กิมบอล
กิมบอลคืออุปกรณ์รองรับแบบหมุนได้ที่ช่วยให้วัตถุหมุนรอบแกนได้ ชุดกิมบอลสามตัวที่ติดตั้งซ้อนกันโดยมี แกนหมุน ตั้งฉากกัน อาจใช้เพื่อให้วัตถุที่ติดตั้งบนกิมบอลตัวในสุดสามารถคงอยู่ในตำแหน่งที่ไม่ขึ้นกับการหมุนของอุปกรณ์รองรับ (เช่น แนวตั้งในภาพเคลื่อนไหวแรก) ตัวอย่างเช่น บนเรือ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไจโรสโคปเข็มทิศบนเรือ เตาและแม้แต่ที่วางแก้วน้ำ มักใช้กิมบอลเพื่อให้ตั้งตรงเมื่อเทียบกับเส้นขอบฟ้าแม้ว่าเรือจะโยกและเอียงก็ตาม
ระบบกันสะเทือนแบบกิมบอลที่ใช้สำหรับติดตั้งเข็มทิศและสิ่งของที่คล้ายกัน บางครั้งเรียกว่าระบบกันสะเทือนแบบคาร์ดันตามชื่อของนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีGerolamo Cardano (1501–1576) ซึ่งได้อธิบายรายละเอียดไว้ อย่างไรก็ตาม Cardano ไม่ได้เป็นผู้ประดิษฐ์กิมบอล และไม่ได้อ้างว่าเป็นผู้ประดิษฐ์ อุปกรณ์นี้เป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ โดยมีการอธิบายครั้งแรกในศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราชโดยPhilo แห่งไบแซนเทียมแม้ว่าผู้เขียนสมัยใหม่บางคนจะสนับสนุนมุมมองที่ว่าอาจไม่มีนักประดิษฐ์ที่ระบุได้เพียงคนเดียว[ 1 ] [ 2 ]
ประวัติศาสตร์
กิมบอลได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยนักประดิษฐ์ชาวกรีกชื่อฟิโลแห่งไบแซนเทียม (280–220 ปีก่อนคริสตกาล) [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]ฟิโลได้อธิบายถึงหม้อหมึกแปดเหลี่ยมที่มีช่องเปิดอยู่แต่ละด้าน ซึ่งสามารถหมุนได้เพื่อให้เมื่อด้านใดด้านหนึ่งอยู่ด้านบน ปากกาสามารถจุ่มหมึกได้ — แต่หมึกจะไม่ไหลออกทางรูของด้านอื่นๆ ทำได้โดยการแขวนหม้อหมึกไว้ตรงกลาง ซึ่งติดตั้งอยู่บนวงแหวนโลหะหลายวงซ้อนกันเพื่อให้หม้อหมึกอยู่กับที่ ไม่ว่าจะหมุนหม้อไปทางใดก็ตาม[ 3 ]
ในจีนโบราณราชวงศ์ฮั่น (202 ปีก่อนคริสต์ศักราช – 220 ปีคริสต์ศักราช) นักประดิษฐ์และวิศวกรเครื่องกลชื่อติงฮวน ได้สร้างกระถางธูป แบบกิมบอลขึ้น ราวปี 180 ปีคริสต์ศักราช[ 3 ] [ 7 ] [ 8 ]มีคำใบ้ในงานเขียนของซือหม่าเซียงหรู ในยุคก่อนหน้า (179–117 ปีก่อนคริสต์ศักราช) ว่ากิมบอลมีอยู่ในจีนมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 2 ก่อนคริสต์ศักราช[ 9 ]มีการกล่าวถึงในสมัยราชวงศ์เหลียง (502–557) ว่ามีการใช้กิมบอลสำหรับบานพับประตูและหน้าต่าง ในขณะที่ช่างฝีมือคนหนึ่งเคยถวายเตา อุ่นแบบพกพา แด่จักรพรรดินีอู่เจ๋อเทียน (ครองราชย์ 690–705) ซึ่งใช้กิมบอล[ 10 ]ตัวอย่างกิมบอลจีนที่ใช้สำหรับกระถางธูปที่ยังหลงเหลืออยู่มีอายุย้อนไปถึงต้นราชวงศ์ถัง (618–907) และเป็นส่วนหนึ่งของ ประเพณีการทำ เครื่องเงินในประเทศจีน[ 11 ]
