Dengeleme Halkası

Bir dengeleme halkası, yalpa çemberi diğer adıyla gimbal, bir nesnenin bir eksen etrafında dönmesine izin veren döndürülmüş bir destektir. En içteki gimbal üzerine monte edilmiş bir nesnenin desteğinin dönüşünden bağımsız kalmasına izin vermek için biri diğerinin üzerine dik eksenlerle monte edilen üç yalpa çemberi seti kullanılabilir (örneğin, ilk animasyonda dikey). Örneğin, bir gemide, jiroskoplar, gemi pusulaları, sobalar ve hatta içecek tutucular, geminin yalpalamasına ve yuvarlanmasına rağmen onları ufka göre dik tutmak için tipik olarak yalpa çemberleri kullanır.
Pergelleri ve benzerlerini monte etmek için kullanılan dengeleme halkalı süspansiyona, onu ayrıntılı olarak açıklayan İtalyan matematikçi ve fizikçi Gerolamo Cardano'dan (1501-1576) sonra bazen Kardan süspansiyonu denir. Ancak, Cardano gimbali icat etmedi ve iddiasında da bulunmadı. Cihaz, ilk olarak 3. c'de açıklanan antik çağlardan beri bilinmektedir. Bazı modern yazarlar, tek bir tanımlanabilir mucidinin olmayabileceği görüşünü desteklese de, Bizanslı Philo tarafından M. Ö.
Tarih
Dengeleme halkası ilk olarak Yunan mucit Bizanslı Philo (MÖ 280-220) tarafından tanımlanmıştır. Philo, her iki tarafında bir açıklığı olan sekiz taraflı bir mürekkep kabı tanımladı; bu, herhangi bir yüz üstteyken bir kalem daldırılıp mürekkeplenebilecek şekilde döndürülebilir - ancak mürekkep asla diğer tarafların deliklerinden akmaz. Bu, bir dizi eşmerkezli metal halka üzerine monte edilmiş olan hokkanın merkeze asılmasıyla yapıldı, böylece tencere hangi yöne döndürülürse döndürülsün sabit kaldı.
Antik Çin'de, Han Hanedanlığı (MÖ 202 MS 220) mucit ve makine mühendisi Ding Huan, MS 180 civarında bir denge halkalı (yalpa çemberli) tütsü brülörü yarattı. Daha önceki Sima Xiangru'nun (MÖ 179117) yazılarında, gimbalin Çin'de MÖ 2. yüzyıldan beri var olduğuna dair bir ipucu vardır. Liang Hanedanlığı (502-557) sırasında kapı ve pencere menteşeleri için yalpa çemberlerinin kullanıldığı, bir zamanlar bir zanaatkarın İmparatoriçe Wu Zetian'a (h. 690-705) yalpalar kullanan portatif bir ısıtma sobası sunduğundan söz edilir. Tütsü brülörleri için kullanılan Çin gimballerinin mevcut örnekleri erken Tang Hanedanlığı'na (618-907) aittir ve Çin'deki gümüş işleme geleneğinin bir parçasıydı.
Philo'nun kardan süspansiyonu açıklamasının gerçekliğinden bazı yazarlar, Philo'nun Pneumatica'sının gimbal kullanımını tanımlayan kısmının yalnızca 9. yüzyılın başlarındaki bir Arapça çeviride hayatta kaldığından şüphe duymaktadır. Böylece, 1965 gibi geç bir tarihte, sinolog Joseph Needham Arap enterpolasyonundan şüphelendi. Bununla birlikte, hala modern bilim adamları için temel oluşturan Fransızca çevirinin yazarı Carra de Vaux, Pnömatik'i esasen gerçek olarak görmektedir. Teknoloji tarihçisi George Sarton (1959) da Arapça versiyonun Philo'nun orijinalinin aslına sadık bir kopyası olduğunu varsaymanın güvenli olduğunu iddia ediyor ve Philon'a icadı açıkça veriyor. Meslektaşı Michael Lewis de (2001) öyle. Gerçekte, son bilgin tarafından yapılan araştırma (1997), Arap nüshasının 1. yüzyıldan sonra kullanımdan kalkan Yunan harflerinin dizilerini içerdiğini ve böylece onun Helenistik orijinalin. son zamanlarda klasikçi Andrew Wilson (2002) tarafından da paylaşılan görüş.
