관성항법장치( INS : Inertial Navigation System)

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관성항법장치( INS : Inertial Navigation System)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

된다. 자이로스코프 관성의 결과로 지구의 관측자가 볼 때 자이로스코프의 회전축이 주기적으로 겉보기 운동을 한다. 이 운동은 단지 지구가 자전축을 중심으로 자전함을 의미한다. 여기에는 회전축이 지구의 자전축과 평행하여 천구의 북극을 가리키는 것과 같이 극성을 가리킬 때는 이 회전축이 관측자의 주위에 대해 아무런 운동도 하지 않는다는 하나의 예외가 있다.[13]
3) 자이로스코프의 구조
세차운동 자이로스코프는 자동조종의 기초
⊙ 자이로스코프의 안전장치를 이용한 2륜 트럭
*자이로스코프(gyroxcope):
일정한 축의 주위를 빠른 속도로 회전하는 원형의 물체로 나침반이나 선체의 동요 방지를 위해 쓰인다.
*토오크: 비트는 힘
*세차운동: 팽이가 넘어질 때 생기는 원추형 운동
돌고 있는 팽이는 한발로 서 있어도 넘어지지 않는다. 또 돌고 있는 팽이에 손가락을 대면 저항하는 힘이 느껴진다. 자전과 공전을 하는 지구는 일종의 거대한 팽이라 할 수 있고, 우주는 지구와 같은 팽이들 투성 이다.
※ 돌고 있는 팽이가 쓰러지지 않는 이유
모든 물체는 외부의 힘이 작용하지 않으면 정지 또는 운동하고 있는 현재의 상태를 지속하려는 관성을 갖고 있다. 마찬가지로 회전축을 중심으로 회전하는 물체도 외부의 힘이 작용하지 않는다면 회전을 계속 유지하려 하고, 물체의 회전운동을 변화시키려 힘에 저항하려는 성질을 회전관성이라고 한다.
또한 회전관성은 물체가 회전하는데 중심이 되는 회전축이 변화됨 없이 유지하려는 성질이 있다. 이렇게 회전축을 유지하려는 성질 때문에 외부에서 힘이 작용하여 회전축에 변화가 생기면, 힘이 작용한 직각방향으로 새로운 힘이 나타난다.이러한 이유로 빠르게 돌고있는 팽이는 회전축을 유지하려는 성질이 있기 때문에 넘어지지 않고 돌고 있지만, 시간이 지나 회전이 약해지면 팽이는 넘어지고 만다.
빠르게 돌고 있는 팽이의 한쪽 끝을 손으로 건드리면 팽이의 회전축은 변하게 된다. 그러면 위에서 언급한 것처럼 회전축을 변하게 만든 힘과 직각인 방향으로 힘이 발생하게 된다. 팽이의 회전축이 지면과 수직일 경우에는 회전축에 작용하는 중력은 모든 부분이 같다. 그러나 회전축이 기울어지면 회전축에 작용하는 중력은 서로 달라져 팽이는 넘어지려고 한다. 중력 때문에 팽이가 넘어지려고 하는 힘도 팽이의 회전축을 변화시키려는 외부의 힘이기 때문에 이 힘과 직각방향으로 계속 힘이 발생하게 된다. 그러므로 팽이의 회전축은 바닥과의 수직선 주변을 도는 세차운동을 하게 된다
4) 자이로스코프의 응용
①전륜나침반 자이로의 원리를 응용한 것으로 자이로컴퍼스라고도 한다. 고속으로 회전하는 자이로스코프의 축에 추를 달면, 지구의 자전에 영향을 받아 자이로스코프의 축은 자동적으로 지구의 자전축, 즉 진북방향을 지시하게 된다. 이 진북을 지시하는 힘이 강하므로, 상당히 고위도지역의 항해에도 사용할 수 있으며, 자기나침반과 같은 편차도 없다. 또 배가 철강이기 때문에 생기는 자차도 발생하지 않는다.
프랑스의 물리학자 J.B.L.푸코의 팽이에 의한 지구자전의 관측이 단서가 되어, 1906년에 독일인 H.안쉬츠가 창안하였다. 이어서 미국인 E.A.스페리는 스페리식을, 영국인 S.G.브라운은 브라운식을 고안하여 현재 이 세 가지가 세계에 널리 보급되어 있다. 전륜나침반이 실용화된 것은 1911년이지만, 한국에 도입된 것은 1945년 광복 이후이며, 현재 대형 선박은 거의 전륜나침반을 사용하고 있다. 자기나침반에 비해서 장점이 있다는 것은 위에서 설명한 바 있으나, 법규에 의하여 선박의 원기나침의 로서는 자기나침반을 장치하도록 규정되어 있다
②광섬유 회전 센서(광섬유 자이로스코프) 광섬유 센서의 중요한 분야 중 하나가 바로 광섬유 자이로스코프이다. 자이로스코프는 물체의 회전을 측정하는 장치로서, 비행기의 관성 항법장치 등에 사용되는 중요한 센서이다. 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프, 고리형 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 등이 있다. 광섬유 자이로스코프는 기본적으로 광원과 광섬유를 원형으로 감아놓은 광섬유 코일(회전 감지부)로 구성되어 있다(그림 2 참조). 광원에서 나온 빛은 방향성 결합기를 지난 후 두 개의 빛으로 나뉘어서 광섬유 코일을 지나게 된다. 서로 반대 방향으로 광섬유 코일을 지난 두 빛은 다시 방향성 결합기에서 만나서 간섭한다. 자이로스코프가 정지 상태에 있는 경우, 두 빛은 광섬유 코일을 지나는 동안 똑같은 위상 변화를 경험하므로, 방향성 결합기에서 보강 간섭하고, 광 검출기의 출력은 최대가 된다. 반면, 자이로스코프가 회전하고 있는 경우, Sagnac 효과에 의하여 두 빛 사이에는 회전량에 비례하는 위상차가 발생하고, 광 검출기의 출력이 변화된다. 그러므로 광 검출기의 출력 세기 변화를 측정함으로써 회전량을 검출할 수 있다. 이러한 광섬유 자이로스코프는 다른 형태의 자이로스코프에 비하여 가격, 안정도, 내구성, 빠른 기동 시간 등에서 큰 이점을 가지고 있다.
최근의 광섬유 자이로스코프는 100년에 한 바퀴 회전하는 정도의 아주 느린 회전량도 측정할 수 있을 만큼 정밀한 측정이 가능하다.
자이로스코프의 응용분야로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로 콤파스 등으로 매우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구되는 정밀도와 안정도가 다르다. 자동차용 항법장치에 사용되는 광섬유 자이로스코프는 그다지 큰 정밀도나 안정도가 요구되지 않기 때문에 최근 들어 응용이 활발한 편이며, 상품이 이미 실용화되었다(그림 3 참조). 또한 방위각을 측정할 수 있는 자이로 콤파스도 이미 상품으로 나오고 있으며, 잠수함이나 장거리 비행체 등에 사용할 높은 정밀도와 안정도를 갖는 광섬유 자이로스코프도 속속 개발되고 있다. 이렇게 정밀도가 높은 광섬유 자이로스코프로 만들기 위하여 광섬유 자이로스코프에 들어가는 여러 가지 광학 부품도 많이 연구되고 있으며, 위상차를 정밀하게 측정할 수 있는 신호처리 기법들도 연구되고 있다. 최근에는 광섬유 레이저를 이용한 광섬유 레이저 자이로스코프가 새로이 연구되고 있다. [14]

키워드

관성항법장치,   INS,   자이로스코프