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팽이가 빠르게 회전하는 동안 외부에서 충격이 가해져도 쓰러지거나 하지 않고 쉽게 자세(회전축)를 바꾸지 않고 회전축이 항상 일정한 방향을 가리키는 성질인, 일종의 관성력인 회전관성모멘트를 이용한 것으로 윤전의(輪轉儀)ㆍ전륜(轉輪)ㆍ회전의라고도 한다.
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자이로스코프 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
자이로스코프(영어: gyroscope)는 위아래가 완전히 대칭인 팽이를 고리를 이용하여 팽이 축에 직각 … 역할을 하는 핵심 부품이기도 하고 세그웨이 PT 등에도 활용된 원리이다.
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 10/10/2022
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자이로스코프: 기초 배경 및 진동식 자이로의 원리 – 네이버 블로그
자이로스코프는 지구의 회전과 관계없이 높은 확도로 항상 처음에 설정한 일정 방향을ㄹ 유지하는 성질이 있어서 공간에서 물체의 방위를 측정하거나 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 6/2/2022
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자이로스코프의 원리 – BOOK
자이로스코프의 원리. 조문도 2018. 6. 3. 20:12. 다음 그림과 같이 원판을 지지점에 올리고 회전원판을 돌리면 중력에 의해 밑으로 떨어지지 않고 수평 방향으로 회전 …
Source: gammabeta.tistory.com
Date Published: 11/17/2022
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자이로스코프의 역사 및 원리와 역할 – GoldenInfo
자이로스코프는 각운동량 보존 법칙에 근거하여 축이 어떤 방향으로든 놓일 수 있는 회전바퀴로서, 회전자와 짐발로 구성된 하나의 메커니즘이다.
Source: goldeninfome.tistory.com
Date Published: 4/22/2021
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자이로스코프 (gyroscope) 원리에 대해서 – 끝까지 간다
자이로스코프란 단어 들어보셨나요? 스마트폰에 이 기능이 들어있다는 것은 아시나요? 자이로스코프란 한마디로 어떠한 방향으로든 회전할 수 있게 …
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Date Published: 7/20/2022
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Top 50 자이로 스코프 원리 38 Most Correct Answers
역할을 하는 핵심 부품이기도 하고 세그웨이 PT 등에도 활용된 원리이다. … Most searched keywords: Whether you are looking for 자이로스코프 – 위키 …
Source: 1111.com.vn
Date Published: 3/9/2021
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3.9 자이로 계기 원리(Principles of Gyroscope Instruments …
3.9 자이로 계기 원리(Principles of Gyroscope Instruments). 3.9.1 기계식 자이로(Mechanical Gyros). 가장 일반적이면서도 중요한 비행계기인 …
Source: www.ace.or.kr
Date Published: 3/1/2022
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자이로스코프의 원리와 기능, 사용 분야 – 주식 브로커
자이로스코프는 3개의 고리로 구성이 되어있는데 3개의 고리 모두 위·아래가 대칭적이며 팽이와 각각의 고리에 직각으로 서로를 지탱하여 어떠한 방향 …
Source: stockbroker.tistory.com
Date Published: 9/21/2021
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주제에 대한 기사 평가 자이로 스코프 원리
- Author: 국립과천과학관
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- Date Published: 2020. 5. 17.
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위키백과, 우리 모두의 백과사전
자이로스코프
자이로스코프(영어: gyroscope)는 위아래가 완전히 대칭인 팽이를 고리를 이용하여 팽이 축에 직각인 방향으로 만들고 다시 그것을 제2의 고리를 써서 앞의 것과 직각 방향으로 받든 후에, 다시 제3의 고리에 의하여 앞의 둘에 직각 되는 방향으로 지탱하여 줌으로써 팽이의 회전이 어떠한 방향으로도 일어날 수 있도록 한 장치이다. 방향의 측정 또는 유지에 사용되는 기구이다.[1]
자이로스코프는 축이 어느 방향으로든지 놓일 수 있는 회전하는 바퀴이고 로터와 짐벌로 이루어진 하나의 메커니즘이며 각운동량 보존법칙에 근거한다. 자이로스코프가 빠르게 회전할 때에는, 외부에서 토크(torque; 회전우력-돌림힘)가 주어졌을 때 그 방향이 회전에 의한 각운동량(angular momentum)에 의해 회전하지 않을 때보다 훨씬 적게 변화하게 된다. 자이로스코프는 수평 유지 장치인 짐벌에 놓이게 되므로 외부의 토크는 최소화되며, 장착된 받침이 움직이더라도 그 방향은 거의 고정되게 된다.
자이로스코프와 비교할 만한 센서로는 가속도센서가 있다. 가속도센서는 지표면을 기준으로 기울기를 측정한다. 이 가속도센서의 특징은 물체의 움직임을 세밀하게 측정할 수 없고 외부 가속도의 합이 0이라면, 즉 등속 운동하는 물체에 대해서는 측정할 수 있는 것이 없다. 그러나 자이로스코프는 ‘각속도’를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정한다. 미사일이나 항공기의 길잡이 역할을 하는 핵심 부품이기도 하고 세그웨이 PT 등에도 활용된 원리이다.[2][3]
역사 [ 편집 ]
역사적으로 알려져 있는 최초의 자이로스코프는 요한 보넨베르거(Johann Bohnenberger)가 1817년 만든 것인데, 그 당시 자이로스코프는 단지 ‘기계(machine)’라 불렀다. 프랑스의 수학자 라플라스(Pierre-Simon Laplace)는 파리의 에콜 폴리테크닉(École Polytechnique)에서 근무하면서, 이 기계를 학습교재로 사용할 것을 추천하였고, 이는 푸코(Léon Foucault)의 관심을 끌었다. 푸코는 이를 지구의 자전과 관련된 실험에 사용하였으며, ‘자이로스코프’라는 이름을 생각해 내었다. 지구의 회전(gyros)을 보는(scopeein) 실험은 마찰로 실패하였다. 각 실험 시간은 변화를 관측하기 어려운 8 ~ 10분으로 제한되어야 했기 때문이다.
1860년대에 들어서면서, 전기 모터가 만들어져 이 구상을 실행 가능하게 하였다.
20세기 초의 수십 년 동안, 여러 발명가들이 자이로스코프를 초기 블랙박스의 항해 장치에 이용하려 시도하다가 실패하였는데, 유사한 원리가 관성유도장치와 탄도 미사일에 쓰이게 되었다. 항해용으로 제작되어 사용할 수 있는 자이로컴퍼스는 1905년에서 1908년 사이 독일의 발명가 헤르만 안슈츠 카엠페(Hermann Anschütz-Kaempfe)가 개발하였다. 미국의 엘머 스페리(Elmer Sperry)는 1910년가 그 뒤를 따랐고, 각국에서 이 발명품의 군사적인 중요성을 인식하게 되었다. 이 시대는 해군이 국방력의 중요한 척도였고, 각자의 자이로스코프 산업을 만들어내었다. 스페리 자이로스코프사는 항공기와 군함의 안정장치를 만들었고, 다른 자이로스코프 개발자들도 이를 따랐다.[4]
1917년, 미국 인디아나폴리스의 챈들러 회사는 당기는 줄과 축받이를 갖춘 장난감인 ‘챈들러 자이로스코프’를 만들었다. 이 제품은 이후 지속적으로 생산되어 미국 장난감의 고전으로 여겨지고 있다.
어떤 것은 진동하는 부품을 사용하기도 한다. 이는 ‘MEMS(Micro Electro-Mechanical System; 극소 전자기계장치)’라 부르는데, 이 장치를 사용한 실용적인 자이로스코프는 SDI(Systron Donner Inertial)가 제조하였다.
역할 [ 편집 ]
자이로스코프
정의에서 부연으로 설명한 가속도센서와 비교하면, 가속도센서는 지표면을 중심으로 기울기, 가속도 등을 측정한다. 그러나 지표면에 대해 수직 방향의 가속도는 측정할 수 없다. 자이로스코프는 가속도센서로 측정할 수 없는 방위각을 측정한다. 다시 말해 지면에 수직인 조건에 상관 없이 모든 방면에 대해 각도의 변화를 측정할 수 있다. 가속도센서는 직선운동하지 않는 물체에 대해선 측정하는 데 어려움을 겪는다. 자이로스코프는 회전운동의 각도를 측정할 수 있기에 자이로스코프와 가속도센서의 기능을 합치면 물체의 정확한 운동을 파악할 수 있게 된다.
물체의 운동을 측정하는 데 필요한 축의 개수가 달라질 수 있다. 어떤 물체가 2차원적인 운동만 한다면 자이로스코프 1개와 가속도센서 2개가 필요하지만 어떤 물체가 3차원적인 운동을 한다면 자이로스코프 3개와 가속도센서 3개가 필요하게 된다. 가장 흔히 알려진 3차원을 측정할 수 있는 6개의 센서들을 통틀어 6자유도(Degrees of Freedom)를 가진다고 표현한다.