Antik Romalı yazar Athenaeus Mechanicus, Augustus (M. Ö. 30-14) döneminde yazdığı, gimbal benzeri bir mekanizmanın askeri kullanımını "küçük maymun" (pithekion) olarak nitelendirdi. Askeri mühendisler, deniz kıyısından kıyı kasabalarına saldırmaya hazırlanırken, kuşatma makinelerini surlara kadar götürmek için ticaret gemilerini birbirine bağlardı. Ancak gemideki makinelerin ağır denizlerde güvertede yuvarlanmasını önlemek için Athenaeus, " pithekion'u ortada ticaret gemilerine bağlı platforma sabitlemeniz gerekir, böylece makine herhangi bir açıda dik durabilir" tavsiyesinde bulunur.
Antik çağlardan sonra, gimballer Yakın Doğu'da yaygın olarak bilinmeye devam etti. Latin Batı'da, cihaza atıfta bulunulması, Mappae clavicula Resminin Küçük Anahtarı adlı 9. yüzyıl tarif kitabında tekrar ortaya çıktı. Fransız mucit Villard de Honnecourt, ünlü eskiz defterinde bir dizi gimbal tasvir ediyor (sağa bakın). Erken modern dönemde, kuru pusulalar gimballerde asılıydı.
Uygulamalar
Ataletsel Seyrüsefer (Navigasyonda)
Ataletsel seyrüseferde, gemilere ve denizaltılara uygulandığı gibi, bir ataletsel seyrüsefer sisteminin (kararlı tabla) atalet uzayında sabit kalmasına izin vermek ve geminin yalpalama, rotadan sapma ve yuvarlanmasındaki değişiklikleri telafi etmek için en az üç yalpaya ihtiyaç vardır. Bu uygulamada, atalet ölçüm ünitesi (IMU), üç boyutlu uzayda tüm eksenler etrafındaki dönüşü algılamak için dikey olarak monte edilmiş üç jiroskop ile donatılmıştır. Gyro çıkışları, IMU'nun yönünü korumak için her bir gimbal eksenindeki tahrik motorları aracılığıyla sıfırda tutulur. Bunu başarmak için, gyro hata sinyalleri, üç yalpa, yuvarlanma, eğim ve sapma üzerine monte edilmiş "çözücüler" içinden geçirilir. Bu çözücüler, gerekli torkların uygun yalpa eksenine iletilmesi için her bir gimbal açısına göre otomatik bir matris dönüşümü gerçekleştirir. Sapma torkları, yuvarlanma ve hatve dönüşümleri ile çözülmelidir. Gimbal açısı asla ölçülmez. Benzer algılama platformları uçaklarda kullanılmaktadır.
Ataletsel navigasyon sistemlerinde, araç dönüşü, üç yalpa halkasından ikisinin tek bir düzlemde kendi pivot eksenleriyle hizalanmasına neden olduğunda, gimbal kilidi oluşabilir. Bu meydana geldiğinde, algılama platformunun yönünü korumak artık mümkün değildir.
Roket motorları
Uzay aracı tahrikinde, roket motorları genellikle tek bir motorun hem yunuslama hem de yalpalama eksenleri etrafındaki itme vektörünü sağlamasına izin vermek için bir çift yalpa çemberine monte edilir; veya bazen motor başına sadece bir eksen sağlanır. Yuvarlanmayı kontrol etmek için, aracın yuvarlanma ekseni etrafında tork sağlamak için diferansiyel hatve veya sapma kontrol sinyallerine sahip ikiz motorlar kullanılır.
"Gimbal" kelimesi bir isim olarak başladı. Çoğu modern sözlük onu bu şekilde listelemeye devam ediyor. Bir roket motorunun sallanma hareketini tanımlamak için uygun bir terim bulamayan mühendisler, fiil olarak "gimbal" kelimesini de kullanmaya başladılar. Bir itme odası, takılı bir aktüatör tarafından döndürüldüğünde, harekete "yalpalama" veya "yalpalama" adı verilir. Resmi roket belgeleri bu kullanımı yansıtır.
Fotoğraf ve görüntüleme
Gimbals ayrıca küçük kamera lenslerinden büyük fotoğraf teleskoplarına kadar her şeyi monte etmek için kullanılır.
