Реферат Гіроскопи в науці і техніці
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Зміст
Вступ
1 Гірополукомпаси. Гірокомпас Фуко
2 Гіростабілізатори
3 Гіроскопи в науці
4 Використання гіроскопів в техніці
5Системи стабілізації
6 Нові типи гіроскопів
Висновки
Список використаних джерел
Вступ
Традиційний гіроскоп — пристрій, що містить швидкообертове тверде тіло, яке має три обертові ступеня вільності, тобто можливість обертання навколо трьох взаємно-перпендикулярних осей. У більш широкому сенсі гіроскоп - це любий фізичний прилад який дозволяє визначити кутову швидкість рухомого об’єкту, або його кут повороту.
Вісь у тілі (роторі) гіроскопа, навколо якої гіроскопу надано швидкого обертання, називають головною віссю гіроскопа або віссю власного обертання.
Гіроскоп має три характерні властивості:
- стійкість положення головної осі в інерціальному просторі, тобто здатність ефективно опиратися зовнішнім силам, які прагнуть змінити напрямок головної осі у просторі;
- прецесії: якщо на гіроскоп діє постійний момент сил, який прагне змінити напрямок головної осі, то головна вісь набуває обертання з постійною кутовою швидкістю у площині, яка проходить через головну вісь і вісь прикладеного моменту сил;
- нутації: якщо на гіроскоп подіяв ударний імпульс сил, який прагне змістити положення головної осі, то головна вісь починає здійснювати коливання (з великою частотою і вельми малою амплітудою), описуючи у просторі конічну поверхню з вершиною у точці підвісу.
Сучасні гіроскопи основані на вимірюванні вібраційних та хвильових параметрів резонаторів різних типів (механічних, оптичних, тощо). Принципи їх дії основані на ефектах Сань’нка, Фермі, Брайана (інерції стоячих хвиль у пружньому кільці та у вісесиметричних оболонках), ефекті інерціі поляризації пружніх хвиль зсуву, тощо.
Прилади, що використовують властивості гіроскопа, застосовуються в ряді галузей науки і техніки, зокрема в системах навігації літальних апаратів.
До винаходу гіроскопа людство використовувало різні методи визначення напрямку у просторі. Здавна люди орієнтувалися візуально по віддалених предметів, зокрема, за Сонцем. Вже в давнину з'явилися перші прилади: схил і рівень, засновані на гравітації. У середні століття в Китаї був винайдений компас, який використовує магнетизм Землі. У Європі були створені астролябія та інші прилади, засновані на положенні зірок.
Гіроскоп, винайдений Фуко (побудував Дюмолен-Фромент, 1852). Гіроскоп винайшов Йоганн Боненбергер і опублікував опис свого винаходу в 1817 році . Проте французький математик Пуассон ще в 1813 році згадує Боненбергера як винахідника цього пристрою . Головною частиною гіроскопа Боненбергера був обертовий масивна куля в кардановому підвісі . У 1832 році американець Уолтер Р. Джонсон придумав гіроскоп з обертовим диском. Французький вчений Лаплас рекомендував цей пристрій в навчальних цілях. У 1852 році французький учений Фуко удосконалив гіроскоп і вперше використав його як прилад, що показує зміну напряму (в даному випадку - Землі), через рік після винаходу маятника Фуко, теж заснованого на збереженні обертального моменту. Саме Фуко придумав назву «гіроскоп». Фуко, як і Боненбергер, використовував карданів підвіс. Не пізніше 1853 Фессель винайшов інший варіант підвіски гіроскопа [7., ст. 202].
Перевагою гіроскопа перед більш давніми приладами є те, що він правильно працює в складних умовах (погана видимість, тряска, електромагнітні перешкоди). Однак гіроскоп швидко зупинявся через тертя.
У другій половині XIX століття було запропоновано використовувати електродвигун для розгону і підтримки руху гіроскопа. Вперше на практиці гіроскоп був застосований у 1880-х роках інженером Обрі для стабілізації курсу торпеди. У XX столітті гіроскопи стали використовуватися в літаках, ракетах і підводних човнах замість компаса або спільно з ним.
1 Гірополукомпаси
. Гірокомпас Фуко
Однією з найважливіших величин, знання яких необхідно для водіння корабля або літака, є курс. Визначення курсу можна робити магнітним компасом або за допомогою гіроскопічних приладів. Як відомо, стрілка магнітного компаса вказує напрямок на Північ (точніше - на північний магнітний полюс, який дещо зміщений щодо географічного полюса Землі). Вимірюючи на кораблі кут між напрямом магнітної стрілки і поздовжньою віссю корабля, отримують курс. Однак магнітний компас - вельми недосконалий прилад: показання його спотворюються присутністю залізних мас, магнітними бурями та іншими перешкодами. При поворотах корабля слідом за ним захоплюється і магнітна стрілка, відхиляючись при цьому на значний кут від меридіана. Зважаючи на це отримали розвиток гіроскопічні покажчики курсу: гірокомпас, гирополукомпас і ДРД гірокомпас з чутливим елементом, що вказує на правління меридіана. Властивість цього приладу така, що його гіроскоп сам встановлюється своєю віссю в напрямку на Північ. Цей напрямок є положенням його стійкої рівноваги; якщо відхилити гіроскоп від цього напрямку і надати самому собі, він знову до нього повернеться. Гірокомпас використовуються тільки на морських судах і абсолютно не застосовуються в авіації, тому що при сучасних швидкостях польоту вони мають неприпустимо великі похибки.
