Giroskop

Pertanyaan: Apa itu prinsip momentum sudut?


Giroskop adalah perangkat untuk mengukur atau mempertahankan orientasi, yang berlandaskan pada prinsip-prinsip momentum sudut.[1] Secara mekanis, giroskop berbentuk seperti sebuah roda berputar atau cakram di mana poros bebas untuk mengambil setiap orientasi. Meskipun orientasi ini tidak tetap, perubahannya dalam menanggapi torsi eksternal jauh lebih sedikit dan berlangsung dalam arah yang berbeda jika dibandingkan dengan tanpa momentum sudut, yang berkaitan dengan tingginya tingkat putaran dan inersia momen. Orientasi perangkat tetap sama, terlepas dari gerak platform pemasangan, karena pemasangan perangkat pada sebuah gimbal akan meminimalkan torsi eksternal.



Cara kerja giroskop yang berlandaskan pada prinsip-prinsip operasi lain juga ada, misalnya giroskop MEMS perangkat elektronik yang ditemukan pada perangkat elektronik konsumen, cincin laser, giroskop optik serat, dan giroskop kuantum yang sangat sensitif.
Pendahuluan


Pada dasarnya, sebuah giroskop mekanik adalah roda berputar atau disk yang berporos bebas untuk mengambil setiap orientasi. Meskipun orientasi ini tidak tinggal tetap, perubahan dalam respon terhadap eksternal torsi jauh lebih sedikit dan dalam arah yang berbeda dari itu akan tanpa momentum sudut besar yang terkait dengan tingkat tinggi dari disk berputar dan momen inersia . Karena torsi eksternal diminimalkan dengan me-mount perangkat di gimbal , orientasi masih hampir tetap, terlepas dari setiap gerak dari platform yang sudah terpasang.
Giroskop berdasarkan prinsip-prinsip operasi lain juga ada, seperti, elektronik microchip-paket MEMS giroskop perangkat yang ditemukan dalam perangkat konsumen elektronik, solid-state laser cincin , giroskop serat optik , dan sangat sensitif giroskop kuantum .
Aplikasi giroskop termasuk sistem navigasi inersia mana kompas magnetik tidak akan bekerja (seperti dalam teleskop Hubble ) atau tidak akan cukup tepat (seperti dalam ICBM ), atau untuk stabilisasi kendaraan terbang seperti radio-dikontrol helikopter atau kendaraan udara tak berawak . Karena presisi tinggi mereka, giroskop juga digunakan untuk menjaga arah dalam terowongan pertambangan.
Deskripsi
Diagram roda giro. Reaksi panah tentang sumbu output (biru) sesuai dengan kekuatan diterapkan terhadap sumbu masukan (hijau), dan sebaliknya.
Dalam sistem mekanis atau perangkat, sebuah giroskop konvensional adalah mekanisme yang terdiri dari rotor journal berputar sekitar satu sumbu , yang jurnal rotor yang dipasang di dalam gimbal cincin atau gimbal inner journal untuk osilasi dalam gimbal luar untuk total dua gimbal.
Gimbal outer atau cincin, yang merupakan bingkai giroskop, sudah terpasang sehingga poros sekitar sebuah sumbu dalam pesawat sendiri ditentukan oleh dukungan. Gimbal outer ini memiliki satu derajat kebebasan rotasi dan sumbu tidak memiliki. Gimbal inner adalah dipasang di frame giroskop (luar gimbal) sehingga poros sekitar sebuah sumbu dalam pesawat sendiri yang selalu tegak lurus terhadap sumbu penting dari frame giroskop (luar gimbal). Gimbal inner ini memiliki dua derajat kebebasan rotasi.
Poros dari roda berputar mendefinisikan sumbu putar. Rotor berputar journal tentang sumbu, yang selalu tegak lurus terhadap sumbu gimbal inner. Jadi rotor memiliki tiga derajat kebebasan rotasi dan sumbu memiliki dua. Roda menanggapi gaya yang diterapkan terhadap sumbu input oleh kekuatan reaksi tentang sumbu output.