Taşınabilir fotoğraf ekipmanlarında, kamera ve lenslerin dengeli bir şekilde hareket etmesini sağlamak için tek eksenli gimbal kafaları kullanılmaktadır. Bu, vahşi yaşam fotoğrafçılığında olduğu kadar çok uzun ve ağır telefoto lenslerin kullanıldığı diğer durumlarda da kullanışlı olduğunu kanıtlıyor: bir gimbal kafası, bir merceği ağırlık merkezi etrafında döndürür, böylece hareketli nesneleri takip ederken kolay ve pürüzsüz manipülasyona izin verir.
2 veya 3 eksenli irtifa-irtifa yuvaları şeklindeki çok büyük yalpalama yuvaları, uydu fotoğrafçılığında izleme amacıyla kullanılmaktadır.
Birden fazla sensörü barındıran jirstabilize yalpa çemberleri, havadan kolluk kuvvetleri, boru ve enerji hattı denetimi, haritalama ve ISR (istihbarat, gözetleme ve keşif ) dahil olmak üzere havadan gözetleme uygulamaları için de kullanılır. Sensörler arasında termal görüntüleme, gün ışığı, düşük ışıklı kameraların yanı sıra lazer mesafe bulucu ve aydınlatıcılar bulunur.
Gimbal sistemleri bilimsel optik ekipmanlarda da kullanılmaktadır. Örneğin, optik özelliklerin açısal bağımlılıklarını incelemek için bir malzeme örneğini bir eksen boyunca döndürmek için kullanılırlar.
Film ve video
Elde taşınır 3 eksenli yalpalar (denge halkaları), kamera operatörüne kamera titreşimi veya sarsıntısı olmadan elde çekim bağımsızlığı sağlamak için tasarlanmış sabitleme sistemlerinde kullanılır. Bu tür stabilizasyon sistemlerinin iki versiyonu vardır: mekanik ve motorlu.
Mekanik gimballerde, kameranın takıldığı üst aşamayı, çoğu modelde uzatılabilen direği içeren kızak, kamera ağırlığını dengelemek için altta monitör ve piller bulunur. Steadicam, alt kısmı üstten biraz daha ağır hale getirerek, gimbalde dönerek dik durur. Bu, ne kadar ağır olursa olsun, tüm teçhizatın ağırlık merkezini tam olarak operatörün parmak ucunda bırakır ve gimbal üzerinde en hafif dokunuşlarla tüm sistemin ustaca ve sınırlı bir şekilde kontrol edilmesini sağlar.
Üç fırçasız motorla çalışan motorlu yalpa çemberleri, kamera operatörü kamerayı hareket ettirirken kamerayı tüm eksenlerde tutma yeteneğine sahiptir. Eylemsizlik ölçüm birimi (IMU) harekete tepki verir ve kamerayı dengelemek için üç ayrı motorunu kullanır. Algoritmaların rehberliği ile dengeleyici, tavalar gibi kasıtlı hareketler ile istenmeyen sarsıntılardan kaynaklanan çekimler arasındaki farkı fark edebilir. Bu, kameranın havada süzülüyormuş gibi görünmesini sağlar; bu, geçmişte bir Steadicam tarafından elde edilen bir etkidir. Gimbal'ler, titreşimlerin veya diğer beklenmedik hareketlerin tripodları veya diğer kamera bağlantılarını kabul edilemez hale getirebileceği, arabalara ve dronlar gibi diğer araçlara monte edilebilir. Canlı TV yayın endüstrisinde popüler olan bir örnek, Newton 3 eksenli kamera yalpasıdır.
Deniz kronometreleri
Mekanik bir deniz kronometresinin hızı, yönüne duyarlıdır. Bu nedenle, kronometreler normalde denizdeki bir geminin sallanma hareketlerinden onları izole etmek için gimballere monte edildi.
Denge halkası kilidi
Gimbal kilidi (denge halkası kilidi), üç gimbalden ikisinin eksenleri paralel bir konfigürasyona sürüldüğünde meydana gelen üç boyutlu, üç gimballi bir mekanizmada bir serbestlik derecesinin kaybıdır, sistemi dejenere bir iki boyutlu uzay eksende dönmeye "kilitler". .
Kilit kelimesi yanıltıcıdır: hiçbir gimbal kısıtlanmaz. Üç yalpa çemberi de kendi süspansiyon eksenleri etrafında serbestçe dönebilir. Bununla birlikte, iki gimbal ekseninin paralel oryantasyonu nedeniyle, bir eksen etrafında dönüşe uyum sağlamak için bir yalpa çemberi mevcut değildir.