구조 및 기능 [ 편집 ]
자이로스코프를 가장 쉽게 표현한다면 팽이라고 말할 수 있다. 회전 중인 팽이는 외력이 0인 상태에서 회전력에 대한 관성을 가진다. 팽이가 돌고 있는 지표면에 각도가 생겨도 팽이의 중심축은 지구 중심 방향을 향하는 현상을 보면 알 수 있다. 자이로스코프는 로터와 짐벌로 이루어진 하나의 메커니즘이다. 쉽게 말하자면 로터는 팽이이고 짐벌은 균형을 유지해 자유롭게 회전할 수 있는 구조이다.
방향 안정 [ 편집 ]
첫 번째 특성은 방향 안정(Directional Stability)이다. 고속 회전하는 로터에 외력이 없다면 로터의 각운동량 벡터값은 항상 일정하다는 것이 방향 안정이다. 마치 뉴턴 제 1법칙인 관성의 법칙과 관련이 크다. 피겨 선수들이 빙판 위에서 회전할 때나 좀더 거시적인 범위로 보자면 지구의 자전 등이 대표적인 예이다.
균형을 잡는 것이 중요한 물체인 비행기를 예로 들면 자이로는 회전축을 중심으로 균형을 유지한다(여기서 비행기를 기준좌표계로 설정할 수 있다). 비행기가 운동하던 방향이 바뀜에도 회전자는 회전축을 중심으로 밸런스를 유지한다. 외부틀은 비행기와 함께 회전하며 비행기가 기준좌표계로부터 틀어진 정도를 측정한다.
플랫폼 방식이란 센서가 설치된 물체의 자세가 어떻게 변하든 고정된 자세를 가진 플랫폼 위에서 그 물체의 자세를 관측하는 방식이다. 공중에서 하늘과 땅을 구별하기 힘든 전투기나 글라이더 같은 비행기에 주로 사용된다.
세차운동 [ 편집 ]
두 번째 특성은 세차운동(Precession)이다. 로터가 외부로부터 로터의 축 방향으로 힘을 받으면 회전 반발력(Gyroscopic Reaction Moment)이 생겨 로터에 수직한 또 다른 수직축 방향에 대한 회전운동을 시작한다. 오토바이를 예로 들면 오토바이가 빠른 속력을 낼 때, 핸들을 직접 조종하지 않고 몸을 한쪽으로만 기울여도 자신이 주행하던 방향을 바꿀 수 있다. 오토바이를 기준으로 왼쪽으로 몸을 기운다면 오토바이 바퀴의 윗부분에 대해 왼쪽 지면으로 미는 힘이 발생한다. 바퀴의 윗부분에서 왼쪽 지면으로 미는 힘은 90도가 지난 바퀴의 앞부분에서 작용하여 왼쪽으로 밀리는 결과가 나타나 오토바이가 왼쪽으로 방향을 바꾸게 된다.
회전하는 팽이의 회전운동은 회전축을 중심으로 이루어진다. 만약 이 팽이에 외력을 가하거나 시간이 지나 팽이가 스스로 멈추려 할 때, 축을 중심으로 회전하고 있으나 회전축 또한 일정한 원 모양의 자취를 그리면서 회전하는 것을 관찰할 수 있다.
회전운동을 방해하는 외력이 크다면 팽이는 멈출 것이고 작다면 팽이는 다시 중심을 잡고 회전할 것이다. 이런 현상을 세차운동이라 정의한다.
이러한 세차 운동은 각운동량 보존법칙에 의한 내용이며 각운동량 보존에 의하면 각운동량의 방향만 바뀔 수 있고 이 방향의 변화는 토크와 같기 때문에 세차운동을 하게 되는 것이다.
자이로센서 [ 편집 ]
자이로스코프가 내재된 물체가 회전운동을 하면 생기는 회전 반발력을 측정하여 전기신호로 바꾸는 장치를 추가한다면 그것은 자이로센서로 활용될 수 있다. 관성항법장치(INS)는 가속도센서와 자이로센서의 기능을 활용한 장치로 자세나 위치를 추정할 수 있다. 관성 좌표계에서의 운동을 측정하여 이동거리와 방향을 계산해내는 것으로 오늘날 스마트폰에서 애용되고 있다. 3차원 공간에서 물체의 동선을 완벽하게 파악할 수 있는 기술이 발명되었다고 해도 과언이 아니다.
광학식 자이로센서 [ 편집 ]
광학식 자이로센서는 사냑효과(Sagnac Effect)를 이용한 자이로센서로 링레이저(RLG) 자이로센서와 광섬유(FOG) 자이로센서로 구분된다.
광로를 따라 동시에 빛(레이저)을 방사하면 양방향에서 접근하는 빛이 같은 시간에 검출된다. 하지만 △t만큼 회전운동이 발생하면 두 빛의 도달시간은 달라지게 된다. 그 차이를 검출·계산하여 각속도 Ω를 산출한다. 링레이저 자이로센서는 이 효과에 의한 공진기 길이의 변화를 이용하고, 광섬유 자이로센서는 길게 감긴 광섬유를 이용하여 광로의 길이변화를 측정하여 각속도를 산출한다. 광학식 자이로센서는 구조가 간단하지만 스마트폰에 사용하기에는 가격과 크기가 적합하지 않다.
MEMS 자이로센서 [ 편집 ]
스마트폰 안에 탑재된 자이로센서는 코리올리 힘을 측정하는 소리굽쇠 방식의 MEMS 센서로 소형 모바일 기기에 채용된 자이로센서는 대부분 MEMS 방식이다. 소리굽쇠 방식이란 무한 진동하는 추 2개를 이용하여 회전을 측정할 수 있도록 하는 방식이다. 항상 일정한 자세를 유지하는 김벌식과는 달리 MEMS 방식의 센서들은 대상체에 안정된 플랫폼을 고정(strap)한 상태에서 자세를 측정하는데, 플랫폼에 장착된 대상체가 원래의 위치에서 달라지는 만큼을 전기신호로 주고 이를 받아서 자세 변화를 감지한다. 이런 방식을 스트랩다운(strapdown) 방식이라고 부르기도 한다.
응용 [ 편집 ]
스마트폰에 상하좌우 동작을 감지하는 자이로스코프 센서를 내장하여 다양한 동작을 인식하는 게임 등 애플리케이션 개발이 가능하다. 자이로스코프는 3개 축으로 동작을 인식하여 균형감과 입체감을 정밀하게 감지할 수 있다.[5]
드론 ‘짐벌’(Gimbal)은 재해 지역 탐구 등 고급 용도에 활용이 가능한 기기로, 축구공처럼 오각형과 육각형으로 구성된 외피가 입혀져 있고 중앙에는 비행에 필요한 로터, 제어시스템, 안정판 등이 장착된 본체가 들어있다. 짐벌의 특징은 본체를 탑재하는 방법인데, 자이로스코프 및 나침반과 같은 장치가 탑재되어 있고 바깥 부분의 움직임이 내부에 전해지기 어려운 구조로 설계되었다. 기존의 드론은 본체가 장애물에 닿을 경우 로터가 영향을 받아 기울어졌지만, 짐볼은 바깥 쪽 부분이 회전해 충격을 받아 넘기기 때문에 균형을 유지한다.[6]
각주 [ 편집 ]
자이로스코프: 기초 배경 및 진동식 자이로의 원리
1. 자이로스코프(Gyroscope)의 정의
회전에 의해 발생하는 자이로 효과(Gyro effect)를 사용하여 원점 위치를 역추정하고, 현재 방향이 어느쪽인지 역산출하는 기계입니다. 그래서 방향성을 측정할 때 사용하게 됩니다.
자이로 효과는 물체가 고속으로 회전하여 다량의 회전 운동에너지 보유하게 되면, 각운동량 보존법칙에 의해 회전축 방향이 잘 변하지 않기 때문에 회전축 방향으로 정렬 유지하는 현상을 일컫습니다. (쉽게 팽이 떠올리세요)
이는 일종의 관성력인 회전관성모멘트(rotational inertia moment) 때문입니다. 즉, 한 번 돌기 시작하면 그 회전을 유지하려는 성질을 일컫습니다.
자이로스코프는 지구의 회전과 관계없이 높은 확도로 항상 처음에 설정한 일정 방향을ㄹ 유지하는 성질이 있어서 공간에서 물체의 방위를 측정하거나 또는 자이로가 장착된 차량이 회전하는 경우 각 변화율을 결정하는 데 사용되는 관성 센서의 일종입니다.
2. 왜 자이로스코프를 쓰는가?
우리는 이전에 회전운동을 측정할 수 있는 방식들에 대해 알아본 적 있습니다. 이에 이걸 왜 쓰는지에 대해 의문을 품을 수 있습니다. 하지만 여기엔 중요한 차이가 있습니다. 기존의 회전 운동을 감지는 하는데 바로 회전하는 물체의 밖에 있는 관찰자 관점에서 찍은 것입니다.
이 자이로스코프의 핵심은 회전하는 물체 내의 관찰자 입장에 있는 것입니다. 다시 말해, 내가 딛고 있는 이 물체가 지금 돌고 있나 안 돌고 있나를 보겠다는 것입니다. 이는 자동차나 우주선, 비행기에서 지금 물체가 기울어 져있는지 아닌지 알기 위해 거기에 탑승하고 있는 조종사가 파악하는 데 유용하겠죠.
