سنسورهای حرکت دورانی در روباتها

---

حسگر

حسگرها رابط های دریافتی میان روبات و محیط هستند. یک حسگر هر کمیت فیزیکی معینی که باید اندازه گیری شود را به یک کمیت الکتریکی تبدیل می کند که می تواند پردازش شود یا به صورت الکتریکی انتقال داده شود. حسگرها به دو دسته ی فعال و غیر فعال طبقه بندی می شوند. حسگرهای غیر فعال سیگنال هایی که توسط منابع موجود در محیط تولید می شود را آشکار می کنند، در حالی که انواع فعال، سیگنال هایی به محیط ارسال می کنند و سپس بازتاب امواج ارسالی را دریافت می کنند.

واژه ی سنسور(حسگر) برگرفته از کلمه ی لاتینSenorium به معنای «توانایی حس کردن» یا Sensus به معنای «حس» می باشد. یک حسگر هر کمیت فیزیکی معینی که باید اندازه گیری شود را به شکل یک کمیت الکتریکی تبدیل می کند که می تواند پردازش شود یا به صورت الکتریکی انتقال داده شود.

سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به‌کار می‌روند. عملکرد سنسورها بدین‌گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد می‌کنند، که با پردازش این سیگنال‌های الکتریکی می‌توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم‌گیری‌های بعدی از آن‌ها استفاده نمود.

سنسورها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به دسته‌های متفاوتی تقسیم که در ذیل می‌آید

سنسور محیطی

این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت می‌نمایند.

سنسور بازخورد

این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت می‌نمایند.

سنسور فعال

این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت می‌شود.

سنسور غیرفعال

این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار می‌کنند، به‌ ‌همین دلیل ارزان‌تر، ساده‌تر و دارای کارایی کمتر هستند.

سنسورها از لحاظ فاصله‌ای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به چند قسمت تقسیم می‌شوند:

سنسور تماسی

این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهایی یافت می‌شوند و به دو بخش قابل تفکیک‌اند.

سنسورهای تشخیص تماس

سنسورهای نیرو-فشار

سنسورهای مجاورتی

این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتما با شی در تماس باشد. عموما این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار می‌دهند.

دو روش عمده در استفاده از سنسورها وجود دارد

حس کردن استاتیک

در این روش محرک‌ها ثابت‌اند و حرکت‌هایی که صورت می‌گیرد بدون مراجعه لحظه‌ای به سنسورها صورت می‌گیرد.به عنوان مثال در این روش .ابتدا موقعیت شی تشخیص داده می‌شود و سپس حرکت به سوی آن نقطه صورت می‌گیرد

حس کردن حلقه بسته

در این روش بازوهای ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسورها کنترل می‌شوند. اغلب سنسورها در سیستم‌های بینا این‌گونه‌اند.

حال از لحاظ کاربردی با نمونه‌هایی از انواع سنسورها در ربات آشنا می‌شویم

سنسورهای بدنه (Body Sensors) :

این سنسورها اطلاعاتی را درباره موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار دارد فراهم می‌کنند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیت‌هایی که در سوییچ‌ها حاصل می‌شود، به دست می‌آیند.

با دریافت و پردازش اطلاعات بدست آمده، ربات می‌تواند از شیب حرکت خود و این‌ که به کدام سمت در حال حرکت است آگاه شود. در نهایت هم عکس‌العملی متناسب با ورودی دریافت شده از خود بروز می‌دهد.

سنسور جهت‌یاب مغناطیسی (Direction Magnetic Field Sensor):

با بهره‌گیری از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطب‌نمای الکترونیکی هم ساخته شده است که می‌تواند اطلاعاتی را درباره جهت‌های مغناطیسی فراهم سازد.

این امکانات به یک ربات کمک می‌کند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شده و برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمصم‌گیری کند.

این سنسورها دارای چهار خروجی می‌باشند که هرکدام مبین یکی از جهت‌ها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیز می‌توان شناخت هشت جهت مغناطیسی را امکان‌پذیر ساخت.

