Sensor Gyro จะทำหน้าที่วัดความเร็วเชิงมุม ก็คือโอเมก้าในวิชาฟิสิกส์ Gyroscope ได้กำเนิดขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1852 ครับ โดย นักวิทยาศาสตร์ ชาวฝรั่งเศษที่ชื่อ ฌอง โบนาปาต์ เลอง ฟูโกลต ( Leon Foucault) ได้คิดประดิษฐ์ ล้อที่ติดตั้ง อยู่ในวงแหวนที่หมุนได้ เมื่อหมุนล้อหรือโรเตอร์แล้วเจ้าล้อมันจะหมุนในทิศทางเดิมของมันในอากาศ โดยไม่ขึ้นกับการเอียงไปเอียงมาของกรอบหรือวงแหวนที่ล้อมรอบมัน ซึ่งเค้าได้ ตั้งชื่อ อุปกรณ์ตัวนี้ว่า Gyroscope ครับ ซึ่งจากคุณสมบัติในข้อนี้เอง ทำให้ มันสามารถที่จะเป็นเครื่องบ่งชี้ทิศทางได้นั่นเอง
ไจโรสโคปนั้นมีประโยชน์อย่างมากมายการใช้ไจโรสโคปครั้งแรกนั้น เกิดขึ้น ในปี ค.ศ. 1910 ได้นำไปติดตั้งในเรือรบของเยอรมนี ต่อมาในปี ค.ศ. 1909 นายเอลเมอร์ เอ. เสปอร์รี (Elmer A. Sperry) ได้สร้างเครื่องบินที่บินอัตโนมัติ ที่ใช้คุณสมบัติการรักษาทิศทาง ของไจโรสโคปเพื่อให้เครื่องบิน บินได้ตรงทิศทาง
สำหรับการติดตั้งบนเรือนั้นเริ่มขึ้นในปี ค.ศ.1915 บริษัท อันชิทซ ตั้งอยู่ที่ เมืองคีล ประเทศเยอรมนี ได้ติดตั้งบนเรือโดยสาร ของเดนมาร์ก ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เอาไว้รักษา เสถียรภาพการของเรือ เพื่อให้ ลดการโคลง ของเรือ ซึ่งทำให้สินค้ามีความเสียหายน้อยลง และทำให้ผู้โดยสารรู้สึกสบายขึ้น ซึ่งระบบ ตรงนี้ เค้า เรียกว่า Gyrostabilizer แต่ใช้วิธีนี้มีข้อเสียมากมาย คือ เรือนั้นมีน้ำหนักมาก และเสียเนื้อที่มาก เพราะต้องสร้างไจโรสโคปขนาดใหญ่
หลักการทำงานของ Gyro sensor และ ทฤษฏีที่เกี่ยวข้อง
จากภาพวิดีโอนั้นเราจะเห็นได้ว่า ล้อที่แขวนไว้อยู่บนเชือกนั้นเมื่อยังไม่ได้หมุนล้อ จะทำให้ล้อที่แขวนอยู่นั้นห้อยลงตามลักษณะที่ผูกเชือกไว้ แต่เมื่อพอเค้าได้ทำการหมุน ล้อแล้วจะทำให้ล้อสามารถตั้งได้ดูเหมือนกับอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักทั้งนี้เป็นเพราะการทำงานของ Gyroscope นั้น จะเป็นไปตามกฎ ของนิวตันคือ มวลจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงด้วยความเร็วคงที่ ถ้าไม่มีแรงภายนอกมากระทำ เมื่อตัวไจโรหมุนไป 90 องศา จุดบนจะหมุนเปลี่ยนตำแหน่งไป 90 องศา และยังเคลื่อนที่ไปทางซ้าย เช่นเดียวกับจุดล่าง เมื่อหมุนขึ้นมา 90 องศา มันยังคงเคลื่อนที่ไปทางขวา ทำให้ล้อเกิดการหมุนควง ขณะที่จุดบนและจุดล่างเปลี่ยนตำแหน่งไป 90 องศา การเคลื่อนที่ในครั้งแรก จะถูกยกเลิกไป ไม่เกิดการพลิกของล้อ ดังนั้นแกนหมุนของไจโรจะเหมือนกับห้อยอยู่กับที่ตลอดเวลา
