Применение гироскопов в беспилотных аппаратах и транспортных средствах
Гироскопические системы стабилизации (ГСС) широко применяются в различных системах летальных аппаратов (ЛА), и в частности – в системах беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Технологии БПЛА в последние годы стремительно развивались, и теперь они получили повсеместное распространение как среди любителей, так и в профессиональной сфере. Очень распространены небольшие БПЛА или, как их ещё часто называют, дроны. Они используются, например, для фото- и видеосъёмок с высоты. В различных отраслях промышленности получили распространение как небольшие дроны, так и беспилотные воздушные судна, использующиеся, в частности, для перевозки грузов, мониторинга местности и тушения пожаров. Но и в том, и в другом случае в систему стабилизации и навигации БПЛА входят гироскопы или гироскопические модули.
Гироскопы определяют изменения углов тангажа, крена и курса, после чего эта информация подаётся на контроллер, что позволяет стабилизировать БПЛА. Причём кроме трёх-осевых систем, иногда применяются также шести-осевые системы гироскопической стабилизации, что позволяет БПЛА неподвижно парить в воздухе или отвесно спускаться вниз.
На рисунке показан SH-750 – беспилотный летательный аппарат вертолётного типа отечественного производства. В его функционал входят перевозка грузов весом до 300 кг, аэрофотосъёмка, разведка местности, поисково-спасательные и сельскохозяйственные работы, мониторинг и патрулирование местности продолжительностью до пяти часов со скоростью 120 км/ч. На его борту установлена инерциальная навигационная система (ИНС), включающая в себя гироскопы, позволяющая определять координаты и положение БПЛА в пространстве даже в случае отсутствия спутникового сигнала.
Частным случаем гироскопического устройства является гировертикаль – устройство, позволяющее определять истинную вертикаль или плоскость горизонта для движущихся объектов. Простейшей гировертикалью может считаться трёхосевой гироскоп, но без корректирующих устройств его главная ось постепенно будет изменять своё направление из-за вращения Земли, поэтому в основном применяют гировертикаль с маятниковой или индикаторной системой коррекции.
Подробнее о приводных решениях в БПЛА
Гировертикали получили широкое распространение в ЛА всех типов, на рисунке ниже приведена малогабаритная гировертикаль для вертолёта Ка-226.
В беспилотных автомобилях в случае потери спутникового навигационного сигнала гироскопы могут применяться для автономного контроля траектории транспорта.
Применение гироскопов в судостроении, авиационной и космической отраслях
В авиации гирокомпасы, по сути, представляющие собой роторные гироскопы, используются для определения координат самолёта в пространстве при отсутствии ориентиров (например, в условиях высокой облачности); и, более того, без гирокомпасов невозможна работа систем автоматического пилотирования. Отдельно установленные гироскопы применяют для определения отклонений курса, крена и тангажа: если воздушное судно начнёт отклоняться от курса, а также крениться в продольной или поперечной плоскости, датчик это зафиксирует.
В судостроении все суда водоизмещением от 500 GT (англ. Gross tonnage – брутто-тоннаж) в обязательном порядке должны быть оснащены гирокомпасом, независящим от магнитного поля Земли и позволяющим определять направление на истинный северный полюс, опираясь на угловую скорость планеты. Из-за вращения Земли ось вращающегося гироскопа будет двигаться относительно корпуса, но при этом сохранять своё положение в пространстве относительно Земли. Движение оси – это сочетание дрейфа и крена. Дрейф – горизонтальное отклонение от заданного направления, связанное с вращением Земли. Крен – это наклон судна. Использование гироскопа позволяет скорректировать отклонения дрейфа и крена. На протяжении долгого времени использовались исключительно роторные гирокомпасы, но в настоящее время появились и волоконно-оптические, их преимуществом являются отсутствие вращающихся частей, меньшие габариты, а также малое время определения направления на север.
Также отдельно используемый электронный гироскоп с контроллером позволяет задать допустимое отклонение от курса, который при произвольном изменении судном курса на значение, превышающее допустимое, подаст соответствующий сигнал на центральный компьютер.
В космической отрасли гироскопы необходимы для соблюдения ракетой заданной траектории. Для этого применяются гиростабилизрованные платформы, позволяющие отслеживать отклонения ракеты. Примечательно то, что, если авиация довольно продолжительное время существовала без гироскопических модулей и систем, поскольку на заре её развития полёты совершались только в «лётную» погоду, а пилоты ориентировались на наземные видимые ориентиры, то в случае с ракетами была изначальна ясна необходимость в навигационных системах, обладающих высокой точностью и устойчивостью к перегрузкам. Гироскопические модули для первых советских ракет и спутников разрабатывал В.И. Кузнецов (в частности, для «Спутника-1» и «Востока-1»), и на основе его разработок были созданы последующие гироскопы, ИНС и ИИМ, использующиеся и в наше время: например, семейство ракет-носителей Союз-2. Кроме того, в ракетостроении используются гиродины – силовые гиростабилизаторы, устанавливаемые на космические корабли и ракеты для выравнивания их положения в пространстве. На рисунке показаны четыре гиродина, установленных на МКС. Большая скорость вращения гиродина в совокупности с большой массой позволяет получить большой момент инерции и изменить положение космического корабля в пространстве.
Таким образом, в судостроении, авиации и ракетостроении гироскопы получили широкое распространение в качестве стабилизаторов, а также как часть ИНС для определения координат.
Применение гироскопов в робототехнике
Гироскопы широко применяются во всех отраслях робототехники, начиная с роботов-пылесосов, получающих всё большее распространение в быту, и заканчивая сложными роботами-манипуляторами, работающими в космическом пространстве.
Большинство роботов можно условно разделить на две больших категории: локомоционных и манипуляционных. Роботы, относящиеся к первому виду, перемещается самостоятельно и могут перемещать полезную нагрузку. В этом случае датчики, в том числе и гироскопы, необходимы для определения положения робота в пространстве и его стабилизации.
Манипуляционные роботы, напротив, никуда не перемещаются, но должны обладать большей подвижностью механических «конечностей» для совершения различных операций с объектами (например, роботы для сварки или фрезеровки). Здесь датчики позволяют определить скорость отдельных частей робота и его положение в пространстве, а вот задача стабилизации уже менее актуальна.
На рисунке показан мобильный робот РТС-РР от ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (Россия). Он совмещает в себе функции локомоционного и манипуляционного робота и предназначен для работ в зонах повышенной опасности, например, в условиях повышенного уровня радиации.
В его состав входит несколько гироскопов и инерциальных модулей, информация с которых поступает на компьютер, управляемый оператором. Без датчиков угловой скорости работа этой системы была бы невозможна.
Применение гироскопов в горнодобывающей и нефтегазовой промышленностях
Инерциальные измерительные модули (ИИМ), в состав которых входят акселерометры и гироскопы широко применяются в горнодобывающей и нефтегазовой промышленностях: например, их используют при бурении для контроля положения и направления долота и для контроля положения зонда при каротаже.
В качестве отдельного прибора гироскопы используются при каротаже скважин, обсаженных металлическими трубами: в этом случае два одноосевых гироскопа используют в качестве датчиков азимута и углов наклона. В нефтегазовой и горнодобывающей промышленностях используются, преимущественно, волоконно-оптические гироскопы, поскольку они относительно компактны, могут работать в жёстких условиях окружающей среды, обеспечивают высокую точность измерений и обладают долгим сроком службы.
Выводы
Гироскопы и гироскопические модули нашли применение практически во всех отраслях промышленности. Их используют для определения положения и стабилизации объектов, и без них было бы невозможно создание беспилотных аппаратов, роботов и систем автоматизации, поскольку такие системы фактически являются органами чувств для машин.
При подготовке публикации использовались материалы из открытых источников:
- rtc.ru/solution/rtk-08
- aeromax-group.ru/produkciya/bas-vertolyotnogo-tipa/sh-750 и др.
Гироскопы в каталоге ИНЕЛСО
Подробнее о гироскопах BLITZ Sensor
Смотреть гироскопы в Каталоге ИНЕЛСО
Смотреть полный каталог товаров бренда BLITZ Sensor
Для консультации и подбора инерциальных датчиков обращайтесь к нашим специалистам.
по тел.: +7 (812) 628-00-16
или по электронной почте: sales@inelso.ru.