سنسورهای فشار و تماس (Touch and Pressure Sensors) :

شبیه‌سازی حس لامسه انسان کاری دشوار به نظر می‌رسد. اما سنسورهای ساده‌ای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از این سنسورها در جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیل‌ها در دست‌اندازها استفاده می‌شود.

این سنسورها در دست‌ها و بازوهای ربات‌ هم به منظورهای مختلفی استفاده می‌شوند. مثلا برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهایی با یک شی. همچنین این سنسورها به ربات‌ها برای اعمال نیروی کافی برای بلند کردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک می‌کند.

۱) رسیدن به هدف، ۲) جلوگیری از برخورد، ۳) تشخیص یک شی.

سنسورهای گرمایی (Heat Sensors):

یکی از انواع سنسورهای گرمایی ترمیستورها هستند.

این سنسورها مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر می‌کند.

بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش می‌یابد، برای آن‌ها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یا منفی را تعریف می‌کنند.

نوع دیگری از سنسورهای گرمایی ترموکوپل‌ها هستند که آن‌ها نیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید می‌کنند.

در استفاده از این سنسورها معمولا یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطه‌ای که باید دمایش اندازه‌گیری شود، قرار می‌دهند.

سنسورهای بویایی (Smell Sensors):

تا همین اواخر سنسوری که بتواند مشابه حس بویایی انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود یک‌سری سنسورهای حساس برای شناسایی گازها بود که اصولا هم برای شناسایی گازهای سمی کاربرد داشتند.

ساختمان این سنسورها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیه‌ای مجزا، با ولتاژ ۵+ ولت تغذیه می‌شود، در کنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخ‌گویی سنسور به محرک‌های محیطی فراهم می‌شود.

برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت می‌کنند و پس از آن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفاده‌های بعدی به کار می‌‌برند.

اصولا در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل می‌کنند و سپس پاسخ‌های دریافتی از آن‌ها به شبکه‌ عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت می‌گیرد. نکته مهم درباره کار این نوع سنسورها در این است که آن‌ها نمی‌توانند یک بو یا عطر را به طور مطلق انداره‌ بگیرند. بلکه با اندازه‌گیری اختلاف بین آن‌ها به تشخیص بو می‌پردازند.

سنسورهای موقعیت مفاصل :

رایج‌ترین نوع این سنسورها کدگشاها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالای تبادل اطلاعات با کامپیوتر برخوردارند و هم اینکه ساده، دقیق، مورد اعتماد و نویز ناپذیرند.

این دسته انکدرها را به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:

انکدرهای مطلق

در این کدگشا ها موقعیت به کد باینری یا کد خاکستری BCD (Binary Codded Decible ) تبدیل می‌شود. این انکدرها به علت سنگینی و گران‌قیمت بودن و اینکه سیگنال‌های زیادی را برای ارسال اطلاعات نیاز دارند، کاربرد وسیعی ندارند.

همانطور که می‌دانیم به‌کار گیری تعداد زیادی سیگنال درصد خطای کار را افزایش می‌دهد و این اصلا مطلوب نیست. پس از این انکدرها فقط در مواردی که مطلق بودن مکان‌ها برای ما خیلی مهم است و مشکلی هم از احاظ بار فابل تحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده می‌شود.

انکدرهای افزاینده

این کدگشا ها دارای قطار پالس و یک پالس مرجع که برای کالیبره کردن بکار می‌رود هستند، از روی شمارش قطارهای پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعیت مورد نظر دست می‌یابند.

از روی فرکانس (عرض پالس‌ها) می‌توان به سرعت چرخش و از روی محاسبه تغییرات فرکانس در واحد زمان (تغییرات عرض پالس) به شتاب حرکت دورانی پی برد. حتی می‌توان جهت چرخش را نیز فهمید

سنسورهای مادون قرمز :

این سنسور دارای فرستنده وگیرنده است و اصل کار به این صورت است که بین فرستنده وگیرنده نور باید تبادل کنید تا ارتباط حاصل شود.

