гироскоп что это такое в вертолете
Что такое гироскоп на вертолете и зачем он нужен?
Ваша корзина пуста
Что такое ГИРОСКОП?
ГИРОСКОП навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия). 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. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха. Применение. Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.
Вертолеты на радиоуправлении. Какое преимущество даёт гироскоп?
— Приведу пример. Во время полёта хвост вертолёта может начать заносить в какую-либо сторону (по ряду причин: движение воздуха, непостоянная нагрузка на роторы, и т.д.). Гироскоп регистрирует это отклонение и даёт сигналы винтовым моторам для противодействия ему. Поэтому вертолёт и не раскручивается вокруг своей оси, а держит заданное направление. В новых радиоуправляемых вертолётах используются маленькие пьезоэлектрические датчики размером в пять раз меньше копеечной монетки. Благодаря им, полётом модели легко управлять, он становится сбалансирован.
Вертолет на р/у Syma GYRO S107 с гироскопом
Полезные материалы
При покупке самолета или вертолета на радиоуправлении новички сталкиваются с таким понятием как гироскоп, балансир или флайбар. Чтобы понять, нужен он или нет, необходимо разобраться в сути предмета, его функциональност и и технически х характеристик ах.
Гироскоп, что это
Гироскоп представляет из себя миниатюрный датчик-микросхему, которая помещается внутрь летательного аппарата на RC-управлении. Это своего рода балансир, который помогает фиксировать положение самолета или вертолета в пространстве. Другая функция флайбара – корректировать направление модели в случае влияния на аппарат внешних факторов среды, которые будут сбивать его с заданной траектории полета.
Это устройство изобрели давно, в начале XIX в., несмотря на то, что с балансирами полет намного стабильнее и комфортнее, его стали применять в радиоуправляемых игрушках лишь с 2010 г ода. Изначально гироскопом был назван прибор, который определял траекторию изменения направления Земли. Чуть позже пришло понимание, что гироскопический эффект – это не аксиома, а естественный физический процесс.
Типы гироскопов
Балансиры в зависимости от степени свободы бывают двух- и трех-степенными. По функциональности различают механические и пьезо-гироскопы. В зависимости от типа управления механизм может выполнять ту или иную работу. Главная функция гироскопа состоит в стабилизации углового перемещения, гашении перемещения RC-самолетов и радиоуправляемых вертолетов вокруг оси.
Около 90% вертолетов на пульте управления имеют гироскопы. Стабилизация относительно вертикальной оси происходит посредством управления шагом рулевого винта.
На аппаратах с нулевой, малой или задней центровкой с помощью балансира стабилизируют тангаж, повышая маневренность моделей. По требованию FAI оснащение спортивных планеров, самолетов гироскопами запрещено.
Из чего состоит флайбар
В состав гироскопа входит контроллер и датчик, которые в последнее время объединены в одном блоке. На устаревших моделях оба элемента прибора расположены в различных корпусах. Основой функционирования механических балансиров являются массивные диски, которые крепятся к валу электродвигателя. При этом вал имеет одну степень свободы, спокойно вращаясь вокруг оси, перпендикулярной валу мотора.
Как отрегулировать чувствительность
Несмотря на положительные характеристики, у гироскопа есть 1 нюанс, мешающий нормальному полету. Ему свойственно приглушение любого вращения, включая и вызванное с передатчика сигналом. Устранить побочный негативный эффект помогают микшеры, которыми дополнительно оснащают датчики. Подобная функция может быть встроенной в современные модели радиоуправляемых вертолетов, самолетов. Уточнить этот вопрос можно прочитав инструкцию, которая обязательно прилагается к товару.
Большая часть пьезогироскопов, производимых сейчас, оснащены плавной регулировкой чувствительности, а механические постепенно вытесняются с рынка.
Области использования, плюсы, минусы гироскопов
Gyroscope устанавливают на радиоуправляемые модели вертолетов, самолетов и другую технику. Пометка GIRO ставится на многих моделях и механизмах. Такой прибор обеспечит аппарату стабильный полет, что облегчает работу как начинающему моделисту, так и профи.
Полет вертолета на радиоуправлении, оснащенного гироскопом отличается хорошей балансировкой, легкостью.
Гироскоп во время порывов ветра возвращает модель на заданный курс.
Если на летательном аппарате установить камеру, можно ощутить настоящий эффект пилотирования.
Использование механизма позволяет получить четкую картинку на экране при запуске радиоуправляемого вертолета.
Основной недостаток механизма – необходимость микшировать или устранять эффект подавления управляющего сигнала.
В низкобюджетных флайбарах термокомпенсация низкого качества. Из-за этого «ноль» приходится выставлять вручную, в процессе полета он может сместиться под действием температуры в атмосфере.