Perilaku giroskop dapat mudah diketahui oleh pertimbangan roda depan sepeda. Jika roda bersandar jauh dari vertikal sehingga bagian atas roda bergerak ke kiri, pelek roda depan juga berubah ke kiri. Dengan kata lain, rotasi pada satu sumbu roda berputar menghasilkan rotasi sumbu ketiga.
Sebuah gyroscope flywheel akan roll atau menolak tentang sumbu keluaran tergantung pada apakah gimbal output yang bebas-atau tetap-konfigurasi. Contoh beberapa bebas-output-gimbal perangkat akan menjadi referensi sikap giroskop digunakan untuk merasakan atau mengukur lapangan , gulungan dan yaw sudut dalam pesawat ruang angkasa atau pesawat udara.
Pusat gravitasi dari rotor dapat berada dalam posisi tetap. Rotor berputar secara bersamaan sekitar satu sumbu dan mampu berosilasi tentang dua sumbu yang lain, dan dengan demikian, kecuali untuk resistensi inheren karena rotor berputar, ia bebas untuk mengubah ke segala arah di sekitar titik tetap. Beberapa giroskop telah setara mekanik diganti untuk satu atau lebih elemen. Sebagai contoh, rotor berputar dapat ditangguhkan dalam cairan, bukannya pivotally terpasang di gimbal. Sebuah control moment gyroscope (CMG) adalah contoh dari perangkat fixed-output-gimbal yang digunakan pada pesawat ruang angkasa untuk menahan atau mempertahankan sudut sikap yang diinginkan atau arah menunjuk menggunakan kekuatan resistensi gyroscopic.
Dalam beberapa kasus khusus, gimbal outer (atau ekuivalen) dapat dihilangkan sehingga rotor hanya memiliki dua derajat kebebasan. Dalam kasus lain, pusat gravitasi dari rotor dapat offset dari sumbu osilasi, dan dengan demikian, pusat gravitasi dari rotor dan pusat suspensi rotor tidak mungkin bertepatan.
Sejarah
Giroskop ditemukan oleh Léon Foucault pada tahun 1852. Replica dibangun oleh Dumoulin-Froment untuk universelle Pameran di 1867. Konservatorium Nasional dan museum Seni Kerajinan, Paris.
Yang dikenal paling awal giroskop-seperti instrumen dibuat oleh Jerman Johann Bohnenberger , yang pertama kali menulis tentang hal itu pada tahun 1817. Pada awalnya ia menyebutnya "Mesin". mesin Bohnenberger itu didasarkan pada lingkup besar berputar. Pada tahun 1832, Amerika Walter R. Johnson mengembangkan perangkat serupa yang didasarkan pada disk yang berputar. Para matematikawan Perancis Pierre-Simon Laplace , bekerja di École Polytechnique di Paris, direkomendasikan mesin untuk digunakan sebagai bantuan pengajaran, dan dengan demikian ia datang ke perhatian Léon Foucault . Pada tahun 1852, Foucault digunakan dalam sebuah eksperimen yang melibatkan rotasi bumi. Ini adalah Foucault yang memberikan perangkat nama modern, dalam sebuah percobaan untuk melihat (skopeein Yunani, untuk melihat) rotasi bumi (gyros Yunani, lingkaran atau rotasi ), yang terlihat di 8 sampai 10 menit sebelum gesekan memperlambat rotor berputar.
Pada 1860-an, munculnya motor listrik memungkinkan untuk giroskop untuk berputar selamanya, hal ini menyebabkan prototipe pertama gyrocompasses . Laut fungsional pertama gyrocompass telah dipatenkan pada tahun 1904 oleh penemu Jerman Hermann Anschütz-Kaempfe . Amerika Elmer Sperry diikuti dengan desain sendiri akhir tahun, dan negara-negara lain segera menyadari pentingnya militer dari penemuan-dalam suatu masa di mana kecakapan angkatan laut adalah ukuran yang paling signifikan dari kekuasaan militer-dan menciptakan industri mereka sendiri giroskop. Para Perusahaan giroskop Sperry cepat diperluas untuk menyediakan pesawat dan stabilisator angkatan laut juga, dan pengembang giroskop lain mengikuti.