3. 자이로스코프의 분류
크게 자이로스코프는 기계식과 광학식으로 나눌 수 있습니다. 여기서 광학식은 일전에 광섬유 쪽에서 맛보기로 다뤄보았었습니다.
기계식 자이로스코프는 또 나뉠 수 있는데요, 크게 회전식과 진동식이 있습니다.
회전식 자이로스코프는 초기의 기계식 자이로스코프로, 짐벌(gimbal)이라 부르는 지지 고리에 매달려 있어 회전체의 각운동량 보존의 법칙에 기초를 두고 있었습니다. 옛날에 비행기에서 썼었으나, 장기적인 신뢰성에 문제가 있고 고로, 분해능 및 정확도도 별로 좋지 않습니다. 다음의 그림은 회전식 자이로스코프의 개략적인 구조를 보여줍니다.
출처: 인천대학교
진동식은 MEMS를 이용한 자이로스코프를 통칭하는 것입니다.(일반적으로) 진동형 자이로스코프는 회전을 검출하기 위해 각운동량을 쓰진 않구요, 대신 코리올리 가속(Coriolis acceleration)을 활용해 회전각을 측정합니다. 엄밀이 따지면 각운동량이 아닌, 각속도 측정하는 겁니다.
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[참고] 코리올리 가속해당 내용을 위해선 다음의 포스트 참고해 주세요. 쉽게 얘기하면 회전하는 계 내의 관찰자가 느끼는 가상의 힘을 전향력이라 하고, 이에 따라 생기는 것이 코리올리 가속입니다.ㅇ
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광학식은 빛의 위상차를 이용(광섬유 쪽에서 다뤘습니다.)한 것으로, 주로 네비게이션 쪽에서 활용합니다.(샤낙 효과를 이용했었습니다.)
4. 진동식 자이로의 기본 원리
4.1 진동식 자이로의 물리 현상: 코리올리 가속
여기서 좀 생소한 개념인 코리올리 힘이 나와, 이에 대해 보충코자 합니다. 다음의 그림을 보도록 하겠습니다.
출처: 인천대학교
그림에서 xy평면이 각속도 Ohmega로 회전하고 있다고 합시다. 지금 물체가 y 방향으로 직선 속도 v로 이동하면, z축과 속도 v에 수직인 방향, 즉 x방향으로 물체에 코리올리 힘이 작용하고(회전하는 물체 내 관찰자 입장에서), 이 힘에 기인하는 가속효과가 코리올리 가속입니다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같습니다.
위 식으로부터 코리올리 가속도 측정해 각속도에 비례하는 신호를 얻을 수 있습니다.
이제부턴 이 코리올리 효과를 이용하는 시스템의 원리를 보도록 하겠습니다.
4.2 진동형 자이로스코프의 기본 원리
다음의 2차원 진동 시스템을 보도록 합시다.
출처 : 인천대학교
여기서 x축은 질량 m을 구동시키는 구동축(drive axis)이구요, y축은 코리올리 가속을 검출하는 검출축(sense axis)입니다. y가 검출축인 이유는 4.1절에 이미 설명을 드렸었습니다.
이 코리올리 가속은 기판의 각속도에 비례하는 진폭을 갖는 코리올리 운동을 일으킵니다.
출처: 인천대학교
x축을 다음의 식으로 구동한다 생각해 봅시다.
그러면 만약 이 때 시스템이 z축 중심으로 각속도 Ohmega로 회전한다면, 질량 m에는 y방향으로 코리올리 힘이 작용하게 됩니다.
그럼 이 때 Fc에 의해 질량 m은 y축방향으로 진동하게 되고 , 진동에 대한 미분방정식은 다음과 같겠네요
이 방정식의 해는 다음과 같습니다.
보시다시피 진폭 Ay는 입력각의 변화율에 비례하는데요, 따라서 만약 어떤 수단에 의해 Ay 측정 가능하다면(변위 센서 등), 각속도를 결정할 수 있겠습니다.
여기서 Quality factor Qy를 정의하고 (이미 정의했었습니다. ), wd와 wy 비슷하게 두면, 다음 식으로 간단하게 됩니다.
오메가는 wy보다 훨씬 작기 때문에 큰 출력신호를 얻기 위해서는 당연히 구동 진폭 Ad와 검출모드의 Q값이 커야 하고 ,그러기 위해선 damping 값이 그렇게 크지 않아야 할 것입니다. 또한 검출 모드 진동 주파수 값도 작아야 하겠지요.
진동식 자이로의 특성, 검출 방식에 대해선 다음 포스트에 다루도록 하겠습니다.
감사합니다.
자이로스코프의 원리
다음 그림과 같이 원판을 지지점에 올리고 회전원판을 돌리면 중력에 의해 밑으로 떨어지지 않고 수평 방향으로 회전한다.
그림 1.자이로스코프
위의 그림을 위에서 아래로 보면 다음 그림과 같다. 지지점을 중심으로 수평방향으로 회전하고 수직으로 떨어지지 않는다.
그림 2.자이로스코프
위와 같은 구조를 자이로스코프(Gyroscope)이라고 한다. 자이로스코프는 물리적으로 이해하기가 조금 까다롭다. 자이로스코프를 이해하기 위해서는 토크와 각운동량에 대해 이해해야 한다.
다음 그림과 같이 물체에 F의 힘을 받을 때 토크는 τ이다. 여기서 중요한 것은 물체가 받는 힘의 방향과 토크의 방향이 90도라는 것이다. F는 실제하는 힘이지만 토크의 방향은 임의로 정의한 것이다.
그림 3.토크
각운동량(Angular Momentum)의 정의는 다음과 같으며 각운동량은 벡터이다. (여기 참고)
각운동량과 토크는 다음 관계식을 가진다. 이 식에서 각운동량의 변화와 토크의 벡터는 같은 방향이다. 앞에서 말한 것과 같이 토크는 힘과 직각이고 따라서 각운동량의 변화와 힘은 직각이다.
자이로스코프가 다음 그림과 같이 중력을 받아 아래로 떨어진다고 하면 각운동량은 L 1 에서 L 2 로 변하게 된다. 이때 각운동량의 변화량은 L 2 – L 1 이 된다. 이 각운동량의 변화는 위 식에서 토크와 같기 때문에 다음 그림과 같이 아래로 향하는 τ 의 토크를 받게 된다.
그림 4.자이로스코프
회전원판이 아래 방행으로 토크를 받는다면 이 때 실제 받는 힘은 다음 그림과 같이 수평방향이 되고 그에 따라 그림 2와 같이 회전원판이 회전하게 된다 (앞에서 말한 바와 같이 토크와 힘의 방향은 직각 이다).
그림 5.자이로스코프
자이로스코프를 이해하는데 가장 핵심은 각운동량과 토크의 관계를 나타내는 다음의 식 이다. 왜 이런 식이 나왔는지는 별도로 공부해야 하지만 이 식을 전제로 논리를 따라가면 자이로스코프 현상은 쉽게 이해할 수 있다.
다음 그림과 같이 회전원판의 방향이 바뀔 때 각운동량 L의 크기는 동일하지만 방향이 변한다. 각운동량은 벡터이기 때문에 크기는 같더라고 방향이 변하면 변화량이 0이 아니고 일정값을 가지게 된다. 즉, 회전원판의 방향을 변화시키기 위해서는 토크가 필요하다.
그림 6.회전원판의 각운동량
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자이로스코프의 역사 및 원리와 역할
자이로스코프
자이로스코프는 각운동량 보존 법칙에 근거하여 축이 어떤 방향으로든 놓일 수 있는 회전바퀴로서, 회전자와 짐발로 구성된 하나의 메커니즘이다. 자이로스코프가 빠르게 회전할 때 외부 토크가 주어지면 회전에 의한 각운동량에 의해 방향이 회전하지 않을 때보다 훨씬 적게 변화한다. 자이로스코프가 수평지지장치에 장착되어 체조공, 외부토크가 최소화되고, 장착지지대가 이동하더라도 방향이 확실하게 고정되는 효과가 있다.
자이로스코프와 비교되는 센서에는 표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도 센서가 있다.이 가속도 센서의 특징은 물체의 움직임을 미세하게 측정할 수 없으며, 외부 가속도의 합이 0이면 등속 이동 물체를 측정할 수 없다. 자이로스코프는 획득한 정보로 기울기를 측정하기 위해 각속도를 측정하는데, 이는 미사일과 항공기에서 보조자의 역할의 중요한 부분이기도 하며, 세그웨이 PT에 활용되는 원리다.
역사
역사적으로 알려진 최초의 자이로스코프는 1817년 요한 보넨버거에 의해 만들어진 것으로, 그 때 자이로스코프는 단지 기계라고 불렸다. 프랑스 수학자 라플라스는 파리의 콜 폴리 테크닉에서 일하면서 이 기계를 학습 자료로 사용할 것을 권고했다. 푸코는 지구의 회전에 대한 실험에서 자이로스코프라는 이름을 떠올리며 그것을 사용했다. 실험 시간마다 8-10분으로 제한해야 했기 때문에 변화를 관찰하기가 어려웠기 때문에 지구 회전을 보기위한 실험은 실패했다.
