سنسور ژیروسکوپ چیست؟ | انواع، عملکرد و کاربردها

سنسورهای حرکتی که حرکت افراد و اشیا را تشخیص می‌دهند، از جمله فناوری‌های بسیار کاربردی و مفید هستند. سنسور‌ژیروسکوپ یکی از انواع سنسورهای سنجش حرکت است. این سنسورها قادر به تشخیص حرکاتی هستند که تشخیص آن‌ها برای انسان دشوار است، مانند چرخش و تغییر جهت. در این مطلب، با سنسورژیروسکوپ و انواع آن آشنا می‌شویم و اصول عملکرد آن را بیان می‌کنیم.

سنسور ژیروسکوپ چیست؟ 

سنسورژیروسکوپ (Gyroscope Sensor) قطعه‌ای است که جهت‌گیری و سرعت زاویه‌ای یک جسم را اندازه‌گیری می‌کند. اصطلاح «ژیروسکوپ» (Gyroscope) از کلمات یونانی “gyro” (دایره) و “skopein” (دیدن) گرفته شده است. سنسور ژیروسکوپ سرعت چرخش حول یک محور خاص را تشخیص و داده‌هایی را ارائه می‌دهد که می‌توان از آن برای کنترل یا تثبیت جهت یک جسم استفاده کرد. این فناوری در کاربردهایی که نیاز به اندازه‌گیری دقیق و کنترل حرکت دارند ضروری است. سنسور ژیروسکوپ با نام‌ سنسور سرعت زاویه‌ای نیز شناخته می‌شود. این سنسور از یک صفحه و یک محور چرخش تشکیل شده است که دومی جهت‌گیری دستگاه را نشان می‌دهد.

شکل ۱: سنسور ژیروسکوپ

اصول عملکرد سنسور ژیروسکوپ

سنسور ژیروسکوپ دارای یک دیسک چرخان است که روی پایه نصب شده است تا بتواند آزادانه در بیش از یک جهت حرکت کند تا بدون توجه به حرکت در پایه، جهت آن حفظ شود. شکل زیر بخش‌های مختلف یک ژیروسکوپ را نشان می‌دهد.

شکل ۲: بخش‌های سنسور ژیروسکوپ

ژیروسکوپ از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:

• محور چرخش
• گیمبال
• روتور
• قاب 

برای درک بهتر عملکرد سنسور ژیروسکوپ، می‌توانیم آن را به عنوان یک روتور فرض کنیم که روی حلقه‌های نگهدارنده‌ای به نام گیمبال مستقر سده است. روتور مرکزی با کمک بلبرینگ‌های بدون اصطکاک گیمبال‌ها از گشتاورهای خارجی جدا می‌شود. محور چرخش توسط محور چرخان تعریف می‌شود. روتور دارای پایداری بسیار مطلوبی در سرعت‌های بالا است، زیرا محور چرخش با سرعت بالا را حفظ می‌کند. روتور قابلیت چرخش با سه درجه آزادی دارد.

کار ژیروسکوپ بر اساس گرانش است. در واقع، عملکرد ژیروسکوپ به عنوان حاصل تکانه زاویه‌ای توضیح داده می‌شود که توسط گشتاور روی یک دیسک برای ایجاد یک حرکت ژیروسکوپی در چرخ تجربه می‌شود. این فرایند حرکت ژیروسکوپی یا نیروی ژیروسکوپی نامیده می‌شود و به عنوان تمایل یک جسم دوار برای حفظ جهت خود تعریف می‌شود.

می‌دانیم که جسم در حال چرخش دارای تکانه زاویه‌ای است که باید حفظ شود. دلیل این امر آن است که وقتی هر تغییری در محور چرخش ایجاد می‌شود، تغییری در جهت به وجود می‌آید که تکانه زاویه‌ای را تغییر می‌دهد؛ بنابراین، می‌توان گفت که اصول عملکرد ژیروسکوپ بر اساس حفظ تکانه زاویه‌ای است.

انواع سنسور ژیروسکوپ

انواع مختلفی از سنسورهای ژیروسکوپ وجود دارد که هر کدام برای کاربردهای خاص و دقت‌های متفاوتی طراحی شده‌‌اند. در ادامه، به این انواع می‌پردازیم.

