הגי’רו - נפגש בסיבוב (של הזנב)

הי כולם

התמונות למאמר, כמו גם חלק מהחומר, נלקחו מהמאמר על ג'ירו ב-HF


הפעם נדבר קצת על הג'ירו - אותו מכשיר קטן וחשוב, שבלעדיו אי אפשר לדמיין מסוק מודרני. נדבר קצת על עיקרון פעולת הגי'רו, המבנה שלו וכמה לוגיקות בפנים. כמו כל מאמר (שלי :)) - המאמר הזה בנוי מכמה חלקים:
1. קצת תיאוריה - מה גורם לג'ירו לעבוד.
2.הגי'רו ה"קלאסי", או - איך צעצוע יכול להועיל?
3.MEMS - קטן מכני ומסיליקון.
4. קצת על בקרה, ומה זה לעזאזל "שומר זנב"?
אז נתחיל:

פרק 1 - זה מתחיל ב-ק', נגמר ב-ס' ומפחיד פיסיקאים בשנה א' עד מוות.
קצת (אבל באמת קצת) על כוחות קוריאוליס.

סיבוב של עצמים גורם לתופעות די מוזרות. אחת הדוגמאות לזה היא כוח קוריאוליס, שמופיע כשמשהו (מישהו) מנסה לזוז על פני עצם מסתובב. פתאום משום מקום נוצר "כוח" (הסבר למרכאות - בהמשך) שמעוות את התנועה שלו בכיוון המאונך למהירות התנועה שלו עצמו ולכיוון הסיבוב של העצם (כיוון הסיבוב תמיד מוגדר עפ"י "כלל היד הימנית"):

http://upload.wikimedia.org/wikipedi..._hand_rule.png


עכשיו הסיבה למרכאות - בעצם כוח קוריאוליס לא באמת קיים! הסיבה היחידה לקיום של התופעה הזאת היא עצם העובדה שהתנועה מתבצעת על פני עצם מסתובב. בפיסיקה קוראים לזה "כוח וירטואלי", שכן הוא בסך הכל תוצר לוואי של סיבוב מערכת הייחוס שלנו.מצד שני התופעות שנובעות מכוח קוריאוליס אמיתיות לחלוטין - אחת המוכרות שבהן היא העובדה שבנהרות שזורמים מצפון לדרום (בחלק הצפוני של כדוה"א) הגדה המזרחית תמיד יותר נמוכה מהמערבית, במיוחד אם זה קורה קרוב לקטבים.ההסבר פשוט - כדור הארץ הוא גם עצם שמסתובב, מי הנהר עליו מרגישים בכוח קוריאוליס שגורם לנהר "לנטות" מעט מזרחה ולשטוף יותר את הגדה המזרחית מהמערבית.
עכשיו לסיבה למה אנחנו מתעניינים בתופעה הפיסיקלית האיזוטרית הזאת. הנקודה היא שלכוח הזה יש שני מאפיינים חשובים. ייקח הרבה מאד פלפולים מתמטיים כדי להוכיח אותם, אז קבלו אותם As Is:
1. כוח קוריאוליס תלוי בקשר ישיר בקצב הסיבוב. כלומר אם מהירות זויתית של עצם מסתובב תגדל פי שניים, כל דבר שיזוז עליו ירגיש כוח קוריאוליס גדול פי שניים, אם העצם יסתובב מהר פי ארבע- כוח קוריאוליס יגדל פי ארבע וכך הלאה. זה אומר שאם אפשר למדוד את כוח קוריאוליס - אפשר ממנו להסיק מה מהירות הסיבוב של העצם שהכוח הזה נמדד עליו.
2. כוח קוריאוליס תמיד מכוון במאונך לכיוון הסיבוב ולכיוון התנועה של העצם שהוא משפיע עליו. זה הופך אותו לדי קל למדידה.
שני הדברים האלה יחד אומרים שאפשר להשתמש בכוח הזה כדי למדוד מהירות סיבוב של עצמים - כלומר לבנות סנסור סיבוב. בדיוק על העיקרון הזה עובד הג'ירו שלנו ובפרקים הבאים נראה בדיוק איך זה עובד.