Где продаются модели с гироскопом
Купить в Минске радиоуправляемый вертолет с гироскопом вы можете, посетив наш магазин. Летательный аппарат взмывает вверх, держится стабильно в пространстве, при этом способен совершать замысловатые фигуры в воздухе.
Если вы решили купить радиоуправляемый вертолет, знайте, он будет одинаково интересен и маленькому авиалюбителю, и людям постарше. Машина позволит обучиться новым трюкам, освоить мастерство высшего пилотажа, дает толчок профессиональному росту.
Гироскопы на радиоуправляемых моделях
Назначение гироскопов и устройство датчиков поворота
На самолетах и планерах спортивных классов гироскопы запрещены требованиями FAI.
Гироскоп состоит из датчика угловой скорости и контроллера. Как правило, они конструктивно объединены, хотя на устаревших, а также «крутых» современных гироскопах размешены в разных корпусах.
По конструкции датчиков вращения, гироскопы можно разделить на два основных класса: механические и пьезо. Точнее, сейчас делить особо уже не на что, потому что механические гироскопы полностью сняты с производства как морально устаревшие. Тем не менее, распишем и их принцип работы тоже, хотя бы ради исторической справедливости.
Основу механического гироскопа составляют тяжелые диски, закрепленные на валу электродвигателя. Двигатель в свою очередь имеет одну степень свободы, т.е. может свободно вращаться вокруг оси, перпендикулярной валу двигателя.
Раскрученные двигателем тяжелые диски обладают гироскопическим эффектом. Когда вся система начинает вращаться вокруг оси, перпендикулярной двум другим, двигатель с дисками отклоняется на определенный угол. Величина этого угла пропорциональна скорости поворота (те, кто интересуется силами, возникающими в гироскопах, могут поглубже ознакомиться с кориолисовым ускорением в специальной литературе). Отклонение мотора фиксируется датчиком, сигнал которого поступает на блок электронной обработки данных.
Развитие современных технологий позволило разработать более совершенные датчики угловых скоростей. В результате появились пьезогироскопы, которые к настоящему времени полностью вытеснили механические. Конечно, они по-прежнему используют эффект кориолисова ускорения, но датчики являются твердотельными, то есть вращающиеся части отсутствуют. В наиболее распространенных датчиках используются вибрирующие пластины. Поворачиваясь вокруг оси, такая пластина начинает отклоняться в плоскости, поперечной плоскости вибрации. Это отклонение измеряется и поступает на выход датчика, откуда снимается уже внешней схемой для последующей обработки. Самыми известными производителями подобных датчиков являются фирмы Murata и Tokin.
Пример типичной конструкции пьезоэлектрического датчика угловых скоростей дан на следующем рисунке.
Жизнь, однако, не стоит на месте, и вот уже в новой линейке гироскопов от Futaba (Семейство Gyxxx с системой «AVCS») уже стоят датчики от Silicon Sensing Systems, которые очень выгодно отличаются по характеристикам от продуктов Murata и Tokin. Новые датчики имеют более низкий температурный дрейф, более низкий уровень шумов, очень высокую виброзащищенность и расширенный диапазон рабочих температур. Это достигнуто за счет изменения конструкции чувствительного элемента. Он выполнен в виде кольца, работающего в режиме изгибных колебаний. Кольцо делается методом фотолитографии, как микросхема, поэтому датчик называется SMM (Silicon Micro Machine). Не будем углубляться в технические подробности, любопытные смогут найти все здесь: http://www.spp.co.jp/sssj/comp-e.html. Приведем лишь несколько фотографий самого датчика, датчика без верхней крышки и фрагмента кольцевого пьезоэлемента.
Типичные гироскопы и алгоритмы их работы
Наиболее известными производителями гироскопов на сегодняшний день являются фирмы Futaba, JR-Graupner, Ikarus, CSM, Robbe, Hobbico и т.д.
Теперь рассмотрим режимы работы, которые используются в большинстве выпускаемых гироскопов (всякие необычные случаи рассмотрим потом отдельно).
Гироскопы со стандартным режимом работы
В этом режиме гироскоп демпфирует угловые перемещения модели. Такой режим достался нам в наследство от механических гироскопов. Первые пьезогироскопы отличались от механических в основном датчиком. Алгоритм работы остался неизменным. Суть его сводится к следующему: гироскоп измеряет скорость поворота и выдает коррекцию к сигналу с передатчика, чтобы замедлить вращение, насколько это возможно. Ниже дается пояснительная блок-схема.
