1. 개요
Gyroscope[1]위아래가 완전히 대칭인 팽이에 고리를 축에 직각인 방향으로 만들고 다시 그것을 제2의 고리를 써서 앞의 것과 직각 방향으로 받든 후에, 다시 제3의 고리에 의하여 앞의 둘에 직각 되는 방향으로 지탱하여 줌으로써 팽이의 회전이 어떠한 방향으로도 일어날 수 있도록 한 장치. 팽이가 빠르게 회전하는 동안 외부에서 충격이 가해져도 쓰러지거나 하지 않고 쉽게 자세(회전축)를 바꾸지 않고 회전축이 항상 일정한 방향을 가리키는 성질인, 일종의 관성력인 회전관성모멘트를 이용한 것으로 윤전의(輪轉儀)ㆍ전륜(轉輪)ㆍ회전의라고도 한다. 레옹 푸코가 명명했다.
방식마다 다르지만, 공통적으로 뭔가의 회전에 의해 발생하는 자이로 효과(Gyro Effect)를 사용하여 원점위치를 역추정, 현재의 방향이 어느 쪽인지를 역산출하는 기계다. 그래서 방향성(Orientation)을 측정할 때 쓰게 된다. 선박이나 항공기용 컴퍼스, 대형 선박의 수평 안정 장치, 로켓의 관성 유도 장치 등에 응용된다.
여기의 자이로 효과는, 물체가 고속으로 회전하여 다량의 회전 운동에너지를 보유하게 될 때, 각운동량 보존법칙에 따라 회전축 방향이 잘 변하지 않기 때문에 회전축방향으로의 정렬을 유지, 결국 고속으로 돌아가는 자이로의 회전축은 그 방향이 쉽게 변하지 않는다는 것을 의미한다. 그래서 일단 고속으로 팽이를 회전시킨 다음 그것을 기준축 삼아 얼마나 돌아갔는지를 측정하는 것.
하지만 밑에 언급될 MEMS나 광자이로는 정작 이러한 회전관성력을 사용하지 않는다. 다만 여태까지 같은 용도로 사용된 장치를 자이로스코프라고 불러왔으니 똑같이 자이로스코프라 부르는 것.
2. 축 방향
x축(정면)이 기준 방향이다.
3. 유형
3.1. Inertial
레퍼런스 스타일의 자이로스코프로, 진짜 쇳덩어리를 돌려서 자이로 효과를 만들고, 각 축을 센서와 연결하여 사용하게 된다. 내부 모터는 토크는 아주 낮으나 매우 고속으로 회전하는데, 낮은 토크 때문에 가용속도까지 올라가는 데 몇 분이 걸린다.
이 형식의 자이로스코프의 각 축에 탑재되는 것은 각가속도 센서이다. 그러니 자이로의 회전축을 기준으로 현재 센서가 달린 몸통 부분이 회전한 각도 그 자체를 측정하는것이 아니라, 얼마나 빠르게 회전속도가 변하는지를 측정하므로 그냥은 현재의 각도 자체를 알 수 없고 적분을 두 번 하여(각가속도->각속도->각도) 각도를 구하게 된다. 문제는 연속적으로 처음 기준값에서 계속 적분하는거라 시간이 지나면 지날수록 오차가 쌓이는데, 이 때문에 경우에 따라서는 내부적으로 다른 참조값을 이용하여 계속 이 오차값을 보정하여 사용한다.
3.2. MEMS
초소형 자이로스코프. 보통 가속도계와 한데 엮인 패키지로 널리 응용된다. 크기는 일반적으로 접하는 반도체 칩보다 작은 사이즈가 널리 쓰인다. 영미권에서는 CVG(Coriolis Vibratory Gyroscope)라고 구분지어 분류된다.쉽게 설명하기 위해 대포를 쏜다고 생각해 보자.
대포를 쏠 경우, 대포알은 직선으로 날아가게 된다. 하지만 자전방향으로 대포알의 속도는 일정하지만 땅은 적도에서 멀어질 수록 느려지기 때문에 날아가는 동안 땅과 대포알의 속도가 점점 차이 나게 된다. 이 때문에 지도 위에서 볼 경우 대포알의 경로는 직선이 아니라 한쪽으로 치우친 형태(곡선)를 띠게 된다.
만일 지구의 자전 속도가 지금보다 빠르다면 그 곡률은 더 심해질 것이고, 만일 느리다면 더 직선에 가까워진다.
이렇게 직선 경로가 한쪽으로 휘는 현상을 설명하는 것이 코리올리 효과이고, 이것을 이용해서 외부에서 가해진 각속도를 구할 수 있다.
