для чего еще он нужен?

Итак, если с вопросом, что такое гироскоп, становится все понятно, то остается выяснить, зачем его используют в телефонах. Защита внутренностей тут не является единственной задачей. В сочетании с разнообразным софтом на него ложится целый ряд различных функций. К примеру, смартфон может использоваться для игр, в которых управление осуществляется посредством наклонов, встряхивания или поворотов прибора. Подобное управление позволяет сделать игры поистине увлекательными, благодаря чему они пользуются повышенным спросом.

Можно отметить, что продукция компании "Эппл" оснащается гироскопами, и они играют весьма значимую роль, так как к ним привязана работа многих приложений. Под него специально разработали режим, получивший название CoverFlow. Существует очень большое количество приложений, работающих в данном режиме, однако можно остановиться на нескольких, наиболее наглядно демонстрирующих его. К примеру, если на iPhone использовать калькулятор, то в портретном положении пользователю будут доступны только простые действия, а именно: сложение, вычитание, деление и умножение. Но при повороте устройства на 90 градусов все изменится. Калькулятор при этом переключается в расширенный режим, то есть инженерный, в котором функций будет доступно гораздо больше.

Если вам понятно, как работает гироскоп, то следует отметить, что его функции могут использоваться и для определения собственного местоположения на местности.

Можно просматривать на таком приборе карту местности с применением GPS-навигации, и в этом случае карта всегда будет поворачиваться в ту сторону, куда направлен ваш взгляд. Поэтому, если вы стоите лицом, к примеру, к речке, то это отобразится на карте, а если повернетесь, то изменится и положение карты. Благодаря этому ориентирование на местности значительно упрощается и может стать достаточно полезно людям, увлеченным активным отдыхом.

Проблемы с гироскопом в телефоне

Можно сказать и о недостатках, присущих гироскопам. Очень часто их отключают из-за того, что программы реагируют на изменение положения в пространстве с некоторым запозданием. К примеру, если вы решили почитать, лежа на диване, с экрана смартфона или планшета, то гироскоп и программа, связанная с ним, будут менять ориентацию страницы каждый раз, когда вы будете поворачиваться или смените позу. Это причиняет много неудобств, так как очень редко устройство способно правильно интерпретировать положение в пространстве, а ситуация усугубляется из-за запоздалой реакции программы.

Современные разновидности

Первые гироскопы были механическими. Этот вид устройств используется и сейчас, но с некоторыми усовершенствованиями, позволяющими сделать их более полезными. На данный момент существует лазерный гироскоп, который лишен недостатков, свойственным механическим. И именно такой прибор используется в современной технике.

Последнее время (года так с 2015) все больше пользователей заинтересовалось: а есть ли гироскоп в смартфоне, которым они постоянно пользуются? Особенно сильно на это повлияла недавно вышедшая игра Pokemon Go, требующая наличия этого датчика. Без него «Покемоны» не могут работать в режиме дополненной реальности, показывая зверушку в естественной среде обитания.

Не только игры требуют наличие гироскопа. Как и цифровой компас, он позволяет улучшить работу навигационной системы, позволяет реализовать некоторые жестовые элементы управления и т.д. Часто гироскоп совмещен с акселерометром смартфона, и в этом тандеме смартфон можно использовать при просмотре виртуальной реальности в очках. Но иногда может применяться только один из датчиков. Узнать, как работает и зачем нужен гироскоп, выяснить, есть ли он в вашем смартфоне, поможет статья.

Что такое гороскоп?

Гироскоп – это специальный датчик в смартфоне, работающий за счет определения вектора силы тяжести. Он позволяет определить, в какую сторону она направлена, чтобы определить положение устройства в пространстве. Классический гироскоп представляет собой подставку с обручем, в котором на шарнире закреплен обруч меньшего размера. Внутри него находится еще один обруч, а в центре обруча располагается вращающийся диск-ротор на шпильке.