ความถูกต้องของคำอธิบายระบบกันสะเทือนแบบคาร์ดานของฟิโลถูกตั้งข้อสงสัยโดยผู้เขียนบางคน โดยอ้างว่าส่วนหนึ่งของหนังสือPneumatica ของฟิโล ที่อธิบายการใช้กิมบอลนั้นเหลือรอดมาเฉพาะใน ฉบับแปล ภาษาอาหรับในช่วงต้นศตวรรษที่ 9 เท่านั้น [ 3 ]ดังนั้น แม้กระทั่งในปี 1965 โจเซฟ นีดแฮมนักจีนวิทยา ก็ยัง สงสัยว่ามีการแทรกข้อความ จากชาวอาหรับ [ 12 ]อย่างไรก็ตาม คาร์รา เดอ โวซ์ ผู้เขียนฉบับแปลภาษาฝรั่งเศสซึ่งยังคงเป็นพื้นฐานสำหรับนักวิชาการสมัยใหม่[ 13 ]ถือว่าPneumaticsเป็นของแท้โดยพื้นฐาน[ 14 ]จอร์จ ซาร์ตัน นักประวัติศาสตร์เทคโนโลยี (1959) ก็ยืนยันว่าสามารถสันนิษฐานได้อย่างปลอดภัยว่าฉบับภาษาอาหรับเป็นการคัดลอกต้นฉบับของฟิโลอย่างซื่อสัตย์ และให้เครดิตฟิโลอย่างชัดเจนว่าเป็นผู้คิดค้น[ 15 ]เช่นเดียวกับไมเคิล ลูอิส เพื่อนร่วมงานของเขา (2001) [ 16 ]ในความเป็นจริง งานวิจัยของนักวิชาการคนหลัง (1997) แสดงให้เห็นว่าสำเนาภาษาอาหรับมีลำดับของตัวอักษรกรีกซึ่งเลิกใช้ไปแล้วหลังจากศตวรรษที่ 1 ซึ่งเป็นการเสริมความแข็งแกร่งให้กับกรณีของสำเนาที่ซื่อสัตย์ต่อต้นฉบับภาษาเฮลเลนิสติก[ 17 ]ซึ่งเป็นมุมมองที่นักคลาสสิกAndrew Wilson (2002) เห็นด้วยเมื่อเร็ว ๆ นี้ [ 18 ]
นักเขียนชาวโรมันโบราณAthenaeus Mechanicusซึ่งเขียนในช่วงรัชสมัยของจักรพรรดิออกัสตัส (30 ปีก่อนคริสต์ศักราช – 14 ปีหลังคริสต์ศักราช) ได้บรรยายถึงการใช้งานทางทหารของกลไกคล้ายกิมบอล โดยเรียกมันว่า "ลิงน้อย" ( pithêkion ) เมื่อเตรียมการโจมตีเมืองชายฝั่งจากทางทะเล วิศวกรทหารมักจะผูกเรือสินค้าเข้าด้วยกันเพื่อนำเครื่องจักรสำหรับการล้อมเมืองขึ้นไปบนกำแพง แต่เพื่อป้องกันไม่ให้เครื่องจักรบนเรือกลิ้งไปมาบนดาดฟ้าในทะเลที่มีคลื่นลมแรง Athenaeus แนะนำว่า "คุณต้องยึดpithêkionไว้บนแท่นที่ติดอยู่กับเรือสินค้าตรงกลาง เพื่อให้เครื่องจักรตั้งตรงได้ในทุกมุม" [ 19 ]
หลังยุคโบราณกิมบอลยังคงเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในตะวันออกใกล้ในโลกตะวันตกที่ใช้ภาษาละติน การอ้างอิงถึงอุปกรณ์นี้ปรากฏขึ้นอีกครั้งในตำราเรียนในศตวรรษที่ 9 ที่เรียกว่า'กุญแจเล็กๆ แห่งการวาดภาพ' ( mappae clavicula ) [ 20 ] Villard de Honnecourtนักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศสวาดภาพชุดกิมบอลในสมุดร่างของเขา (ดูด้านขวา) ในช่วงต้นยุคสมัยใหม่ เข็มทิศแบบแห้งถูกแขวนไว้ในกิมบอล
แอปพลิเคชัน
ระบบนำทางเฉื่อย
ในระบบนำทางเฉื่อย เช่นที่ใช้กับเรือและเรือดำน้ำ จำเป็นต้องใช้แกนหมุนอย่างน้อยสามแกนเพื่อให้ระบบนำทางเฉื่อย (แท่นคงที่) สามารถคงอยู่ในตำแหน่งที่มั่นคงในพื้นที่เฉื่อย โดยชดเชยการเปลี่ยนแปลงของมุม yaw, pitch และ roll ของเรือ ในการใช้งานนี้หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) จะติดตั้งไจโรสโคปสามตัว ที่ตั้ง ฉากกันเพื่อตรวจจับการหมุนรอบแกนทั้งหมดในพื้นที่สามมิติ สัญญาณเอาต์พุตของไจโรสโคปจะถูกควบคุมให้เป็นศูนย์โดยมอเตอร์ขับเคลื่อนบนแกนหมุนแต่ละแกน เพื่อรักษาระดับการวางตัวของ IMU เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ สัญญาณความคลาดเคลื่อนของไจโรสโคปจะถูกส่งผ่าน " ตัวแปลงสัญญาณ " ที่ติดตั้งอยู่บนแกนหมุนทั้งสามแกน ได้แก่ roll, pitch และ yaw ตัวแปลงสัญญาณเหล่านี้จะทำการแปลงเมทริกซ์อัตโนมัติตามมุมของแกนหมุนแต่ละแกน เพื่อให้แรงบิดที่ต้องการถูกส่งไปยังแกนหมุนที่เหมาะสม แรงบิด yaw ต้องถูกแปลงโดยการแปลง roll และ pitch มุมของแกนหมุนจะไม่ถูกวัดโดยตรง มีการใช้แพลตฟอร์มตรวจจับที่คล้ายกันนี้ในเครื่องบินด้วย