ژیروسکوپ مکانیکی

سنسورهای ژیروسکوپ مکانیکی (Mechanical Gyroscope) سنتی از یک روتور چرخان برای تشخیص تغییرات جهت‌گیری بر اساس اصول حرکت زاویه‌ای استفاده می‌کنند. روتور که بر روی گیمبال‌ها (لرزش‌گیرها) نصب شده است، نسبت به محور چرخشی ثابت می‌ماند در حالی که چارچوب اطراف حرکت می‌کند.

شکل ۳: ژیروسکوپ مکانیکی

سنسور ژیروسکوپ مکانیکی در هوانوردی و ناوبری دریایی برای پایداری و کنترل جهت‌گیری استفاده می‌شود. این ژیروسکوپ‌ها در تضمین پایداری کشتی‌ها و هواپیماها با ارائه اطلاعات جهت دقیق بسیار مهم هستند. برای مثال، در یک هواپیما، ژیروسکوپ‌های مکانیکی بخشی از سیستم نشانگر هستند و به خلبانان کمک می‌کنند جهت‌گیری صحیح هواپیما را حفظ کنند، به خصوص زمانی که مراجع بصری در دسترس نیستند.

سنسور ژیروسکوپ ساختاری ارتعاشی (VSG)

ژیروسکوپ ساختاری ارتعاشی (Vibrating Structure Gyroscope) یا VSG از یک عنصر ارتعاشی برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌کند. تغییرات در جهت‌ باعث ایجاد تغییرات در الگوی ارتعاش می‌شود که توسط ژیروسکوپ شناسایی و اندازه‌گیری می‌شود. این سنسورها نسبت به ژیروسکوپ‌های مکانیکی کوچک‌تر و قوی‌تر هستند.

شکل ۴: سنسور ژیروسکوپ VSG

سنسور VSG معمولاً در کاربردهای خودروسازی و صنعتی برای کنترل پایداری استفاده می‌شود. این سنسورها به ارائه داده‌های بلادرنگ برای سیستم‌هایی که نیاز به فیدبک سریع و دقیق تغییرات جهت دارند کمک می‌کنند. برای مثال، در خودروهای مدرن، VSGها بخشی از سیستم‌های کنترل پایداری الکترونیکی (ESC) هستند که به حفظ پایداری خودرو در طول مانورهای ناگهانی یا شرایط جاده لغزنده کمک می‌کنند.

سنسور ژیروسکوپ سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS)

ژیروسکوپ‌های سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (Microelectromechanical Systems) یا MEMS از عناصر مکانیکی ریز که در سیلیکون حک شده‌اند برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌کنند. این سنسورها جمع و جور و مقرون به صرفه هستند و در لوازم الکترونیکی مصرفی از آن‌ها استفاده زیادی می‌شود. فناوری MEMS امکان ادغام سنسور با مدارهای الکترونیکی را در یک اندازه کوچک فراهم می‌کند.

شکل ۵:‌ ژیروسکوپ MEMS

ژیروسکوپ‌های MEMS در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، کنترلرهای بازی و دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی به کار می‌روند. ژیروسکوپ‌های MEMS ویژگی‌هایی مانند چرخش صفحه، سنسور حرکت و واقعیت افزوده را ممکن می‌کنند. برای مثال، در یک گوشی هوشمند، ژیروسکوپ‌های MEMS جهت دستگاه را تشخیص می‌دهند و نمایشگر را مطابق با آن تنظیم می‌کنند و ویژگی‌هایی مانند چرخش خودکار و کنترل‌های بازی مبتنی بر حرکت را ممکن می‌کنند.

سنسور ژیروسکوپ نوری

ژیروسکوپ‌های نوری (Optical Gyroscopes) از تداخل نور برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌کنند. این سنسورها در بازه‌های طولانی بسیار دقیق و پایدار هستند که این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به پایداری و دقت در زمان طولانی دارند ایده‌آل می‌کند.

این سنسورها در صنعت هوافضا، صنایع دفاعی و سیستم‌های ناوبری دقیق استفاده می‌شوند. ژیروسکوپ‌های نوری در سیستم‌هایی که حداقل رانش و دقت بالا ضروری است بسیار مهم هستند. برای مثال، در فضاپیماها، ژیروسکوپ‌های نوری به حفظ جهت دقیق مورد نیاز برای ناوبری و مشاهدات علمی کمک می‌کنند و اطمینان می‌دهند که فضاپیما به‌طور صحیح در مأموریت‌های طولانی تراز می‌ماند.