Уявімо собі, що на кораблі, що рухається яким-небудь чином здійснили горизонтальну площадку (при відсутності хитавиці це може бути, наприклад, палуба корабля) і на ній встановили гіроскоп в кардановому підвісі. При цьому орієнтували гіроскоп таким чином, що зовнішня вісь підвісу перпендикулярна майданчику і, отже, спрямована по вертикалі, а вісь гіроскопа спрямована на Північ. При такій установці три осі карданового підвісу (вісь зовнішньої рамки, вісь внутрішньої рамки і вісь гіроскопа) збігаються з осями географічного координатного тригранника.
Проте зазначений збіг має місце лише в першу мить, так як вісь вільного гіроскопа зберігає свій напрям в просторі незмінним, а географічний тригранник обертається як внаслідок обертання Землі, так і внаслідок руху корабля щодо земної сфери. Спостерігачеві, що знаходиться на кораблі, буде здаватися, що змінює своє положення не горизонтальна площина і не полуденна лінія (вісь 0х), а вісь гіроскопа. Спостережувана зміна положення осі гіроскопа по відношенню до земних орієнтирів (або географічному тригранників) називається видимим, або удаваним рухом гіроскопа.
Таким чином , гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Детальне дослідження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вісь гіроскопа відхилена від лінії SV на малий кут, то вона стане здійснювати біля цієї лінії гармонійні коливання. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гирокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гіроскопа встановиться в напрямку полуденної лінії або, як прийнято говорити, гирокомпас прийде в меридіан [9., ст. 158].
Принцип дії гірокомпаса Фуко застосовуються тільки, для роботи на нерухомому підставі. Справа в тому, що навіть малі похитування майданчики П (відхилення її від горизонтального положення) обурюють гірокомпас і свідчення його стають нестійкими. В умовах корабля можна було б здійснити двоступеневої гірокомпас Фуко, якщо необхідний для нього горизонтальний майданчик П створити штучно за допомогою, наприклад, гіроскопічної стабілізації. Але при цьому потрібна була б настільки висока точність підтримки горизонтального положення цього майданчика, яка чи досяжна практично. Тому проблема гірокомпаса, придатного для корабельних умов, вирішується трохи інакше, хоча і з використанням основної ідеї Фуко.
Обертання відбуватиметься навколо осі зовнішньої рамки, при цьому вісь гіроскопа зробить за добу один повний оборот за годинниковою стрілкою.
Поставимо гіроскоп в деяку довільну точку О Північної або Південної півкулі Землі, будемо спостерігати безперервну зміну положення осі гіроскопа як по відношенню до площини меридіана, так і по відношенню до площини горизонту, що відбувається внаслідок добового обертання Землі. Однак можна змусити вісь гіроскопа слідувати за цими площинами, прикладаючи до гіроскопа відповідні моменти. Як повинні бути розраховані ці моменти?
Якщо вісь гіроскопа завжди залишається у площині горизонту і площини географічного меридіана, то це означає, що вона збігається з віссю О. і що є лінією перетину цих площин. Оскільки вісь О обертається навколо осі OХ, з кутовою швидкістю W і навколо осі ОХ з кутовий швидкістю т-то швидкість кінця вектора Н матиме проекції на осі ОХ і по У відповідно рівні. Згідно з теоремою Резаля, такий рух гіроскопа можливо лише тоді, коли до нього включені моменти.
Таким чином, прикладаючи розраховані за формулою моменти МХ і MY щодо осей внутрішньої і зовнішньої рамок, перетворюємо вільний гіроскоп в гірополукомпас. Якщо виставити спочатку його вісь у напрямку Південь - Північ, то вона буде слідувати за цим напрямком. Застосовуються (головним чином в авіації) і такі ЦПК, які вказують напрямок ортодромічного меридіана, дотична до ортодромічного меридіану що бертається в просторі довкола вертикалі місця зі швидкістю.
В цьому випадку вісь гіроскопа, установлена спочатку по дотичній до ортодромічного меридіана, зберігає цей напрямок і надалі. На гіроскоп будуть діяти відносно цієї ж осі всякого роду шкідливі моменти, породжувані силами тертя, дебалансів (неточним збігом центру ваги гіроскопа з точкою опори), та інші, величина і напрям яких наперед невідомі. Ці моменти викличуть додаткове обертання гіроскопа навколо осі O, внаслідок чого його вісь буде, або відставати від напрямку меридіана, або випереджати його. Це явище називають «відходом», або «дрейфом», гіроскопа.
При конструюванні і виготовленні приладу вживаються заходи до того, щоб зменшити зазначені шкідливі моменти, а відставати від напрямку меридіана, або випереджати його. Це явище називають «відходом», або «дрейфом», гіроскопа.
Як вказувалося вище, гіроскопічні компаси застосовують головним чином на морських кораблях і підводних човнах. Їх призначення - вказувати напрям географічного меридіана. Однак область застосування гірокомпасів не обмежується морськими об'єктами. Існують гірокомпас для сухопутних рухомих установок, а також гірокомпас, що працюють на нерухомій відносно Землі підставі. Такі, наприклад, маркшейдерський гірокомпас, що вживається при проходці тунелів, або гіротеодоліт, що дозволяє з великою точністю визначити напрям меридіана на суші (набагато точніше, ніж це можна зробити за допомогою магнітного компаса). Нарешті, гіроорбітант, застосовуваний на супутниках Землі для визначення положення площини орбіти супутника, також є свого роду гіроскопічним компасом.
