» » همه چیز در مورد ژیروسكوپ

مهرگان
 
 
 

همه چیز در مورد ژیروسكوپ

4 اردیبهشت 1392

همه چیز در مورد ژیروسكوپ

همه چیز در مورد ژیروسكوپ


در تمام ومسایل حركتی اطلاع از موقعیت و زاویه جسم و سرعت زاویه ای آن امری ضروری است، چرا كه بدون اطلاع از وضعیت جسم، كنترل آن به سمت هدف غیر ممكن بوده و امری محال به نظر می رسد. به دست آوردن این اطلاعات از روی زمین برای اجسامی مانند موشک یا ماهواره و یا گوشی های تلفن همراه، كاری بسیار پیچیده و در بعضی موارد غیر ممكن است؛ به عنوان مثال اگر مسیر موشک را در مدت زمان معین نتوانیم کنترل کنیم، موشک از مسیر خارج شده و ما را به هدف نخواهد رساند.

كلمه ژیروسكوپ از دو كلمه Gyro به معنای دوران و Scope به معنای نشان دادن تشكیل شده است؛ بنابراین به این وسیله می توان دوران نما نیز گفت كه وظیفه خود یعنی نمایش دوران را بیان می كند.

ژیروسكوپ ها سنسورهایی هستند كه ما از آن ها جهت به دست آوردن سرعت زاویه ای و موقعیت زاویه ای استفاده می كنیم. با پردازش این اطلاعات می توان موقعیت كلی جسم را نیز بر اساس محاسبات به دست آورد. ژیروسكوپ عضو اصلی سیستم های هدایت اینرسی می باشد. سیستم هدایت اینرسی كه در ناوبری اینرسی مورد استفاده قرار می گیرد، سیستمی است كه جهت مشخص كردن موقعیت یك متحرك مانند وضعیت هواپیما یا كشتی با استفاده از متغییر های اینرسی آن مثل سرعت و شتاب به کار می رود؛ این امر از طریق اندازه گیری این كمیت ها توسط حس كننده اینرسی انجام می گیرد.
در حالت كلی سیستم هدایت اینرسی عبارت است از ژیروسكوپ ها و شتاب ‌سنج ها كه بر روی پایه ثبات اینرسی نصب می شوند.

وظیفه اصلی ژیروسكوپ ها ایجاد یك دستگاه مختصات مرجع است و شتاب سنج ها شتاب متحرك در امتداد چنین محورهایی را اندازه می گیرند، این شتاب می تواند نسبت به دستگاه مرجع اینرسی یا دستگاه مرجع دیگری مثل دستگاه متصل به زمین باشد.

همه چیز در مورد ژیروسكوپ


مبانی علمی و فنی:
طبق اصل بقای اندازه حركت زاویه ای، هر جسم در حال چرخش متقارن، سعی دارد جهت خود را همواره در فضا حفظ كند. لذا اگر یك جسم متقارن با وزن زیاد را با سرعت بالا بچرخانیم و اطراف آن را با یاتاقان و بلبرینگ آزاد بگذاریم تا نیروهای خارجی بر آن اعمال نشود، با چرخش قاب سیستم، جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی‌كند؛ بنابراین می توانیم بدین وسیله در اجسام متحرك، جهت ثابتی داشته باشیم كه وضعیت فعلی خود را در هر لحظه با آن مقایسه نماییم و موقعیت زاویه ای و نیز با محاسبه سرعت تغییر، سرعت زاویه ای را به دست آوریم.

همه چیز در مورد ژیروسكوپ


عضو اصلی ژیروسكوپ های مكانیكی، یك دستگاه دوار یا روتور(rotor) است كه معمولاَ با سرعت زیاد حول محور تقارن خود دوران می‌كند. این سرعت از ٣٠٠٠ تا ٣٠٠٠٠٠ دور در دقیقه است؛ بنابراین در اثر اینرسی جرم دوار، اندازه حركت ( ممنتوم ) نسبتا بزرگی ایجاد می شود. اگر یاتاقان بندی محور چرخش را در طوقه ای معلق تعبیه کنیم، به طوری که گشتاور خارجی به آن وارد نشود، با وجود تمام حرکت های قاب، محور چرخش روتور همواره در جهت ثابتی می ماند و موقعیت خود را در فضا حفظ می کند.

با این روش می توان جهت و یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هر گونه حرکت زاویه ای نسبت به این محورها سنجیده می شود.

همه چیز در مورد ژیروسكوپ


خاصیت صلب بودن ژیروسكوپ:
همان گونه كه اشاره شد، ژیروسکوپ از خاصیت صلبیت استفاده می كند. طبق قانون دوم نیوتن، مجموعه گشتاورهای خارجی وارد بر سیستم دوار حول یك نقطه مانند مرکز ژیروسکوپ برابر است با تغییرات زمانی اندازه حركت زاویه ای سیستم حول همان نقطه، لذا چون اندازه حركت زاویه ای سیستم برابر صفر است، مقدار و جهت بردار اندازه حركت زاویه ای ژیروسكوپ در فضای اینرسی ثابت می ماند.

حركت تقدیمی:
چنانچه گشتاوری مانند M در راستایی غیر از راستای بردار اندازه حرکت زاویه ای به روتور اعمال شود، محور چرخش در راستای برداری عمود بر صفحه بردار گشتاور خارجی و اندازه حرکت زوایه ای، دوران خواهد كرد. جهت دوران به این صورت است كه بردار اندازه حرکت زوایه ای همواره با طی زاویه كوچك تر به طرف بردار گشتاور خارجی بچرخد.