1860년대에 이르러 전기 모터가 만들어져 이 회전 실험을 성공할 수 있게 되었다.
20세기 초 수십년 동안, 몇몇 발명가들은 초기 블랙박스 항법 장치에 자이로스코프를 사용하려 했으나 실패하였는데, 관성 유도 장치와 탄도 미사일에도 유사한 원리가 사용되기 시작했다. 항해에 사용될 수 있는 자이로캠파는 1905년에서 1908년 사이에 독일 발명가 헤르만 안슈츠 카엠페에 의해 개발되었다. 미국의 엘머 스펠리는 1910년에 자이로캠파를 만들었고, 각 나라에서 이 발명품의 군사적 중요성을 인식하게 되었다. 이 시대는 해군의 방위력의 중요한 척도였고, 각 자이로스코프 산업을 만들었다. 스펠리 자이로스코프 회사는 항공기와 군함을 위한 안정적인 장치를 만들었고, 다른 자이로스코프 개발자들이 그 뒤를 따랐다.
1917년 미국 인디애나폴리스의 챈들러 회사는 당김는 줄과 베어링이 달린 장난감인 챈들러 자이로스코프를 만들었다. 그 후 이 제품은 지속적으로 생산되어 미국에서 장난감의 고전으로 여겨진다.
역할
정의에사 부수적으로 기술된 가속도 센서와 비교하여 가속도 센서는 표면 주위의 기울기, 가속도를 측정하지만 지표면의 수직 가속도는 측정할 수 없다. 자이로스코프는 가속도 센서로 측정할 수 없는 방위각을 측정하는데, 다시 말하면 표면에 수직인 조건에 관계없이 모든 방향의 각도 변화를 측정할 수 있다는 의미다. 가속도 센서는 직선으로 움직이지 않는 물체를 측정하는데 어려움을 겪는다. 자이로스코프들은 회전운동각을 측정할 수 있어 가속도센서와 자이로스코프의 기능이 결합될 때 물체의 정확한 움직임을 파악할 수 있다.
물체의 움직임을 측정하는 데 필요한 축의 갯수가 달라질 수 있다. 특정 물체가 2차원 운동에 불과하면 2개의 자이로스코프 가속도 센서가 필요하지만, 일부 물체가 3차원 운동이라면 3개의 자이로스코프 가속도 센서가 필요하다. 가장 잘 알려진 3차원을 측정할 수 있는 6개의 센서들을 가르켜 6자유도를 가진 것으로 표현된다.
구조 및 기능
자이로스코프를 가장 쉽게 표현하면 팽이라고할 수 있다. 회전 중에 팽이는 외부 힘 0으로 토크의 관성을 가지고 있다. 팽이가 회전하는 표면에 각도가 나타나면 팽이의 중심축은 지구의 중심을 향해 향하는 현상을 가르킨다. 자이로스코프는 로터와 짐발로 구성된 하나의 메커니즘이다. 간단히 말해서, 로터는 균형을 유지하고 자유롭게 회전할 수 있는 구조이다.
방향 안정
첫 번째 특성은 방향 적으로 안정한다. 고속 회전 로터가 외부 힘이 없으면 로터의 각운동량 벡터 값은 항상 일정하다. 피겨선수가 빙판위를 회전할 때나, 거시적인 범위에서 지구 회전이 전형적인 사례이다.
플랫폼 방식이란 센서가 설치된 객체의 자세가 어떻게 변하든 고정된 자세의 플랫폼에서 객체의 자세를 관찰하는 방식이다. 주로 공중에서 하늘과 땅을 구별하기가 어려운 전투기와 글라이더와 같은 비행기에 사용된다.
세차운동
두 번째 특징은 세차 운동이다. 로터가 외부에서 로터의 축으로 힘을 받으면 회전 척력을 생성하여 로터에 수직인 또 다른 수직 축 회전 운동을 시작한다. 가령 오토바이 속도가 빠르면 한쪽으로 기울어도 직접 운전대를 조작하지 않고 운전하던 방향을 바꿀 수 있다. 왼쪽으로 오토바이를 타고 왼쪽 지면이 오토바이 바퀴 윗부분에 밀어붙일 수 있는 힘이 생긴다. 바퀴 위에서 왼쪽 지면으로 밀어내는 힘은 90도가 지난 바퀴의 앞부분에 작용하기 때문에 왼쪽으로 밀리는 결과가 발생해 오토바이는 왼쪽으로 방향을 바꾸게 된다.
회전하는 팽이의 회전운동은 회전축 주변으로 이루어진다. 만약 이 팽이에 외부의 힘을 가하거나 팽이가 스스로 멈추려 할 때, 축을 중심으로 회전하고 있으나 회전축 혹은 일정한 원 모양의 자취를 그리면서 회전하는 것을 관찰할 수 있다.
회전운동을 방해하는 외부의 힘이 크다면 팽이는 멈출 것이고 작다면 팽이는 다시 중심을 잡고 회전할 것이다. 이런 현상을 세차운동이라한다.
세차 운동은 각운동량 보존법칙에 의한 내용이고 각운동량 보존에 의하면 각운동량의 방향만 바뀌고 이 방향의 변화는 토크와 같기 때문에 세차운동을 하게되는 것이다.
자이로스코프가 포함된 물체가 회전운동을 하면 생기는 회전 반발력을 측정하여 전기신호로 바꾸는 장치를 추가할수 있다면 그 물체는 자이로센서로 활용될 수 있다. 관성항법장치(INS)는 자이로센서와 가속도센서의 기능을 활용한 장치로 위치나 자세를 추정할 수 있다. 관성 좌표계에서의 운동량을 측정하여 방향과 이동거리를 계산해내는 것으로 오늘날 스마트폰에 사용되고있다.
광학식 자이로센서
광학식 자이로센서는 사냑효과(Sagnac Effect)를 이용한 자이로센서로 광섬유(FOG) 자이로센서와 링레이저(RLG) 자이로센서로 구분된다.
빛의 길을 따라 동시에 레이저를 방사하면 양방향에서 접근하는 빛이 같은 시간에 검출된다. 그렇지만 t만큼 회전운동이 발생하면 두 빛의 도달시간은 달라지게 된다. 그 차이를 검출하고 계산하여 각속도 를 산출한다. 링레이저 자이로센서는 이 효과로 인해 생긴 공진기 길이의 변화를 이용하고, 광섬유 자이로센서는 감긴 광섬유를 이용하여 광로에 변화된 길이를 측정하여 각속도를 산출한다.
자이로스코프 (gyroscope) 원리에 대해서
자이로스코프란 단어 들어보셨나요?
스마트폰에 이 기능이 들어있다는 것은 아시나요?
자이로스코프란 한마디로 어떠한 방향으로든 회전할 수 있게 만든 장치를 말합니다.
보통 로터와 짐벌로 이루어진 팽이라고 보시면 됩니다.
가운데에 고정된 축이 있으며 그 축을 회전하는 팽이(로터)가 있습니다.
또한 고정된 축에 연결된 고리와 그 고리에 연결된 고리(짐벌)이 있으며
이제 이 짐벌을 고정하는 프레임으로 구성되었습니다.
설명하기 어렵네요.
위키백과사전을 검색해보니 움직이는 Gif가 있어서 도움이 될까하고 펌했습니다.
<위키백과사전에서 펌>
약간은 이해에 도움이 되시나요?
보통의 경우 가속도센서와 자이로스코프를 같은 것이라고 오해하는 분들이 있는데 이는 다른 단어입니다.
가속도센서는 지표면을 기준으로 기울기를 정의한 것이라 세밀한 측정을 할수가 없는 반면 자이로스코프는 각속도를 측정해서 기울기를 정의하므로 정확한 정보를 얻을 수 있습니다.
자이로스코프의 이런 점 때문에 많은 곳에 쓰이는데요.
대표적으로 회전축을 중심으로 밸런스를 유지하는 성질을 이용해 비행기의 좌표계에 쓰입니다.
또 이를 이용한 놀이기구로도 유명합니다.
360도 어느방향으로나 회전 가능해서 놀이기구 가운데 있는 사람이 빙글빙글 도는게 재미있어 보이네요.
또한 빼 놓을 수 없는 것이 우리가 사용하는 스마트폰입니다.
스마트폰에는 MEMS 자이로센서를 사용한다고 알려져 있습니다.
상하좌우로 움직이는 동작을 감지하는 자이로스코프 센서를 내장해서 이를 이용한 다양한 게임을 즐길 수 있습니다.