2 Гіростабілізатори
На рухомих об'єктах у ряді випадків потрібно мати незмінне або, як прийнято говорити, стабілізоване в просторі положення окремих блоків, приладів і пристроїв, яке має зберігатися за будь-яких поворотах об'єкта. Наприклад, в системах управління літаком, ракетою або кораблем штучно отримують стабілізовану платформу, щодо якої контролюють кутове положення рухомого об'єкту. Стабілізують оптичні осі телескопів, спрямованих на будь-яке світило, оптичні осі фотоапаратів, бомбові та артилерійські приціли, знаряддя та ін.
Найбільш точна і надійна стабілізація може бути здійснена за допомогою гіроскопічних пристроїв, що одержали назву гіростабілізаторів. Описанний стабілізатор називають одноосьовим, так як він запобігає обертанню платформи навколо однієї лише осі; в нашому випадку - це вісь паралельна поперечної осі корабля; при гойданні корабля навколо поздовжньої осі (бортова хитавиця) платформа змушена буде гойдатися разом з ним. Існують і частіше застосовуються більш складні стабілізатори - двовісні і тривісні. Як показує їх назву, двовісний стабілізатор запобігає обертання стабілізіруємого об'єкта навколо будь-якої з двох взаємно перпендикулярних осей, а тривісний повністю ізолює, що стабілізується об'єкт від будь-яких обертальних рухів, що здійснюються кораблем чи літаком.
У ряді випадків більш доцільно буває здійснити не непряму, а силову гіроскопічну стабілізацію. Найпростішим силовим гіростабілізатором є одноосьовий стабілізатор .
Таким чином гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гірокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гіроскопа встановиться в напрямку полуденної лінії або гірокомпас маркшейдерський — вибухобезпечний гіроскопічний прилад, призначений для визначення дирекційних кутів сторін при орієнтуванні підземної маркшейдерської зйомки, розвитку, поповненні та реконструкції підземних маркшейдерських опорних мереж, а також при маркшейдерсько-геодезичних роботах на поверхні. Складається він з гіроблока, вимірювального блока та блока живлення. Період коливання Г.м. — проміжок часу, за який вісь гірокомпаса виконує одне повне коливання від однієї крайньої точки (точки реверсії) до другої крайньої точки і повертається в початкове положення[9., 112].
Гірокомпас маятниковий — гіроскопічний пристрій для визначення напрямку географічного меридіана. В основі принципу дії Г.м. лежать кутова швидкість обертання Землі і властивості гіроскопа. Центр ваги вільного гіроскопа зміщено відносно точки підвісу. Головна вісь Г.м. робить гармонійні коливання, положення рівноваги яких збігається з напрямком географічного меридіана точки установки приладу[10., ст. 321].
Гірокомпас наземний — гіроскопічний прилад, що складається з гіроблока (гірокомпаса маятникового), теодоліта з автоколімаційною трубою, жорстко зв'язаною з алідадою, перетворювача й акумуляторної батареї. Г.н. призначається для орієнтування у всіх випадках, коли положення приладу - весь період орієнтування на даній точці залишається незмінним. До наземних гірокомпасів належать власне гірокомпаси і гіротеодоліти як прийнято говорити, гірокомпас прийде в меридіан.
В гіроскопі з електростатичним підвісом ротор є порожнистою сферою, зовнішня поверхня якої має високу провідність. Ротор поміщається між електродами, до яких підводиться висока напруга, регульована спеціальною стежачою системою. Під дією електростатичних сил ротор центрується в просторі між електрода
При установці на кораблі Г. з маятникової корекцією визначають кути бортової і кільової хитавиці, а на літальному апараті - кути крену і тангажа. Застосовуються в системах автоматичної стабілізації різних рухомих об'єктів, в заспокоювача хитавиці корабля, для стабілізації літального апарату та інших, а також для визначення викривлення бурових свердловин, шахт і т.д.
3 Гіроскопи в науці
В даний час деякі моделі мобільних телефонів та ігрових контролерів обладнуються датчиками прискорення, так званими акселерометра. Такі датчики дозволяють управляти цими пристроями, здійснюючи ними нескладні рухи в просторі. Тепер, завдяки новій розробці компанії STMicroelectronics управління за допомогою руху стане ще функціональнішим. Ця нова розробка є твердотілий гіроскоп, який здатний визначити точне положення пристрою в просторі.
Цей гіроскоп здатний визначити положення по ортогональних осях координат X, Y і Z. Кут визначення по кожній з осей становить 360 °, а точність визначення є достатньою для використання цих датчиків в призначених для користувача інтерфейсах, заснованих на розпізнаванні природних рухів і жестів людини.
Завдяки своїм малим габаритам і низькому енергоспоживанню цей датчик ідеально підходить для застосування в мобільних телефонах, ігрових контролерах, навігаторах і інших портативних електронних пристроях. Нам залишається тільки дочекатися появи на ринку пристроїв з цим датчиком і програмного забезпечення, включаючи ігри, яке буде використовувати всі нові можливості тривимірного визначення положення в просторі.
Волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком і вдосконаленням елементної бази квантової електроніки. Прилад вимірює кутову швидкість і кути повороту об'єкта, на якому він встановлений. Принцип дії ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефекті Саньяка.
Інтерес зарубіжних і вітчизняних фірм до оптичного гіроскопа базується на його потенційній можливості застосування як чутливого елемента обертання в інерційних системах навігації, керування і стабілізації. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні і дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи і тривісні гіростабілізовані платформи. За даними зарубіжній пресі у майбутньому в США близько 50% всіх гіроскопів, що використовуються в системах навігації .