به اصطلاح یک جریان از یک فوتو دیود عبور می کند اگر نور مرئی باشد به آن LED گفته میشود و اگر این نور نا مرئی باشد به مادون قرمز اطلاق میشود

انکودرهای نوری

این حسگرها که عموماً برای فیدبک گیری از اجزای روبات(بازوها، چرخ ها و…) به کار گرفته می شوند، خود به سه نوع نسبی، افزایشی و مطلق تقسیم می شوند.

انکودرهای نسبی از یک چرخ شیاردار کوچک تشکیل شده اند که در میان یک فرستنده و گیرنده ی مادون قرمز قرار گرفته است.

این چرخ کوچک به عضوی که باید حرکت دورانی آن اندازه گیری شود متصل می گردد. با چرخش عضو مورد نظر و متعاقباً چرخ شیاردار، پرتوهای نوری که به گیرنده می رسند متناوباً قطع و وصل می شوند و یک سیگنال مربعی تولید می شود.

با اندازه گیری فرکانس سیگنال مربعی تولید شده می توان سرعت و شتاب دوران و همین طور موقعیت نسبی آن عضو نسبت به موقعیت اولیه را تعیین نمود.

ساختار انکودرهای افزایشی مشابه با انکودرهای نسبی است با این تفاوت که در طرفین چرخ شیاردار دو فرستنده و گیرنده قرار دارد.

با چرخش چرخ شیاردار، پرتوهای نوری که به گیرنده می رسند یکی پس از دیگری قطع و وصل شده و هر یک از گیرنده ها یک سیگنال مربعی تولید می کند. سیگنالی که هر یک از گیرنده ها تولید می کند با دیگری اندکی اختلاف فاز دارد که می توان براساس آن جهت چرخش را نیز تعیین کرد.

بنابراین اطلاعاتی که این حسگر فراهم می کند شامل موقعیت نسبی نسبت به حالت اولیه، سرعت، شتاب و جهت حرکت دورانی می باشد.

انکودرهای مطلق از یک صفحه ی مدور شفاف تشکیل شده اند که قسمت های خاصی از آن مات شده است. این صفحه در میان چند فرستنده و گیرنده ی نوری که در امتداد یک خط قرار گرفته اند جای دارد.

با چرخش صفحه ی مدور در میان فرستنده ها و گیرنده ها، پرتوهای نوری دریافت شده توسط گیرنده ها مطابق با الگوی خاصی قطع و وصل می شوند. نحوه ی قطع و وصل شدن پرتوهای نوری یادآور یک عدد باینری است که در قالب بیت های کنار هم(شفاف و مات) نقش می بندد.

با توجه به عدد باینری تولید شده توسط مجموعه ی گیرنده ها می توان موقعیت مطلق صفحه ی مدور را به دست آورد. بنابراین انکودر مذکور علاوه بر سرعت و شتاب و جهت حرکت دورانی، موقعیت دقیق عضو مورد نظر را نیز به دست می آورد.

اينكود رهاي چرخشي: (Encoder Type Angular Speed Transducer)

اين نوع از سنسورها نيز همانند اينكودرهاي خطي موقعيت را اندازه‌گيري كرده و سپس با در نظر گرفتن تعداد پالسها در هر دور و شمردن تعداد پالسها سرعت چرخشي را به ما مي‌دهد. اما به رقم استفاده وسيع اين نوع سنسور توضيحات آن را به ديگر تحقيقهاي انجام شده واگذار مي‌كنيم و به همين مختصر بسنده مي‌كنيم.