Top 50 자이로 스코프 원리 38 Most Correct Answers
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역사[편집]
역할[편집]
구조 및 기능[편집]
자이로센서[편집]
응용[편집]
각주[편집]
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자이로스코프 자이로스코프(영어: gyroscope)는 위아래가 완전히 대칭인 팽이를 고리를 이용하여 팽이 축에 직각인 방향으로 만들고 다시 그것을 제2의 고리를 써서 앞의 것과 직각 방향으로 받든 후에, 다시 제3의 고리에 의하여 앞의 둘에 직각 되는 방향으로 지탱하여 줌으로써 팽이의 회전이 어떠한 방향으로도 일어날 수 있도록 한 장치이다. 방향의 측정 또는 유지에 사용되는 기구이다.[1] 자이로스코프는 축이 어느 방향으로든지 놓일 수 있는 회전하는 바퀴이고 로터와 짐벌로 이루어진 하나의 메커니즘이며 각운동량 보존법칙에 근거한다. 자이로스코프가 빠르게 회전할 때에는, 외부에서 토크(torque; 회전우력-돌림힘)가 주어졌을 때 그 방향이 회전에 의한 각운동량(angular momentum)에 의해 회전하지 않을 때보다 훨씬 적게 변화하게 된다. 자이로스코프는 수평 유지 장치인 짐벌에 놓이게 되므로 외부의 토크는 최소화되며, 장착된 받침이 움직이더라도 그 방향은 거의 고정되게 된다. 자이로스코프와 비교할 만한 센서로는 가속도센서가 있다. 가속도센서는 지표면을 기준으로 기울기를 측정한다. 이 가속도센서의 특징은 물체의 움직임을 세밀하게 측정할 수 없고 외부 가속도의 합이 0이라면, 즉 등속 운동하는 물체에 대해서는 측정할 수 있는 것이 없다. 그러나 자이로스코프는 ‘각속도’를 측정하여 얻은 정보를 가지고 기울기를 측정한다. 미사일이나 항공기의 길잡이 역할을 하는 핵심 부품이기도 하고 세그웨이 PT 등에도 활용된 원리이다.[2][3] 역사 [ 편집 ] 역사적으로 알려져 있는 최초의 자이로스코프는 요한 보넨베르거(Johann Bohnenberger)가 1817년 만든 것인데, 그 당시 자이로스코프는 단지 ‘기계(machine)’라 불렀다. 프랑스의 수학자 라플라스(Pierre-Simon Laplace)는 파리의 에콜 폴리테크닉(École Polytechnique)에서 근무하면서, 이 기계를 학습교재로 사용할 것을 추천하였고, 이는 푸코(Léon Foucault)의 관심을 끌었다. 푸코는 이를 지구의 자전과 관련된 실험에 사용하였으며, ‘자이로스코프’라는 이름을 생각해 내었다. 지구의 회전(gyros)을 보는(scopeein) 실험은 마찰로 실패하였다. 각 실험 시간은 변화를 관측하기 어려운 8 ~ 10분으로 제한되어야 했기 때문이다. 1860년대에 들어서면서, 전기 모터가 만들어져 이 구상을 실행 가능하게 하였다. 20세기 초의 수십 년 동안, 여러 발명가들이 자이로스코프를 초기 블랙박스의 항해 장치에 이용하려 시도하다가 실패하였는데, 유사한 원리가 관성유도장치와 탄도 미사일에 쓰이게 되었다. 항해용으로 제작되어 사용할 수 있는 자이로컴퍼스는 1905년에서 1908년 사이 독일의 발명가 헤르만 안슈츠 카엠페(Hermann Anschütz-Kaempfe)가 개발하였다. 미국의 엘머 스페리(Elmer Sperry)는 1910년가 그 뒤를 따랐고, 각국에서 이 발명품의 군사적인 중요성을 인식하게 되었다. 이 시대는 해군이 국방력의 중요한 척도였고, 각자의 자이로스코프 산업을 만들어내었다. 스페리 자이로스코프사는 항공기와 군함의 안정장치를 만들었고, 다른 자이로스코프 개발자들도 이를 따랐다.[4] 1917년, 미국 인디아나폴리스의 챈들러 회사는 당기는 줄과 축받이를 갖춘 장난감인 ‘챈들러 자이로스코프’를 만들었다. 이 제품은 이후 지속적으로 생산되어 미국 장난감의 고전으로 여겨지고 있다. 어떤 것은 진동하는 부품을 사용하기도 한다. 이는 ‘MEMS(Micro Electro-Mechanical System; 극소 전자기계장치)’라 부르는데, 이 장치를 사용한 실용적인 자이로스코프는 SDI(Systron Donner Inertial)가 제조하였다. 역할 [ 편집 ] 자이로스코프 정의에서 부연으로 설명한 가속도센서와 비교하면, 가속도센서는 지표면을 중심으로 기울기, 가속도 등을 측정한다. 그러나 지표면에 대해 수직 방향의 가속도는 측정할 수 없다. 자이로스코프는 가속도센서로 측정할 수 없는 방위각을 측정한다. 다시 말해 지면에 수직인 조건에 상관 없이 모든 방면에 대해 각도의 변화를 측정할 수 있다. 가속도센서는 직선운동하지 않는 물체에 대해선 측정하는 데 어려움을 겪는다. 자이로스코프는 회전운동의 각도를 측정할 수 있기에 자이로스코프와 가속도센서의 기능을 합치면 물체의 정확한 운동을 파악할 수 있게 된다. 물체의 운동을 측정하는 데 필요한 축의 개수가 달라질 수 있다. 어떤 물체가 2차원적인 운동만 한다면 자이로스코프 1개와 가속도센서 2개가 필요하지만 어떤 물체가 3차원적인 운동을 한다면 자이로스코프 3개와 가속도센서 3개가 필요하게 된다. 가장 흔히 알려진 3차원을 측정할 수 있는 6개의 센서들을 통틀어 6자유도(Degrees of Freedom)를 가진다고 표현한다. 구조 및 기능 [ 편집 ] 자이로스코프를 가장 쉽게 표현한다면 팽이라고 말할 수 있다. 회전 중인 팽이는 외력이 0인 상태에서 회전력에 대한 관성을 가진다. 팽이가 돌고 있는 지표면에 각도가 생겨도 팽이의 중심축은 지구 중심 방향을 향하는 현상을 보면 알 수 있다. 자이로스코프는 로터와 짐벌로 이루어진 하나의 메커니즘이다. 쉽게 말하자면 로터는 팽이이고 짐벌은 균형을 유지해 자유롭게 회전할 수 있는 구조이다. 방향 안정 [ 편집 ] 첫 번째 특성은 방향 안정(Directional Stability)이다. 고속 회전하는 로터에 외력이 없다면 로터의 각운동량 벡터값은 항상 일정하다는 것이 방향 안정이다. 마치 뉴턴 제 1법칙인 관성의 법칙과 관련이 크다. 피겨 선수들이 빙판 위에서 회전할 때나 좀더 거시적인 범위로 보자면 지구의 자전 등이 대표적인 예이다. 균형을 잡는 것이 중요한 물체인 비행기를 예로 들면 자이로는 회전축을 중심으로 균형을 유지한다(여기서 비행기를 기준좌표계로 설정할 수 있다). 비행기가 운동하던 방향이 바뀜에도 회전자는 회전축을 중심으로 밸런스를 유지한다. 외부틀은 비행기와 함께 회전하며 비행기가 기준좌표계로부터 틀어진 정도를 측정한다. 플랫폼 방식이란 센서가 설치된 물체의 자세가 어떻게 변하든 고정된 자세를 가진 플랫폼 위에서 그 물체의 자세를 관측하는 방식이다. 공중에서 하늘과 땅을 구별하기 힘든 전투기나 글라이더 같은 비행기에 주로 사용된다. 세차운동 [ 편집 ] 두 번째 특성은 세차운동(Precession)이다. 로터가 외부로부터 로터의 축 방향으로 힘을 받으면 회전 반발력(Gyroscopic Reaction Moment)이 생겨 로터에 수직한 또 다른 수직축 방향에 대한 회전운동을 시작한다. 오토바이를 예로 들면 오토바이가 빠른 속력을 낼 때, 핸들을 직접 조종하지 않고 몸을 한쪽으로만 기울여도 자신이 주행하던 방향을 바꿀 수 있다. 오토바이를 기준으로 왼쪽으로 몸을 기운다면 오토바이 바퀴의 윗부분에 대해 왼쪽 지면으로 미는 힘이 발생한다. 바퀴의 윗부분에서 왼쪽 지면으로 미는 힘은 90도가 지난 바퀴의 앞부분에서 작용하여 왼쪽으로 밀리는 결과가 나타나 오토바이가 왼쪽으로 방향을 바꾸게 된다. 회전하는 팽이의 회전운동은 회전축을 중심으로 이루어진다. 만약 이 팽이에 외력을 가하거나 시간이 지나 팽이가 스스로 멈추려 할 때, 축을 중심으로 회전하고 있으나 회전축 또한 일정한 원 모양의 자취를 그리면서 회전하는 것을 관찰할 수 있다. 회전운동을 방해하는 외력이 크다면 팽이는 멈출 것이고 작다면 팽이는 다시 중심을 잡고 회전할 것이다. 이런 현상을 세차운동이라 정의한다. 이러한 세차 운동은 각운동량 보존법칙에 의한 내용이며 각운동량 보존에 의하면 각운동량의 방향만 바뀔 수 있고 이 방향의 변화는 토크와 같기 때문에 세차운동을 하게 되는 것이다. 자이로센서 [ 편집 ] 자이로스코프가 내재된 물체가 회전운동을 하면 생기는 회전 반발력을 측정하여 전기신호로 바꾸는 장치를 추가한다면 그것은 자이로센서로 활용될 수 있다. 