Управління та стабілізації об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами.
Можливість створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового діелектричного світловоду з малим загасанням. Саме конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять:
1.Потенційно високу чутливість (точність) приладу, яка вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град / рік і менше.
2.Малі габарити і масу конструкції, завдяки можливості створення ВОГ
повністю на інтегральних оптичних схемах.
3.Невисоку вартість виробництва та конструювання при масовому виготовленні і відносну простоту технології.
4.Нікчемне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ світлороздільниками, поляризаторів, фазових і частотних модуляторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем які знаходиться на початковій стадії розвитку. Кількість розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів і фотодетекторів обмежена.
Другу групу труднощі пов'язують з тим, що при удаваній простоті приладу і високій чутливості його до кутової швидкості обертання, він в той же час надзвичайно чутливий до дуже малим зовнішнім і внутрішнім збурень і нестабільності, що призводить до паразитного дрейфу, тобто до погіршення точності приладу. До згаданих збурень відносяться температурні градієнти, акустичні шуми і вібрації, флуктуації електричних і магнітних полів, оптичні нелінійні ефекти флуктуації інтенсивності і поляризації випромінювання, дробові шуми в фотодетектор, теплові шуми в електронних ланцюгах і ін.
Фірмами та розробниками ВОГ обидва ці завдання вирішуються і удосконалюється .
У Технології виробництва елементів у ВОГ, теоретично й експериментально досліджуються фізична природа збурень і нестабільності, створюються та випробовуються різні схемні варіанти ВОГ з компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до необхідної в інерційних системах управління.
У спеціальній науковій та періодичній літературі проблемі ВОГ вже опубліковано безліч наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність подальшого вивчення цієї проблеми та розробки нових способів поліпшення якісних характеристик ВОГ[10., ст. 323].
4 Використання гіроскопів в техніці
Використання гіроскопа в смартфонахі та ігрових приставках.
Значне здешевлення виробництва МЕМС-гіроскопів призвело до того, що вони починають використовуватися в смартфонах і ігрових приставках.
Поява МЕМС-гіроскопа в новому смартфоні Apple iPhone 4 відкриває нову революцію в 3D-іграх і в формуванні доповненої реальності . Вже сьогодні різні виробники смартфонів і ігрових приставкок обирають використовувати МЕМС-гіроскопи у свої продукти. Незабаром з'являться додатки на смартфонах і ігрових приставках, які зроблять комп'ютерний екран вікном в іншій - віртуальний світ. Наприклад в 3D-грі, користувач переміщаючи смартфон або мобільну ігрову консоль, побачить інші сторони ігровий - віртуальної реальності. Піднімаючи смартфон вгору - користувач побачить віртуальне небо, а опускаючи вниз - побачить віртуальну землю. Обертаючи по сторонах світу - може озирнутися навколо - всередині віртуального світу. Гіроскоп дає програмі дані про те, як орієнтований смартфон щодо реального світу, а програма пов'язує ці дані з віртуальним світом. Таким же чином, але вже не в грі, можна використовувати гіроскоп для формування доповненої реальності.
Так само гіроскоп став застосовуватися в керуючих ігрових контролерах, таких як: Sixaxis для Sony PlayStation 3 і Wi MotionPlus для Nintendo Wi. В обох перерахованих контролерах використані два доповнюють один одного, просторові сенсори: акселерометр і гіроскоп. Вперше ігровий контролер, що вміє визначати своє положення в просторі, був випущений компанією Nintendo - Wii Remote для ігрової приставки Wii, але в ньому використовується тільки тривимірний акселерометр. Тривимірний акселерометр не здатен давати точне вимірювання параметрів обертання при високодинамічних рухах. І саме тому в новітніх ігрових контролерах: Sixaxis і Wii MotionPlus, крім акселерометра, був використаний додатковий просторовий сенсор - гіроскоп.
Іграшки на основі гіроскопа .
Найпростішими прикладами іграшок, зроблених на основі гіроскопа, є йо-йо, дзига (Юла) і моделі вертольотів.
Крім того, існують кистьові тренажери, які також працюють на основі гіроскопічного ефекту (гіротренажери). Властивості гіроскопа використовуються в приладах - гіроскопах, основною частиною яких є швидко обертається ротор, який має кілька ступенів вільності (осей можливого обертання).
Найчастіше використовуються гіроскопи, поміщені в карданів підвіс. Такі гіроскопи мають 3 ступені вільності, тобто він може здійснювати 3 незалежних повороту навколо осей АА , BB і CC , що перетинаються в центрі підвісу О, який залишається по відношенню до основи A нерухомим. Гіроскопи, у яких центр мас збігається з центром підвісу O, називаються астатичними, в іншому випадку - статичними гіроскопами. Для забезпечення обертання ротора гіроскопа з високою швидкістю застосовуються спеціальні гіромотори.
Для управління гіроскопом і зняття з нього інформації використовуються датчики кута і датчики моменту.
Гіроскопи використовуються у вигляді компонентів як в системах навігації (авіагоризонт, гірокомпас, ІНС), так і в нереактивного системах орієнтації і стабілізації космічних апаратів.
Гіротеодоліт - гіроскопічні візирної пристрій, призначенийдля визначення справжнього азимута. Гіротеодоліт служить для визначення азимута (пеленга) орієнтована напрямки і широко використовується при проведенні маркшейдерських, геодезичних, топографічних та інших робіт.