Pada tahun 1917, Perusahaan Chandler dari Indianapolis , menciptakan "giroskop Chandler", sebuah giroskop mainan dengan string menarik dan alas. Chandler terus memproduksi mainan sampai perusahaan ini dibeli oleh TEDCO inc. pada tahun 1982. Mainan Chandler masih diproduksi oleh TEDCO hari ini.
Pada beberapa dekade pertama abad ke-20, penemu lainnya berusaha (gagal) untuk menggunakan giroskop sebagai dasar untuk awal kotak hitam sistem navigasi dengan menciptakan sebuah platform yang stabil dari mana pengukuran percepatan akurat dapat dilakukan (dalam rangka untuk memotong kebutuhan untuk bintang penampakan untuk menghitung posisi). Prinsip yang sama kemudian digunakan dalam pengembangan sistem bimbingan inersia untuk rudal balistik .
Selama Perang Dunia II, giroskop menjadi komponen utama untuk pesawat-pesawat dan anti incaran.
Giroskop juga sedang digunakan dalam perangkat elektronik portabel seperti generasi sekarang Apple iPad dan iPhone. Accelerometer menyediakan komponen penginderaan 6 gerak, mengukur tingkat dan kecepatan rotasi dalam ruang (roll, pitch dan yaw).
Properti
Sebuah giroskop beroperasi dengan kebebasan di semua tiga sumbu. Rotor akan mempertahankan arah spin porosnya terlepas dari orientasi dari frame luar.
Giroskop Sebuah pameran sejumlah perilaku termasuk presesi dan angguk kepala . Giroskop dapat digunakan untuk membangun gyrocompasses , yang melengkapi atau mengganti kompas magnetik (di kapal, pesawat terbang dan pesawat ruang angkasa, kendaraan pada umumnya), untuk membantu stabilitas ( Hubble Space Telescope , sepeda, sepeda motor, dan kapal) atau digunakan sebagai bagian dari bimbingan inersia sistem. Efek gyroscopic digunakan dalam puncak, bumerang, yo-Yos, dan Powerballs . Banyak perangkat berputar lainnya, seperti roda gaya , berperilaku dalam cara giroskop, meskipun efek gyroscopic tidak digunakan.
Persamaan mendasar yang menggambarkan perilaku giroskop adalah:
dimana pseudovectors τ dan L adalah, masing-masing, torsi pada giroskop dan perusahaan momentum sudut , skalar I adalah yang momen inersia , yang ω vektor adalah kecepatan sudutnya, dan α vektor adalah percepatan sudutnya.
Maka dari ini bahwa torsi τ diterapkan tegak lurus terhadap sumbu rotasi, dan karena itu tegak lurus ke L, hasil dalam sebuah rotasi terhadap sumbu tegak lurus baik τ dan L. Gerakan ini disebut presesi . Kecepatan sudut presesi Ω P diberikan oleh perkalian silang:
Presesi pada giroskop
Presesi dapat ditunjukkan dengan menempatkan sebuah giroskop berputar dengan sumbu horizontal dan didukung longgar (gesekan terhadap presesi) pada salah satu ujungnya. Alih-alih jatuh, seperti yang mungkin diharapkan, giroskop muncul untuk menentang gravitasi dengan tersisa dengan sumbu horizontal, ketika ujung sumbu yang tersisa tidak didukung dan ujung bebas dari sumbu perlahan menggambarkan lingkaran pada bidang horizontal, yang dihasilkan presesi berputar. Efek ini dijelaskan oleh persamaan di atas. Torsi pada giroskop dipasok oleh beberapa kekuatan: gravitasi yang bekerja pada pusat ke bawah perangkat massa, dan gaya yang sama bertindak atas untuk mendukung salah satu ujung perangkat. Rotasi dihasilkan dari torsi ini tidak menurun, seperti bisa intuitif diharapkan, menyebabkan perangkat untuk jatuh, tetapi tegak lurus baik torsi gravitasi (horizontal dan tegak lurus sumbu rotasi) dan sumbu rotasi (horizontal dan keluar dari titik support), yaitu, tentang sumbu vertikal, menyebabkan perangkat untuk memutar perlahan tentang titik pendukung.