مورد بعدي تاكومتر كه درواقع يك نوع فيدبك گير محسوب مي شه . بدين ترتيب كه يك ژنراتور dc كوچك درون تاكومتر قرار داره كه نقش تعيين كننده ي سرعت رو بر عهده داره و هر چه سرعت دوراني موتور بالا مي ره ، اين ژنراتور هم ولتاژ بالاتري توليد مي كنه و در نتيجه با اندازه گيري ولتاژ خروجي تاكومتر مي تونيم سرعت دوران رو محاسبه كنيم . تاكومترها حسگرهاي آنالوگ هستند ، در كنار اين حسگرها ، حسگرهاي ديجيتال ديگري هم وجود دارد كه اساس كار اونها بدين ترتيب هستش كه اين حسگرها در ساختارشون از يك چرخ دندانه دار كه دندانه هاش آهنرباي دائم هستند بهره مي بره . و يك سيم پيچ در مجاورت اين چرخ قرار داره كه با چرخش اين چرخ دندانه داركه با محور خروجي موتور در ارتباطه پالس هايي رو در سيم پيچ توليد مي كنه كه ما مي تونيم با توجه به فركانس سيگنال توليد شده ، سرعت دوراني موتور رو محاسبه كنيم

تاکومتر(Tachometer)

برای اندازه گیری سرعت دورانی موتور به کار می رود و در واقع نوعی حسگر درونی یا فیدبک گیر محسوب می شود.

یک ژنراتورDC کوچک که درون تاکومتر جای دارد، نقش تعیین سرعت را برعهده دارد. هر چه سرعت دورانی موتور و در نتیجه تاکومتر بیشتر باشد، ژنراتور ولتاژ بالاتری تولید می کند. با اندازه گیری ولتاژ خروجی تاکومتر می توان سرعت دوران را محاسبه کرد

تاکومترهاي الکترومغناطيسي: (Electromagnetic Tachometer)

در تاکومتر الکترومغناطيسي ولتاژ DC يا AC حاصله در خروجي متناسب با سرعت شفت سيستم دوار مي‌باشد.

شفتي که توسط شيء در حال چرخش به منظور اندازه‌گيري سرعت آن به حرکت در آمده است. از اينجا به سه نوع از تاکومترهايي که در اين دسته قرار مي‌گيرند اشاره مي‌کنيم و هرکدام را به صورت مجرا مورد بررسي قرار خواهيم داد.

نوع اول- تاکومتر با خروجي DC:

از يک استاتور تشکيل شده که شامل چندين مغناطيس دائم مي‌باشد. همچنين از يک روتور چرخنده تشکيل شده و خلاصه خصوصيات يک ماشين DC را به صورت کامل دارد. سرعت نيز متناسب با ولتاژ حاصله در تاکومتر مي‌باشد.

نوع دوم- تاکومترهاي با روتور مغناطيس دائم:

در اين نوع از تاکومترها روتور که مي چرخد مغناطيس دائم متصل به روتور يک ميدان مغناطيسي AC در فضاي استاتور و سيم‌پيچ به وجود مي‌آيد.

. بنابراين ولتاژي که بر روي سيم‌پيچ استاتور در اثر قطع خطوط مغناطيسي حاصل مي‌شود متناسب با سرعت چرخش روتور مي‌باشد.

نوع سوم- تاکومترهاي القاي AC:

استاتور اين تاکومترها شامل دو سيم پيچ در اطراف پلها مي باشد. بر روي يکي از آنها ولتاژ متناوب قرار مي گيرد و بر روي ديگري ولتاژ متناوب القاء مي شود.

هنگامي که روتور در ماشين شروع به چرخش مي کند شار مغناطيسي بر روي سيم پيچ دوم و متعاقب آن ولتاژ القايي بر روي آن تغيير مي کند.

فلذا با بررسي دقيق تأثير نحوه قرار گرفتن روتور در تغيير ضريب القايي بر روي سيم پيچ دوم مي توان موقعيت و حتي سرعت چرخش روتور و متعاقب آن شيء متحرک را محاسبه نمود.

البته سنسورهاي روتور دنده‌اي هم از خواص مغناطيسي استفاده مي‌كنند ولي ما به دليل اهميت بالاي آنها، در فصلي جداگانه به بررسي آنها پرداخته‌ايم.