Принципом дії гіротеодолітів є гірокомпас і належить до типу наземних гірокомпасів, за допомогою яких можна визначити напрямок географічного меридіана. Гіроскопічне орієнтування точніше магнітного і займає менше часу, ніж астрономічне вимірювання азимута.
5
Системи стабілізації
Системи стабілізації бувають трьох основних типів:
1.Система силової стабілізації (на 2-статечних гіроскопах).
Для стабілізації навколо кожної осі потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється гіроскопом і двигуном розвантаження, на початку діє гіроскопічний момент, а потім підключається двигун розвантаження.
2.Система індикаторно-силової стабілізації (на 2-статечних гіроскопах).
Для стабілізації навколо кожної осі потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється тільки двигунами розвантаження, але на початку з'являється невеликий гіроскопічний момент, яким можна знехтувати.
3.Система індикаторної стабілізації (на 3-статечних гіроскопах)
Для стабілізації навколо двох осей потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється тільки двигунами розвантаження.
Система стабілізації Glidecam 2000 Pro. Підходить для камер вагою до 3-х кг. Це сама розповсюджена система стабілізації у весільному відео, через свою простоту і невисоку ціну, ідеально підходить для камер Sony VX2100, Panasonic DVX100, Canon XM-2 та інших. Країна виготовлення - США
Основа якісної професійної зйомки - стабільне зображення. Нестабільність кадру - властивість, що характеризує практично будь-яку улюблену зйомку. Використання штатива звісно рятує ситуацію, і в більшості випадків цього цілком достатньо. Але що робити, коли хочеться зняти камеру зі штатива і рухатися разом з об'єктом зйомки? Який вихід?
У кіноіндустрії відповідь давно знайдена - Steadicam, винахідник якого кінооператор Гаррет Браун.
Головне у зображенні, яке дає стедікам, полягає в тому, що воно максимально наближене до звичної картинки сприйняття світу кожним з нас, стедікам згладжує всі шорсткості знятого руху. Глядачеві на екрані пропонують динамічну картинку таку, яку би він побачив в житті, без додаткової авторської експресивності. Адже коли ми дивимося на світ, перед нами нічого не смикається. У нас в мозку існує своєрідна стабілізація образу руху. І таке бачення абсолютно не схоже на зйомку з рук. Операторський екран, візок, стедіки - це способи створення максимально комфортного кінозображення для глядача.
Існують зйомки у занижених або завищених точках, з стабіком коли можна стати на операторський кран або політати. Але на 80% зйомок стабіком використовується тоді, коли потрібно показати точку зору людини, яка йде в гущі людей, по сходах, в горах, то є, коли потрібна імітація вільної камери. Зазвичай це відбувається в тих місцях, де не можна або складно прокласти рейки: на сходових майданчиках, автомобільних трасах, на пересіченій місцевості.
6 Нові типи гіроскопів
Постійно зростаючі вимоги до точності і експлуатаційним характеристикам гіроприладів змусили вчених та інженерів багатьох країн світу не тільки вдосконалити класичні гіроскопи з обертовим ротором, але і шукати принципово нові ідеї, що дозволили вирішити проблему створення чутливих датчиків для вимірювання і відображення параметрів кутового руху об'єкта.
В даний час відомо більше ста різних явищ і фізичних принципів, які дозволяють вирішувати гіроскопічні завдання. У Росії і США видані тисячі патентів та авторських свідоцтв на відповідні відкриття та винаходи.
Оскільки прецизійні гіроскопи використовуються в системах наведення стратегічних ракет великої дальності, під час холодної війни інформація про дослідження, що проводяться в цій області, класифікувалася як секретна.
Перспективним є напрям розвитку квантових гіроскопів.
Перспективи розвитку гіроскопічного приладобудування.
Соьгодні створені достатньо точні гіроскопічні системи, що задовольняють велике коло споживачів. Скорочення коштів, що виділяються для військово-промислового комплексу в бюджетах провідних світових країн, різко підвищило інтерес до цивільних застосуванням гіроскопічної техніки. Наприклад, сьогодні широко поширене використання мікромеханічних гіроскопів в системах стабілізації автомобілів або відеокамер.
На думку прихильників таких методів навігації, як GPS і ГЛОНАСС, видатний прогрес у сфері високоточної супутникової навігації зробив непотрібними автономні засоби навігації (в межах зони покриття супутникової навігаційної системи (СНС), тобто в межах планети). В даний час СНР системи за параметрами маси, габаритів і вартості перевершують гіроскопічні.
Зараз розробляється система навігаційних супутників третього покоління. Вона дозволить визначати координати об'єктів на поверхні Землі з точністю до одиниць сантиметрів у диференціальному режимі, при знаходженні в зоні покриття коригуючого сигналу DGPS. При цьому нібито відпадає необхідність у використанні курсових гіроскопів. Наприклад, установка на крилах літака двох приймачів супутникових сигналів, дозволяє отримати інформацію про поворот літака навколо вертикальної осі.
Проте системи GPS виявляються нездатні точно визначати положення в міських умовах, при поганій видимості супутників. Подібні проблеми виявляються і в лісистій місцевості. Крім того СНС залежить від процесів в атмосфері, перешкод і перевідбиттів сигналів. Автономні ж гіроскопічні прилади працюють в будь-якому місці - під землею, під водою, в космосі.