פרק 2 - הג'ירו הקלאסי

הגי'רואים הראשונים ששימשו בהנדסה השתמשו פשוט ברוטור כבד שהסתובב - קצת דומה לסביבון שכולנו מכירים מהילדות. אם ניקח סביבון כזה ונשים על גבי פלטפורמה מסתובבת (כמו המסוק שלנו למשל), כך שסיבוב הזנב של המסוק יהיה במאונך לסיבוב הג'ירו - נקבל כוח קוריאוליס ש"יתנגד" לסיבוב הג'ירו ויראה לנו בדיוק מה קצב הסיבוב של המסוק. משם יישאר לנו רק לבנות מעגל בקרה שיתקן את הסיבוב ה"לא רצוני" של המסוק ע"י מתן פקודות מתאימות לזנב, תוך שילובם עם הפיקוד ה"רצוי" שניתן דרך ערוץ ה-Rudder.
הבעיה ה"קטנה" של ג'ירו כזה היא שחלקים מסתובבים נוטים להיות לא אמינים במיוחד ובוודאי לאבד אמינות עם הזמן. מלבד זאת:
1.בניית סביבון שיתאים בגודלו למסוק RC היא בעיה טכנולוגית רצינית (במיוחד אם תחשבו על משהו בגודל 500 ומטה).
2.הג'ירו הזה צריך להסתובב איכשהו - כלומר צריך לא מעט כוח ממערכת הכוח של המסוק. שוב, לא פתרון סימפטי, במיוחד למסוק חשמלי קטן.
למזלם של המסוקאים בכל העולם, טכנולוגיית המזעור באה כאן לעזרתינו בדמות ה-MEMS.

פרק 3.MEMS - קטן מכני ומסיליקון.

משמעות הקיצור MEMS הוא Micro Electro-Mechanical System. שם אחר שאפשר לראות בספרות הוא Silicone Micro-Machine או SMM. המשמעות של המונחים האלה - בניית מערכות מכניות (ואלקטרוניות) בטכנולוגיות של מעגלים משולבים או מעבדים (צ'יפים). בגדול - מייצרים מכונה, מתוך חתיכת סיליקון באמצעים של צריבה, בדיוק כמו מעבד של מחשב. הטכנולוגיה הזאת מאפשרת יצירה של מערכות ממש (אבל ממש) קטנות עם יכולות מעולות. בין השאר, הטכנולוגיה הזאת אפשרה לייצר יופי של חיישני סיבוב (כפי שנראה מיד - אי אפשר, טכנית לקרוא לדברים האלה ג'ירואים, שכן אין שם שום דבר שמסתובב. מצד שני המונח כבר השתרש, אז לא נהרוס :)).
דרך אחת למדוד את הסיבוב היא בטכנולוגיית הקולן (Tune Fork). בעולם הגדול הקולן משמש לכיוון של כלי נגינה. בסה"כ מדובר במין מזלג משתי שיניים שתמיד ירעדו באותו קצב (כך שהוא יכול לשמש ייחוס לכיוון). בחיישני MEMS בונים "קולן" קטן מאד, אבל עשוי מחומר שנקרא חומר פיאזו-אלקטרי. הייחודיות של החומרים האלה היא שכשמופעל עליהם מתח חשמלי - הם זזים. גם ההיפך נכון - חומר פיאזו אלקטרי שזז - מייצר מתח חשמלי.

http://helifreak.com/attachment.php?...1&d=1212191414

בחיישני סיבוב מפעילים מתח הקולן הזעיר כך, ששתי השיניים שלו ירעדו רק במישור המזלג (כלומר יתקרבו ויתרחקו כל הזמן). אם הקולן יסתובב עכשיו, יופיע כוח קוריאוליס שיגרום גם להסטת שיני הקולן במאונך לכיוון התנועה הרגיל שלהם. ומה שעוד יותר חשוב - עוצמת ההסטה תהיה תלויה ישירות בקצב הסיבוב. כיון ששיני הקולן הן פיאזואלקטריות הסחת קוריאוליס תיצור מתח חשמלי שניתן למדידה, כך שניתן למדוד את קצת סיבוב הקולן (כלומר, המסוק) ולבנות חוג בקרה שיתנגד לסיבוב הזה.

http://helifreak.com/attachment.php?...1&d=1212191200

דרך אחרת (ונפוצה יותר בג'ירואים של מסוקים) מתבססת על מבנה של טבעת:

http://helifreak.com/attachment.php?...1&d=1212191314

אלקטרודות זעירות מעוותות את הטבעת לאליפסה, כאשר פעם האליפסה אורכית ופעם - רוחבית.

http://helifreak.com/attachment.php?...1&d=1212191357

כשטבעת כזאת תסתובב, כוח קוריאוליס יגרום לתנודות של הטבעת ב-45 מעלות שגם אותן ניתן למדוד.

http://helifreak.com/attachment.php?...1&d=1212191412


פרק 4 - P, PI, PID! ומה זה בעצם "שומר זנב?

