Различают два основных типа гироскопов: - гироскопы с двумя степенями свободы; - гироскопы с тремя двумя степенями свободы, которые в свою очередь подразделяются на астатические и позиционные.
Позиционный гироскоп это неуравновешенный гироскоп обладает избирательностью по отношению к некоторому направлению.
При отклонении оси позиционного гироскопа от этого направления возникает сила, стремящаяся вернуть ось гироскопа в исходное положение.
Для придания позиционных свойств применяют два способа:
- смещение центра тяжести гироскопа относительно точки подвеса;
- применение маятниковой системы коррекции.
В зависимости от физических свойств чувствительных гироскопических элементов различают гироскопы с механическим ротором, а также вибрационные, лазерные, ядерные гироскопы.
Гироскоп с механическим ротором - гироскоп, у которого носителем кинетического момента является быстровращающееся массивное твердое тело (ротор).
Вибрационный гироскоп - гироскоп, который в качестве чувствительного элемента применяет вибрирующие массы и служит для определения угловой скорости объекта.
Лазерный гироскоп - устройство, в котором:
- используется оптический квантовый генератор направленного излучения;
- содержится плоский замкнутый контур, образованный тремя и более зеркалами, где циркулируют два встречных световых потока.
Лазерный гироскоп служит для определения угловой скорости объекта.
Ядерный гироскоп - гироскоп, основанный на том, что ядро атома обладает:
- механическим вращательным моментом, что придает ядру свойства гироскопа;
- магнитным моментом, позволяющим ориентировать ось этого гироскопа в пространстве и определять ее положение.
В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен. Именно так французский физик Ж.Фуко (1819–1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли.
Гироскопы применяются в морском и авиационном транспорте и ракетостроении для управления движением самолетов, судов, ракет и др.
2. Сферические координаты положения главной оси гироскопа
При рассмотрении теории навигационных гироскопических устройств пользуются двумя системами координат: горизонтной и инерциальной.
Система координат, связанная неподвижно с земными плоскостями называется горизонтной.
Гироскопические приборы и системы, используемые в судовождении, имеют целью стабилизировать различные направления (меридиана, отвесной линии и другие) относительно земных плоскостей, поэтому рассмотрим вначале, как определяется положение главной оси гироскопа относительно горизонтной системы -координат (ГСК).
ГСК образуется пересечением трех основных земных плоскостей: плоскости меридиана, плоскости горизонта и плоскости первого вертикала. Оси ГСК называются : полуденной линией (NS) и обозначается N; отвесной линией ( zn n ) и обозначается η. и линией EW, которая обозначает Е. Начало ГСК принимается в точке подвеса гироскопа (0).
Надгоризонтная часть ГСК изображена на рис. 3.
П
усть
положительный конец оси X
гироскопа отклонена от N в плоскости
горизонта
к востоку ( Е ) на угол α
и
приподнят над плоскостью горизонта на
угол β
(Положительным
концом оси Х называется тот, откуда
вращение ротора гироскопа видно против
движения часовой стрелки).
Спроектируем ось Х гироскопа на плоскость горизонта. Получим проекцию х.'
Положение главной оси гироско-па относительно земных плоскостей (ГСК) определится углами α и β Угол α, заключенный между полуденной линией NS и проекцией оси Х гироскопа на плоскость горизонта (х’), называется азимутом. Азимут отсчитывается от точки N.
Рис.3 Угол β, заключенный между осью Х гироскопа и её проекцией х' на плоскость горизонта называется высотой. Высота отсчитывается от плоскости горизонта. Азимут и высота является сферическими координатами главной оси гироскопа в горизонтной системе координат и определяют её положение относительно земных плоскостей.
Азимут и высота имеют положительные значения при отклонении положительного конца оси х гироскопа к востоку и вверх. На рис.3 углы α и β положительны.
Для определения положительных направлений осей ГСК в теории гироскопа принимают правую систему координат, при которой увеличение положительных углов усматривается с положительного направления осей, как движение против часовой стрелки.
Увеличение угла β против движения часовой стрелки видно с востока (Е), а угла α снизу. Следовательно, при заданном направлении оси Х гироскопа, положительное направление оси У к Е, оси Z- вниз, как показано на рис.3.
При рассмотрении свойств гироскопа вместо ГСК за условно неподвижную систему необходимо принимать систему координат, связанную с инерциальным пространством. Обычно инерциальное пространство ограничивается солнечной системой. Оси 0 ξ*,η*,У* инерциальной системы координат (ИСК) произвольно ориентированы в пространстве. Положение главной оси гироскопа в ИСК определяется сферическими координатами γ (гамма) и ψ (пси). Начало ИСК, как и ГСК, расположено в точке подвеса гироскопа.
Если оси ИСК и ГСК совпадают, то углы, определяющие положение оси Х гироскопа, попарно равны, т.е. α = γ, a β = ψ. Если указанные системы координат не совпадают, то . α ≠ γ, a β ≠ ψ.