همانطور كه در ادامه خواهيد ديد، اغلب سنسورهاي سرعت چرخشي كه به شيء چرخنده وصل مي‌شوند (contact) اين دسته از سنسورها و سنسورهاي روتور دنده‌اي تشكيل مي‌دهند.

تاکومتر سويچي:(Switch Tachometer):

اساس اين تاکومتر را باز و بسته شدن متناوب کنتاکتهاي الکتريکي تشکيل مي‌دهد. اين کار توسط يک زائده و يا يک صفحه که از خاصيت گريز از مرکز استفاده مي‌کند در اتصال به روتور انجام مي‌شود. تعداد بسته شدن کانتکتي که با زائده روي روتور در ارتباط است متناسب با سرعت چرخشي روتور و شيء متحرک مي‌باشد.

تاكومتر كرنشي: (Strain Gage Tachometers)

اين نوع تاکومتر از يک ميله تشکيل شده که دو طرف آن را strain gage هايي احاطه کرده‌اند. اين ميله در تماس با روتور است.

اين تماس از طريق يک زائده بر روي روتور و يا يک صفحه که از خاصيت گريز از مرکز استفاده مي کند با روتور برقرار مي شود.

تعداد خم شدنهاي ميله مرتبط با gage ها در هر بار تماس غير مستقيم با روتور سبب تغيير مقاومت آنها مي شود. با سنس کردن تعداد دفعات تغيير مقاومت مي تواند بيانگر سرعت چرخشي روتور و يا شيء متحرک باشد.

و ايده‌هاي ديگري نظير تاكومترهاي اثر گريز از مركز كه از اين اثر براي اندازه‌گيري سرعت اجسام اندازه‌گيري مي‌كند و يا تاكومترهايي كه از اثر خازني به منظور سنجش سرعت استفاده مي‌كنند به گونه‌اي كه با چرخش جسم مربوطه در ظرفيت خازني تغييراتي ايجاد مي‌شود و ..

تاکومتر مغناطيسي روتور دندانهاي:(Toothed Rotor Magnetic Tachometer)

اين تاکومتر ازيک ماده فرومغناطيس نرم تشکيل شده است.يک روتور با ماده مغناطيسي که باعث مي شود در مدار مغناطيسي که در شکل ملاحظه مي کنيد شار مغناطيسي برقرار گردد. مدار مغناطيسي شامليک روتور مغناطيسي، مغناطيس دائم، مواد رساناي شار مغناطيسي و سيمپيچ ميباشد.

ولتاژي که در سيم پيچ القاء ميشود متناسب با جايگاه روتور تغيير خواهد کرد. در اثر حرکت روتور دندانهدار متناوباً شار مغناطيسي کم و زياد ميشود. با شمارش تعداد کم و زياد شدن ولتاژ در سيم پيچ در اثر تغيير رلوکتانس و در نظر گرفتن تعداد دندانه هاي روتور ميتوان سرعت روتور و شيء متحرک را اندازهگيري کرد.

در شكلهاي زير به ترتيب شكل داخلي خود سنسور، شكل عمومي قرار گرفتن دندانه‌هاي روي روتور و شكل سيگنال خروجي به ازاي قرار گرفتن دندانه‌هاي روتور به فرمهاي مختلف آمده است.

تاكومتر نوري يا ليزري:

اين روش در عين سادگي از كاربرد زيادي در بازار كار برخوردار است. در اين نوع از سنسور نور بر روي يك نقطه خاص از روتور كه در حال حركت است، فوكوس كرده و همچنين حساسه‌هاي نوري نيز بر روي روتور قرار دارد كه در هر دور زدن يك بار نور را سنس مي‌كند. با در نظر گرفتن اين دور زدنها در بازه زماني مي‌توان سرعت جسم چرخنده را بدست آورد.

پتانسیومترها

پتانسیومترها همانند انکودرها برای فیدبک گیری از قسمت های محرک روبات به کار می روند. پتانسیومتر در واقع یک مقاومت متغیر است که با چرخ محور آن در انواع دورانی و یا با حرکت خطی بازوی آن در انواع کشویی، مقاومت میان دو پایانه اش تغییر می کند.