Как Стив Джобс продвигал гироскоп и акселерометр в смартфоне

Под действием силы тяжести диск всегда находится в одном положении, вне зависимости от того, в какую сторону наклонен гироскоп. Эта особенность позволяет регистрировать отклонения подвеса гироскопа для определения положения в пространстве. Однако классический гироскоп в карданном подвесе неприменим в миниатюрной электронике. В смартфонах устанавливаются более миниатюрные MEMS (микроэлектромеханические системы) с детектирующим кольцом. Размеры их корпуса составляют от 5 до 10 мм в ширину и длину, 2-5 мм в высоту, что приемлемо для смартфона.

Зачем гироскоп в смартфоне?

Наиболее востребованной функцией, возложенной на гироскоп смартфона (это было больше 5 лет назад) стало определение положения для автоматического поворота изображения на экране. Затем датчик стали использовать в навигационных программах, играх, приложениях, выполняющих работу строительного уровня. Его данные могут использоваться для жестового управления. Например, при перевороте устройства экраном вниз – включается беззвучный режим или блокируется экран.

Возможности применения гироскопа достаточно широки и ограничиваются лишь фантазией разработчиков программ. Совместно с акселерометром, датчик используется в большинстве современных 3D-игр. Вы можете совместно с VR-гарнитурой для смартфона играть и просматривать 360-градусный контент. Функции обоих сенсоров похожи, они взаимозаменяемы на 90 %. Однако часто производители отказываются от одного из датчиков, и в этом случае поиграть в очках не получится, отзывчивость будет на низком уровне.

Как узнать, есть ли в смартфоне гироскоп?

Определить есть ли гироскоп в смартфоне, проще всего владельцам техники Apple. Если у вас iPhone 4 или новее – датчик точно присутствует на плате. Владельцы устройств на базе ОС Android могут воспользоваться приложениями, отображающими полные технические характеристики смартфона.

В Aida64 просмотреть, какие сенсоры есть на борту, можно во вкладке «Датчики». Такая же функциональность есть в популярном бенчмарке AnTuTu. Детально просмотреть показания гироскопа и узнать, правильно ли он работает, можно в приложении Sensor Sense. В приложении Sensor Kinetics можно найти данные о любых датчиках смартфона и проверить их работоспособность.

Новейшие смартфоны оснащены многочисленными датчиками. Одним из самых полезных модулей выступает гироскоп. Для чего такое устройство внедряют в системы сотовых телефонов? Гироскоп в смартфоне - что это? Какие функции на него возложены? Обо всем этом пойдет речь в нашей публикации.

Краткий экскурс в историю

Гироскоп - изобретение французского ученого Леона Фуко. Прототип, согласно принципу работы которого функционируют современные устройства, использовался физиком в целях отслеживания особенностей суточного вращения планеты.

Инновационные гироскопы используются не только для отслеживания специфики колебания различных тел. В наши дни основным назначением прибора является определение углов отклонения предметов по отношению к плоскостям. Для чего нужен гироскоп в смартфоне? Комбинирование такого модуля с акселерометром открывает возможность для отслеживания движений телефона в трехмерном пространстве.

Впервые средство сотовой связи с таким модулем на борту представила компания Apple. Случилось это в ходе презентации модели смартфона iPhone 4. Впоследствии инновационному решению стали подражать самые различные разработчики телефонов.

Гироскоп в смартфоне - что это?

Гироскоп в сотовом телефоне не имеет ничего общего с традиционным механическим устройством. Здесь модуль представляет собой микроскопическую электронную плату, которая способна вычислять угловые скорости, передавая соответствующую информацию в виде электрических сигналов. Как правило, габариты такого чипа составляют всего лишь несколько миллиметров. Если отвечать в общих чертах на вопрос: "Гироскоп в смартфоне - что это?", то несведущему человеку может показаться, что никакой особой пользы владельцу эта фишка не несет - применение устройства направлено всего лишь на определение отклонения мобильного гаджета от собственной оси. Но так ли это?

Отличие гироскопа от акселерометра

Гироскоп в смартфоне - что это? Такой модуль способен передавать данные тем или иным приложениям об угле наклона мобильного гаджета по отношению к земной поверхности. Подобная функция закреплена также за акселерометром. Однако указанные девайсы имеют различный принцип работы. Ведь функционирование акселерометра основано на вычислении собственного ускорения в пространстве. На практике отмеченные возможности обеих систем оказываются взаимозаменяемыми. Именно по этой причине современные смартфоны оснащаются как гироскопом, так и акселерометром.

