Gimbal - Gimbal
En gimbal er en svingbar støtte som tillater rotasjon av et objekt rundt en akse. Et sett med tre gimbaler, den ene montert på den andre med ortogonale svingakser, kan brukes for å la et objekt montert på den innerste gimbalen forbli uavhengig av rotasjonen av støtten (f.eks. Vertikal i den første animasjonen). For eksempel, på et skip, bruker gyroskopene , kompassene om bord , ovner og til og med drikkeholdere vanligvis gimbals for å holde dem oppreist i forhold til horisonten til tross for at skipet kaster og ruller .
Gimbalopphenget som brukes til å montere kompasser og lignende, kalles noen ganger en Cardan -suspensjon etter den italienske matematikeren og fysikeren Gerolamo Cardano (1501–1576) som beskrev det i detalj. Cardano oppfant imidlertid ikke gimbalen, og det gjorde han heller ikke krav på. Enheten har vært kjent siden antikken, først beskrevet i 3. århundre. BC av Philo of Byzantium, selv om noen moderne forfattere støtter oppfatningen om at den kanskje ikke har en eneste identifiserbar oppfinner.
Historie
Gimbalen ble først beskrevet av den greske oppfinneren Philo of Byzantium (280–220 f.Kr.). Philo beskrev en åttesidig blekkgryte med en åpning på hver side, som kan snus slik at mens et ansikt er på toppen, kan en penn dyppes og blekkes-men blekket løper aldri ut gjennom hullene på de andre sidene. Dette ble gjort ved oppheng av blekkhyllen i midten, som var montert på en serie konsentriske metallringer slik at den ble stående uansett hvilken vei gryten dreies.
I gamle Kina , det Han-dynastiet (202 BC - 220 AD) oppfinner og maskiningeniør Ding Huan opprettet en slingrebøyle røkelse brenner rundt 180 AD. Det er et hint i skrivingen av den tidligere Sima Xiangru (179–117 f.Kr.) om at gimbalen eksisterte i Kina siden det 2. århundre f.Kr. Det er omtale under Liang-dynastiet (502-557) som gimbals ble brukt for hengsler av dører og vinduer, mens en håndtverker en gang presentert en bærbar oppvarming ovn til Empress Wu Zetian (r. 690-705) som sysselsatte gimbals. Eksisterende eksemplarer av kinesiske gimbals som ble brukt til røkelsesbrennere, dateres til det tidlige Tang -dynastiet (618–907), og var en del av sølvsmedtradisjonen i Kina.
Autentisiteten til Philos beskrivelse av en kardansuspensjon har blitt tvilt av noen forfattere på grunn av at den delen av Philo's Pneumatica som beskriver bruken av gimbalen bare overlevde i en arabisk oversettelse av begynnelsen av 900 -tallet. Så sent som i 1965 mistenkte sinologen Joseph Needham arabisk interpolasjon . Imidlertid anser Carra de Vaux, forfatter av den franske oversettelsen som fremdeles danner grunnlaget for moderne lærde, pneumatikken som i hovedsak ekte. Teknologihistorikeren George Sarton (1959) hevder også at det er trygt å anta at den arabiske versjonen er en tro kopi av Philos original, og tilskriver Philon eksplisitt oppfinnelsen. Det gjør også hans kollega Michael Lewis (2001). Faktisk viser forskning fra den siste forskeren (1997) at den arabiske kopien inneholder sekvenser av greske bokstaver som ble tatt ut av bruk etter det første århundre, og dermed styrket saken om at det er en tro kopi av den hellenistiske originalen, et syn nylig også delt av klassikeren Andrew Wilson (2002).
Den gamle romerske forfatteren Athenaeus Mechanicus , som skrev under Augustus ' regjeringstid (30 f.Kr.-14 e.Kr.), beskrev den militære bruken av en gimballignende mekanisme og kalte den "lille ape" ( pithêkion ). Når de forberedte seg på å angripe kystbyer fra sjøsiden, pleide militære ingeniører å åke handelsskip sammen for å ta beleiringsmaskinene opp til veggene. Men for å forhindre at det skipsbårne maskineriet ruller rundt dekket i tung sjø, gir Athenaeus beskjed om at "du må fikse pithêkion på plattformen festet til handelsskipene i midten, slik at maskinen forblir oppreist i alle vinkler".
Etter antikken forble gimbals allment kjent i Midtøsten . I Latin -vest dukket referansen til enheten opp igjen i oppskriftsboken fra 800 -tallet kalt Little Key of Painting Mappae clavicula . Den franske oppfinneren Villard de Honnecourt skildrer et sett med gimbals i sin berømte skissebok (se til høyre). I den tidlige moderne perioden ble tørre kompasser suspendert i gimbals.
applikasjoner
I treghetsnavigasjon, slik det brukes på skip og ubåter, er det nødvendig med minst tre gimbals for å la et treghetsnavigasjonssystem (stabilt bord) forbli fast i treghetsrommet, og kompensere for endringer i skipets gjeving, stigning og rull. I denne applikasjonen er treghetsmåleenheten (IMU) utstyrt med tre ortogonalt monterte gyroer for å registrere rotasjon rundt alle akser i det tredimensjonale rommet. Gyroutgangene holdes null gjennom drivmotorer på hver aksel for å opprettholde orienteringen til IMU. For å oppnå dette, sendes gyro -feilsignalene gjennom " resolvere " montert på de tre gimbalene, rull, pitch og yaw. Disse resolverne utfører en automatisk matrisetransformasjon i henhold til hver gimbalvinkel, slik at de nødvendige dreiemomentene blir levert til den aktuelle gimbalaksen. Greiemomentene må løses ved rull- og stigningstransformasjoner. Gimbalvinkelen måles aldri. Lignende registreringsplattformer brukes på fly.