관성항법장치(INS)는 가속도센서와 자이로센서의 기능을 활용한 장치로 자세나 위치를 추정할 수 있다. 관성 좌표계에서의 운동을 측정하여 이동거리와 방향을 계산해내는 것으로 오늘날 스마트폰에서 애용되고 있다. 3차원 공간에서 물체의 동선을 완벽하게 파악할 수 있는 기술이 발명되었다고 해도 과언이 아니다. 광학식 자이로센서 [ 편집 ] 광학식 자이로센서는 사냑효과(Sagnac Effect)를 이용한 자이로센서로 링레이저(RLG) 자이로센서와 광섬유(FOG) 자이로센서로 구분된다. 광로를 따라 동시에 빛(레이저)을 방사하면 양방향에서 접근하는 빛이 같은 시간에 검출된다. 하지만 △t만큼 회전운동이 발생하면 두 빛의 도달시간은 달라지게 된다. 그 차이를 검출·계산하여 각속도 Ω를 산출한다. 링레이저 자이로센서는 이 효과에 의한 공진기 길이의 변화를 이용하고, 광섬유 자이로센서는 길게 감긴 광섬유를 이용하여 광로의 길이변화를 측정하여 각속도를 산출한다. 광학식 자이로센서는 구조가 간단하지만 스마트폰에 사용하기에는 가격과 크기가 적합하지 않다. MEMS 자이로센서 [ 편집 ] 스마트폰 안에 탑재된 자이로센서는 코리올리 힘을 측정하는 소리굽쇠 방식의 MEMS 센서로 소형 모바일 기기에 채용된 자이로센서는 대부분 MEMS 방식이다. 소리굽쇠 방식이란 무한 진동하는 추 2개를 이용하여 회전을 측정할 수 있도록 하는 방식이다. 항상 일정한 자세를 유지하는 김벌식과는 달리 MEMS 방식의 센서들은 대상체에 안정된 플랫폼을 고정(strap)한 상태에서 자세를 측정하는데, 플랫폼에 장착된 대상체가 원래의 위치에서 달라지는 만큼을 전기신호로 주고 이를 받아서 자세 변화를 감지한다. 이런 방식을 스트랩다운(strapdown) 방식이라고 부르기도 한다. 응용 [ 편집 ] 스마트폰에 상하좌우 동작을 감지하는 자이로스코프 센서를 내장하여 다양한 동작을 인식하는 게임 등 애플리케이션 개발이 가능하다. 자이로스코프는 3개 축으로 동작을 인식하여 균형감과 입체감을 정밀하게 감지할 수 있다.[5] 드론 ‘짐벌’(Gimbal)은 재해 지역 탐구 등 고급 용도에 활용이 가능한 기기로, 축구공처럼 오각형과 육각형으로 구성된 외피가 입혀져 있고 중앙에는 비행에 필요한 로터, 제어시스템, 안정판 등이 장착된 본체가 들어있다. 짐벌의 특징은 본체를 탑재하는 방법인데, 자이로스코프 및 나침반과 같은 장치가 탑재되어 있고 바깥 부분의 움직임이 내부에 전해지기 어려운 구조로 설계되었다. 기존의 드론은 본체가 장애물에 닿을 경우 로터가 영향을 받아 기울어졌지만, 짐볼은 바깥 쪽 부분이 회전해 충격을 받아 넘기기 때문에 균형을 유지한다.[6] 각주 [ 편집 ]
자이로스코프: 기초 배경 및 진동식 자이로의 원리
1. 자이로스코프(Gyroscope)의 정의 회전에 의해 발생하는 자이로 효과(Gyro effect)를 사용하여 원점 위치를 역추정하고, 현재 방향이 어느쪽인지 역산출하는 기계입니다. 그래서 방향성을 측정할 때 사용하게 됩니다. 자이로 효과는 물체가 고속으로 회전하여 다량의 회전 운동에너지 보유하게 되면, 각운동량 보존법칙에 의해 회전축 방향이 잘 변하지 않기 때문에 회전축 방향으로 정렬 유지하는 현상을 일컫습니다. (쉽게 팽이 떠올리세요) 이는 일종의 관성력인 회전관성모멘트(rotational inertia moment) 때문입니다. 즉, 한 번 돌기 시작하면 그 회전을 유지하려는 성질을 일컫습니다. 자이로스코프는 지구의 회전과 관계없이 높은 확도로 항상 처음에 설정한 일정 방향을ㄹ 유지하는 성질이 있어서 공간에서 물체의 방위를 측정하거나 또는 자이로가 장착된 차량이 회전하는 경우 각 변화율을 결정하는 데 사용되는 관성 센서의 일종입니다. 2. 왜 자이로스코프를 쓰는가? 우리는 이전에 회전운동을 측정할 수 있는 방식들에 대해 알아본 적 있습니다. 이에 이걸 왜 쓰는지에 대해 의문을 품을 수 있습니다. 하지만 여기엔 중요한 차이가 있습니다. 기존의 회전 운동을 감지는 하는데 바로 회전하는 물체의 밖에 있는 관찰자 관점에서 찍은 것입니다. 이 자이로스코프의 핵심은 회전하는 물체 내의 관찰자 입장에 있는 것입니다. 다시 말해, 내가 딛고 있는 이 물체가 지금 돌고 있나 안 돌고 있나를 보겠다는 것입니다. 이는 자동차나 우주선, 비행기에서 지금 물체가 기울어 져있는지 아닌지 알기 위해 거기에 탑승하고 있는 조종사가 파악하는 데 유용하겠죠. 3. 자이로스코프의 분류 크게 자이로스코프는 기계식과 광학식으로 나눌 수 있습니다. 여기서 광학식은 일전에 광섬유 쪽에서 맛보기로 다뤄보았었습니다. 기계식 자이로스코프는 또 나뉠 수 있는데요, 크게 회전식과 진동식이 있습니다. 회전식 자이로스코프는 초기의 기계식 자이로스코프로, 짐벌(gimbal)이라 부르는 지지 고리에 매달려 있어 회전체의 각운동량 보존의 법칙에 기초를 두고 있었습니다. 옛날에 비행기에서 썼었으나, 장기적인 신뢰성에 문제가 있고 고로, 분해능 및 정확도도 별로 좋지 않습니다. 다음의 그림은 회전식 자이로스코프의 개략적인 구조를 보여줍니다. 출처: 인천대학교 진동식은 MEMS를 이용한 자이로스코프를 통칭하는 것입니다.(일반적으로) 진동형 자이로스코프는 회전을 검출하기 위해 각운동량을 쓰진 않구요, 대신 코리올리 가속(Coriolis acceleration)을 활용해 회전각을 측정합니다. 엄밀이 따지면 각운동량이 아닌, 각속도 측정하는 겁니다. ————————————————————————————————- [참고] 코리올리 가속 해당 내용을 위해선 다음의 포스트 참고해 주세요. 쉽게 얘기하면 회전하는 계 내의 관찰자가 느끼는 가상의 힘을 전향력이라 하고, 이에 따라 생기는 것이 코리올리 가속입니다.ㅇ ————————————————————————————————- 광학식은 빛의 위상차를 이용(광섬유 쪽에서 다뤘습니다.)한 것으로, 주로 네비게이션 쪽에서 활용합니다.(샤낙 효과를 이용했었습니다.) 4. 진동식 자이로의 기본 원리 4.1 진동식 자이로의 물리 현상: 코리올리 가속 여기서 좀 생소한 개념인 코리올리 힘이 나와, 이에 대해 보충코자 합니다. 다음의 그림을 보도록 하겠습니다. 출처: 인천대학교 그림에서 xy평면이 각속도 Ohmega로 회전하고 있다고 합시다. 지금 물체가 y 방향으로 직선 속도 v로 이동하면, z축과 속도 v에 수직인 방향, 즉 x방향으로 물체에 코리올리 힘이 작용하고(회전하는 물체 내 관찰자 입장에서), 이 힘에 기인하는 가속효과가 코리올리 가속입니다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같습니다. 위 식으로부터 코리올리 가속도 측정해 각속도에 비례하는 신호를 얻을 수 있습니다. 이제부턴 이 코리올리 효과를 이용하는 시스템의 원리를 보도록 하겠습니다. 4.2 진동형 자이로스코프의 기본 원리 다음의 2차원 진동 시스템을 보도록 합시다. 출처 : 인천대학교 여기서 x축은 질량 m을 구동시키는 구동축(drive axis)이구요, y축은 코리올리 가속을 검출하는 검출축(sense axis)입니다. y가 검출축인 이유는 4.1절에 이미 설명을 드렸었습니다. 이 코리올리 가속은 기판의 각속도에 비례하는 진폭을 갖는 코리올리 운동을 일으킵니다. 출처: 인천대학교 x축을 다음의 식으로 구동한다 생각해 봅시다. 그러면 만약 이 때 시스템이 z축 중심으로 각속도 Ohmega로 회전한다면, 질량 m에는 y방향으로 코리올리 힘이 작용하게 됩니다. 그럼 이 때 Fc에 의해 질량 m은 y축방향으로 진동하게 되고 , 진동에 대한 미분방정식은 다음과 같겠네요 이 방정식의 해는 다음과 같습니다. 보시다시피 진폭 Ay는 입력각의 변화율에 비례하는데요, 따라서 만약 어떤 수단에 의해 Ay 측정 가능하다면(변위 센서 등), 각속도를 결정할 수 있겠습니다. 여기서 Quality factor Qy를 정의하고 (이미 정의했었습니다. ), wd와 wy 비슷하게 두면, 다음 식으로 간단하게 됩니다. 오메가는 wy보다 훨씬 작기 때문에 큰 출력신호를 얻기 위해서는 당연히 구동 진폭 Ad와 검출모드의 Q값이 커야 하고 ,그러기 위해선 damping 값이 그렇게 크지 않아야 할 것입니다. 또한 검출 모드 진동 주파수 값도 작아야 하겠지요. 진동식 자이로의 특성, 검출 방식에 대해선 다음 포스트에 다루도록 하겠습니다. 감사합니다.