ในระบบนำทางเฉื่อยอาการล็อกแกนหมุนอาจเกิดขึ้นเมื่อการหมุนของยานพาหนะทำให้แกนหมุนสองในสามแกนเรียงตัวกับแกนหมุนในระนาบเดียวกัน เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น จะไม่สามารถรักษาทิศทางของแพลตฟอร์มตรวจจับได้อีกต่อไป
เครื่องยนต์จรวด
ในระบบขับเคลื่อนยานอวกาศเครื่องยนต์จรวดโดยทั่วไปจะติดตั้งอยู่บนแกนหมุนคู่ เพื่อให้เครื่องยนต์เพียงเครื่องเดียวสามารถควบคุมแรงขับได้ทั้งในแกนเอียงและแกนหัน หรือบางครั้งอาจควบคุมได้เพียงแกนเดียวต่อเครื่องยนต์ สำหรับการควบคุมการเอียง จะใช้เครื่องยนต์คู่ที่มี สัญญาณควบคุม การเอียงหรือ แกน หัน ที่แตกต่างกัน เพื่อสร้างแรงบิดรอบ แกน การ เอียงของยาน
การถ่ายภาพและการสร้างภาพ
อุปกรณ์กันสั่นยังใช้สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่เลนส์กล้อง ขนาดเล็กไป จนถึงกล้องโทรทรรศน์ถ่ายภาพขนาดใหญ่
ในอุปกรณ์ถ่ายภาพแบบพกพา จะใช้หัวกิมบอลแบบแกนเดียวเพื่อให้กล้องและเลนส์เคลื่อนไหวได้อย่างสมดุล[ 21 ]ซึ่งพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในการถ่ายภาพสัตว์ป่า เช่นเดียวกับกรณีอื่นๆ ที่ใช้ เลนส์เทเลโฟโต้ที่ยาวและหนักมาก: หัวกิมบอลจะหมุนเลนส์รอบจุดศูนย์ถ่วงทำให้สามารถควบคุมได้ง่ายและราบรื่นในขณะที่ติดตามวัตถุที่เคลื่อนไหว
แท่นยึดกิมบอลขนาดใหญ่มากในรูปแบบแท่นยึดความสูง-ความสูง 2 หรือ 3 แกน [ 22 ]ใช้ในการถ่ายภาพดาวเทียมเพื่อวัตถุประสงค์ในการติดตาม
กิมบอลแบบไจโรสโคปที่บรรจุเซ็นเซอร์หลายตัวยังใช้สำหรับแอปพลิเคชันการเฝ้าระวังทางอากาศ รวมถึงการบังคับใช้กฎหมายทางอากาศ การตรวจสอบท่อและสายไฟฟ้าการทำแผนที่และ ISR ( ข่าวกรอง การเฝ้าระวัง และการลาดตระเวน ) เซ็นเซอร์ประกอบด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อนกล้องกลางวัน กล้องในที่แสงน้อย รวมถึงเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์และไฟส่อง สว่าง [ 23 ]
ระบบ Gimbal ยังใช้ในอุปกรณ์เลนส์ทางวิทยาศาสตร์ด้วย ตัวอย่างเช่น ใช้ในการหมุนตัวอย่างวัสดุตามแกนเพื่อศึกษาการพึ่งพาเชิงมุมของคุณสมบัติทางแสง[ 24 ]
ภาพยนตร์และวิดีโอ
กิมบอลแบบ 3 แกนสำหรับถือด้วยมือ ใช้ในระบบกันสั่นที่ออกแบบมาเพื่อให้ผู้ใช้งานกล้องสามารถถ่ายภาพแบบถือกล้องด้วยมือได้อย่างอิสระโดยปราศจากการสั่นสะเทือนของกล้อง ระบบกันสั่นดังกล่าวมีสองแบบ ได้แก่ แบบกลไกและแบบมอเตอร์
กิมบอลแบบกลไกมีโครงสร้างเป็นแผ่นเลื่อน ซึ่งรวมถึงส่วนบนที่ใช้ยึดกล้องเสาที่ในรุ่นส่วนใหญ่สามารถยืดออกได้ และจอภาพกับแบตเตอรี่อยู่ด้านล่างเพื่อถ่วงน้ำหนักกล้อง นี่คือวิธีที่ Steadicam ตั้งตรงได้ โดยการทำให้ส่วนล่างหนักกว่าส่วนบนเล็กน้อย และหมุนรอบแกนกิมบอล วิธีนี้ทำให้จุดศูนย์ถ่วงของอุปกรณ์ทั้งหมด ไม่ว่าจะหนักแค่ไหน ก็อยู่ตรงปลายนิ้วของผู้ใช้งาน ทำให้สามารถควบคุมระบบทั้งหมดได้อย่างคล่องแคล่วและแม่นยำด้วยการสัมผัสที่กิมบอลเพียงเล็กน้อย