Функции гироскопа

Зачем нужен гироскоп в смартфоне? Применение датчика открывает следующие возможности. В первую очередь благодаря элементарному встряхиванию мобильного телефона пользователь способен быстро ответить на входящий звонок. Гироскоп позволяет просматривать изображения, переключать аудиозаписи в плеере, облегчает переворачивание страниц во время просмотра текстовых документов.

Еще зачем гироскоп в смартфоне? Чрезвычайно удобным модуль становится при использовании калькулятора. Благодаря отклонению гаджета в ту или иную сторону можно выбирать функции умножения, деления, вычитать и слагать значения.

Разработчики мобильных устройств нашли применение гироскопу также при работе с различными приложениями и программным обеспечением. При встряхивании некоторых устройств автоматически происходит обновление Bluetooth. Очень удобным наличие модуля становится при необходимости измерения уровней и углов наклона.

Гироскоп незаменим в случае работы с электронными картами. Модуль дает возможность определять точное положение пользователя на определенной местности. При запуске навигатора карта будет менять положение вслед за поворотом человека. Если пользователь развернется лицом к тому или иному объекту, это сразу же отобразится на визуальной схеме. Такая функция будет крайне полезной для людей, которые увлекаются активным отдыхом, в частности путешествиями и ориентированием на местности.

Без гироскопа не могут обойтись любители мобильных игр. Функциональный модуль способствует созданию более реалистичной картинки и облегчает управление. Особенно правдоподобными благодаря гироскопу становятся всевозможные симуляторы, шутеры, трехмерные бродилки. Чтобы езда на виртуальной машине либо полет на самолете казались более реальными, достаточно изменения положения смартфона в одной из плоскостей.

Если пользователь мобильного телефона в дальнейшем планирует использовать шлем виртуальной реальности, в таком случае наличие гороскопа выступает обязательным условием. Без датчика станет невозможным отслеживание системой смартфона поворотов головы, перемещения человека в пространстве.

Недостатки

Но наличие в смартфоне гироскопа может обернуться минусом, да таким, что отдельные пользователи стараются сразу же отключить функциональный модуль. Речь идет о реакции некоторых приложений на изменения положения сотового телефона в пространстве со значительным запозданием.

Сравнительным недостатком наличия гироскопа в смартфоне выступают неудобства, которые способны возникать при чтении электронной книги. Если пользователь произвольно меняет позу, датчик тут же преобразит ориентацию странички в соответствующей плоскости. Подобные моменты обычно вызывают раздражение.

Как определить, есть ли гироскоп в смартфоне

Узнать о присутствии функционального модуля в системе мобильного устройства можно несколькими способами. Наиболее простой и доступный вариант - ознакомление с описанием модели смартфона на официальном сайте изготовителя либо просмотр прилагающейся к гаджету технической документации.

Существуют и другие решения. Например, можно прибегнуть к установке на телефон специальных приложений. Одним из таковых выступает AnTuTu Benchmark. После инсталляции и запуска приложения достаточно перейти на вкладку «Информация». Через несколько мгновений на экране отобразятся все спецификации смартфона.

В качестве альтернативы вышеуказанному варианту можно воспользоваться утилитой Sensor Sense. Приложение фиксирует данные, которые исходят со всех датчиков, встроенных в мобильное устройство. Если в списке «запеленгованных» модулей не окажется гироскопа, это будет свидетельствовать о его отсутствии.

Или технологией Bluetooth был чем-то необычным. Теперь же все эти функции стали привычными, а некоторые из них даже успели устареть. Производители добавляют в свои модели новые возможности, одна из которых - гироскоп в телефоне. Что же он из себя представляет, как применяется?

Гироскоп и акселерометр

Многие люди часто путают эти два понятия. Давайте разберёмся.

Акселерометр, или G-сенсор - устройство, которое отслеживает изменение положения девайса относительно своей оси - например, повороты влево-вправо, на себя и от себя.

