ژیروسکوپ چیست؟

 

ژیروسکوپ، یا ژیرو، وسیله‌ای برای اندازه‌گیری یا حفظ حرکت دورانی است. ژیروسکوپ‌های MEMS، سیستم الکترومکانیکی، حسگر‌های کوچک و ارزانی هستند که سرعت زاویه‌ای را اندازه می‌گیرند. واحد سرعت زاویه‌ای اندازه‌گیری شده درجه بر ثانیه (S⁄°) یا دوران بر ثانیه (RPS) است. سرعت زاویه ای، اندازه‌گیری سرعت چرخش است.

ژیروسکوپ‌ها می‌توانند برای تعیین جهت استفاده‌شوند و در بسیاری از سیستم‌های مستقل ناوبری وجود دارند. برای مثال، اگر شما بخواهید که تعادل یک ربات را حفظ کنید، یک ژیروسکوپ می­تواند برای اندازه­‌گیری میزان چرخش از موقعیت تعادل استفاده شود و دستورات اصلاحی را به یک موتور ارسال کند.

ژیروسکوپ معادل فارسی واژه­‌ی Gyroscope در زبان انگلیسی که به اختصار Gyro نیز گفته می­‌شود.

MEMS مختصر شده­ی عبارت Micro-Electro-Mechanical Systems در زبان انگلیسی و به معنای سیستم­‌های الکترومکانیکی در ابعاد میکرومتر است.

نحوه­ ی عملکرد ژیروسکوپ

زمانی­که اشیا به دور یک محور می­چرخند اصطلاحا سرعت زاویه‌­ای دارند. یک چرخ در حال گردش می­تواند بر حسب تعداد دور بر ثانیه (RPS) یا درجه بر ثانیه (S⁄°) اندازه‌­گیری شود.

توجه کنید که محور z. ژیروسکوپی شکل پایین همراستا با محور گردش چرخ در شکل بالاست.



اگر شما حسگر را به چرخ نشان داده در بالا متصل کنید، می­توانید سرعت زاو­یه ­ای در راستای محور z. ژیروسکوپ را اندازه­ گیری کنید. در راستای دو محور دیگر هیچ چرخشی اندازه ­گیری نخواهد شد.

فرض کنید که چرخ یک بار در ثانیه به دور خود بچرخد. آن گاه سرعت زاویه ­ای برابر با ۳۶۰ درجه بر ثانیه خوهد داشت. جهت چرخش چرخ نیز مهم است. چرخش حول محور در جهت حرکت عقربه­‌های ساعت است یا بر خلاف آن؟

یک ژیروسکوپی سه محوره ­ی MEMS، مانند نمونه­‌ی موجود در شکل بالا (ITG-۳۲۰۰)، می­تواند چرخش حول سه محور x، y. و z. را اندازه بگیرد. برخی ژیروسکوپ‌ها در مدل­‌های تک­ محوره یا دو­محوره تولید می­شوند، اما ژیروسکوپ‌های سه محوره در یک تراشه به سمت کوچک­تر شدن (از نظر ابعاد)، ارزان­تر شدن و رایج­تر شدن پیش می­روند.

ژیروسکوپ‌ها اغلب برای اشیایی که با سرعت­های بسیار زیاد نمی­چرخند، استفاده می­شوند. هواپیما‌ها (با احتمال خوبی) به دور خود نمی­چرخند. در عوض آن­ها فقط در حد چند درجه حول هر محور چرخش دارند. با شناسیایی این تغییرات اندک، ژیروسکوپ‌ها به پروازِ با ثباتِ هواپیما کمک می­کنند. همچنین دقت کنید که شتاب یا سرعت خطی هواپیما تاثیری بر اندازه­ گیری­های ژیروسکوپ ندارد. ژیروسکوپ تنها سرعت زاویه ­ای را می­ سنجد.

چگونه ژیروسکوپ‌های MEMS سرعت زاویه­ای را تشخیص می­دهند؟


حسگر ژیروسکوپی درون MEMS بسیار کوچک است. (بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر، به اندازه­‌ی یک تار موی انسان) وقتی که ژیروسکوپ می­چرخد، یک جرم نوسان­گر با تغییرات سرعت زاویه­ای جابجا می ­شود. این جابجایی به سیگنال­‌های جریان الکتریکی با اندازه­‌ی بسیار کم تبدیل می­شود که می­تواند تقویت شده و با یک میکروکنترلر خوانده شود.

نحوه­ ی ارتباط با ژیروسکوپ

اتصالات سخت ­افزاری اصلی برای استفاده از ژیروسکوپ، تغذیه و یک واسط ارتباطی است. مثل همیشه، برای یافتن همه­‌ی اطلاعات در مورد جزئیات و همچنین مثال­هایی از ارتباط­ها باید به برگه­‌ی اطلاعاتی (دیتاشیت) حسگر مراجعه کرد.

واسط ارتباطی

حسگر‌ها می­توانند واسط ارتباطی از نوع دیجیتال یا آنالوگ داشته باشند.