شتاب سنج (elerometer)

یکی از حسگرهای الکترومکانیکی پر اهمیت شتاب سنج است.

یکی از دلایلی که این حسگر اهمیت فراوان دارد، آن است که با انتگرال گیری از سیگنال خروجی شتاب سنج، می توان سرعت و مکان را نیز محاسبه نمود. به این خاطر شتاب سنج ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

ساختار درونی این حسگر از یک وزنه ی کوچک تشکیل شده که به یک فنر متصل است. هرگاه شتاب سنج حرکت شتاب دار داشته باشد، فنر متناسب با مقدار شتاب کشیده می شود و یک حسگر دیگر که می تواند از نوع خازنی، پیزوالکتریک و یا... باشد میزان وزنه و کشیدگی فنر را اندازه گیری می کند.

امروزه این حسگر در قالب یک آی سی کوچک تولید می شود که سیستم های لازم به صورت درونی در آن پیاده سازی شده اند.

خروجی این تراشه ها برخلاف انواع الکترومکانیکی، دیجیتالی است. از انواع آن می توان ADXL 202، ADXL 210 و ADXL250 را نام برد.

ژیروسکوپ

ژیروسکوپ وسیله ای است که برای آشکار سازی حرکت زاویه ای دورانی مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی از نمونه های ساده ژیروسکوپ فرفره است. اگر توجه کنید یک فرفره ی ساکن به خودی خود تعادلش را از دست می دهد اما یک فرفره ی چرخان تا هنگامی که می چرخد، تعادلش را حفظ می کند و محورش حول خط عمود یک حرکت تقدیمی آرام را طی می کند.

نیروهای کوریولیس این رویداد را توجیه می کنند. اساساً 1-2) خواص ژيروسكوپ

خاصيت صلبيت ژيروسكوپ:

ژيروسكوپ همانگونه كه اشاره شد از خاصيت صلبيت استفاده مي كند، طبق قانون دوم نيوتن كه مي گويد، مجموعه گشتاورهاي خارجي وارد بر سيستم دوار حول يك نقطه مانند 0 برابر است با تغييرات زماني اندازه حركت زاويه اي سيستم حول همان نقطه، لذا چون اندازه حركت زاويه اي سيستم برابر صفر است، مقدار و جهت بردار اندازه حركت زاويه اي ژيروسكوپ در فضاي اينرسي ثابت مي ماند.

حركت تقديي:

چنانچه گشتاوري مانند M در راستايي غير از راستاي بردار ممنتوم زاويه اي به روتور اعمال شود، محور چرخش در راستاي برداري عمود بر صفحه بردار گشتاور خارجي و ممنتوم زوايه اي دوران خواهد كرد.

جهت دوران به اين صورت است كه بردار ممنتوم زوايه اي همواره با طي زاويه كوچكتر به طرف بردار گشتاور خارجي بچرخد، لذا وقتي چرخ دوچرخه را به صورت عمود همانطور كه در فيلم مشخص است مي چرخانيم نيروي وارد شده به آن طرف زمين موج چرخش دوچرخه دور خود مي شود

انواع حركتهاي متحرك در فضا

هر متحرك در فضا 6 درجه آزادي دارد كه 3 حركت خطي و 3 حركت دوراني است براي مشخص نمودن حركت دوراني متحرك در فضا از 3 محور عمود بر هم استفاده مي شود كه عبارتند از: محور رول يا محور طول، محور پيچ يا محور عرضي و محور ياو.

محور رول

محور طولي يا محور جلو – عقب را محور رول مي نامند و حركت رول يعني دوران متحرك حول محور طولي خودش.

محور پيچ

محور عرضي يا جنبي را محور پيچ گويند. و حركت پيچ دوران متحرك حول محور عرضي خودش است كه محوري افقي است و عمود بر محور طولي مي باشد.

محور ياو

محور عمود بر دو محور ياو و پيچ است و دوران متحرك حول اين محور قائم را دوران ياو گويند.

