ایران جستجو
هر چی بخوای اینجا پیدا میشه!ایران جستجو
هر چی بخوای اینجا پیدا میشه!مقاله : ژیروسکوپ
ژیروسکوپ چیست؟ (1)
در تمام ومسایل حرکتی اطلاع از موقعیت و زاویه جسم و سرعت زاویه ای آن امری ضروری است، چرا که بدون اطلاع از وضعیت جسم، کنترل آن به سمت هدف غیر ممکن 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، کاری بسیار پیچیده و در بعضی موارد غیر ممکن 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.
کلمه ژیروسکوپ از دو کلمه Gyro به معنای دوران و Scope به معنای نشان دادن تشکیل شده است؛ بنابراین به این وسیله می توان دوران نما نیز گفت که وظیفه خود یعنی نمایش دوران را بیان می کند.
ژیروسکوپ ها سنسورهایی هستند که ما از آن ها جهت به دست آوردن سرعت زاویه ای و موقعیت زاویه ای استفاده می کنیم. با پردازش این اطلاعات می توان موقعیت کلی جسم را نیز بر اساس محاسبات به دست آورد. ژیروسکوپ عضو اصلی سیستم های هدایت اینرسی می باشد. سیستم هدایت اینرسی که در ناوبری اینرسی مورد استفاده قرار می گیرد، سیستمی است که جهت مشخص کردن موقعیت یک متحرک مانند وضعیت هواپیما یا کشتی با استفاده از متغییر های اینرسی آن مثل سرعت و شتاب به کار می رود؛ این امر از طریق اندازه گیری این کمیت ها توسط حس کننده اینرسی انجام می گیرد.
وظیفه اصلی ژیروسکوپ ها ایجاد یک دستگاه مختصات مرجع است و شتاب سنج ها شتاب متحرک 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.
مبانی علمی و فنی:
عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی، یک دستگاه دوار یا روتور(rotor) است که معمولاَ با سرعت زیاد حول محور تقارن خود دوران می‌کند. این سرعت از ٣٠٠٠ تا ٣٠٠٠٠٠ دور در دقیقه است؛ بنابراین در اثر اینرسی جرم دوار، اندازه حرکت ( 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.
خواص ژیروسکوپ
خاصیت صلب بودن ژیروسکوپ:
همان گونه که اشاره شد، ژیروسکوپ از خاصیت صلبیت استفاده می کند. طبق قانون دوم نیوتن، مجموعه گشتاورهای خارجی وارد بر سیستم دوار حول یک نقطه مانند مرکز ژیروسکوپ برابر است با تغییرات زمانی اندازه حرکت زاویه ای سیستم حول همان نقطه، لذا چون اندازه حرکت زاویه ای سیستم برابر صفر است، مقدار و جهت بردار اندازه حرکت زاویه ای ژیروسکوپ در فضای اینرسی ثابت می ماند.
انواع حرکت های متحرک در فضا:
هر متحرک در فضا ٦ درجه آزادی دارد که ٣ حرکت خطی و ٣ حرکت دورانی است. برای مشخص نمودن حرکت دورانی متحرک در فضا از ٣ محور عمود بر هم استفاده می شود که 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 حرکت رول یعنی دوران متحرک حول محور طولی خودش.
محور پیچ:
محور عرضی یا جنبی را محور پیچ گویند. و حرکت پیچ دوران متحرک حول محور عرضی خودش است که محوری افقی است و عمود بر محور طولی می باشد.
محور یاو:
محور عمود بر دو محور یاو و پیچ است و دوران متحرک 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.
انواع ژیروسکوپ و کاربردهای آن
به دلیل دقت و حساسیت کار معمولا از ژیروسکوپ با ٣ درجه آزادی استفاده نمی شود، بلکه از ٣ ژیروسکوپ با یک درجه آزادی یا ٢ ژیروسکوپ با 2 درجه آزادی استفاده می شود.
ژیروسکوپ با یک درجه آزادی:
در این ژیروسکوپ روتور به جز حرکت حول محور چرخش تنها حول یک محور دیگر می تواند چرخش کند. در امتداد یک محور که طوقه داخلی باشد، این حرکت امکان پذیر است، این ژیروسکوپ، تنها چرخش در یک محور را حس می کند.
ژیروسکوپ سرعتی:
در این ژیروسکوپ عامل برگشت طوقه مجموعه دوار به وضعیت اولیه، یک عنصر الاستیک مانند فنر است.
ژیروسکوپ انتگرالی:
در این ژیروسکوپ عامل برگشت طوقه مجموعه دوار به وضعیت اولیه، مقدار کم شدن گران روی سیال با درجه ویسکوزیته بالا است.
ژیروسکوپ با دو درجه آزادی:
این ژیروسکوپ علاوه بر محور چرخش روتور دارای دو محور دوران دیگر نیز می باشد که توسط دو طوقه معلق درونی و بیرونی فراهم شده است. در حالت عادی محور چرخش و این دو محور بر هم عمودند. تکیه گاه طوقه داخلی در طوقه خارجی قراردارد و طوقه خارجی نیز تکیه گاهی در بدنه ژیروسکوپ دارد و می تواند داخل آن حرکت دورانی انجام دهد.
ژیروسکوپ با بدنه ثابت
در این نوع ژیروسکوپ 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:
Robotics
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.
Segway Scooter
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.
Wheel Chair
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.