위에 보이는 SEM 사진은 자이로스코프가 아니라 가속도 센서의 SEM 사진이다. 얼핏 보면 복잡하지만, 스프링에 의해 매달려 있는 mass 를 생각하면 된다. 외부에서 힘이 가해지면 mass는 그에 따라 움직이게 되고, 고정되어 있는 electrode(전극) 사이의 간격(gap)이 변하게 된다. 간격이 변함으로써 capacitance(전기 용량) (C=e0*A/d)가 변하게 되고, 그것을 회로를 이용해 전기적 신호로 읽어낸다.
엄청나게 작은 크기로 만들 수 있다는 장점이 있으나 상대적으로 정밀도 자체는 좀 떨어진다. 보통 소형기기나 측정센서, 그리고 휴대폰이나 게임기의 모션 센서 등에 쓰인다. 미사일의 경우에는 정밀도가 아주 높지 않아도 되거나 비행시간이 짧은 대신 소형센서가 필요한 경우 이 MEMS 자이로스코프를 쓰기도 한다. 아이언돔 방공체계의 요격 미사일이 대표적.
3.3. Optical
1개 모듈 도면.
1개 모듈 실사.
1개 모듈 작동 중.
3개짜리.
빛의 간섭효과 등을 이용하여 만든 자이로스코프. 보통 Ring Laser Gyroscope라고도 한다. 개념 자체는 굉장히 오래되었고 가격도 비싸지만, 기계식 자이로에 비해 비교적 가볍고 아주 정밀하다는 특성 때문에 60년대 후반부터 현대까지도 항공기나 미사일등의 정밀 센서로 각광을 받고있다. 또한 일반적인 반도체 자이로스코프에 비해 극도로 높은 정밀도를 가지기에 비행기나 탄도미사일 등 정밀한 관성항법을 수행하는 경우엔 꼭 이 자이로를 사용한다. 가장 빠른 지구의 자전속도(적도 기준)의 1/10000 만큼 변하는 각속도를 감지해낼 수 있으면 네비게이션 등급의 RLG로 분류 할 수 있다. GPS의 민간허용 이전에 이러한 개념으로 개발된 장치가 Strapdown INS 이다.
원리는 밑의 광섬유 방식 레이저 자이로스코프와 동일하나 광섬유대신 거울로 레이저의 경로를 설정한다는 점이 다르다.
아래 내용은 KAIST 김병윤 교수의 수업 PT 중 일부이다.
- 광원에서 빛이 나온다.
- 방향성 결합기(directional coupler) 통과 → 2갈래로 쪼개짐
- 광섬유 코일을 통과
- 하나는 편광기를 지나게 해서 위상을 레퍼런스로 고정
- 나머지 하나는 그냥 회전하는 자이로스코프에서 빛은 Sagnac 효과에 의해 진행길이 변화에 의한 위상차가 발생하므로, 방향성 결합기에서 레퍼런스와의 보간 간섭 때에 출력이 낮아짐. 정지한 상태에선 둘 다 같은 위상이므로 최대 출력이 나옴
- 이걸 그냥 포토커플러로 받아들임
- 적당히 처리하기.
란 원리로 작동하는 자이로스코프이다. 이 센서는 각가속도([math(\alpha)])값이 아니라 각속도([math(\omega)])값이 나오므로 각도([math(\theta)])를 구하려면 한 번만 적분하면 돼서 오차가 적다.
3.4. Quantum
양자역학적 원리를 이용해 각속도를 감지하는 방식. 극저온으로 냉각한 헬륨은 초유동체가 되어 마찰없이 흐른다는 걸 이용해서 속이 빈 관의 둥근 고리에 초유동체를 채워 고리가 회전하면 그 초유동체가 마찰없이 자유로이 관 속을 이동하는 것을 조셉슨 소자같은 초전도 센서 소자로 감지하는 방식. 극저온을 사용하기 때문에 장치가 커지고 다루기 어렵지만 대단히 민감하기 때문에 지구의 자전속도도 감지할 수 있는 정도. 하지만 GPS를 사용하기 어려운 잠수함이나 극저온을 유지하기 쉬운 우주공간에서 운영하는 우주선이나 인공위성 등에서 사용가능성이 있다.4. 창작물에서
자이로스코프 자체가 등장하는 창작물은 거의 없다. 다만 가상현실용 체험장비라든가 하는 식으로 자이로스코프와 비슷한 3차원적인 움직임이 필요한 장면에서 유사한 구조물이 등장하기도 한다.이외에는 기묘하게도 시공간을 뛰어넘을 수 있는 포탈 장치라던가 뭔가 신비한 힘을 가진 물건으로서 드물게 등장하는 편. 가운데의 회전디스크를 빼버리고 가장자리의 링만 빙빙 돌다가 안에 포탈이 열리는 식이다. 이벤트 호라이즌(1997), 콘택트(1997), 13 고스트(2001), 타임 머신(2002), 게임 파이널 판타지 13-2의 게이트 등에서 자이로스코프의 모양과 비슷한 물건이 등장해 시공간을 뛰어넘는 연출을 표현하는 데 사용되고 있다.