У літаках GPS виявляється точніше акселерометрів на довгих ділянках. Але використання двох GPS-приймачів для вимірювання кутів нахилу літака дає похибки до декількох градусів. Підрахунок курсу шляхом визначення швидкості літака за допомогою GPS також не є достатньо точним. Тому, в сьогоднішніх навігаційних системах оптимальним рішенням є комбінація супутникових гіроскопічних систем, так звана інтегрована (комплексірована) ІНС / СНС система.
За останні десятиліття, еволюційний розвиток гіроскопічної техніки підступив до порога якісних змін. Саме тому увага фахівців в області гіроскопії зараз зосередилася на пошуку нестандартних застосувань таких приладів. Відкрилися абсолютно нові цікаві завдання: розвідка корисних копалин, передбачення землетрусів, надточне вимір положень залізничних шляхів і нафтопроводів, медична техніка та багато інших.
Висновки
Гіроскоп-тверде тіло, швидко обертається навколо наявного у нього осі обертання. При цьому вісь обертання гіроскопа повинна мати можливість вільно повертатися в просторі, для чого гіроскоп звичайно закріплюють у т. н. кардановому підвісі. Основна властивість гіроскопа з 3 ступенями свободи полягає в тому, що його вісь стійко зберігає придане їй первинний напрям (напр., на яку-небудь зірку). Якщо ж на такий гіроскоп починає діяти сила, то його вісь відхиляється не в бік дії сили, а в напрямку, перпендикулярному до неї; в результаті гіроскоп починає процесувати. Властивість гіроскопа широко використовується в різних навігаційних приладах - гірокомпас, гіровертикалі та інші, а також для стабілізації руху літаків (автопілот), ракет, морських суден, торпедах.
Гірокомпас - навігаційний прилад, створений за принципом безперервного обертання осі гіроскопа. У такий спосіб горизонтально розташована вісь завжди вказує ширший північний напрямок незалежно від курсу й положення судна.
Отже, непряма стабілізація полягає в тому, що об'єкт (в нашому випадку платформа) утримується в заданому положенні за рахунок роботи замкнутої системи, що служить чутливим елементом якої є гіроскоп. Гіроскоп служить індикатором, виявляє відхилення об'єкта, і видає керуючий сигнал для ліквідації цього відхилення навколо будь-якої з двох аємноперпендикулярних осей, а тривісний повністю ізолює, що стабілізується об'єкт від будь-яких обертальних рухів, що здійснюються кораблем чи літаком.
У ряді випадків більш доцільно буває здійснити не непряму, а силову гіроскопічну стабілізацію. Найпростішим силовим гіростабілізатором є одноосьовий стабілізатор з одним гіроскопом.
Таким чином, гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Детальне дослідження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вісь гіроскопа відхилена від лінії S-V на малий кут, то вона станездійснювати біля цієї лінії гармонійні коливання. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гірокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гірокомпаса прийде в мерідіан.
У гіроскопах з механічним ротором розрізняють механічний, оплавцевий, газовий, магнітний, електростатичний типи підвісів. У більшості використовуються гіроскопи з механічним підвісом; виконаним у вигляді карданова підвісу.
В різних двух- і трьохстатечних гіроскопах для розвантаження механічних опор застосовуються рідинні, або поплавцеві, підвіси (наприклад, в поплавцевому інтегруючому гіроскопі), унаслідок чого подібні гіроскопи мало схильні вібраційним, ударним і ін. обурюючим діям і володіють високою точністю[10.,ст. 324].
Істотне підвищення точності Р. в. досягається при вживанні гіроскопів з газовим підвісом. Ротор такого гіроскопа зазвичай має сферичну форму і спирається па надзвичайно тонкий газовий шар, що утворюється між кулею-ротором і спеціальною опорою. Така куля є практично вільним гіроскопом. Газові опори можуть також застосовуватися в осях підвісу ротора і карданових кілець.
В деяких Р. в. використовується гіроскоп з магнітним підвісом, ротор якого, виконаний у вигляді феритової сфери, підтримується магнітним полем в зваженому стані. Необхідні характеристики поля автоматично регулюються спеціальною стежачою системою. Іншим різновидом магнітного підвісу є т.з. криогенний підвіс ротора, в якому використовується взаємодія магнітних полів, що створюються струмами в надпровідниках . Підтримуючі сили магнітного поля виникають при зміні положення ротора по відношенню до елементів підвісу. Матеріал ротора, котушок електромагнітів і спеціальних екранів приводиться в надпровідний стан шляхом глибокого охолоджування.
Список використаних джерел
1.Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов. - М.: МГУ, 1976. - 400 с.
2.Ишлинский А.Ю. и др. Лекции по теории гироскопов. - М.: МГУ, 1983. 243 с.
3.Климов Д.М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. -М.: Наука, 1978. – 220 с.
4.Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. - М.: Мир, 1974. - 626 с.
5.Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения - М.: Наука, 1971, - с.312 с.
6.Николаи Е.Л. Гироскоп в кардановом подвесе. - М.: Наука, 1964.
7.Одинцов A.A., Лазарев Ю.Ф. Гироскопические приборы курса. Киев: КПИ, 1980.
8.Гироскопические системы, ч. 1 и 2 / Под ред. Д.С. Пельпора. – М.: Высшая школа, 1971.
9.Одинцов A.A. и др. Теория гироскопов и гироскопических приборов. 10.Практикум. – К.: Вища школа, 1976. – 262 с.
11.Павловский М.А. Теорія гіроскопів. – К. Техніка, 2002. – 510 с. 11.Сайдов
12.Гироскопические системы, ч. 1 /Под ред. Д.С. Пельпора. – М.:Высшая школа, 1971. – 340 с.