XY صفحه ZX صفحه YZ صفحه حرکت it yaws it pitches it rollsزاويه the heading the pitch attitude the bank attitude

سيستم ناوبري اينرسي

اين سيستم مجموعه ي است از 3 ژيروسکوپ يک درجه آزادي و يا 2 ژيروسکوپ دو درجه آزادي و 3 شتاب سنج که جهت يجاد محور مختصات ينرسي و بدست آوردن سرعت و شتاب زاويه ي استفاده مي شود. نمي کلي و بلوک دياگرام آن در شکل هي پيين موجود است:

موتور الكتريكي

در ژيروسكوپ ها معمولا از موتور الكتريكي استفاده مي شود چرا كه نياز به سرعت بسيار بالا در ابعاد كوچك است، معمولا در اين موتور براي ايجاد ممنتوم بيشتر، روتور خارج استاتور قرار مي گيرد.

محرك نخي يا تسمه اي

در موشكها و مواردي كه در مدت زمان كوتاهي نياز است استفاده مي شود با كشيدن نخ يا تسمه روتور شروع به چرخش مي نمايد،

اين محرك در موشكهاي برد كوتاه كاربرد دارد. از محرك نخي در موشك كبري و از محرك تسمه اي در موشك ماليوتكا استفاده مي شود.

گاز تحت فشار

با دميدن گاز در پرده هاي روتور، روتور با سرعت زيادي به چرخش در مي آيد، در موشك تاو استفاده شده است.

فنر

از فنر نيز جهت حركت محرك استفاده مي شود، در بعضي از موارد براي رسيدن به سرعت بسيار بالا در زمان كم از تركيب فنر و موتور الكتريكي استفاده مي شود.

انواع ژيروسكوپ

به دليل دقت و حساسيت كار معمولا از ژيروسكوپ با 3 درجه آزادي استفاده نمي شود از 3 ژيروسكوپ با يك درجه ازادي يا 2 ژيروسكوپ 2 درجه ازادي استفاده مي شود.

ژيروسكوپ يك درجه آزادي

در اين ژيروسكوپ روتور بجز حركت حول محور چرخش تنها حول يك محور ديگر مي تواند چرخش كند. در امتداد يك محور كه طوقه داخلي باشد اين حركت امكان پذير است، اين ژيروسكوپ چرخش تنها در يك محور را حس مي كند.

ژيروسكوپ سرعتي

در اين ژيروسكوپ عامل برگشت طوقه مجموعه دوار به وضعيت اوليه يک عنصر الاستيک مانند فنر است

ژيروسكوپ انتگرالي

در اين ژيروسكوپ عامل برگشت طوقه مجموعه دوار به وضعيت اوليه دمپينگ سيال با لزجت بالا است

ژيروسكوپ دو درجه آزادي

اين ژيروسكوپ علاوه بر محور چرخش روتور داراي دو محور دوران ديگر نيز مي باشد كه توسط دو طوقه معلق دروني و بيروني فراهم شده است. و حالت عادي محور چرخش و اين دو محور بر هم عمودند.

تكيه گاه طوقه داخلي در طوقه خارجي قراردارد. و طوقه خارجي نيز تكيه گاهي در بدنه ژيروسكوپ دارد و مي تواند داخل آن حركت دوراني انجام دهد.

انواع ژيروسكوپ از نظر اتصال

ژيروسكوپ متصل به بدنه

در اين نوع ژيروسكوپ به بدنه متصل مي گردد و با بدنه حرکت مي کند

ژيروسكوپ با پيه ثابت

در اين نوع ژيروسكوپ به بدنه متصل نمي گردد و بر روي يک صفحه که حرکتهي بدنه را معکوس شبيه سازي مي کند نصب مي گردد و لذا هميشه موقعيت ثابت دارد. بسيار گران قيمت و دقيق است

سه نوع ژیروسکوپ وجود دارد:

ژیروسکوپ چرخان:

: ژیروسکوپ چرخان قدیمی ترین نوع ژیروسکوپ است. این وسیله از یک دیسک دایره ای تشکیل شده است که حول محور خاصی در حال دوران است. محور دیسک در ساختار به خصوصی مستقر شده و می تواند آزادانه تغییر جهت دهد.