کاربردهای سنسور ژیروسکوپ

سنسورهای ژیروسکوپ در بسیاری از صنایع مختلف استفاده می‌شوند. در ادامه، چند نمونه از آن‌ها را مرور می‌کنیم. 

لوازم الکترونیکی

سنسورهای ژیروسکوپ در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و کنترل‌کننده‌های بازی گنجانده شده‌اند و با شناسایی و پاسخ به جهت‌گیری دستگاه، تجربه کاربر را بهبود می‌دهند. برای مثال، در گوشی‌های هوشمند، سنسورهای ژیروسکوپ ویژگی‌هایی مانند چرخش صفحه، واقعیت افزوده (AR)، و بازی‌های مبتنی بر حرکت را فعال می‌کنند. هنگامی که تلفن خود را تکان می‌دهید، سنسور تغییر جهت را تشخیص می‌دهد و نمایشگر را متناسب با آن تنظیم می‌کند. همچنین، سنسورهای ژیروسکوپ در کنترلرهای بازی، بازخورد لحظه‌ای جهت‌گیری کنترلر را ارائه می‌دهند و کنترل حرکتی بصری را در بازی‌ها امکان‌پذیر می‌کنند. این فناوری با اجازه دادن به بازیکنان برای تعامل طبیعی با محیط بازی، تجربه بازی را بهبود می‌بخشد.

صنعت خودرو

سنسورهای ژیروسکوپ نقش مهمی در سیستم‌های کنترل پایداری خودرو، ناوبری و رانندگی دارند. برای مثال، در خودروها، سنسورهای ژیروسکوپ با تشخیص لغزش و اعمال خودکار ترمز روی چرخ‌های خاص برای حفظ کنترل، به پایداری کمک می‌کنند. این سنسورها، همچنین در سیستم‌های پیشرفته کمک راننده (ADAS) برای افزایش ایمنی و ناوبری استفاده می‌شوند. در وسایل نقلیه خودران، سنسورهای ژیروسکوپ داده‌های حیاتی را برای سیستم‌های ناوبری فراهم و به خودرو کمک می‌کنند مسیر مورد نظر خود را حفظ کند و چرخش‌های دقیقی را انجام دهد. این سنسورها در ارتباط با سنسورهای دیگر کار می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که وسیله نقلیه به طور دقیق به تغییرات محیط پاسخ می‌دهد.

هوافضا و صنایع دفاعی

از سنسورهای ژیروسکوپ دقیق در هواپیما، موشک و فضاپیما برای ناوبری، پایداری و کنترل استفاده می‌شود. در هواپیما، سنسورهای ژیروسکوپ بخشی از سیستم ناوبری اینرسی (INS) هستند که داده‌های موقعیت و جهت‌گیری دقیق را فراهم می‌کنند که برای عملیات پرواز ایمن و دقیق ضروری است. در موشک‌ها، سنسورهای ژیروسکوپ با نظارت مستمر و تنظیم جهت موشک به حفظ مسیر صحیح کمک می‌کنند. در فضاپیماها از این سنسورها برای پایداری فضاپیما و اطمینان از تراز دقیق برای مشاهدات علمی استفاده می‌شود.

رباتیک

سنسورهای ژیروسکوپ به ربات‌ها کمک می‌کنند تعادل را حفظ کنند و مانورهای پیچیده را انجام دهند. برای مثال، در ربات‌های انسان‌نما، سنسورهای ژیروسکوپ جهت‌گیری ربات را فیدبک می‌دهند و به آن کمک می‌کنند تعادل خود را حفظ کرده و راه برود. این سنسورها همچنین در هواپیماهای بدون سرنشین برای پایداری و کنترل دقیق پرواز استفاده می‌شوند. سنسورهای ژیروسکوپ در پهپادها با تنظیم مداوم موقعیت پهپاد در پاسخ به تغییرات محیطی مانند باد، پرواز پایدار و دقیق را امکان‌پذیر می‌کنند. این پایداری برای کارهایی مانند عکاسی هوایی، نقشه‌برداری، و تحویل کالا که در آن جابه‌جایی ثابت و دقیق ضروری است، بسیار مهم است.