Гироскоп в телефоне позволяет регистрировать не только эти действия, но и любые перемещения устройства в пространстве, а также фиксировать скорость перемещения. Поэтому можно считать его улучшенным акселерометром.

Принцип действия гироскопа

Устройство представляет собой диск, который закреплён на двух подвижных рамках. Он быстро вращается. При изменении положения этих рамок, диск не сдвигается с места. Если постоянно поддерживать вращение, например, с помощью электромотора, то можно с точностью определить положение объекта, на котором установлен гироскоп. Это может быть использовано и для определения сторон света.

Варианты применения

Ещё в девятнадцатом веке гироскоп использовался военно-морскими силами и гражданскими судами, так как с помощью него можно было наиболее точно определить стороны света. Ещё он нашёл своё применение в авиации и ракетной технике.

Гироскоп iPhone 4

В Айфоне конструкция прибора немного отличается от классической, поскольку она выполнена на основе микроэлектромеханического датчика. Принцип же действия остаётся прежним.

Гироскоп в телефоне имеет очень большую сферу применения. Безусловно, в первую очередь это разнообразные игры, использующие данную технологию. Наиболее популярные среди них - гоночные симуляторы и шутеры. Для примера: в шутерах используется так называемая «дополненная реальность» - выстрелы производятся с помощью нажатия, а для того, чтобы прицелиться, нужно изменить положение смартфона - камера в игре передвинется точно так же.

Кроме игровой индустрии, гироскоп применяется в разнообразном программном обеспечении. С его помощью доступ к различным функциям становится гораздо удобнее. Например, в некоторых операционных системах при встряхивании устройства происходит обновление Bluetooth. Ещё эта технология применяется в ряде специфических приложений, служащих для измерения угла наклона (уровня).

Мобильная индустрия в последнее время развивается всё быстрее и быстрее. Ещё недавно гироскоп в телефоне был модной новинкой, а теперь он используется повсеместно и считается привычной деталью любого смартфона. Возможно, всего через несколько лет появится новое поколение устройств, позволяющих проецировать изображение на любую точку пространства, ведь наука идёт вперёд семимильными шагами. Пока же мы можем только строить предположения по этому поводу и искать способы применения тем технологиям, которые уже изобретены.

ГИРОСКОП (от греческого γ?ρος - круг, окружность и σκοπ?ω - наблюдать), устройство, совершающее быстрые циклические (вращательные или колебательные) движения и чувствительное вследствие этого к повороту в инерциальном пространстве. Термин «гироскоп» предложен в 1852 году Ж. Б. Л. Фуко для изобретённого им прибора, предназначенного для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Долгое время термин «гироскоп» использовался для обозначения быстровращающегося симметричного твёрдого тела. В современной технике гироскоп - основной элемент всевозможных гироскопических устройств или приборов, широко применяемых для автоматического управления движением самолётов, судов, торпед, ракет, космических аппаратов, мобильных роботов, для целей навигации (указатели курса, поворота, горизонта, стран света), для измерения угловой ориентации подвижных объектов и во многих других случаях (например, при прохождении стволов штолен, строительстве метрополитенов, при бурении скважин).

Классический гироскоп. Согласно законам ньютоновской механики скорость поворота оси быстровращающегося симметричного твёрдого тела в пространстве обратно пропорциональна его собственной угловой скорости и, следовательно, ось гироскопа поворачивается столь медленно, что на некотором интервале времени её можно использовать в качестве указателя неизменного направления в пространстве.