Системи стабілізації
Системи стабілізації бувають трьох основних типів:
1.Система силової стабілізації (на 2-статечних гіроскопах).
Для стабілізації навколо кожної осі потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється гіроскопом і двигуном розвантаження, на початку діє гіроскопічний момент, а потім підключається двигун розвантаження.
2.Система індикаторно-силової стабілізації (на 2-статечних гіроскопах).
Для стабілізації навколо кожної осі потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється тільки двигунами розвантаження, але на початку з'являється невеликий гіроскопічний момент, яким можна знехтувати.
3.Система індикаторної стабілізації (на 3-статечних гіроскопах)
Для стабілізації навколо двох осей потрібен один гіроскоп. Стабілізація здійснюється тільки двигунами розвантаження.
Система стабілізації Glidecam 2000 Pro. Підходить для камер вагою до 3-х кг. Це сама розповсюджена система стабілізації у весільному відео, через свою простоту і невисоку ціну, ідеально підходить для камер Sony VX2100, Panasonic DVX100, Canon XM-2 та інших. Країна виготовлення - США
Основа якісної професійної зйомки - стабільне зображення. Нестабільність кадру - властивість, що характеризує практично будь-яку улюблену зйомку. Використання штатива звісно рятує ситуацію, і в більшості випадків цього цілком достатньо. Але що робити, коли хочеться зняти камеру зі штатива і рухатися разом з об'єктом зйомки? Який вихід?
У кіноіндустрії відповідь давно знайдена - Steadicam, винахідник якого кінооператор Гаррет Браун.
Головне у зображенні, яке дає стедікам, полягає в тому, що воно максимально наближене до звичної картинки сприйняття світу кожним з нас, стедікам згладжує всі шорсткості знятого руху. Глядачеві на екрані пропонують динамічну картинку таку, яку би він побачив в житті, без додаткової авторської експресивності. Адже коли ми дивимося на світ, перед нами нічого не смикається. У нас в мозку існує своєрідна стабілізація образу руху. І таке бачення абсолютно не схоже на зйомку з рук. Операторський екран, візок, стедіки - це способи створення максимально комфортного кінозображення для глядача.
Існують зйомки у занижених або завищених точках, з стабіком коли можна стати на операторський кран або політати. Але на 80% зйомок стабіком використовується тоді, коли потрібно показати точку зору людини, яка йде в гущі людей, по сходах, в горах, то є, коли потрібна імітація вільної камери. Зазвичай це відбувається в тих місцях, де не можна або складно прокласти рейки: на сходових майданчиках, автомобільних трасах, на пересіченій місцевості.
6 Нові типи гіроскопів
Постійно зростаючі вимоги до точності і експлуатаційним характеристикам гіроприладів змусили вчених та інженерів багатьох країн світу не тільки вдосконалити класичні гіроскопи з обертовим ротором, але і шукати принципово нові ідеї, що дозволили вирішити проблему створення чутливих датчиків для вимірювання і відображення параметрів кутового руху об'єкта.
В даний час відомо більше ста різних явищ і фізичних принципів, які дозволяють вирішувати гіроскопічні завдання. У Росії і США видані тисячі патентів та авторських свідоцтв на відповідні відкриття та винаходи.
Оскільки прецизійні гіроскопи використовуються в системах наведення стратегічних ракет великої дальності, під час холодної війни інформація про дослідження, що проводяться в цій області, класифікувалася як секретна.
Перспективним є напрям розвитку квантових гіроскопів.
Перспективи розвитку гіроскопічного приладобудування.
Соьгодні створені достатньо точні гіроскопічні системи, що задовольняють велике коло споживачів. Скорочення коштів, що виділяються для військово-промислового комплексу в бюджетах провідних світових країн, різко підвищило інтерес до цивільних застосуванням гіроскопічної техніки. Наприклад, сьогодні широко поширене використання мікромеханічних гіроскопів в системах стабілізації автомобілів або відеокамер.
На думку прихильників таких методів навігації, як GPS і ГЛОНАСС, видатний прогрес у сфері високоточної супутникової навігації зробив непотрібними автономні засоби навігації (в межах зони покриття супутникової навігаційної системи (СНС), тобто в межах планети). В даний час СНР системи за параметрами маси, габаритів і вартості перевершують гіроскопічні.
Зараз розробляється система навігаційних супутників третього покоління. Вона дозволить визначати координати об'єктів на поверхні Землі з точністю до одиниць сантиметрів у диференціальному режимі, при знаходженні в зоні покриття коригуючого сигналу DGPS. При цьому нібито відпадає необхідність у використанні курсових гіроскопів. Наприклад, установка на крилах літака двох приймачів супутникових сигналів, дозволяє отримати інформацію про поворот літака навколо вертикальної осі.
Проте системи GPS виявляються нездатні точно визначати положення в міських умовах, при поганій видимості супутників. Подібні проблеми виявляються і в лісистій місцевості. Крім того СНС залежить від процесів в атмосфері, перешкод і перевідбиттів сигналів. Автономні ж гіроскопічні прилади працюють в будь-якому місці - під землею, під водою, в космосі.
У літаках GPS виявляється точніше акселерометрів на довгих ділянках. Але використання двох GPS-приймачів для вимірювання кутів нахилу літака дає похибки до декількох градусів. Підрахунок курсу шляхом визначення швидкості літака за допомогою GPS також не є достатньо точним. Тому, в сьогоднішніх навігаційних системах оптимальним рішенням є комбінація супутникових гіроскопічних систем, так звана інтегрована (комплексірована) ІНС / СНС система.