Регулировка чувствительности реализуется несколькими способами:
В настоящее время практически все современные пьезогироскопы имеют плавную регулировку чувствительности (а о механических гироскопах можно уже смело забыть). Исключение составляют только базовые модели некоторых производителей, где чувствительность устанавливается регулятором на корпусе гироскопа. Дискретная регулировка необходима только с примитивными передатчиками (где нет дополнительного пропорционального канала или нельзя выставить длительности импульсов в дискретном канале). В этом случае в канал регулирования гироскопа можно включить небольшой дополнительный модуль, который будет выдавать заданные значения чувствительности в зависимости от положения тумблера дискретного канала передатчика.
Если говорить о достоинствах гироскопов, реализующих только «стандартный» режим работы, то можно отметить, что:
Вот довольно известные примеры описанного типа гироскопов:
При выборе рулевой машинки, которая будет подключаться к гироскопу, следует отдавать предпочтение более быстрым вариантам. Это позволит добиться большей чувствительности, без риска, что в системе возникнут механические автоколебания (когда из-за перерегулирования рули начинают сами двигаться из стороны в сторону).
Гироскопы с режимом удержания направления
В этом режиме стабилизируется угловое положение модели. Для начала маленькая историческая справка. Первой фирмой, которая сделала гироскопы с таким режимом, была CSM. Режим она назвала Heading Hold. Поскольку название было запатентовано, другие фирмы стали придумывать (и патентовать) свои собственные названия. Так возникли марки «3D», «AVSC» (Angular Vector Control System) и другие. Такое многообразие может повергнуть новичка в легкое замешательство, но на самом деле, никаких принципиальных различий в работе таких гироскопов нет.
И еще одно замечание. Все гироскопы, которые имеют режим Heading Hold, поддерживают также и обычный алгоритм работы. В зависимости от выполняемого маневра, можно выбирать тот режим гироскопа, который больше подходит.
Итак, о новом режиме. В нем гироскоп не подавляет вращение, а делает его пропорциональным сигналу с ручки передатчика. Разница очевидна. Модель начинает вращаться именно с той скоростью, с которой нужно, независимо от ветра и других факторов.
Посмотрите блок-схему. По ней видно, что из управляющего канала и сигнала с датчика получается (после сумматора) разностный сигнал ошибки, который подается на интегратор. Интегратор же меняет сигнал на выходе до тех пор, пока сигнал ошибки не будет равен нулю. Через канал чувствительности регулируется постоянная интегрирования, то есть скорость отработки рулевой машинки. Разумеется, вышеприведенные объяснения весьма приблизительны и обладают рядом неточностей, но ведь мы собираемся не делать гироскопы, а применять их. Поэтому нас гораздо больше должны интересовать практические особенности применения подобных устройств.
Достоинства режима Heading Hold очевидны, но хочется особо подчеркнуть плюсы, которые проявляются при установке такого гироскопа на вертолет (для стабилизации хвостовой балки):
Для самолетов применение данного режима тоже может быть оправдано, особенно на некоторых сложных 3D-фигурах вроде «Torque Roll».
Вместе с тем следует отметить, что каждый режим работы имеет свои особенности, поэтому использование Heading Hold везде подряд не является панацеей. При выполнении обычных полетов на вертолете, особенно новичками, использование функции Heading Hold может привести к потере управления. Например, если не управлять хвостовой балкой при выполнении виражей, то вертолет опрокинется.
В качестве примеров гироскопов, которые поддерживают режим Heading Hold, можно привести следующие модели:
Отдельно стоит затронуть тему применяемых рулевых машинок. Для того, чтобы добиться максимального эффекта от Heading Hold, нужно ставить рулевые машинки с повышенной скоростью работы и очень высокой надежностью. При повышении чувствительности (если скорость отработки машинки позволяет), гироскоп начинает перекладывать сервомеханизм очень резко, даже со стуком. Поэтому машинка должна иметь серьезный запас прочности, чтобы долго прослужить и не выйти из строя. Предпочтение стоит отдавать так называемым «цифровым» машинкам. Для самых современных гироскопов разрабатывают даже специализированные цифровые сервомашинки (например, Futaba S9251 для гироскопа GY601). Помните, что на земле, из-за отсутствия обратной связи от датчика вражений, если не принять дополнительных мер, то гироскоп обязательно выведет рулевую машинку в крайнее положение, где она станет испытывать максимальную нагрузку. Поэтому если в гироскоп и рулевую машинку не встроены функции ограничения хода, то рулевая машинка должна уметь выдерживать большие нагрузки, чтобы не выйти из строя еще на земле.
Специализированные самолетные гироскопы
Для применения в самолетах с целью стабилизации крена начали выпускать специализированные гироскопы. От обычных они отличаются тем, что имеют еще один канал внешней команды.