Простейшим гироскопом является волчок, парадоксальность поведения которого заключается в его сопротивлении изменению направления оси вращения. Под воздействием внешней силы ось волчка начинает двигаться в направлении, перпендикулярном вектору силы. Именно благодаря этому свойству вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали. Это движение называется прецессией гироскопа. Если к оси быстро вращающегося свободного гироскоп придожить пару сил {Р, Р’}, Р’ = -Р, с моментом М = Ph, где h - плечо пары сил (рис. 1), то (против ожидания) гироскоп начнёт дополнительно поворачиваться не вокруг оси х, перпендикулярной к плоскости пары сил, а вокруг оси у, лежащей в этой плоскости и перпендикулярной оси z вращения гироскопа. Если в какой-либо момент времени действие пары сил прекратится, то одновременно прекратится прецессия, т. е. прецессионное движение гироскопа безынерционно. Чтобы ось гироскопа могла свободно поворачиваться в пространстве, гироскоп обычно закрепляют в кольцах карданового подвеса (рис. 2), который представляет собой систему твёрдых тел (рамок, колец), последовательно соединённых между собой цилиндрическими шарнирами. Обычно при отсутствии технологических погрешностей оси рамок карданового подвеса пересекаются в одной точке - центре подвеса. Закреплённое в таком подвесе симметричное тело вращения (ротор) имеет три степени свободы и может совершать любой поворот вокруг центра подвеса. Гироскоп, у которого центр масс совпадает с центром подвеса, называется уравновешенным, астатическим или свободным. Изучение законов движения классического гироскопа - задача динамики твёрдого тела.

Основной количественной характеристикой ротора механического гироскопа является его вектор собственного кинетического момента, называемого также моментом количества движения или моментом импульса,

где I - момент инерции ротора гироскопа относительно оси собственного вращения, Ω - угловая скорость собственного вращения гироскопа относительно оси симметрии.

Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил, называемое прецессией гироскопа, описывается уравнением

ω x Η = Μ, (2)

где ω - вектор угловой скорости прецессии, Н - вектор собственного кинетического момента гироскопа, М - ортогональная к Н составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу.

Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси и определяемый уравнением

М g = -М = Η x ω, (3)

называется гироскопическим моментом.

Кроме медленных прецессионных движений ось гироскопа может совершать быстрые колебания с малой амплитудой и высокой частотой - так называемые нутации. Для свободного гироскопа с динамически симметричным ротором в безынерционном подвесе частота нутационных колебаний определяется формулой

где А - момент инерции ротора относительно оси, ортогональной оси собственного вращения и проходящей через центр масс ротора. При наличии сил трения нутационные колебания обычно достаточно быстро затухают.

Погрешность гироскопа измеряется скоростью ухода его оси от первоначального положения. Согласно уравнению (2) величина ухода, называемого также дрейфом, пропорциональна моменту сил М относительно центра подвеса гироскопа:

ω ух = М/Н (4)

Уход ω ух обычно измеряется в угловых градусах в час. Из формулы (4) следует, что свободный гироскоп функционирует идеально лишь в том случае, если внешний момент М равен 0. При этом угловая скорость прецессии обращается в нуль и ось собственного вращения будет в точности совпадать с неизменным направлением в инерциальном пространстве.

Однако на практике любые средства, используемые для подвеса ротора гироскопа, являются причиной возникновения нежелательных внешних моментов неизвестной величины и направления. Формула (4) определяет пути повышения точности механического гироскопа: надо уменьшить «вредный» момент сил М и увеличить кинетический момент Н. При выборе угловой скорости гироскопа необходимо учитывать одно из главных ограничений, связанных с пределами прочности материала ротора из-за возникающих при вращении центробежных сил. При разгоне ротора выше так называемой допускаемой угловой скорости начинается процесс его разрушения.

Лучшие современные гироскопы имеют случайный уход порядка 10 -4 -10 -5 °/ч. Ось гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч совершает полный оборот на 360° за 4 тысячи лет! Точность балансировки гироскопа с погрешностью 10 -5 °/ч должна быть выше одной десятитысячной доли микрометра (10 -10 м), то есть смещение центра масс ротора из центра подвеса не должно превышать величину порядка диаметра атома водорода.

Гироскопические устройства можно разделить на силовые и измерительные. Силовые устройства служат для создания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироскопический прибор; измерительные предназначены для определения параметров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и тому подобное).