ยกตัวอย่าง ถ้าเราจับ Accelerometer มาเอียงแล้ววัด Output เราจะได้ค่า ค่านึงซึ่งบ่งบอกถึงการเอียงในรูปแบบนั้นๆ ถ้าเราเปลี่ยนไปค่านี้ก็จะเปลี่ยนตามแต่ถ้าเราจับ Gyro มาเอียงแล้ววัด Output เราจะพบว่า Output ของ Gyro จะออกก็ต่อเมื่อเกิดการเอียง หรือกำลังจะเอียง หรือเกิดการเคลื่อนไหว (วัตถุอยู่นิ่ง Gyro วัดค่าไม่ได้ เพราะไม่มีความเร็ว)
ดังนั้นเมื่อเอาคุณสมบัติแบบนี้ไปสร้างอุปกรณ์วัดระดับเราก็จะสามารถรู้ได้เลยว่าอุปกรณ์ที่ติดตั้งGyro มันเอียงไปจากเดิมเท่าไร ซึ่งเมื่อ โรเตอร์หมุนแล้ว มันก็จะคงตำแหน่งอยู่แบบนั้น กรอบที่เป็นแหวนซึ่งอยู่ล้อมรอบเมื่อเราได้ติดตั้งตัววัดระยะ วัดการหมุนก็สามารถเช็คมุมที่เปลี่ยนไปได้เลย
หลักการทำงานของGyro Sensor
ในปัจจุบันก็มีไจโรสโคปขายอยู่อย่างมากมาย ซึ่งมีขนาดเล็ก และยังสามารถใช้งานง่าย อีกด้วย
การนำ Gyroscope มาประยุกต์ใช้
1. Demonstration Gyroscope
Demonstration Gyroscope มักจะพบในแหล่งการศึกษาเพื่อศึกษาลักษณะทางกายภาพของGyroscope ลักษณะทั่วไปของมันมักจะมีลักษณะเหมาะที่จะใช้ในการรับแรงผ่านวงแหวน เพื่อให้ผู้ใช้ทดสอบการหาตำแหน่งใน1 มิติ
2. Computer Pointing Devices
Gyroscope ช่วยในการบอกทิศทางมีการใช้งานที่ง่ายสามารถนำไปติดที่อุปกรณ์เพื่อให้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเนื่องจากการเปลี่ยนทิศทางของอุปกรณ์ไม่ทำให้ Gyroscope เปลี่ยนทิศไป ด้วยการหมุนไปของ Gyroscope โดยแกนของ Gyroไม่เปลี่ยนนี้สามารถนำไปวัดความเปลี่ยนแปลงของทิศทางได้
Gyrocompasses มักจะใช้ในเรือหรือยานอวกาศในการบอกทิศทาง
7. Gyroscopic anti-roll devices/stabiliser
นำไปใช้ในรถไฟรางเดียวหรือเรือโดยอาศัยหลักการทรงตัวของมันทำให้รถไฟทรงตัวอยู่ได้และทำให้เรือไม่ถูกซัดล้มลงโดยคลื่นเนื่องจากไม่สามารถเปลี่ยนทิศทางได้ทัน
8. Others
เช่นการใช้งานทางทหาร,การสร้างHelicopter แบบGyro เป็นต้น
นี้เป็นสาเหตุให้เกิดการผสมผสานระหว่าง Sensor สองตัวนี้ ทำให้มีทฤษฎีมารองรับมากมาย อธิเช่น Kalman Filter, Complementary Filter ใช้การผสมผสานข้อดีของทั้งสอง Sensor
วงจรที่ใช้เชื่อมต่อกับเซนเซอร์