자이로스코프의 원리
다음 그림과 같이 원판을 지지점에 올리고 회전원판을 돌리면 중력에 의해 밑으로 떨어지지 않고 수평 방향으로 회전한다. 그림 1.자이로스코프 위의 그림을 위에서 아래로 보면 다음 그림과 같다. 지지점을 중심으로 수평방향으로 회전하고 수직으로 떨어지지 않는다. 그림 2.자이로스코프 위와 같은 구조를 자이로스코프(Gyroscope)이라고 한다. 자이로스코프는 물리적으로 이해하기가 조금 까다롭다. 자이로스코프를 이해하기 위해서는 토크와 각운동량에 대해 이해해야 한다. 다음 그림과 같이 물체에 F의 힘을 받을 때 토크는 τ이다. 여기서 중요한 것은 물체가 받는 힘의 방향과 토크의 방향이 90도라는 것이다. F는 실제하는 힘이지만 토크의 방향은 임의로 정의한 것이다. 그림 3.토크 각운동량(Angular Momentum)의 정의는 다음과 같으며 각운동량은 벡터이다. (여기 참고) 각운동량과 토크는 다음 관계식을 가진다. 이 식에서 각운동량의 변화와 토크의 벡터는 같은 방향이다. 앞에서 말한 것과 같이 토크는 힘과 직각이고 따라서 각운동량의 변화와 힘은 직각이다. 자이로스코프가 다음 그림과 같이 중력을 받아 아래로 떨어진다고 하면 각운동량은 L 1 에서 L 2 로 변하게 된다. 이때 각운동량의 변화량은 L 2 – L 1 이 된다. 이 각운동량의 변화는 위 식에서 토크와 같기 때문에 다음 그림과 같이 아래로 향하는 τ 의 토크를 받게 된다. 그림 4.자이로스코프 회전원판이 아래 방행으로 토크를 받는다면 이 때 실제 받는 힘은 다음 그림과 같이 수평방향이 되고 그에 따라 그림 2와 같이 회전원판이 회전하게 된다 (앞에서 말한 바와 같이 토크와 힘의 방향은 직각 이다). 그림 5.자이로스코프 자이로스코프를 이해하는데 가장 핵심은 각운동량과 토크의 관계를 나타내는 다음의 식 이다. 왜 이런 식이 나왔는지는 별도로 공부해야 하지만 이 식을 전제로 논리를 따라가면 자이로스코프 현상은 쉽게 이해할 수 있다. 다음 그림과 같이 회전원판의 방향이 바뀔 때 각운동량 L의 크기는 동일하지만 방향이 변한다. 각운동량은 벡터이기 때문에 크기는 같더라고 방향이 변하면 변화량이 0이 아니고 일정값을 가지게 된다. 즉, 회전원판의 방향을 변화시키기 위해서는 토크가 필요하다. 그림 6.회전원판의 각운동량 반응형
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3.9 자이로 계기 원리(Principles of Gyroscope Instruments) > 항공정비전공 – 전공자료실
3.9 자이로 계기 원리(Principles of Gyroscope Instruments)
3.9.1 기계식 자이로(Mechanical Gyros)
가장 일반적이면서도 중요한 비행계기인 비행자세계, 방향 지시계, 경사선회계는 자이로가 주요 구성품이다. 이들 계기가 어떻게 작동하는지 이해하려면 자이로의 원리와 자이로 전원에 대한 지식이 필요하다. 그림 3-107 A 사진의 기계식 자이로는 팽이와 같이 회전하는 휠(wheel) 또는 회전자(rotor) 로 구성되어 있다. 이를 1축 자이로라고 할 수 있으며 이 회전자는 휠이 베어링을 사이에 두고 축과 연결되어 있어서 고속으로 회전이 가능하다. 자이로 어셈블리(gyro assembly)는 축이 1개 이상 구성되어 있으며 이들 축과 휠은 서로 다른 형태로 구성과 장착이 가능하여 2개 이상 회전축이 서로 90도 직각으로 연결되어 자이로가 회전이 가능하다.
이는 항공기가 비행하면서 자이로 축이 변하거나 움직여도 내부의 자이로는 직각 또는 수평을 유지하면서 회전하게 되어 있다. 그림 3-107 B와 같이, 자유로운 회 전을 위해 회전자를 일시 지지하는 축은 지지고리 (支持, supporting ring)에 우선 설치된다. 만약 브라켓(bracket)이 회전축이 부착된 곳에서 지지고리 (supporting ring) 주위에 90[°]로 부착되어 있다면 지지고리와 자이로는 360[°] 모두 자유롭게 움직 일 수 있다. 이렇게 장착이 된 회전자를 전속자이로 (captive gyro)라 흔히들 말한다. 그림 3-107 C와 같이 2개의 회전축이 서로 직각으로 연결되어 있지만 자이로는 단지 하나의 축을 중심으로 회전할 수 있다. 지지고리는 외부 링(outer ring) 안쪽에 설치 될 수 있다. 베어링 지지점(bearing point)은 회전 축이 부착된 곳에 지지고리 주위에 90[°]인 브라켓 (Bracket)과 같은 지점이다. 이 외부링(outer ring) 에 브라켓을 부착함으로써 자이로가 자이로 회전 시 에 2개의 평면에서 회전이 가능해졌다. 이들은 자이로의 회전축에 직각으로 되어 있다. 그림 3-107 D 와 같이, 설치된 브라켓에 더하여 2개의 링(Ring)을 설치한 자이로 어셈블리는 자이로의 회전축에 모두 수직으로 연결되어 있는 2개의 축을 중심으로 회전하는 것이 자유롭기 때문에 이를 자유 자이로(free gyro)라고 말한다. 결과적으로, 안쪽에 설치된 회전하는 자이로를 갖춘 지지고리는 외부의 링 안쪽에서 360[°]을 선회하는 것이 자유로운 것이다. 즉, 항공기가 어떠한 비행을 하더라도 내부의 회전자인 자이로는 항시 수직 또는 수평의 자세를 유지할 것이다.
그림 3-107과 같이 자이로의 회전자가 만일 회전 하지 않으면 자이로는 특별한 특성을 갖고 있지 않는 그냥 단순히 설치된 휠(Wheel)이다. 그러나 회전자가 고속으로 회전하면 자이로는 몇 가지의 독특한 특성이 있는데 그 특성은 다음과 같다.
(1) 강직성(rigidity)
자이로 강직성 또는 우주에 대한 강직성(rigidity) 이라고도 부른다. 이것은 자유자이로(free gyro)가 3개의 회전축으로 연결되어 항공기 어느 위치에 어떻게 장착되어 있든 관계없이 내부 자이로는 회전을 계속하는한 일정한 방향을 향해서 넘어지거나 기울 어지지 않고 유지하고 있는 성질을 말한다. 즉, 수직 자이로는 수직 자세에서 수평 자이로는 수평 자세로 외부에 힘을 가하지 않은 이상 계속 유지하려는 성질을 의미한다. 자이로의 다음 몇 가지 설계 요소에 의해 강직성이 정해진다.
① 무게(Weight)
자이로 휠이 같은 크기라면 무게가 클수록 강직성이 크고 쉽게 기울어지지 않는다.
② 각속도(Angular Velocity)
회전속도가 클수록 강직성이 더 커지고 또한 기울어지는 힘에 대한 저항력이 커진다.
③ 무게가 집중되는 곳의 회전반경
무게가 집중되는 곳의 회전반경은 주요 무게가 자이로의 테(rim) 근처에 집중될 때 고속으로 회전하는 질량으로부터 얻는다.
④ 베어링 마찰(Bearing Friction)
베어링에 어떠한 마찰이든 이는 자이로에 편향력(deflecting force)을 증가시킨다. 베어링마찰이 적을수록 편향력을 최소로 할 수 있다.
우주공간에 강직성을 유지하는 자이로의 특성은 자이로를 사용하고 있는 항공기 비행 자세계 및 방향 지시계 등에서 이용되고 있다.
