المساعد الشخصي الرقمي

مشاهدة النسخة كاملة : المدوار أو الجيروسكوب gyroscope


Eng.Jordan
02-07-2013, 12:08 PM
المدوار

المدوار أو الجيروسكوب (http://www.arab-ency.com/index.php?module=pnEncyclopedia&func=display_term&id=160335&vid=14) gyroscope آلة أو جهاز يستخدم الأجسام الدوارة خاصة في توجيه وقيادة الطائرات والمركبات الفضائية والصواريخ والسفن والغواصات وغيرها، كما يستخدم في جميع الأجهزة المطلوب استقرارها أو التحكم في مسارها تحكماً مباشراً أو عن بعد، وخاصة مدفعية السفن والمدرعات والقذائف الموجهة والصواريخ والطائرات وغيرها، حيث يقوم بقياس انحراف الجسم عن وضع مرجعي، ومعدل ذلك الانحراف، مما يسمح بإصدار أوامر تصحيحية إلى أجهزة التوجيه والقيادة تعيد الجسم إلى وضعه المطلوب.
لمحة تاريخية
المدوار والخذروف والدوامة spinning آلة معروفة يلهو بها الصبي فيدورها بخيط في يده ويسمع لها دوي، وقد اقتبس المدوار منها.
وكانت أول دراسة لأداء المدوار قام بها العالم البريطاني سيرسون Serson عام 1740، وذلك بعد ملاحظة أن محور المدوار يبقى ثابتاً على الرغم من تغير وضع السطح الحامل له، وفي القرن التاسع عشر قام العالم الفرنسي فلورييه Fleuriais بتطوير مدوار يبقى محافظاً على عدد دوراته بنوافث هوائية مثبتة على محيطه. كما قام العالم الألماني بوننبرغر Bohnenberger بتطوير مدوار يعتمد على كرة ثقيلة بدلاً من الدولاب. وفي أواسط القرن التاسع عشر صنع العالم فوكو Foucault مدواراً يتألف من دولاب يدور بعدد دوران كبير ويستند إلى مضاجع حرة الحركة وذلك بهدف قياس دوران الأرض، وسمي هذا الجهاز جايروسكوب gyroscope انطلاقاً من الكلمة اليونانية gyros (دوران). وبعد 50 سنة من ذلك التاريخ تقريباً قام المهندس النمساوي أوبري Obry بتقديم براءة اختراع لتوجيه طوربيد بحري يعتمد على مدوار عطالي. وفي أوائل القرن العشرين قام العالم سبيري Sperry بتطوير أول نظام قيادة آلي للطائرات باستخدام المدوار كما تم استخدامه في السفن لتخفيف حركة الاهتزاز الطولية، أما اليوم فلا توجد طائرة أو سفينة أو زورق أو صاروخ أو مركبة مدرعة تخلو من منظومة توجيه تعتمد على المدوار.
وهناك حالياً أبحاث في مجال تطوير تقانات جديدة للمدوار بهدف خفض الوزن والتكلفة وزيادة الدقة، وعلى رأس هذه التوجهات المدوار الليزري والمدوار البصري. وهناك بحوث لتطوير مدوار ميكانيكي صغري micromechanical gyro من الكوارتز أو السيليكون.
أنواع المدوارات
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المدوارات:
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/9743-3.jpg
الشكل (1) مدوار ثلاثي المستويات (الحرية)
ـ المدوار العطالي inertial gyroscope: يستخدم في المدوار الميكانيكي التقليدي، قرص دوار يدور بسرعة زاويّة كبيرة (عشرات آلاف الدورات في الدقيقة) ومتمفصل على نقطتي استناد (مدوار وحيد الحرية) أو على أربع نقاط استناد في مستويين (مدوار ثنائي الحرية) أو على ست نقاط استناد في ثلاثة مستويات (مدوار ثلاثي الحرية) gimbaled gyroscope (الشكل 1).
إن عدد الدورات الكبير الذي يدور به القرص الدوار، ونقاط الاستناد العديمة الاحتكاك تقريباً تبقي محور القرص الدوار في الوضع نفسه (الأثر المدواري) مهما تغير وضع الجسم الحامل له كالطائرة أو الصاروخ أو السفينة.
وإذا ما تم تركيب ثلاثة مدوارات على المحاور الثلاثة الرئيسية للجسم الحامل Z,Y,X أمكن قياس انحراف هذا الجسم ومعدله في كل لحظة من اللحظات في الاتجاهات الثلاثة مما يمكن من التحكم بالجسم تحكماً كاملاً.