กิมบอลแบบ ใช้มอเตอร์ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไร้แปรงถ่าน 3 ตัว สามารถรักษาระดับกล้องให้คงที่ในทุกแกนขณะที่ผู้ใช้งานเคลื่อนกล้อง หน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) จะตอบสนองต่อการเคลื่อนไหวและใช้มอเตอร์ทั้งสามตัวแยกกันเพื่อรักษาเสถียรภาพของกล้อง ด้วยคำแนะนำจากอัลกอริทึม ตัวกันสั่นสามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างการเคลื่อนไหวโดยเจตนา เช่น การแพนกล้องและการถ่ายภาพแบบติดตาม กับการสั่นไหวที่ไม่ต้องการ ทำให้กล้องดูเหมือนลอยอยู่ในอากาศ ซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ที่ทำได้ด้วยSteadicamในอดีต กิมบอลสามารถติดตั้งกับรถยนต์และยานพาหนะอื่นๆ เช่นโดรนซึ่งการสั่นสะเทือนหรือการเคลื่อนไหวที่ไม่คาดคิดอื่นๆ อาจทำให้ขาตั้งกล้องหรืออุปกรณ์ยึดกล้องอื่นๆ ไม่เหมาะสม
นาฬิกาจับเวลาทางทะเล
อัตราการทำงานของนาฬิกาโครโนมิเตอร์ทางทะเล แบบกลไก นั้นไวต่อทิศทางการวางตัว ด้วยเหตุนี้ นาฬิกาโครโนมิเตอร์จึงมักถูกติดตั้งบนแท่นหมุน เพื่อแยกมันออกจากแรงสั่นสะเทือนจากการโยกเยกของเรือในทะเล
โดรน
ระบบกิมบอลของโดรนเป็นกลไกการรักษาเสถียรภาพที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้า (โดยปกติใช้มอเตอร์เซอร์โวแบบไร้แปรงถ่าน) ในแกน yaw, pitch และ roll เพื่อแยกกล้องหรือเซ็นเซอร์ออกจากการเคลื่อนไหวและการสั่นสะเทือนของโดรน[ 25 ] [ 26 ] ระบบนี้ช่วยให้กล้องคงที่ในระดับที่กำหนด ส่งผลให้ได้ภาพที่ราบรื่นและมีคุณภาพสูงแม้ในระหว่างการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วหรือในสภาพที่มีลมแรง ระบบนี้อาศัยหน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) เพื่อประมาณการการเคลื่อนไหวและการวางแนวของโดรนอย่างแม่นยำ[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]และหน่วยควบคุมกิมบอล (GCU) ซึ่งใช้ข้อมูล IMU และอัลกอริธึมควบคุม PID เพื่อปรับมอเตอร์แบบไดนามิกแบบเรียลไทม์ ขจัดสิ่งรบกวน[ 29 ] [ 30 ]
ระบบล็อกแกนหมุน
การล็อกแกนหมุน (Gimbal lock) คือการสูญเสียองศาอิสระหนึ่งองศาในกลไกสามมิติแบบสามแกนหมุน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแกนของแกนหมุนสองในสามแกนถูกขับเคลื่อนให้ขนานกัน ทำให้ระบบ "ล็อก" อยู่กับการหมุนในพื้นที่สองมิติที่เสื่อมสภาพ
คำว่า "ล็อก" อาจทำให้เข้าใจผิดได้ เพราะไม่มีแกนหมุนใดถูกจำกัดการเคลื่อนที่ แกนหมุนทั้งสามยังคงหมุนได้อย่างอิสระรอบแกนแขวนของแต่ละแกน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแกนของแกนหมุนสองแกนวางตัวขนานกัน จึงไม่มีแกนหมุนใดที่จะรองรับการหมุนรอบแกนใดแกนหนึ่งได้
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
สื่อที่เกี่ยวข้องกับGimbal ใน Wikimedia Commons