(2) 세차운동(precession) 또는 선행성
자이로의 2번째 중요한 특성은 세차운동 또는 선행성이다. 또한 섭동성이라고도 한다. 자이로가 회전하는 동안 자이로의 수평축에 외부 힘을 가하게 되면 독특한 현상이 발생한다. 이때 자이로는 가해 진 힘에 저항이 생기면서 수평축에 대해 가한 힘에 반응하기보다는 수직축에 대해 반응하여 움직인다. 다른 말로 하면 회전하는 자이로의 축에 가해 진 힘은 축으로 하여금 경사지도록 하지 않고 오히려 자이로는 자이로 회전자의 회전 방향으로 90[°] 로 더 지난 점에서 반응한다. 그림 3-109와 같이 현재 자이로가 회전하고 있을 때 한 지점에서 힘을 가할 때(Applied force) 바로 힘이 가해지는 방향으로 자이로 측이 기울기보다는 계속 회전하면 서 90[°]를 더 회전하는 위치에서 기울어진다. 이 처럼 자이로의 제어로 예상할 수 있는 세차운동(precession)은 2축 자이로 구성으로 경사선회계에서 이용한다.
3.9.2 반도체 자이로 및 관련계통(Solid State Gyros and Related Systems)
좀 더 개선된 비행자세정보와 비행방향정보 확보는 항공산업분야의 꾸준한 과제였다. 최신의 항공기는 가동부(moving part)가 없는 아주 정밀한 반도체(solid-state) 비행자세장치와 반도체 비행방향장치가 개발되어 이를 계기계통에 활용하고 있다. 기존 기계식 자이로는 고속으로 회전하는 자이로와 축에 받쳐진 베어링 등의 마모 등으로 낮은 신뢰성 및 유지 보수하는데 고도의 정밀 기술이 필요하고 장기 사용에 따른 자연스런 마모 등으로 잦은 장탈이 발생하여 고가의 정비비 등이 문제였으나 반도체 기술 발달로 반도체 자이로계통은 기계식 자이로의 모든 단점을 극복하고 고도의 신뢰성과 고가의 정비비를 절감하는 효과를 가져왔다.
3.9.2.1 링 레이저자이로 (RLG. ring laser gyros)
그림 3-110의 링 레이저자이로(RLG, ring laser gyro)는 민간 항공기산업에 폭넓게 사용되고 있다. 링 레이저자이로 작동을 위한 기본적인 지식은 빛이 정지(stationary)되어 있는 비회전원형경로(nonrotating circular path)를 일주하는 데 어느 정도 시간이 걸린다는 것이다.그런데 빛이 이동하고 있을 때 동일한 방향으로 정지했던 경로(path)가 회전하고 있다면 빛이 일주(journey)하는데 경로가 정지되어 있을 때 시간이 더욱더 걸린다는 것이다. 그 런데 이번에는 경로가 빛의 반대 방향으로 회전한다면 빛이 한 바퀴 일주하는데 더 적은 시간이 걸린다. 경로의 길이는 경로가 정지 또는 같은 방향 으로 회전하느냐 아니면 반대로 회전하느냐에 따라 만들어진다. 이것을 사냑 효과(Sagnac effect)라고 부른다. 레이저(laser)는 유도방사선의 빛의 증폭이다. 레이저는 전자기에너지(electro magnetic energy) 또는 광양자(photon)를 방출하기 위해 플라즈마(plasma)에서 원자(atom)을 여자시킴으로 (exciting)로써 작동한다. 링 레이저자이로는 밀폐된 삼각형의 속빈 틀 주위에서 반대방향으로 이동하는 레이저광선을 양산한다. 루프(loop)인 경로를 일주하여 이동하는 빛의 파장은 고정되고 루프가 회전할 때 레이저가 이동해야 하는 경로는 길어지거나 또는 짧게 된다. 빛 파장은 루프(loop)가 경로의 실효길이를 변화시킬 때 루프를 일주하여 이동을 마치도록 단축하거나 또는 확장한다. 파장이 변화될 때 주파수도 또한 변화된다.
빛에서 2개의 역회전하는 광선의 주파수에서 차이를 시험함으로써 경로가 회전하고 있는 곳에서 비율은 측정될 수 있다. 구성부분의 중심에 있는 압전기(piezoelectric) 떨림 (dithering) 모터는 낮은 회전속도에서 출력신호의 고정화를 방지하기 위해 진동한다. 그것은 작동하고 있을 때 항공기에 장착된 장치로 하여금 흠(hum 윙윙소리) 하게 한다. 링 레이저자이로(RLG)는 공간 경로(cavity path)가 비행가의 3축 중 하나를 기준으로 일주 하여 회전하도록 원격으로 장착되어 있다. 역회전하는 레이저들 사이에서 검출된 주파수 위상변이 (phase shift)의 비율은 항공기가 그 축에 대하여 이동하고 있는 비율에 비례한다. 항공기에서 링 레이저자이로는 비행의 각각의 3축에 대해 장착된다. 링 레이저자이로 출력신호는 아날로그 계기계통과 자동조종계통에서 사용된다. 또한, 디지털계기계통 및 디지털 자동조종(digital autopilot) 계통 컴퓨터에 사용이 가능하도록 호환성이 있다. 링 레이저 자이로는 매우 견고하고 가동부가 없어서 실질적으로 정비 없이 오랫동안 사용 가능하다. 링 레이저 자이로는 축에 대하여 아주 조용하게 움직임을 측정하고 지속적으로 출력을 공급한다. 그들은 아주 정밀한 것으로 대체로 기계식 자이로보다 낫다고 간주된다.
3.9.2.2 마이크로 전자·기계식 자세계 및 방향 지시계(Micro-electro-mechanical based Attitude and Directional Systems)
항공기에서 마이크로전자·기계시스템(MEMS, micro-electro-mechanical system) 장치는 항공 기 공간과 무게를 줄일 수 있다. 반도체 마이크로전자·기계시스템 장치의 사용을 통해 가동부가 없는 관계로 신뢰성이 한층 증가되었다. 항공계기계통 사용을 위한 MEMS 기술의 개발로 대기자료컴퓨터 (ADC) 사용과 결합되었다. 이 기술 분야에서 가장 최근에 개선된 점은 저 비용과 항공기산업의 모든 분야에서 적용을 통해 확산이 가능하다는 것이다. 자이로의 적용에서 마이크로전자·기계시스템(MEMS)은 일단 소형항공기뿐만 아니라 대형 운송용 항공기에서 사용된다. 저항과 커패시턴스측정 픽업(Pickoff – 기계운동을 신호로 바꾸는 감지장치)을 갖춘 소형의 진동식장치는 정밀하고 신뢰성이 좋으며 길이와 폭이 아주 작은 밀리미터(millimeter)이다. 그 것들은 대개 다양한 조절과정이 수행된 후 출력을 산출하도록 설계된 완전한 마이크로 전자반도체칩에 통합되었다. 소형 회로기판과 유사한 칩(Chip)은 항공기에 장착된 전용 컴퓨터 또는 모듈(Module) 내부에 장착을 위해 팩키지화(packaged)될 수 있다.
그림 3-112와 같이, 대형 기계식 자이로는 평면에서 회전하는 동안 우주공간에서의 자이로의 강직성으로 항공기의 비행 자세나 움직임을 관찰하고 측정하는 데 사용된다. 이에 비해 마이크로 전자·기계시스템(MEMS) 자이로는 소형이지만 작동의 기본 기능은 대형 자이로와 마찬가지이다. 차이점은 진동하는 압전기장치(piezoelectric device)가 무거운 링을 가진 기계식자이로가 회전하는 것을 대신 그 기능을 수행한다는 것이다. 움직임에 한번 세트하면 기하학적으로 배치된 픽업(pickups)을 통해 검출된 미세전기 또는 커패시턴스를 변화시킴으로써 항공기의 어떠한 작은 움직임도 탐지할 수 있다는 것이다. 압전 기물질(piezoelectric substance)이 움직임과 전기 사이에 상관관계를 갖고 있기 때문에 미세전기 자극법(micro-electrical stimulation)은 압전기자이로 (piezoelectric gyro) 작동을 설정할 수 있고 피에조 (piezo)에서 작은 움직임을 매개로 하여 적은 전압을 뽑아낼 수가 있다. 이때 뽑아낸 작은 전압은 비행자세와 방향 정보를 계산하기 위해 여러 변수들이 필요할 때 입력될 수 있다.
1.9.2.3 기타 비행자세 및 비행방향계통(Other Attitude and Directional Systems)
자이로스코프의 원리와 기능, 사용 분야
1.자이로 스코프는 무엇인가
자이로스코프는 3 개의 고리로 구성이 되어있는데 3 개의 고리 모두 위 · 아래가 대칭적이며 팽이와 각각의 고리에 직각으로 서로를 지탱하여 어떠한 방향에서도 팽이의 회전이 가능하게 한다 .
자이로스코프는 로터와 짐벌로 나눌 수 있다 . 이때 로터는 지표면의 각도와 상관없이 회전축을 중심으로 균형을 유지하게 되는데 이는 팽이의 중심이 지구 중심 방향을 향하는 것과 같다 .
키워드에 대한 정보 자이로 스코프 원리
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