Классификация гироскопов

По количеству степеней свободы (осей свободного вращения):

• 2-степенные,

• 3-степенные.

По принципу действия:

• механические гироскопы,

• оптические гироскопы.

По режиму действия:

• датчики угловой скорости,

• указатели направления.

Одно и то же устройство может работать в разных режимах в зависимости от типа управления.

Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого способна изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил. Выходной сигнал гироскопа (его крутящий момент) пропорционален его угловой скорости движения вокруг оси, перпендикулярной к основной оси вращения.

Гироскоп с тремя степенями свободы

Оси вращения гироскопа с тремя степенями свободы обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса.

Рис.3. Кинематическая схема гироскопа с тремя степенями свободы

I_y – ось собственного вращения ротора, вдоль которого направлен его кинетический момент; I₀ – опорное направление кинетического момента; φ – угол отклонения внутренней рамки карданова подвеса; ω_φ – угловая скорость поворота внутренней рамки подвеса (прецессия); M_θ – момент возмущающей внешней силы;

ω_θ – угловая скорость поворота внешней рамки подвеса (нутация).

Движение гироскопа с закреплённым центром тяжести описывается уравнением моментов:

,

где M – момент внешних сил;

N – момент количества движения гироскопа.

В быстро вращающемся гироскопе направление вектора момента количества движения совпадает с направлением оси гироскопа. Поэтому под действием внешнего момента ось гироскопа также начнёт вращаться вокруг вертикальной оси с угловой скоростью Ω, описывая в пространстве конус (прецессия). При постоянной внешней силе вращение оси гироскопа будет равномерным.

Приведенные рассуждения являются справедливыми только для быстро вращающегося гироскопа, т.е. при соблюдении условия:

Ω<<ω

В современных гироскопах величины Ω и ω отличаются друг от друга, по меньшей мере, на три порядка.

Гироскоп с двумя степенями свободы

В гироскопе с двумя степенями свободы наружная рамка подвеса отсутствует, а полуоси внутренней рамки закрепляются непосредственно в стенках корпуса, жёстко связанного с движущимся объектом.

Если рамка ничем не ограничена, то момент внешней силы, перпендикулярный к оси рамки, вызовет прецессию собственной оси ротора в сторону от первоначального направления.

Например, если позволить оси гироскопа двигаться только в горизонтальной плоскости, то ось стремится установиться по меридиану, притом так, что вращение прибора происходит так же, как и вращение Земли. Если же оси позволить двигаться вертикально (в плоскости меридиана), то она стремится установиться параллельно оси земли.

Прецессия будет продолжаться до тех пор, пока ось собственного вращения не окажется параллельной моменту силы. На практике же задаются условия, при которых поворот рамки относительно корпуса не выходит за пределы малого угла. Однако, так как момент инерции рамки достаточно мал, они быстро реагирует на вынужденное вращение. Устранить этот недостаток можно при помощи противодействующей пружины и вязкостного демпфера.

Рис.4. Кинематическая схема гироскопа с двумя степенями свободы

1 – корпус; 2 – пружины; 3 – вязкостный демпфер; 4 – рамка; 5 – ротор; 6 – указатель выходного угла рамки φ.

Вязкостный демпфер служит для успокоения колебаний.

Ротор в ответ на возникновение входного момента силы создаёт момент силы относительно выходной оси. При постоянной входной угловой скорости выходной момент силы гироскопа деформирует пружину до тех пор, пока создаваемый ей момент силы, воздействующий на рамку, не вызовет прецессию оси вращения ротора вокруг входной оси.

Когда скорость прецессии сравняется с входной угловой скоростью, достигается равновесие и угол рамки перестаёт изменяться. Таким образом, указываемый стрелкой на шкале, угол отклонения рамки гироскопа, позволяет судить о направлении и угловой скорости поворота.