مراقبت‌های بهداشتی

از سنسور ژیروسکوپ در دستگاه‌های پزشکی برای نظارت بر حرکت بیمار و کمک به توانبخشی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در لوازم سلامت پوشیدنی (مانند دستبند هوشمند)، سنسورهای ژیروسکوپ حرکات فرد را ردیابی و به ارزیابی تحرک و تعادل در بیماران تحت فیزیوتراپی کمک می‌کنند. در فیزیوتراپی، سنسورهای ژیروسکوپ با ارائه داده‌هایی در مورد الگوهای حرکتی بیمار، به ردیابی پیشرفت بیمار کمک می‌کنند. این اطلاعات به درمانگران اجازه می‌دهد تا تمرینات توانبخشی را برای بهبود تعادل و هماهنگی انجام دهند. علاوه بر این، سنسور ژیروسکوپ در اندام‌های مصنوعی به تقلید حرکت طبیعی کمک می‌کند و کنترل بهتری را برای کاربر به ارمغان می‌آورد.

واقعیت مجازی و واقعیت افزوده

سنسورهای ژیروسکوپ با ردیابی دقیق سر و بدن، تجربه کاربر را در واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR) بهبود می‌بخشند. برای مثال، در هدست‌های واقعیت مجازی، سنسورهای ژیروسکوپ جهت سر کاربر را تشخیص می‌دهند و امکان ایجاد محیط‌های مجازی فراگیر را فراهم می‌کنند که به حرکات سر پاسخ می‌دهند. سنسورهای ژیروسکوپ در هدست‌های واقعیت مجازی با شتاب‌سنج‌ها برای ردیابی حرکات سر در همه جهات کار می‌کنند و تجربه‌ای یکپارچه و همه‌جانبه را برای کاربر به ارمغان می‌آورند. این ردیابی دقیق از بازی گرفته تا شبیه‌سازی‌های آموزشی که در آن تشخیص دقیق حرکت، واقع‌گرایی و اثربخشی را افزایش می‌دهد، ضروری است.

ورزش و تناسب اندام

سنسورهای ژیروسکوپ در ردیاب‌های تناسب اندام و تجهیزات ورزشی برای نظارت و تجزیه و تحلیل عملکرد ورزشی گنجانده شده‌اند. برای مثال، در ردیاب‌های تناسب اندام، سنسورهای ژیروسکوپ فعالیت‌های مختلفی مانند دویدن، دوچرخه‌سواری و شنا را اندازه‌گیری می‌کنند و بازخوردی را در مورد معیارهای عملکرد مانند سرعت، مسافت و فرم ارائه می‌دهند. ورزشکاران برای ردیابی حرکات و بهبود تکنیک‌های خود از دستگاه‌های مجهز به سنسور ژیروسکوپ استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، در گلف، سنسورها دینامیک چرخش را تجزیه‌وتحلیل می‌کنند تا به بازیکنان کمک کنند ضربات خود را برای عملکرد بهتر اصلاح کنند. در شنا، سنسورهای ژیروسکوپ کارایی ضربه و چرخش بدن را ردیابی می‌کنند و اطلاعات مفیدی را به ورزکار برای بهبود عملکرد ارائه می‌دهند.

چگونه سنسور ژیروسکوپ را انتخاب کنیم؟

در انتخاب سنسور ژیروسکوپ مناسب عوامل زیر را باید در نظر گرفت:

• محدوده: محدوده‌های کاری کوچک‌تر در مقیاس کامل به دلیل خروجی حساس‌تر، نتایج دقیق‌تری را ارائه می‌دهند؛ بنابراین، محدوده کاری را باید در نظر بگیرید تا بهترین انتخاب را داشته باشید.
• رابط: بسیاری از میکروکنترلرها برای تولید فرکانس ثابت به رابط‌های آنالوگ نیاز دارند. ادغام رابط‌های دیجیتال با میکروکنترلرها دشوار است. به همین دلیل، در نظر گرفتن این ویژگی برای انتخاب سنسور مهم است. 
• تعداد محورهای اندازه‌گیری: رایج‌ترین سنسورهای ژیروسکوپ سه‌محوره هستند که هزینه کمتری نسبت به ژیروسکوپ‌های دو یا یک‌محوره دارند.
• مصرف برق: مهم است که سنسور به گونه‌ای انتخاب شود که بر اساس مصرف انرژی باتری باشد و از مصرف بیش از حد برق اجتناب شود.
• ویژگی‌های خاص: برخی سنسورهای ژیروسکوپ شامل خروجی دما هستند.