5. 여담
- 6축 자이로센서는 X, Y, Z 축에 대해 회전각 검출을 위한 자이로 3개와, X, Y, Z 축에 대한 가속도 센서 3개가 들어있다.
- 자이로는 매우 비싼 물건으로, MEMSIC 같은 전문회사 제품은 1700만원 정도의 고가 제품이다. 이는 MEMS 자이로 칩도 예외는 아니라서 자이로칩셋도 무라타 1축 자이로가 5만원이다. 물론 이것도 미사일이나 우주선에 들어가는 것에 비하면 무지하게 싼 편이다. 저런 것에 들어가는 자이로는 보통 억 소리 난다. 이런 무기급 자이로스코프는 국내에서는 한화와 LIG넥스원의 미사일 사업부에서 만든다. 몰론 고정밀 자이로들이나 그렇고 mpu6050같이 일반적인 자이로는 2000원 정도 한다. 스펙은 일반적인 핸드폰의 자이로정도 스펙.
- 휴대폰에 6축 자이로가 들어간다. 그렇게 비싸다는 자이로를 여섯 개나 쓴 것인데, 사실 말장난에 불과하다. 지자기센서 3축과 초소형 자이로 3축을 합해서 6축이라는 말장난이고 보통 3축+3축 가속도계가 일반적인 모션센서 모듈의 구성단위이다. 첨언하자면, 자이로의 정밀성이라는 것이 읽어들이는 값 자체의 정밀성뿐 아니라 사실상 얼마나 오래 외부의 보정 없이 믿을 만한 값을 낼 수 있느냐 (99%의 정확도라고 해도 초당 60번씩 5초만 검출하면 벌써 300번이고, 300번의 1퍼센트는 3이라서 무시할 수 없는 숫자다. 보정 없이 가동되는 시간이 길수록 가동기간 내내 정확도를 확보하려면 회당 정확도가 올라가야 한다) 하는 것이라서 항상 사람 손에 있고 보정 없이 급격한 운동을 한 번에 몇 분 이상 측정할 필요가 없는 핸드폰에 쓸 때는 그렇게 정밀도가 높지 않아도 되기 때문이다.
- 닌텐도 Wii의 주변기기인 모션플러스에도 꽤 쓸만한 센서가 들어가 있어서, 센서만 떼어다 멀티콥터등에 사용하기도 한다. 일명 멀티위. 멀티위에는 눈차크와 모션플러스가 필요한데, 눈차크에는 가속도 센서, 모션플러스에는 자이로 센서가 들어있기 때문이다. Wii 리모컨에도 가속도 센서가 있긴 하지만, 위모콘 자체는 필요 없다. 또한 후세대 기기에 있는 조이콘에도 내장되어 있다. 일부 게임에서 많이 쓰인다.
- 보통 항공기나 미사일, 선박등은 이 자이로스코프와 가속도계를 조합하여 관성항법을 수행한다. 자이로스코프의 오차보정방법으로는 칼만 필터가 있다. 칼만 필터는 물리적인 필터가 아니라 동역학모델과 다른 센서를 주기적으로 이용해서 자이로스코프의 오차를 일반적으로 바이어스로 검출하는 소프트웨어필터이다. 아폴로 비행선은 별을 이용하여 INS를 정렬하였으며 인공위성에서는 별을 이용한 스타센서를 사용해서 자이로스코프의 오차를 보정하는 방법이 널리 쓰이고 있다[2]
- 스마트폰에 자이로스코프를 탑재하는 제품이 늘면서 이를 마이크 대용으로 쓰는 방법도 개발되었다. 아직은 대화를 하는지 안 하는지 인식만 가능하다고 나왔지만 마이크 퍼미션을 제한한다고 도청이 원천봉쇄된다고 장담할 수는 없다.
- 한국공학대학교 서문에는 꽤 큰 크기의 자이로스코프 조형물이 존재한다. 공학계열 대학답게 학교를 대표하는 조형물로 자이로스코프를 택한 것으로 추측된다.