I treghetsnavigasjonssystemer kan gimbal -lås oppstå når kjøretøyets rotasjon får to av de tre gimbalringene til å justere med svingaksene i et enkelt plan. Når dette skjer, er det ikke lenger mulig å opprettholde sanseplattformens orientering.
Rakettmotorer
I romfartøyets fremdrift er rakettmotorer vanligvis montert på et par gimbals slik at en enkelt motor kan vektorkrafte både pitch- og yaw -aksene; eller noen ganger er det bare en akse per motor. Til styrerullen, to motorer med differensial bek eller yaw blir styresignaler som brukes for å tilveiebringe dreiemoment om kjøretøyets rulle -aksen.
Ordet "gimbal" begynte som et substantiv. De fleste moderne ordbøker fortsetter å liste det som sådan. Mangler et praktisk begrep for å beskrive den svingende bevegelsen til en rakettmotor, begynte ingeniører også å bruke ordet "gimbal" som et verb. Når et trykkammer svinges av en festet aktuator, blir bevegelsen referert til som "gimballed" eller "gimballing". Offisiell rakettdokumentasjon gjenspeiler denne bruken.
Fotografering og bildebehandling
Gimbals brukes også til å montere alt fra små kameralinser til store fotografiske teleskoper.
I bærbart fotoutstyr brukes enakse gimbalhoder for å tillate en balansert bevegelse for kamera og objektiver. Dette viser seg å være nyttig både i naturfotografering og i alle andre tilfeller der svært lange og tunge teleobjektiver brukes: et gimbalhode roterer et objektiv rundt tyngdepunktet , og gir dermed enkel og jevn manipulasjon mens du sporer motiver i bevegelse.
Svært store gimbalfester i form av 2 eller 3 akse høyde-høydefester brukes i satellittfotografering for sporing.
Gyrostabiliserte gimbals som inneholder flere sensorer, brukes også til luftbårne overvåkingsapplikasjoner, inkludert luftbåren rettshåndhevelse, rør- og kraftledningsinspeksjon, kartlegging og ISR ( etterretning, overvåking og rekognosering ). Sensorer inkluderer termisk avbildning , dagslys, kameraer med lite lys, laseravstandsmåler og belysning .
Gimbalsystemer brukes også i vitenskapelig optikkutstyr. For eksempel brukes de til å rotere en materialprøve langs en akse for å studere deres vinkelavhengighet av optiske egenskaper.
Film og video
Håndholdt 3-akset gimbals brukes i stabiliseringssystemer designet for å gi kameraoperatøren uavhengighet av håndholdt skyting uten kameravibrasjon eller risting. Det er to versjoner av slike stabiliseringssystemer: mekanisk og motorisert.
Mekaniske gimbals har sleden, som inkluderer det øverste trinnet der kameraet er festet, stolpen som i de fleste modeller kan forlenges, med skjermen og batterier i bunnen for å motveie kameraets vekt. Slik holder Steadicam seg oppreist, ved ganske enkelt å gjøre bunnen litt tyngre enn toppen, og svinge på gimbalen. Dette forlater tyngdepunktet for hele riggen, uansett hvor tung den måtte være, akkurat ved operatørens fingertupp, slik at behendig og endelig kontroll over hele systemet kan gjøres med den letteste berøringen på gimbalen.
Drevet av tre børsteløse motorer , har motoriserte gimbals muligheten til å holde kameraet nivå på alle akser når kameraoperatøren flytter kameraet. En treghetsmåleenhet (IMU) reagerer på bevegelser og bruker de tre separate motorene for å stabilisere kameraet. Med veiledning av algoritmer kan stabilisatoren merke forskjellen mellom bevisst bevegelse som panner og sporing av skudd fra uønsket risting. Dette gjør at kameraet kan virke som om det flyter gjennom luften, en effekt oppnådd av en Steadicam tidligere. Gimbals kan monteres på biler og andre kjøretøyer som droner , der vibrasjoner eller andre uventede bevegelser vil gjøre stativ eller andre kamerafester uakseptabelt. Et eksempel som er populært i live-TV-kringkastingsindustrien, er Newton 3-akset kamera gimbal .
Marine kronometre
Hastigheten til et mekanisk marint kronometer er følsomt for orienteringen. På grunn av dette ble kronometre normalt montert på gimbals for å isolere dem fra gyngende bevegelser til et skip til sjøs.
Gimbal lås
Gimbal-lås er tapet av en frihetsgrad i en tredimensjonal, tre-gimbal-mekanisme som oppstår når aksene til to av de tre gimbalene drives inn i en parallell konfigurasjon, og "låser" systemet til rotasjon i en degenerert to- dimensjonalt rom.
Ordet lås er misvisende: ingen gimbal er begrenset. Alle tre gimbalene kan fremdeles rotere fritt om sine respektive hengeakser. På grunn av den parallelle orienteringen til to av gimbalens akser er det imidlertid ingen gimbal tilgjengelig for rotasjon rundt en akse.
Se også
Referanser
Eksterne linker
IM 【GIMBALS og ESTABILIZADORES】
-
Media relatert til Gimbals på Wikimedia Commons