ومع أن المدوارات الميكانيكية الحديثة مصممة وفق تقانات متقدمة جداً بهدف خفض احتكاك محور الجسم الدوار فإنه لا يمكن حذف عامل الاحتكاك نهائياً، وهذا ما يؤدي إلى خفض تدريجي في عدد دورات المدوار مما يولد خطأ في قياس انحراف الجسم ومعدله gyroscope drift يتزايد مع زمن العمل، وهو ما يعرف باستقرار الجيروسكوب (http://www.arab-ency.com/index.php?module=pnEncyclopedia&func=display_term&id=160335&vid=14) gyroscope stability، علماً أن هناك العديد من الطرائق التي تهدف إلى خفض هذا الاحتكاك سواء عن طريق حمل المحور على وسائد هوائية أم مغنطيسية أم اهتزازية.
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/9743-4.jpg
الشكل (2) مدوار الألياف البصرية
ـ مدوار الألياف البصرية fibre- optic gyroscope (FOG): يعتمد مبدأ عمل مدوار الألياف البصرية على حدوث انحراف في الطور الناتج من إطلاق شعاعين مترابطين coherent للضوء باتجاهين متعاكسين داخل حلقة دائرية من الألياف البصرية. ويظهر في (الشكل2) كيف تدخل موجة ضوئية حلقة دائرية من الألياف البصرية نصف قطرها R عند النقطة p، مركبة على قاعدة. ويتم تقسيم شعاع الضوء إلى موجتين تنطلقان في اتجاهين متعاكسين باتجاه دوران عقارب الساعة وعكس اتجاه دوران عقارب الساعة داخل الحلقة، وعند التقاء هذين الشعاعين تتشكل أهداب franges متداخلة. فإذا تعرض جسم المدوار إلى انعطاف أو انحراف في مستوي الحلقة فإن الأهداب تنزاح عن مواضعها مسافة تتناسب مع معدل الانحراف، وهناك خلية ضوئية تقوم بقياس هذا الانزياح ومعدله وتنقل نتائج القياس إلى حاسوب معالج يقوم بإعطاء الأوامر التصحيحية.
ـ مدوار الليزر الحلقي ring laser gyroscope: تم تطوير أول مدوار ليزري في الستينات من القرن الماضي، وركب في طائرات الركاب منذ عام 1978 فشاع استخدامه وازدادت وثوقيته ودقته، وانخفضت كلفته مقارنة بالمدوار الميكانيكي.
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/9743-2.jpg
الشكل (3) المدوار اليزري الحلقي
يتألف المدوار الليزري الحلقي من جسم مثلثي يحتوي على أخدود مثلثي طوله الكلي L كما في (الشكل3). يولد المنبع الليزري مصدرين ضوئيين مضخمين مترابطين coherent ينتقلان في اتجاهين متعاكسين وينعكسان على مرآتين M2 وM3 مروراً بمرآة نصف عاكسة M1. يتم تجميع الشعاعين الليزريين بوساطة عدسة، فتتشكل عند التقائهما موجة ساكنة ، فإذا تعرض جسم هذا المدوار إلى انحراف في مستوى الجسم المثلثي يحدث انزياح عن موقع الموجة الساكنة، ويتناسب هذا الانزياح مع سرعة الانحراف، وهناك خلية كشف ضوئية detector تقوم بقياس هذا الانزياح وتنقل نتائجه إلى حاسوب معالج يتولى إعطاء الأوامر التصحيحية.
وكما هو واضح فإن كلاً من المدوار البصري والمدوار الليزري هما من النوع وحيد الحرية أي يجب استخدام ثلاثة مدوارات على محاور الجسم الثلاثة لقياس حركة الجسم في الاتجاهات الثلاثة.
يتميز كل من المدوار البصري والمدوار الليزري بعدم وجود قطع متحركة، وهذا يعني عدم وجود احتكاك مما يزيد من دقة قياساته.
تطبيقات المدوار
إن الاستخدام الأكثر شيوعاً للمدوار هو في التوجيه والتحكم بأجسام متحركة بهدف المحافظة على مسار معين محدد مسبقاً موجود في ذاكرة حاسوب مجموعة التحكم والتوجيه، ويقدم معلومات آنية ومستمرة عن الوضع الذي يجب أن تأخذه محاور الجسم الحامل في كل لحظة من اللحظات. وتتم مقارنة هذه القيم الاسمية مع القيم المقاسة بمساعدة المدوار. فإذا ظهر أي اختلاف بينها تقوم منظومة التحكم بتوليد أوامر تصحيحية وإرسالها إلى دفات القيادة في الطائرة أو الصاروخ أو السفينة أو الغواصة أو إلى نوافث التوجيه في السواتل، حيث تتم إعادة الجسم إلى الوضعية المطلوبة على المحاور الثلاثة، وهو مبدأ عمل أجهزة التحكم والتوجيه العطالي inertial navigation، ويبين (الشكل4) توضيحاً لهذه العملية.
http://www.arab-ency.com/servers/gallery/9743-1.jpg
الشكل (4) مبدأ عمل مجموعة التحكم والتوجيه
معن العظمة