همه چیز در مورد ژیروسكوپ


انواع حركت های متحرك در فضا:
هر متحرك در فضا ٦ درجه آزادی دارد كه ٣ حركت خطی و ٣ حركت دورانی است. برای مشخص نمودن حركت دورانی متحرك در فضا از ٣ محور عمود بر هم استفاده می شود كه عبارتند از: محور رول یا محور طول، محور پیچ یا محور عرضی و محور یاو.

محور رول:
محور طولی یا محور جلو – عقب را محور رول می نامند و حركت رول یعنی دوران متحرك حول محور طولی خودش.

محور پیچ:
محور عرضی یا جنبی را محور پیچ گویند. و حركت پیچ دوران متحرك حول محور عرضی خودش است كه محوری افقی است و عمود بر محور طولی می باشد.

محور یاو:
محور عمود بر دو محور یاو و پیچ است و دوران متحرك حول این محور قائم را دوران یاو گویند.

سیستم ناوبری اینرسی (inertial guidance system):

یک سیستم ناوبری اینرسی شامل حداقل یک کامپیوتر و یک سکو یا جایگاه شامل شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها یا وسایل حس کننده دیگر برای حرکت خود است. این سیستم، موقعیت و سرعت خود را در آغز به وسیله مرجعی دیگر به دست می آورد (یک انسان یا GPS و ...) و سپس موقعیت و سرعت جدید خود را به وسیله تجزیه اطلاعات دریافت شده از سنسورهای حرکتی خود محاسبه می کند.مزیت این سیستم آن است که به جز در نقطه شروع، برای تعیین موقعیت و جهت گیری و یا سرعت خود، احتیاج به هیچ مرجع خارجی ندارد.

به دلیل دقت و حساسیت كار معمولا از ژیروسكوپ با ٣ درجه آزادی استفاده نمی شود، بلکه از ٣ ژیروسكوپ با یك درجه آزادی یا ٢ ژیروسكوپ با 2 درجه آزادی استفاده می شود.


ژیروسكوپ با یك درجه آزادی:
در این ژیروسكوپ روتور به جز حركت حول محور چرخش تنها حول یك محور دیگر می تواند چرخش كند. در امتداد یك محور كه طوقه داخلی باشد، این حركت امكان پذیر است، این ژیروسكوپ، تنها چرخش در یك محور را حس می كند.


ژیروسكوپ سرعتی:
در این ژیروسكوپ عامل برگشت طوقه مجموعه دوار به وضعیت اولیه، یک عنصر الاستیک مانند فنر است.


ژیروسكوپ انتگرالی:
در این ژیروسكوپ عامل برگشت طوقه مجموعه دوار به وضعیت اولیه، مقدار کم شدن گران روی سیال با درجه ویسکوزیته بالا است.


ژیروسكوپ با دو درجه آزادی:
این ژیروسكوپ علاوه بر محور چرخش روتور دارای دو محور دوران دیگر نیز می باشد كه توسط دو طوقه معلق درونی و بیرونی فراهم شده است. در حالت عادی محور چرخش و این دو محور بر هم عمودند. تكیه گاه طوقه داخلی در طوقه خارجی قراردارد و طوقه خارجی نیز تكیه گاهی در بدنه ژیروسكوپ دارد و می تواند داخل آن حركت دورانی انجام دهد.



انواع ژیروسكوپ از نظر اتصال:
ژیروسكوپ متصل به بدنه
در این نوع، ژیروسكوپ به بدنه متصل می گردد و با بدنه حرکت می کند.


ژیروسكوپ با بدنه ثابت:
در این نوع ژیروسكوپ به بدنه متصل نمی گردد و بر روی یک صفحه که حرکت های بدنه را به طور معکوس شبیه سازی می کند، نصب می گردد و لذا همیشه موقعیت ثابت دارد. این نوع ژیروسکوپ بسیار گران قیمت و دقیق است.


کاربردهای متنوع ژیروسکوپ:
ژیروسکوپ در هر وسیله ی که بخواهیم مرجع مختصات اینرسی و یا موقعیت و سرعت زاویه ی و شتاب زاویه ی را به دست آوریم، در وسایل نقلیه هوایی، فضایی و دریایی، هواپیما، موشک، ماهواره، سفینه فضایی، کشتی، زیردریایی و ... کاربرد خواهد داشت.


از ژیروسکوپ در موارد زیر نیز استفاده می شود:
در ربات های پیچیده که حفظ تعادل، بسیار مشکل است (مانند ربات دوپا که می خواهد راه برود و یا ربات های انسان نما) از این سنسور استفاده می شود.

این وسیله یک اسکوتر است که با جلو و یا عقب رفتن بدن فردی که سوار بر آن است، حرکت کرده و یا می ایستد. این وسیله به صورت خودکار، وضعیت خود را متعادل می کند و با استفاده از ٥ سنسور ژیروسکوپ خود را متعادل کرده و از افتادن جلوگیری می کند.

در این ویلچر، فرد معلول می تواندامکان بالا و پایین رفتن از پله یا بلندی ها را داشته باشد و تعادل صندلی به هم نمی خورد.

علمی


ارسال نظر

نام:
ایمیل:
متن نظر:
 
برای مشاهده بهتر سایت از مرورگر فایرفاکس ، اُپرا و یا گوگل کروم استفاده نمایید