Berdasarkan besarnya torsi konstan τ, kecepatan dari presesi giroskop Ω P adalah berbanding terbalik dengan L, besarnya momentum sudutnya:
di mana θ adalah sudut antara vektor P dan L Ω. Jadi, jika spin giroskop melambat (misalnya, akibat gesekan), mengurangi momentum sudutnya sehingga tingkat kenaikan presesi. Hal ini berlanjut sampai perangkat tidak dapat untuk memutar cukup cepat untuk mendukung beratnya sendiri, ketika berhenti precessing dan jatuh dukungan, terutama karena gesekan terhadap presesi penyebab lain presesi yang masuk menyebabkan jatuh.
Dengan konvensi, ketiga vektor - torsi, spin, dan presesi - semua berorientasi dengan menghormati satu sama lain menurut aturan tangan kanan .
Untuk mudah memastikan arah efek giro, hanya ingat bahwa roda bergulir cenderung, ketika bersandar ke samping, untuk mengubah ke arah yang ramping.
Variasi
Girostat
Sebuah girostat adalah varian dari giroskop. Ini terdiri dari roda flywheel besar tersembunyi dalam casing padat. Perilaku di atas meja, atau dengan berbagai modus suspensi atau dukungan, berfungsi untuk menggambarkan pembalikan penasaran hukum biasa kesetimbangan statis karena perilaku gyrostatic dari roda flywheel interior terlihat ketika diputar cepat. Yang girostat pertama dirancang oleh Lord Kelvin untuk menggambarkan keadaan yang lebih rumit dari gerak tubuh yang berputar ketika bebas untuk berkeliling pada bidang horisontal, seperti gasing berputar di trotoar, atau lingkaran atau sepeda di jalan.
MEMS
Sebuah MEMS giroskop mengambil ide dari Foucault pendulum dan menggunakan elemen bergetar, yang dikenal sebagai MEMS (Micro Electro-Mechanical System). Gyro berbasis MEMS awalnya dibuat praktis dan producible oleh Systron Donner Inertial (SDI). Hal ini, SDI adalah produsen besar MEMS giroskop.
FOG
Sebuah giroskop serat optik (FOG) adalah sebuah giroskop yang menggunakan interferensi cahaya untuk mendeteksi rotasi mekanik. Sensor adalah kumparan sebanyak 5km dari serat optik. Pengembangan rendah-rugi single-mode serat optik pada awal tahun 1970 untuk industri telekomunikasi memungkinkan pengembangan Sagnac efek gyros serat optik.
VSG atau CVG
Sebuah fiber optic gyroscope (VSG), juga disebut coriolis vibratory gyroscope (CVG), menggunakan resonator yang terbuat dari paduan logam yang berbeda. Ini mengambil posisi antara akurasi rendah, rendah-biaya giroskop MEMS dan akurasi lebih tinggi dan lebih tinggi-biaya FOG. Parameter akurasi ditingkatkan dengan menggunakan bahan intrinsik rendah redaman, vacuumization resonator, dan elektronik digital untuk mengurangi drift bergantung pada temperatur dan ketidakstabilan sinyal kontrol.
High-Q Wine-Glass Resonators untuk sensor yang tepat seperti HRG atau CRG didasarkan pada Bryan "efek gelombang inersia". Mereka terbuat dari tinggi kemurnian kaca kuarsa atau dari single-kristal safir .