ژیروسکوپ‌هایی با واسط دیجیتال عموماً یکی از پروتکل­‌های SPI یا I۲C را مورد استفاده قرارمی­دهند. استفاده از این واسط ­ها امکان ارتباط ساده با یک میکروکنترلر را فراهم می­کند. یکی از محدودیت­‌های واسط دیجیتال، حداکثر نرخ ارسال اطلاعات است. I۲C حداکثر نرخی برابر با ۴۰۰ هرتز دارد. درعوض SPI می­تواند نرخ ارسال اطلاعات به مراتب بالاتری را ارایه دهد.

ژیروسکوپ‌های با واسط آنالوگ سرعت زاویه­‌ای را با یک ولتاژ متغیر، که عموما مقدارش بین زمینِ مدار (۰ ولت) و ولتاژ تغدیه تغییر می­کند، نمایش می­دهند. یک مبدل آنالوگ به دیجیتال درون یک میکروکنترلر می­تواند برای خواندن این سیگنال استفاده شود. ژیروسکوپ‌های آنالوگ بسته به اینکه شما چطور سیگنال آنالوگ را می­خوانید، می­توانند ارزان­تر و گاهی اوقات دقیق­تر باشند.

ژیروسکوپ‌های MEMS به طور کلی قطعات کم ­مصرفی از نظر توان هستند. جریان مصرفی­شان در محدوده ­ی میلی­ آمپر و گاهی اوقات میکروآمپر است. ولتاژ تغذیه ­ی ژیروسکوپ‌ها معمولا ۵ ولت یا کمتر است. ژیروسکوپ‌های دیجیتال می­توانند سطح ولتاژ منطقیِ قابل انتخاب داشته باشند یا اینکه با سطح ولتاژ تغذیه کار کنند. برای هر واسط دیجیتال باید به یاد داشته ­باشید که خطوط ۵ ولت را به ۵ ولت و خطوط ۳.۳ ولت را به ۳.۳ ولت متصل کنید. همچنین ژیروسکوپ‌های با واسط دیجیتالی می­توانند حالت کم مصرف یا خواب داشته باشند که به آن­ها اجازه می­دهد در کاربرد‌های تغذیه­ شونده با باتری، مورد استفاده قرار گیرند. گاهی اوقات این یک مزیت نسبت به ژیروسکوپ آنالوگ است.

شیوه­‌ی انتخاب یک ژیروسکوپ

برای پی بردن به اینکه از چه نوع ژیروسکوپی باید استفاده شود جزئیات بسیار زیادی باید مدّ نظر قرار گیرد. در اینجا تعدادی از مهمترین جزئیات به دردبخور ذکر شده­اند:

محدوده­‌ی اندازه‌­گیری

محدوده‌­ی اندازه‌­گیری یا حداکثر محدوده، بیشترین سرعت زاویه ­ای است که ژیروسکوپ می­تواند اندازه بگیرد. در مورد اینکه چه چیزی را دارید اندازه می­گیرید فکر کنید. آیا نیاز به اندازه­ گیریِ سرعت چرخش یک گرامافون را دارید که بسیار کند است، یا یک چرخ در حال گردش که می­تواند بسیار سریع باشد؟

حساسیت سنسور

حساسیت بر حسب میلی­ ولت بر درجه بر ثانیه اندازه ­گیری می­ شود. اجازه ندهید که یکای این کمیت شما را بترساند. این مقدار تعیین می­کند که برای یک سرعت زاویه ­ای مشخص ولتاژ به چه اندازه تغییر می­کند. برای مثال، اگر حساسیت یک ژیروسکوپ ۳۰ باشد و شما ۳۰۰ تغییر ولتاژ را در خروجی ببینید، یعنی ژیروسکوپ را با نرخ ۱۰ چرخانده­اید.

یک قاعده که خوب است به ذهن بسپارید: با افزایش حساسیت، محدوده اندازه ­گیری کاهش می­یابد.

خطای سنسور

مانند هر حسگر دیگری، مقادیری که اندازه می­گیرید حاوی مقداری خطا خواهند بود. شما می­توانید خطای ژیروسکوپ را هنگامی که ساکن است با اندازه­گیری خروجی­اش ببینید. با وجود اینکه تصور می­کنید که در حالت سکون ۰ درجه را ببینید، اما همیشه مقدار کوچکِ غیرصفری را به عنوان خطا خواهید دید. این خطا‌ها گاهی­ اوقات خطای انحرافی یا خطای بی‌ثباتی نامیده می‌­شوند. دمای حسگر تاثیر بسزایی بر میزان خطای آن دارد. برای کم کردن منشا این خطا، اکثر ژیروسکوپ‌ها یک حسگر دمای داخلی دارند؛ بنابراین شما می­توانید دمای حسگر را خوانده و تغییرات وابسته به دما را اصلاح کنید. به منظور اصلاح این خطا‌ها ژیروسکوپ باید کالیبره شود. این کار معمولا با ساکن نگه داشتن ژیروسکوپ و صفر کردن همه­‌ی مقادیر خوانده ­شده در کد برنامه‌­تان صورت می‌­گیرد.