Впервые уравновешенный гироскоп нашёл практическое применение в 1898 году в приборе для стабилизации курса торпеды, изобретённом австрийским инженером Л. Обри. Аналогичные приборы в различных вариантах исполнения начали использовать в 1920-х годах на самолётах для указания курса (гироскоп направления, гирополукомпасы), а позднее для управления движением ракет. На рисунке 3 показан пример применения гироскопа с тремя степенями свободы в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создаётся и поддерживается струёй сжатого воздуха, направленной на рифлёную поверхность обода. По шкале азимута, прикреплённой к наружной рамке, можно, установив ось собственного вращения ротора параллельно плоскости основания прибора, ввести требуемое значение азимута. Трение в подшипниках незначительно, поэтому ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве. Пользуясь стрелкой, скреплённой с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолёта.

Гирогоризонт, или искусственный горизонт, позволяющий пилоту поддерживать свой самолёт в горизонтальном положении, когда естественный горизонт не виден, основан на использовании гироскопа с вертикальной осью вращения, сохраняющей своё направление при наклонах самолёта. В автопилотах применяются два гироскопа с горизонтальной и вертикальной осями вращения; первый служит для сохранения курса самолёта и управляет вертикальными рулями, второй - для сохранения горизонтального положения самолёта и управляет горизонтальными рулями.

С помощью гироскопа созданы автономные инерциальные навигационные системы (ИНС), предназначенные для определения координат, скорости и ориентации подвижного объекта (корабля, самолёта, космического аппарата и тому подобное) без использования какой-либо внешней информации. В состав ИНС кроме гироскопа входят акселерометры, предназначенные для измерения ускорения (перегрузки) объекта, а также компьютер, интегрирующий по времени выходные сигналы акселерометров и выдающий навигационную информацию с учётом показания гироскопа. К началу 21 века созданы настолько точные ИНС, что дальнейшего повышения точностей для решения многих задач уже не требуется.

Развитие гироскопической техники последних десятилетий сосредоточилось на поиске нетрадиционных областей применения гироскопических приборов - разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение координат железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многое другое.

Неклассические виды гироскопов. Высокие требования к точности и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов привели не только к дальнейшим усовершенствованиям классического гироскопа с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве. Этому способствовали успехи квантовой электроники, ядерной физики и других областей точных наук.

В гироскопе с воздушной опорой шариковые подшипники, используемые в традиционном кардановом подвесе, заменены «газовой подушкой» (газодинамической опорой). Это полностью устранило износ материала опор во время работы и позволило почти неограниченно увеличить время службы прибора. К недостаткам газовых опор относятся довольно большие потери энергии и возможность внезапного отказа при случайном контакте ротора с поверхностью опоры.

Поплавковый гироскоп представляет собой роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешиваются в жидкости с большой плотностью так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тысяч оборотов в минуту. Для повышения точности прибора необходимо использование системы термостабилизации. Поплавковый гироскоп с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.

Динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) принадлежит к классу гироскопа с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счёт упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В ДНГ, в отличие от классического гироскопа, используется так называемый внутренних карданов подвес (рис. 4), образованный внутренним кольцом 2, которое изнутри крепится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а снаружи - торсионами 3 к ротору 1. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В ДНГ за счёт подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам ДНГ относятся их миниатюрность, отсутствие подшипников со специфическими моментами трения, присутствующими в классическом кардановом подвесе, высокая стабильность показаний, относительно невысокая стоимость.

Рис. 4. Динамически настраиваемый гироскоп с внутренним кардановым подвесом: 1 - ротор; 2 - внутреннее кольцо; 3 и 4 - торсионы; 5 - электродвигатель.

Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. К достоинствам КЛГ относятся отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения, высокая точность.

Волоконно-оптический гироскоп (ВОГ) представляет собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. ВОГ является аналоговым преобразователем угловой скорости вращения основания, на котором он установлен, в выходной электрической сигнал.

Волновой твердотельный гироскоп (ВТГ) основан на использовании инертных свойств упругих волн в твёрдом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде, не изменяя своей конфигурации. Если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора. К достоинствам ВТГ относятся: высокое отношение точность/цена; способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшая масса, низкая энергоёмкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.