ในเมื่อ Accelerometer สามารถวัดความเอียงได้เรียบร้อย ไม่มีความจำเป็นจะต้องวัดความเร็วเชิงมุม ?เพราะว่า Output ของ Accelerometer มีผลกับแรงโน้มถ่วง นั่นหมายถึงค่า Output ของ Accelerometer ไม่มีทางหยุดนิ่งเฉย แม้ปล่อยทิ้งไว้ มันก็จะวิ่งขึ้นๆ ลงๆ สั่นไปสั่นมา ต่างกับ Gyro ที่ปล่อยทิ้งไว้ค่า Output ที่ได้ก็จะนิ่ง ไม่เกิดการสั่นและถ้าเรานำ Output ของ Gyro มาใช้กรรมวิธีการ Discrete Integral ก็จะสามารถหามุมได้ (เพราะ Output ของ Gyro เป็นความเร็วเชิงมุม) ส่วนกรรมวิธีในการ Integral ใน MCU เราจะใช้ Discrete Integral ผมชอบพูดว่าเป็นการอินทิเกรตมือ หลักการคล้ายๆ กับการคูณใน MCU
การคูณใน MCU ทำได้โดยการบวก ไปจนครบจำนวนครั้ง การอินทิเกรตก็เหมือนกัน ให้มองกลับไปที่รากฐานการอินทิเกรต ถ้ามีกราฟมาให้มันก็คือพื้นที่ใต้กราฟ เราจะอินทิเกรตเราทำได้โดยแบ่งพื้นที่ใต้กราฟเป็นเส้นเล็กๆ แล้วหาพื้นที่เล็กๆ นั้น จากนั้นก็จับมารวมกัน
ถ้าเราแบ่งพื้นที่เล็กๆ นั้นด้วยเวลา t0, t1, t2, tn
นั่นก็คือเอาพื้นที่ ที่เวลา t0 มารวมกับพื้นที่ ที่เวลา t1 เอาพื้นที่ไปรวมกับพื้นที่ที่เวลา t2 ไล่ไปเรื่อยๆ ถึง tn โดยไม่สนใจว่าพื้นที่นั้นมีค่าเป็นบวกหรือลบ สุดท้ายแล้วคำตอบจะบอกเราเองว่าผลลัพท์ที่ได้ ชี้ไปในทิศทางใด
นั่นก็คือเอาพื้นที่ ที่เวลา t0 มารวมกับพื้นที่ ที่เวลา t1 เอาพื้นที่ไปรวมกับพื้นที่ที่เวลา t2 ไล่ไปเรื่อยๆ ถึง tn โดยไม่สนใจว่าพื้นที่นั้นมีค่าเป็นบวกหรือลบ สุดท้ายแล้วคำตอบจะบอกเราเองว่าผลลัพท์ที่ได้ ชี้ไปในทิศทางใด
3. Racing Car
คุณลักษณะของ Gyroscopeเชิงพฤติกรรม (Gyroscopic behavior) มักจะใช้ในอุตสาหกรรมรถแข่ง รถจะเลี้ยวในทางเดียวเท่านั้น เมื่อรถเกิดการเลี้ยวจะมีลักษณะเป็นพฤติกรรมทาง Gyro ดังนี้เครื่องยนต์จะกดตัวรถด้านหน้าให้ต่ำลงและยกด้านหลังให้สูงขึ้นไปในอากาศทำให้รถสามารถทรงตัวอยู่ได้
4. Motor Bikes
เช่นเดียวกับ Racing Carโดยพิจารณาที่การทำงานของล้อเคลื่อนที่แบบGyroโดยอาศัยมุมในการเลี้ยวช่วยด้วย
5. Toy
ของเล่นทใช้การหมุนเป็นรูปแบบหนึ่งของ Gyroscope เมื่อด้านหมุนของวัตถุนั้นหมุนจะเกิดแรงยกวัตถุนั้นขึ้นไม่ให้ล้มลง
6. Gyrocompasses
ราคา : ประมาณ 2,000 - 28,000 บาท
แหล่งอ้างอิง :
http://zygomatica.exteen.com/
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น