DTG
Sebuah dynamically tuned gyroscope (DTG) adalah sebuah rotor ditangguhkan oleh gabungan universal dengan pivot lentur. Kekakuan lentur semi independen dari tingkat spin. Namun, inersia dinamis (dari efek reaksi gyroscopic) dari gimbal menyediakan kekakuan pegas negatif sebanding dengan kuadrat dari kecepatan putaran (Howe dan Savet, 1964; Lawrence, 1998). Oleh karena itu, pada kecepatan tertentu, yang disebut kecepatan tuning, dua momen membatalkan satu sama lain, membebaskan dari torsi rotor, kondisi yang diperlukan untuk giroskop yang ideal.
London moment
Sebuah London moment giroskop bergantung pada kuantum mekanik fenomena , dimana berputar superkonduktor menghasilkan medan magnet yang sumbu garis sama persis dengan sumbu putar dari rotor gyroscopic. Sebuah magnetometer menentukan orientasi medan yang dihasilkan, yang interpolasi untuk menentukan sumbu rotasi. Giroskop jenis ini bisa sangat akurat dan stabil. Sebagai contoh, yang digunakan dalam Gravity Probe B percobaan mengukur perubahan dalam orientasi sumbu giroskop berputar untuk lebih dari 0,5 milliarcseconds (1,4 × 10 -7 derajat) selama satu tahun. Hal ini setara dengan pemisahan sudut lebar rambut manusia dilihat dari 32 kilometer (20 mil) jauhnya.
GP-B terdiri dari giro yang hampir-sempurna bola berputar massal terbuat dari kuarsa leburan , yang menyediakan dielektrik dukungan untuk lapisan tipis niobium superkonduktor material. Untuk menghilangkan gesekan ditemukan di bantalan konvensional, rotor perakitan berpusat oleh medan listrik dari enam elektroda. Setelah awal spin-up oleh jet helium yang membawa rotor ke 4.000 RPM , perumahan giroskop dipoles adalah dievakuasi ke vakum ultra tinggi untuk mengurangi drag pada rotor. Asalkan suspensi elektronik tetap bertenaga, ekstrem simetri rotasi , kurangnya gesekan, dan drag rendah akan memungkinkan momentum sudut dari rotor untuk tetap berputar selama sekitar 15.000 tahun.
Sebuah DC sensitif SQUID magnetometer mampu membedakan perubahan sebagai kecil sebagai satu kuantum , atau sekitar 2 × 10 -15 Wb , digunakan untuk memantau giroskop. Sebuah presesi, atau memiringkan, dalam orientasi rotor menyebabkan momen London medan magnet bergeser relatif terhadap perumahan. Bidang bergerak melewati sebuah superkonduktor lingkaran penarik tetap untuk perumahan, mendorong arus listrik kecil. Arus menghasilkan tegangan pada hambatan shunt , yang memutuskan untuk koordinat bola dengan mikroprosesor. Sistem ini dirancang untuk meminimalkan Lorentz torsi pada rotor.
Penggunaan
Selain digunakan dalam kompas, pesawat perangkat komputer, menunjuk, dll, giroskop telah diperkenalkan ke elektronik konsumen. Sejak giroskop memungkinkan perhitungan orientasi dan rotasi, desainer telah memasukkan mereka ke teknologi modern. Integrasi giroskop telah memungkinkan untuk pengakuan yang lebih akurat gerakan dalam ruang 3D dari accelerometer tunggal sebelumnya dalam sejumlah smartphone. Scott Steinberg, dikenal karena kritik pada teknologi baru dirilis, mengatakan bahwa penambahan baru dari giroskop di iPhone 4 dapat "benar-benar mendefinisikan kembali cara kita berinteraksi dengan aplikasi download".
Nintendo telah terintegrasi giroskop ke dalam Wii konsol Wii Remote controller dengan sepotong tambahan hardware yang disebut " Wii MotionPlus ". Hal ini juga termasuk dalam 3DS, yang mendeteksi gerakan saat berputar.
Menggabungkan data accelerometer dan giroskop.