За останні десятиліття, еволюційний розвиток гіроскопічної техніки підступив до порога якісних змін. Саме тому увага фахівців в області гіроскопії зараз зосередилася на пошуку нестандартних застосувань таких приладів. Відкрилися абсолютно нові цікаві завдання: розвідка корисних копалин, передбачення землетрусів, надточне вимір положень залізничних шляхів і нафтопроводів, медична техніка та багато інших.
Висновки
Гіроскоп-тверде тіло, швидко обертається навколо наявного у нього осі обертання. При цьому вісь обертання гіроскопа повинна мати можливість вільно повертатися в просторі, для чого гіроскоп звичайно закріплюють у т. н. кардановому підвісі. Основна властивість гіроскопа з 3 ступенями свободи полягає в тому, що його вісь стійко зберігає придане їй первинний напрям (напр., на яку-небудь зірку). Якщо ж на такий гіроскоп починає діяти сила, то його вісь відхиляється не в бік дії сили, а в напрямку, перпендикулярному до неї; в результаті гіроскоп починає процесувати. Властивість гіроскопа широко використовується в різних навігаційних приладах - гірокомпас, гіровертикалі та інші, а також для стабілізації руху літаків (автопілот), ракет, морських суден, торпедах.
Гірокомпас - навігаційний прилад, створений за принципом безперервного обертання осі гіроскопа. У такий спосіб горизонтально розташована вісь завжди вказує ширший північний напрямок незалежно від курсу й положення судна.
Отже, непряма стабілізація полягає в тому, що об'єкт (в нашому випадку платформа) утримується в заданому положенні за рахунок роботи замкнутої системи, що служить чутливим елементом якої є гіроскоп. Гіроскоп служить індикатором, виявляє відхилення об'єкта, і видає керуючий сигнал для ліквідації цього відхилення навколо будь-якої з двох аємноперпендикулярних осей, а тривісний повністю ізолює, що стабілізується об'єкт від будь-яких обертальних рухів, що здійснюються кораблем чи літаком.
У ряді випадків більш доцільно буває здійснити не непряму, а силову гіроскопічну стабілізацію. Найпростішим силовим гіростабілізатором є одноосьовий стабілізатор з одним гіроскопом.
Таким чином, гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Детальне дослідження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вісь гіроскопа відхилена від лінії S-V на малий кут, то вона станездійснювати біля цієї лінії гармонійні коливання. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гірокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гірокомпаса прийде в мерідіан.
У гіроскопах з механічним ротором розрізняють механічний, оплавцевий, газовий, магнітний, електростатичний типи підвісів. У більшості використовуються гіроскопи з механічним підвісом; виконаним у вигляді карданова підвісу.
В різних двух- і трьохстатечних гіроскопах для розвантаження механічних опор застосовуються рідинні, або поплавцеві, підвіси (наприклад, в поплавцевому інтегруючому гіроскопі), унаслідок чого подібні гіроскопи мало схильні вібраційним, ударним і ін. обурюючим діям і володіють високою точністю[10.,ст. 324].
Істотне підвищення точності Р. в. досягається при вживанні гіроскопів з газовим підвісом. Ротор такого гіроскопа зазвичай має сферичну форму і спирається па надзвичайно тонкий газовий шар, що утворюється між кулею-ротором і спеціальною опорою. Така куля є практично вільним гіроскопом. Газові опори можуть також застосовуватися в осях підвісу ротора і карданових кілець.
В деяких Р. в. використовується гіроскоп з магнітним підвісом, ротор якого, виконаний у вигляді феритової сфери, підтримується магнітним полем в зваженому стані. Необхідні характеристики поля автоматично регулюються спеціальною стежачою системою. Іншим різновидом магнітного підвісу є т.з. криогенний підвіс ротора, в якому використовується взаємодія магнітних полів, що створюються струмами в надпровідниках . Підтримуючі сили магнітного поля виникають при зміні положення ротора по відношенню до елементів підвісу. Матеріал ротора, котушок електромагнітів і спеціальних екранів приводиться в надпровідний стан шляхом глибокого охолоджування.
Список використаних джерел
1.Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов. - М.: МГУ, 1976. - 400 с.
2.Ишлинский А.Ю. и др. Лекции по теории гироскопов. - М.: МГУ, 1983. 243 с.
3.Климов Д.М., Харламов С. А. Динамика гироскопа в кардановом подвесе. -М.: Наука, 1978. – 220 с.
4.Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. - М.: Мир, 1974. - 626 с.
5.Меркин Д.Р. Введение в теорию устойчивости движения - М.: Наука, 1971, - с.312 с.
6.Николаи Е.Л. Гироскоп в кардановом подвесе. - М.: Наука, 1964.
7.Одинцов A.A., Лазарев Ю.Ф. Гироскопические приборы курса. Киев: КПИ, 1980.
8.Гироскопические системы, ч. 1 и 2 / Под ред. Д.С. Пельпора. – М.: Высшая школа, 1971.
9.Одинцов A.A. и др. Теория гироскопов и гироскопических приборов. 10.Практикум. – К.: Вища школа, 1976. – 262 с.
11.Павловский М.А. Теорія гіроскопів. – К. Техніка, 2002. – 510 с. 11.Сайдов
12.Гироскопические системы, ч. 1 /Под ред. Д.С. Пельпора. – М.:Высшая школа, 1971. – 340 с.