Вибрационный гироскоп (ВГ) основан на свойстве камертона сохранять плоскость колебаний своих ножек. В ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодических момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы. К недостаткам ВГ относится нестабильность показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек, а также то, что они не работают в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Идея камертонного гироскопа стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих пьезоэлектрический эффект либо вибрацию жидкостей или газов в специально изогнутых трубках и тому подобное.

Микромеханический гироскоп (ММГ) относится к гироскопам низких точностей (ниже 10 -1 °/ч). Эта область традиционно считалась малоперспективной для задач управления движущимися объектами и навигации. Но в конце 20 века разработка ММГ стала одним из наиболее интенсивно разрабатываемых направлений гироскопической техники, тесно связанным с современными кремниевыми технологиями. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа камертона. Точность современных ММГ невелика и достигает 10 1 -10 2 °/ч, однако решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Благодаря использованию хорошо отработанных современных технологий массового производства микроэлектроники открывается возможность применения ММГ в совершенно новых областях: автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, мыши и джойстики персональных компьютеров, мобильные робототехнические устройства и даже детские игрушки.

Неконтактный гироскоп относится к гироскопическим устройствам сверхвысоких точностей (10 -6 -5·10 -4 °/ч). Разработка гироскопа с неконтактными подвесами началась в середине 20 века. В неконтактных подвесах реализуется состояние левитации, т. е. состояние, при котором ротор гироскопа «парит» в силовом поле подвеса без какого-либо механического контакта с окружающими телами. Среди неконтактных гироскопов выделяют гироскопы с электростатическим, магнитным и криогенным подвесами ротора. В электростатическом гироскопе проводящий бериллиевый сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемом системой электродов. В криогенном гироскопе сверхпроводящий ниобиевый сферический ротор подвешен в магнитном поле; рабочий объём гироскопа охлаждается до сверхнизких температур, так, чтобы ротор перешёл в сверхпроводящее состояние. Гироскоп с магниторезонансным подвесом ротора является аналогом гироскопа с электростатическим подвесом ротора, в котором электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор - ферритовым. Современные гироскопы с неконтактными подвесами - это сложнейшие приборы, которые вобрали в себя новейшие достижения техники.

Кроме перечисленных выше типов гироскопов проводились и проводятся работы над экзотическими типами гироскопа, такими, как ионный гироскоп, ядерный гироскоп и др.

Математические задачи в теории гироскопа. Математические основы теории гироскопа заложены Л. Эйлером в 1765 году в его работе «Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum». Движение классического гироскопа описывается системой дифференциальных уравнений 6-го порядка, решение которой стало одной из самых знаменитых математических задач. Эта задача относится к разделу теории вращательного движения твёрдого тела и является обобщением задач, решаемых до конца простыми средствами классического анализа. Однако при этом она настолько трудна, что ещё далека от завершения, несмотря на результаты, полученные крупнейшими математиками 18-20 века. Современные гироскопические приборы потребовали решения новых математических задач. Движение неконтактных гироскопов с высокой точностью подчиняется законам механики, поэтому, решая уравнения движения гироскопа с помощью компьютера, можно точно предсказывать положение оси гироскопа в пространстве. Благодаря этому разработчикам неконтактных гироскопов не приходится балансировать ротор с точностью 10 -10 м, которую невозможно достичь при современном уровне технологии. Достаточно точно измерять погрешности изготовления ротора данного гироскопа и вводить соответствующие поправки в программы обработки сигналов гироскопа. Получающиеся с учётом этих поправок уравнения движения гироскопа оказываются очень сложными, и для их решения приходится применять весьма мощные компьютеры, использующие алгоритмы, основанные на последних достижениях математики. Разработка программ расчёта движения гироскопа с неконтактными подвесами позволяет существенно повысить точность гироскопа, а следовательно, и точность определения местоположения объекта, на котором установлены эти гироскопы.

Лит.: Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. М., 1974; Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976; Климов Д. М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. М., 1978; Ишлинский А. Ю., Борзов В. И., Степаненко Н. П. Лекции по теории гироскопов. М., 1983; Новиков Л. З., Шаталов М. Ю. Механика динамически настраиваемых гироскопов. М., 1985; Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М., 1985; Мартыненко Ю. Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М., 1988.