Касаясь применения гироскопов на самолете, нужно отметить, что нельзя использовать режим Heading Hold на взлете и посадке. Точнее, в тот момент, когда самолет касается земли. Это потому, что когда самолет находится на земле, он не может накрениться или повернуть, поэтому гироскоп выведет рули в какое-нибудь крайнее положение. А при отрыве самолета от земли (или сразу после посадки), когда модель имеет большую скорость, сильное отклонение рулей может сыграть злую шутку. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать гироскоп на самолетах в стандартном режиме.
Заключение
В последние годы появилось много дешевых моделей миниатюрных гироскопов, позволяющих расширить сферу их применения. Простота инсталляции и низкие цены оправдывают использование гироскопов даже на учебных и радиобойцовых моделях. Прочность пьезоэлектрических гироскопов такова, что при аварии скорее испортится приемник или серво, чем гироскоп.
Внутри вертолета находится маленькое устройство, которое называют гироскопом. Это микросхема-датчик, фиксирующая положение вертолета в пространстве во время полета, корректирует его направление, если на модель вертолета влияют внешние факторы, сбивающие полет.
Самые первые модели производились без гироскопа и управление ими было очень сложным. Нужно было постоянно выравнивать модель во время полета с помощью рычагов управления.
В современных вертолетах Syma встроенный гироскоп есть практически в каждой модели. А в некоторых моделях квадрокоптеров X1, есть трех-осевые гироскопы. С этими маленькими устройствами на борту, полет и управление моделями Syma намного приятней и стабильней.
ПОДРОБНЕЕ:
Гироскоп был изобретён ещё в начале 19-го века Иоганном Боненбергером.
Вначале Фуко назвал гироскопом прибор определяющий изменение направления Земли и ввёл сам термин «гироскоп». Позже стало понятно, что гироскопический эффект – это нормальное физическое явление.
Ярким примером гироскопического закона является обычная детская игрушка – волчок или, как её называют по-другому, юла. Сегодня гироскоп – это устройство, обеспечивающее курсовую устойчивость в пространстве.
Именно поэтому, сегодня гироскопом оснащены настоящие вертолёты, самолёты и другая техника. Не стали исключением и радиоуправляемые вертолёты.
В мире радиоуправляемых игрушек такое устройство появилось относительно недавно – в марте-апреле 2010 года.
Теперь можно часто видеть пометку GYRO практически на всех современных радиоуправляемых вертолётах. На самом деле такое устройство как гироскоп значительно облегчает полёт не только новичку, но и профессионалу.
Ведь часто встречались случаи, когда новичков навсегда отвратило от такого интересного занятия как полёт только из-за того, что модель часто заносило, и она просто раскручивалась вокруг своей оси, а о мягкой посадке оставалось только мечтать.
Вертолёт падал с огромной высоты и ломался. Теперь с гироскопом всё стало гораздо проще и приятней. Особенно важно это для новичков. Вертолёты стали максимально послушны и управляемы.
Теперь управлять игрушкой может даже ребенок, причём без страха её сломать, тем более, что лопасти новых GYRO сделаны из нейлона, что придаёт им особую прочность и надёжность.
Радиоуправляемые модели вертолётов с гироскопом имеют огромные преимущества перед такими же моделями только без этого чудесного устройства. Так, например, полёт вертолёта с гироскопом отличается особой сбалансированностью и простотой в управлении.
Благодаря гироскопу, вертолёт не раскручивается вокруг своей оси, а возвращается на заданный курс, даже если будет небольшой ветер (это касается больших вертолетов Syma). Совершать полёт с гироскопом – одно удовольствие без напряжения и неуверенности.
В первую очередь гироскопом оснащены вертолёты, предназначенные для новичков, однако, и профессионалам гораздо легче совершать сложные трюки и участвовать в соревнованиях с этим волшебным устройством.
Для начинающих авиамоделистов гироскоп – это скорее необходимость, чем роскошь. Тем более что цены на модели с гироскопом не очень отличаются от цен на обычные радиоуправляемые вертолёты, поэтому усовершенствованную модель может позволить себе абсолютно каждый.
Не важно, решили ли Вы приобрести радиоуправляемый вертолёт для ребёнка или для опытного лётчика, долгое время занимающегося авиаспортом, в любом случае модель со встроенным гироскопом порадует каждого своими преимуществами, а также простотой в управлении и позволит начинающему пилоту стать настоящим мастером авиа-хобби.
Расти профессионально, обучаться новым трюкам и развивать свои навыки в пилотаже новичку гораздо проще с усовершенствованными моделями радиоуправляемых вертолётов SYMA со встроенным гироскопом, чем без него.