אחרי שהבנו איך מודדים סיבוב, אפשר לפנות לשאלה - איך מתמודדים איתו. הדרך הנפוצה לעשות זאת היא ע"י מעגל בקרה שמודד את המצב הרצוי של המסוק (הידוע מהמצב של הסטיקים - למשל בסטיק Rudder נייטרלי המסוק לא אמור להסתובב כלל, כידוע - כלומר מהירות הסבסוב שלו צריכה להיות 0), המצב הידוע שלו (שמתקבל מסנסור הג'ירו) ומנסה להקטין א ההפרש בין השניים. השם המקצועי למערכת כזאת הוא "מעגל בקרה בחוג סגור", שכן כתוצאה מהתיקון מתקבל הפרש חדש שחוזר למערכת, מעורר תגובת תיקון חדשה וכך הלאה במעגל. הנקודה היא שיש כמה דרכים להוסיף את ההפרש המתקבל לחוג הבקרה. הפשוט ביותר הוא להכפיל אותו במקדם ההגבר (נשמע מוכר? כן - זה בדיוק ה-Gain שאנחנו מגדירים בג'ירואים שלנו). כמה שההגבר גדול יותר, המערכת רואה הפרש גדול יותר לתיקון ומוציאה תיקון חריף יותר. דרך בקרה כזאת נקראת בקרה פרופורציונלית (Proportional Control Branch), שכן הכניסה לחוג פרופורציונלית להפרש בין הרצוי למצוי.

http://helifreak.com/picture.php?alb...pictureid=5266

אולם לשיטת בקרה כזאת יש שתי בעיות:
1. ב-Gain נמוך נוצרת תופעה של Steady-State Error - הפרש קטן מדי לזיהוי ע"י המערכת ולכן לא ניתן לתיקון. אנחנו רואים את זה בתור מסוק שהזנב שלו "זוחל" והוא דורש תיקון סטיק תמידי.
2. ב-Gain גדול מדי מקבלים תופעה של Overshoot - התיקון גדול מדי, "זורק" את המערכת מעבר לנקודה הרצויה, נוצר הפרש גדול, שמייצר תיקון גדול - בקיצור Tail Wag קלאסי ;).
כדי להתגבר על הבעיות האלה מכניסים שני "ענפים" נוספים לחוג הבקרה. אחד מתייחס לשינוי בהפרש ולא להפרש עצמו. זה מאפשר להקטין את "חריפות" התיקונים במערכת ולמנוע Overshoot. במתמטית שינוי נקרא נגרת או דיפרנציאל ולכן ענף זה נקרא הענף הדיפרנציאלי (Differential Control Branch).
הענף השני צובר את ההפרשים לאורך זמן ומנסה להקטין את הסכום הזה, כך שהוא תמיד יתייחס ל - Steady-State Error וינסה לבטל אותו.זהו הענף האינטגרלי (Integral Control Branch).
משחק עם הגבר כל אחד מהענפים יאפשר כיול אופטימלי של הג'ירו.

http://helifreak.com/picture.php?alb...pictureid=5272

הג'ירואים החדשים מאפשרים לזהות לא רק שינויים במהירות הסיבוב, אלה גם לחשב שינויים במיקום. את זה הם עושים ע"י סכימה של כל המהירויות סיבוב לאורך זמן (אינטגרציה). אם ג'ירו כזה מזהה שינוי במיקום (שאינו רצוי), הוא מנסה לא רק להתנגד לסיבוב (להקטין את מהירות הסיבוב ל-0), אלה גם לתקן את השינוי במיקום. זה מנגנון שמירת הכיוון שאנחנו כ"כ אוהבים בג'ירואים שלנו.

אז מה ראינו כאן:
1. איך מודדים סיבוב ומה זה כוח קוריאוליס
2. איך עובד חיישן ג'ירו
3.מה זה חוג בקרה PID

זהו

מקווה שעזרתי ותהנו :)

מאמר יפה ומושקע, כל הכבוד
משום מה נעדר מהמאמר המושג נקיפה (פרסציה)

בהזדמנות זו אוסיף את ה2 סנט שלי על מהות הפייאזו:
הפייאזו זה גוף קראמי מצופה בשני צדדיו בזהב הממש כאלקטרודה
על ידי מכת מתח גבוה משתנה המבנה המולקולארי של הפייאזו וזה מה שהופך אותו להיות לא סתם חומר קראמי אלא בעצם מנוע קטן.
אחרי שעבר את תהליך אירגון המולקולות מחדש (ע"י המתח הגבוה) כל שינו מכאני שלו הנובע מכוחות הפועלים עליו מייצר מתח חשמלי הניתן לשימוש דרך ציפוי האלקטרודות.
והתהתליך הזה הוא גם הפוך: מתן מתח גם נמוך ביותר מייצר תנועה שניתן לרתום אותה (כמו במדפסות מסויימות ששם זה במקום בוכנה המשפריצה את הדיו)

תודה רבה עודד

המושג פרצסיה נעדר, כי אם הייתי צריך להסביר גם אותו - אנשים היו בורחים או נרדמים באמצע :D

תודה על התוספת בעניין הפיאזו.

מושקע ומועיל
עוזר מאד למתחיל כמוני להבין ''קצת'' יותר.... כן ירבו:eek:

ווואוו כל הכבוד
מאמר מאוד משכיל