Langkah pertama dalam menggunakan sebuah perangkat yang menggabungkan kombinasi IMU accelerometer dan giroskop adalah untuk menyelaraskan mereka sistem koordinat. Cara termudah untuk melakukannya adalah untuk memilih sistem koordinat accelerometer sebagai sistem koordinat Anda referensi. Data accelerometer yang paling lembar akan menampilkan arah X, Y, Z sumbu relatif terhadap citra chip fisik atau perangkat. Sebagai contoh di sini adalah arah dari X, Y, Z sumbu seperti yang ditunjukkan dalam spesifikasi untuk Acc_Gyro papan:
Langkah berikutnya adalah:
Mengidentifikasi output giroskop yang sesuai dengan RateAxz, nilai-nilai RateAyz dibahas di atas.
Menentukan apakah output tersebut perlu dibalik karena posisi fisik giroskop relatif terhadap accelerometer.
Jangan berasumsi bahwa jika giroskop memiliki output ditandai X atau Y, itu akan sesuai dengan setiap sumbu dalam sistem koordinat accelerometer, bahkan jika output ini merupakan bagian dari unit IMU. Cara terbaik adalah untuk menguji itu.
Berikut adalah urutan sampel untuk menentukan output dari giroskop sesuai dengan nilai RateAxz dibahas di atas.
Mulai dari menempatkan perangkat dalam posisi horisontal. Kedua X dan output Y dari accelerometer akan output tegangan nol-g (misalnya untuk Acc_Gyro board ini 1.65V)
Awal berikutnya perangkat berputar di sekitar sumbu Y, cara lain untuk mengatakan itu adalah bahwa Anda memutar perangkat di pesawat XZ, sehingga X dan Z accelerometer perubahan output dan output Y tetap konstan.
Sementara memutar perangkat pada catatan kecepatan konstan yang giroskop perubahan output, output giroskop lain harus tetap konstan
Output giroskop yang berubah selama rotasi di sekitar sumbu Y (rotasi di pesawat XZ) akan memberikan nilai masukan untuk AdcGyroXZ, dari mana kita menghitung RateAxz
Langkah terakhir adalah untuk memastikan arah rotasi sesuai dengan model kami, dalam beberapa kasus, Anda mungkin harus membalikkan nilai RateAxz karena posisi fisik giroskop relatif terhadap accelerometer
Tampil lagi tes di atas, memutar perangkat di sekitar sumbu Y, kali ini memantau output X dari accelerometer (AdcRx dalam model kita). Jika AdcRx tumbuh (yang pertama 90 derajat rotasi dari posisi horisontal), maka AdcGyroXZ harus menurun. Hal ini disebabkan kenyataan bahwa kita sedang memantau vektor gravitasi dan bila perangkat berputar di satu arah vektor akan memutar dalam arah yang berlawanan (relatif terhadap sistem coordonate perangkat, yang kita gunakan).
Lihat pula
Akselerometer
Inertial measurement unit (IMU)
Magnetometer
Sensor robot
Referensi

Bacaan lebih lanjut
Felix Klein and Arnold Sommerfeld, "Über die Theorie des Kreisels" (Tr., About the theory of the gyroscope). Leipzig, Berlin, B.G. Teubner, 1898–1914. 4 v. illus. 25cm.
Audin, M. Spinning Tops: A Course on Integrable Systems. New York: Cambridge University Press, 1996.
Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19–21 May 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. ISBN 978-976-0-25248-6.
E. Leimanis (1965). The General Problem of the Motion of Coupled Rigid Bodies about a Fixed Point. (Springer, New York).
Walter Wrigley, Walter M. Hollister, and William G. Denhard (1969). Gyroscopic Theory, Design, and Instrumentation. (MIT Press, Cambridge, MA).
Provatidis, C. G. (2012). Revisiting the Spinning Top, International Journal of Materials and Mechanical Engineering, Vol. 1, No. 4, pp.71–88, open access at  (ISSN Online: 2164-280X, ISSN Print: 2162-0695).
Pranala luar

 Professor Eric Laithwaite
 by Olga Kapustina and Yuri Martynenko Wolfram Demonstrations Project
 by Gold Sanders, Popular Science July 1945
Apostolyuk V. 













Kategori:Sensor