حال اگر قاب ژیروسکوپ حرکت کند، محور دیسک چرخان همواره جهت خود را حفظ می کند و بنابراین براساس آن می توان جهت یابی نمود مانند قطب نما. ژیروسکوپ های چرخان در گذشته در صنایع نظامی به کار گرفته می شدند اما به علت حجیم بودن و مشکلاتی اعم از لزوم روغن کاری، به مرور زمان جای خود را به ژیروسکوپ های الکترونیکی دادند.

ژیروسکوپ نوری:

در این نوع ژیروسکوپ یک باریکه ی لیزر درون یک محیط بسته که از داخل با آیِنه های خاصی پوشانده شده است یک مسیر حلقوی را با بازتاب های پی در پی بارها و بارها طی می کند و در نهایت توسط یک گیرنده دریافت می شود.

حال اگر بدنه ی محیط بسته دوران داشته باشد، باریکه ی لیزر در مسیر خود نسبت به محیط بسته اندکی منحرف می شود و گیرنده میزان این انحراف را اندازه گیری می کند. بر اساس اندازه گیری می توان میزان دوران نسبت به حالت اولیه را محاسبه کرد.

ژِیروسکوپ ارتعاشی:

هرگاه یک جسم مرتعش دوران داشته باشد. نیروهای کوریولیس موجب ایجاد یک نوسان ثانویه در جهتی عمود بر جهت نوسان اصلی می شوند. با اندازه گیری نوسانات ایجاد شده می توان میزان سرعت دورانی و در نتیجه میزان تغییر جهت نسبت به حالت اولیه را محاسبه نمود.

. برای ایجاد نوسان اولیه و اندازه گیری نوسان ثانویه از اثر پیزوالکتریک استفاده می شود. به همین علت ژیروسکوپ های ارتعاشی غالباً ژیروسکوپ های سرامیکی، پیزو و یا کوارتز نامیده می شوند. ژیروسکوپ های ارتعاشی عموماً ارزان و دقیق هستند و به همین علت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

ژيروسكوپهاي نوري

كه در اين نوع از ژيروسكوپ ها يك باريكه ليزر درون يك محيط بسته كه از داخل با آينه هاي خاصي پوشانده شده يك مسير حلقوي رو با بازتابهاي پي در پي بارها و بارها طي مي كنه و در نهايت توسط يك گيرنده دريافت مي شه . حالا اگه بدنه ي محيط بسته دوران داشته باشه ، باريكه ي ليزر در مسير خودش نسبت به محيط بسته اندكي منحرف مي شه و گيرنده ميزان اين انحراف رو اندازه گيري مي كنه . كه بر اساس اين اندازه گيري ميشه ميزان دوران نسبت به حالت اوليه رو محاسبه كرد .

ژيروسكوپ هاي ارتعاشي

هستند كه زمانيكه يك جسم مرتعش دوران داشته باشه نيروهاي كوريوليس موجب ايجاد يك نوسان ثانويه در جهتي عمود بر جهت نوسان اصلي مي شه و با اندازه گيري نوسانات ايجاد شده مي توان ميزان سرعت دوراني و در نتيجه ميزان تغييرات جهت نسبت به حالت اوليه رو محاسبه كرد .

براي ايجاد نوسان اوليه و اندازه گيري نوسان ثانويه غالبا از اثر پيزو الكتريك استفاده مي شه و به همين علت هم ژيروسكوپهاي ارتعاشي غالبا ژيروسكوپ هاي سراميكي ، پيزو و يا كوآرتز ناميده مي شوند .

اين نوع ژيروسكوپ ها عموما ارزان ودقيق هستند و به همين علت هم مورد كاربرد بيش تري دارند .

نظرات شما عزیزان: