Гіроскопи на радіокерованих моделях

Призначення гіроскопів та будова датчиків повороту

Гіроскопи призначені для демпфірування кутових переміщень моделей навколо однієї з осей або стабілізації їх кутового переміщення і застосовуються в основному на літаючих моделях, коли необхідно підвищити стабільність поведінки апарату або створити її штучно. Гіроскопи найчастіше застосовуються (90%) в вертольотах звичайної схеми для стабілізації щодо вертикальної осі шляхом керування кроком рульового гвинта, тому що гелікоптер має нульову власну стабільність по вертикальній осі.

В літаках гіроскоп може стабілізувати крен, курс і тангаж. Курс стабілізують в основному на турбореактивних моделях для забезпечення безпечного зльоту і посадки — там великі швидкості і злітні дистанції, а ЗПП, як правило, вузька. Тангаж стабілізують на моделях з малою, нульовою, або негативною поздовжньою стійкістю (з заднім центруванням), що підвищує їх маневрені можливості. Крен корисно стабілізувати навіть на навчальних моделях. Гіроскопи заборонені (вимогами FAI) на літаках і планерах спортивних класів.

Складається гіроскоп з датчика кутової швидкості і контролера. Як правило, вони конструктивно об'єднані, хоча на застарілих, а також «крутих» сучасних гіроскопах розміщені в різних корпусах.

Гіроскопи можна розділити по конструкції датчиків обертання на два основні класи: механічні і п'єзо.

Основу механічного гіроскопа складають важкі диски, закріплені на валу електродвигуна. Двигун, в свою чергу, має одну ступінь свободи, тобто може вільно обертатися навколо осі, перпендикулярної валу двигуна.

Розкручені двигуном важкі диски мають гіроскопічний ефект. Коли вся система починає обертатися навколо осі, перпендикулярної двом іншим, двигун з дисками відхиляється на певний кут (величина цього кута пропорційна швидкості повороту). Відхилення мотора фіксується датчиком, сигнал якого надходить на блок електронної обробки даних.

Завдяки розвитку сучасних технологій були розроблені більш досконалі датчики кутових швидкостей і з'явилися п'єзогіроскопи, які зараз повністю витіснили механічні. Хоча вони, як і раніше, використовують ефект коріолісова прискорення, але датчики є твердотільними, тобто обертові частини відсутні.

В найбільш поширених датчиках використовуються вібруючі пластини. Повертаючись навколо осі, така пластина починає відхилятися в площині, перпендикулярній площині вібрації. Це відхилення вимірюється і надходить на вихід датчика, звідки знімається вже зовнішньою схемою для подальшої обробки. Найвідомішими виробниками подібних датчиків є фірми Murata та Tokin.

У датчиків подібної конструкції є недолік у вигляді великого температурного дрейфу сигналу (тобто при зміні температури на виході п'єзодатчика, що знаходиться в нерухомому стані, може з'явитися сигнал). Однак переваги, одержувані натомість, набагато перекривають цю незручність.

П'єзогіроскопи споживають набагато менший струм в порівнянні з механічними, витримують великі навантаження (менш чутливі до аварій), дозволяють більш точно реагувати на повороти моделей. Що стосується боротьби з дрейфом, то в дешевих моделях п'єзогіроскопів є просто регулювання «нуля», а в більш дорогих — автоматична установка «нуля» мікропроцесором при подачі живлення і компенсація дрейфу температурними датчиками.

Життя, однак, не стоїть на місці, і ось уже в новій лінійці гіроскопів від Futaba (Сімейство Gyxxx з системою AVCS) вже стоять датчики від Silicon Sensing Systems, які дуже вигідно відрізняються за характеристиками від продуктів Murata і Tokin. Нові датчики мають більш низький температурний дрейф, нижчий рівень шумів, дуже високу віброзахищеність і розширений діапазон робочих температур. Це досягнуто за рахунок зміни конструкції чутливого елемента. Він виконаний у вигляді кільця, що працює в режимі згинальних коливань. Кільце робиться методом фотолітографії, як мікросхема, тому датчик називається SMM (Silicon Micro Machine).

Типові гіроскопи і алгоритми їх роботи

Найбільш відомими виробниками гіроскопів на сьогоднішній день є фірми Futaba, JR-Graupner, Ikarus, CSM, Robbe, Hobbico і т. д.

Гіроскопи зі стандартним режимом роботи

В цьому режимі гіроскоп демпфує кутові переміщення моделі. Він перейшов до нас у спадок від механічних гіроскопів. Перші п'єзогіроскопи відрізнялися від механічних в основному датчиком. Алгоритм роботи залишився незмінним. Гіроскоп вимірює швидкість повороту і видає корекцію до сигналу з передавача, щоб уповільнити обертання, наскільки це можливо. Гіроскоп намагається придушити будь-яке обертання, в тому числі і те, яке викликано сигналом з передавача.

Щоб уникнути такого побічного ефекту, бажано на передавачі задіяти додаткові мікшери, щоб при відхилення ручки керування від центру, чутливість гіроскопа плавно зменшувалася. Таке мікшування може бути вже реалізовано всередині контролерів сучасних гіроскопів (щоб уточнити, чи є воно чи ні — подивіться характеристики пристрою і керівництво по експлуатації).

Регулювання чутливості реалізується декількома способами:

• Дистанційне регулювання відсутнє. Чутливість задається на землі (регулятором на корпусі гіроскопа) і не змінюється під час польоту.
• Дискретне регулювання (dual rates gyro). На землі задається два значення чутливості гіроскопа (двома регуляторами). В повітрі можна вибирати потрібне значення чутливості по каналу регулювання.
• Плавне регулювання. Гіроскоп виставляє чутливість пропорційно сигналу в регулюючому каналі.

На сьогоднішній день практично всі сучасні п'єзогіроскопи мають плавне регулювання чутливості (а про механічні гіроскопи можна вже сміливо забути). Виняток становлять тільки базові моделі деяких виробників, де чутливість встановлюється регулятором на корпусі гіроскопа.

Дискретне регулювання необхідне тільки з примітивними передавачами (де немає додаткового пропорційного каналу або не можна виставити тривалості імпульсів в дискретному каналі). В цьому випадку в канал регулювання гіроскопа можна включити невеликий додатковий модуль, який буде видавати задані значення чутливості в залежності від положення тумблера дискретного каналу передавача.

Якщо говорити про достоїнства гіроскопів, що реалізують тільки «стандартний» режим роботи, то можна відзначити, що:

• Такі гіроскопи мають досить низьку ціну (внаслідок простоти реалізації).
• При установці на хвостову балку вертольота, новачкам простіше виконувати польоти по колу, так як за балкою можна особливо не стежити (балка сама розгортається по ходу руху вертольота).

Недоліки:

• У недорогих гіроскопах термокомпенсація зроблена недостатньо добре. Необхідно вручну виставляти «нуль», який може зміститися при зміні температури повітря.
• Доводиться застосовувати додаткові заходи щодо усунення ефекту придушення гіроскопом керуючого сигналу (додаткове мікшування в каналі керування чутливості або збільшення витрат рульової машинки).

При виборі рульової машинки, яка буде підключатися до гіроскопа, слід віддавати перевагу більш швидким варіантам. Це дозволить домогтися більшої чутливості, без ризику, що в системі виникнуть механічні автоколивання (коли через перерегулювання керма починають самі рухатися з боку в бік).

Гіроскопи з режимом утримання напрямку

В цьому режимі стабілізується кутове положення моделі. Для початку маленька історична довідка. Першою фірмою, яка зробила гіроскопи з таким режимом, була CSM. Режим вона назвала Heading Hold. Оскільки назва була запатентовано, інші фірми стали вигадувати і патентувати свої власні назви. Так виникли марки 3D, AVSC (Angular Vector Control System) та інші. Таке різноманіття може привести новачка в легке замішання, але насправді, ніяких принципових відмінностей в роботі таких гіроскопів немає.

Все гіроскопи, які мають режим Heading Hold, підтримують також і звичайний алгоритм роботи. Залежно від виконуваного маневру, можна вибирати той режим гіроскопа, який більше підходить.

Отже, про новий режим. У ньому гіроскоп не пригнічує обертання, а робить його пропорційним сигналу з ручки передавача. Різниця очевидна. Модель починає обертатися саме з тією швидкістю, з якою потрібно, незалежно від вітру та інших факторів.

Переваги режиму Heading Hold очевидні, але хочеться особливо підкреслити плюси, які проявляються при установці такого гіроскопа на гелікоптер (для стабілізації хвостової балки):

• На вертольоті початківець пілот в режимі висіння може практично не управляти хвостовим гвинтом.
• Відпадає необхідність в мікшируванні кроку хвостового гвинта з газом, що дещо спрощує підготовку до польоту.
• Тримірування хвостового гвинта можна робити без відриву моделі від землі.
• Стає можливим виконання таких маневрів, які раніше були утруднені (наприклад, політ хвостом вперед).

Для літаків застосування даного режиму теж може бути виправдано, особливо на деяких складних 3D-фігурах на кшталт Torque Roll.

Разом з тим слід зазначити, що кожен режим роботи має свої особливості, тому використання Heading Hold всюди поспіль не є панацеєю. При виконанні звичайних польотів на вертольоті, особливо новачками, використання функції Heading Hold може привести до втрати керування. Наприклад, якщо не управляти хвостовою балкою при виконанні віражів, то гелікоптер перекинеться.

Перемикання між стандартним режимом і Heading Hold проводиться через канал регулювання чутливості. Якщо міняти тривалість імпульсу в одну сторону (від середньої точки), то гіроскоп буде працювати в режимі Heading Hold, а якщо в іншуу, то гіроскоп перейде в стандартний режим. Середня точка — коли тривалість канального імпульсу дорівнює приблизно 1500 мкс; тобто, якщо б ми підключили на цей канал рульову машинку, то вона встановилася б в середнє положення.

Окремо варто торкнутися теми застосовуваних рульових машинок. Для того, щоб домогтися максимального ефекту від Heading Hold, потрібно ставити кермові машинки з підвищеною швидкістю роботи і дуже високою надійністю. При підвищенні чутливості (якщо швидкість відпрацювання машинки дозволяє), гіроскоп починає перекладати сервомеханізм дуже різко, навіть зі стуком. Тому машинка повинна мати серйозний запас міцності, щоб довго прослужити і не вийти з ладу. Перевагу варто віддавати так званим «цифровим» машинкам. Для найсучасніших гіроскопів розробляють навіть спеціалізовані цифрові сервомашинки (наприклад, Futaba S9251 для гіроскопа GY601).

Пам'ятайте, що на землі, через відсутність зворотного зв'язку від датчика обертів, якщо не вжити додаткових заходів, то гіроскоп обов'язково виведе рульову машинку в крайнє положення, де вона стане відчувати максимальне навантаження. Тому якщо в гіроскоп і рульову машинку не вбудовані функції обмеження ходу, то рульова машинка повинна вміти витримувати великі навантаження, щоб не вийти з ладу ще на землі.

Спеціалізовані літакові гіроскопи

Для застосування в літаках з метою стабілізації крену почали випускати спеціалізовані гіроскопи. Від звичайних вони відрізняються тим, що мають ще один канал зовнішньої команди.

При управлінні кожного елерона окремим серво, льотчики з комп'ютерної апаратурою задіють функцію флаперонів. Мікшування відбувається на передавачі. Однак контролер літакового гіроскопа на моделі автоматично визначає синфазне відхилення обох каналів елеронів і не заважає йому. А протифазне відхилення задіюється в петлі стабілізації крену — в ній присутні два суматора і один датчик кутової швидкості. Інших відмінностей немає.

Якщо елерони керуються від одного серво, то спеціалізований літаковий гіроскоп не потрібен, згодиться і звичайний. Літакові гіроскопи роблять фірми Hobbico, Futaba та інші.

Потрібно відзначити, що не можна використовувати режим Heading Hold на зльоті і посадці. Точніше, в той момент, коли літак торкається землі. Це тому, що коли літак знаходиться на землі, він не може нахилитися або повернути, тому гіроскоп виведе рулі в яке-небудь крайнє положення. А при відриві літака від землі (або відразу після посадки), коли модель має велику швидкість, сильне відхилення рулів може зіграти злий жарт. Тому настійно рекомендується використовувати гіроскоп на літаках в стандартному режимі.

В літаках ефективність керма і елеронів пропорційна квадрату швидкості польоту літака. При широкому діапазоні швидкостей, що характерно для складного пілотажу, необхідно компенсувати цю зміну регулюванням чутливості гіроскопа. Інакше при розгоні літака система перейде в автоколивальний режим. Якщо ж поставити відразу низький рівень ефективності гіроскопа, то на малих швидкостях, коли він особливо потрібен, від нього не буде належного ефекту. На справжніх літаках таке регулювання робить автоматика. Можливо, скоро так буде і на моделях.

В деяких випадках перехід в автоколивальний режим органу керування корисний — при дуже низьких швидкостях польоту літака. Багато хто напевно бачили, як на МАКС-2001 «Беркут» З-37 показував фігуру Харієр. Переднє горизонтальне оперення при цьому працювало в автоколивальних режимі. Гіроскоп в каналі крену дозволяє робити літак «незвальним на крило». Детальніше про роботу гіроскопа в режимі стабілізації тангажу літаків можна почитати в відомій монографії І. В. Остославського «Аеродинаміка літака».

Висновок

В останні роки з'явилося багато дешевих моделей мініатюрних гіроскопів, що дозволяють розширити сферу їх застосування. Простота інсталяції і низькі ціни виправдовують використання гіроскопів навіть на навчальних і радіобійцевих моделях. Міцність п'єзоелектричних гіроскопів така, що при аварії швидше зіпсується приймач або серво, ніж гіроскоп.

Питання про доцільність насичення літаючих моделей сучасною авіонікою кожен вирішує сам. На наш погляд, в спортивних класах літаків — хоча б на копіях, гіроскопи все-таки з часом дозволять. Інакше неможливо забезпечити реалістичний, схожий на оригінал політ зменшеної копії через різні числа Рейнольдса.

На хобійних апаратах застосування штучної стабілізації дозволяє розширити діапазон погодних умов польотів, і літати в такий вітер, коли тільки ручне керування не в змозі утримати модель.