자이로스코프(gyroscope)는 가로, 세로, 높이의 3개 축을 기준으로 움직임을 인식하는 센서(sensor) 장치이다. 간략히 자이로(gyro) 또는 자이로센서(gyro sensor)라고도 한다. 자이로스코프 센서를 이용하면, 스마트폰이나 VR기기의 기울기를 측정할 수 있다.
자이로스코프는 회전에 의해 발생하는 다량의 회전운동 에너지를 보유하게 될 때, 각 운동량 보존 법칙에 따라 회전축 방향이 잘 변하지 않기 때문에 회전축 방향으로 정렬을 유지한다. 고속으로 돌아가는 자이로의 회전축은 그 방향이 쉽게 변하지 않는다는 것을 이용하여, 원점 위치를 역으로 추정하여, 현재의 방향이 어느 쪽인지를 역산출하는 기계다. 그래서 방향성(orientation)을 측정할 때 쓰게 된다. 비슷한 센서로는 지표면을 기준으로 기울기를 측정하는 가속도 센서가 있다.
- 최초의 자이로스코프는 1817년 요한 보넨베르거가 만들었다고 알려져 있다. 그 당시엔 '기계'라고 불렀다.
- 1860년대 전기모터의 발명으로 이 구상이 실행 가능하게 되었다.
- 20세기 초 여러 발명가들이 블랙박스의 항해 장치에 이용하려다가 실패했다. 유사한 원리가 관성유도장치와 탄도미사일에 쓰이게 되었다.
- 1905~1908년 독일의 발명가 헤르만 안슈츠 카엠페가 항해용 자이로컴퍼스를 개발했다.
- 1910년 미국의 엘머 스페리가 자이로컴퍼스를 뒤따라 발명하며 군사적인 중요성을 인식하게 되었다.
- 1917년 미국의 챈들러 회사는 당기는 줄과 축받이를 갖춘 '챈들러 자이로스코프'라는 장난감을 만들었다. 이 제품은 이후 장난감의 고전으로 여겨지게 되었다.
광학식 자이로센서[편집]
광학식 자이로센서는 빛의 간섭효과 등을 이용하여 만든 자이로스코프이다. 개념 자체는 굉장히 오래되었으나 1960년대 후반부터 항공기나 미사일등의 정밀 센서로 각광을 받고 있다. 일반적인 반도체 자이로스코프에 비해 극도로 높은 정밀도를 가지기에 비행기나 탄도미사일 등 관성항법을 수행하는 경우엔 꼭 이 광학식 자이로를 사용한다.
MEMS 자이로센서[편집]
MEMS 자이로센서는 초소형의 자이로스코프이며 보통 일반 반도체 칩 정도의 크기이다. 코리올리 효과(경로가 한쪽으로 휘는 현상)의 힘을 이용한 튜닝포크(소리굽쇠) 방식의 센서로서, 대부분의 모바일기기에 이 센서가 채용되었다. 코리올리 힘을 측정하여 전기 신호로 변환하고 힘에 대한 각속도를 계산한다. 튜닝포크 방식이란 무한 진동하는 추 2개를 이용해 모든 방향에서 작용되는 회전력을 측정할 수 있도록 하는 방식이다.
자이로스코프를 가장 쉽게 표현한다면 '팽이'라고 할 수 있다. 회전 중인 팽이는 외력이 0인 상태에서 회전력에 대한 관성을 가진다. 팽이가 돌고 있는 지표면에 각도가 생겨도 팽이의 중심축은 지구 중심 방향을 향하는 현상을 보면 알 수 있다.
방향 안정[편집]
고속 회전하는 로터(roter, 회전자)에 외력이 없다면 로터의 각 운동량 벡터값은 항상 일정하다는 것이 방향 안정이다. 회전축을 중심으로 균형을 유지하며 방향이 바뀜에도 회전자는 회전축을 중심으로 밸런스를 유지한다. 외부 틀은 함께 회전하며 기준 좌표계로부터 틀어진 정도를 측정한다.
세차 운동[편집]
로터가 외부로부터 로터의 축 방향으로 힘을 받으면 회전 반발력이 생겨 로터에 수직한 또 다른 수직축 방향에 대한 회전운동을 시작한다. 회전운동은 회전축을 중심으로 이루어진다. 외력을 가하거나 시간이 지나 스스로 멈추려 할 때, 축을 중심으로 회전운동을 방해하는 외력이 크다면 멈출 것이고 작다면 다시 중심을 잡고 회전할 것이다. 이러한 현상을 세차운동이라 정의한다.
- 스마트폰 : 상하좌우 동작을 감지하는 자이로스코프 센서를 내장하여, 다양한 동작을 인식하는 게임 등 애플리케이션 개발이 가능해졌다.
- 드론 : 자이로스코프 및 나침반과 같은 장치가 탑재되어 있고 바깥 부분의 움직임이 내부에 전해지기 어려운 구조로 설계하여 본체가 장애물에 닿을 경우 바깥 쪽 부분이 회전해 충격을 받아 넘기기 때문에 균형을 유지할 수 있다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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