ドローンが空を滑空してビデオを撮影しているのを見て、どうやってこれほど安定した映像を撮影できるのか不思議に思ったことはありませんか?答えはジンバルです。しかし、ジンバルとは何でしょうか？これは本質的にピボットできるプラットフォームです。それはどういう意味ですか？つまり、ジンバル上の物体は、動かないベースに固定されるのではなく、少なくとも 1 つの軸に沿って回転できるということです。航空学の世界では、これらの軸はロール、ピッチ、ヨーです。
ロール、ピッチ、ヨー軸
ロール、ピッチ、ヨーを理解するには、飛行機のようなオブジェクトを視覚化するのが最も簡単です。飛行機の前部を通って後ろに伸びる のことを考えてください。この線に沿って回転するとロールが発生し、飛行機はバレル ロールを開始します。
次に、飛行機の両翼を通る別の線を想像してください。この線に沿った回転はピッチの変化です。飛行機はピッチの方向に応じて上昇または降下します。完全な円はループ・ザ・ループになります。
最後に、平面の上下から出る垂直線を想像してください。これがヨー軸です。この線に沿って回転すると、平面の方向が右または左に変わります。これらの動きはドローンにとっても重要であり、安定した映像を撮影できるようになります。
オブジェクトマウントシステムの精度
3 つ以上のジンバルに取り付けられた物体は、ほぼあらゆる方向に回転できます。これは、特定の方向に対するオブジェクトの向きが安定していることを確認する必要がある場合に便利です。どうやって？例を見てみましょう。
クルーズ船のビリヤード台を想像してみてください。それが通常のテーブルであれば、船の横揺れ、ピッチ、ヨーの変化に応じて、ビリヤードのボールがテーブルの表面を前後に転がることになります。しかし、ジンバル システムに取り付けられたビリヤード台は、船の向きの変化に合わせて調整でき、水平なプレイ面を維持できます。船に乗っている観察者からは、テーブルが異常な方向に傾いているように見えるでしょう。テーブルの上に立つと、船の残りの部分が傾いているように見えるでしょう。
ジンバルシステムとはどのようなものですか?それでは始めましょう。
ジンバルシステム
ジンバルは軸を中心に回転できるあらゆるサポートですが、ほとんどのジンバル システムは一連の のように見えます。最も外側のリングは、ボートの計器パネルのように、より大きな表面に取り付けられます。次に大きいリングは、外側のリングの表面実装に垂直な 2 点で最も外側のリングに接続されます。
次に、3 番目に大きいリングが、1 番目と 2 番目のリングの間の接続に垂直な 2 点で 2 番目に大きいリングに取り付けられ、以下同様に続きます。わかりにくいと思いませんか？イラストを見てみましょう。各リングは 1 つの軸を中心に回転できます。これはどのように役立ちますか?それ自体は、ただ見るだけでも興味深いものです。しかし、オブジェクトをシステムの中心に取り付けることで、いつでもオブジェクトを特定の方向に向けることができます。
まあ、いつでもほぼあらゆる方向です。ジンバル システムに関する問題の 1 つは、 です。ジンバル ロックは、3 ジンバル システムの 2 つの軸が揃うと発生します。そうなると、物体の動きは制限されてしまいます。可動範囲全体が不可能になります。これが図の右側にあるものです。
ジンバルロックの問題への対処
ジンバルロックは深刻な問題です。たとえばドローン撮影では、ジンバル ロックによりカメラの可動範囲が大幅に制限され、あらゆる角度からスムーズで安定した映像を撮影できなくなる可能性があります。ジンバルロックを回避するには 2 つの方法があります。 1 つは、ジンバルが別の方向に振れるように表面を操作するか、ジンバル自体を物理的にリセットすることによって、ジンバルを調整することです。
ジンバル ロックが発生した場合は、ジンバルをリセットして再び動作させる必要があります。別の解決策は、システムにさらにジンバルを追加することです。 4 つ目のジンバルを追加すると、ジンバルのロックを解消できますが、システムが大きくなり、より複雑になります。ほとんどのジンバルは電子システムの一部であるため、複雑性を高めることが常に最良の選択であるとは限りません。
ジンバルがデバイスの可能性を最大限に引き出す方法
すでにほのめかしたように、設計者はジンバルを使用することで、固定された固定デバイスよりも柔軟なデバイスを作成できます。また、周囲の環境がどのように移動または変化するかに関係なく、デバイスが特定の方向を向くようにデバイスの向きを調整することもできます。このような用途には、コーヒーをこぼす心配がないように調整するカップホルダーから、受信信号に向けて向きを変える衛星アンテナのアレイに至るまで、数多くの用途があります。
宇宙のジンバル
では、ジンバルはNASAとどのような関係があるのでしょうか?答えは要約すると、ほぼすべてです。 NASA は、ナビゲーション システムや計器パネルの設計時にジンバルを使用するだけでなく、トレーニング シミュレーターやその他の地上コンポーネントの構築にもジンバルを使用します。ジンバルがなければ、NASA が最初の宇宙飛行士を安全に宇宙に送り出す方法を見つけるのは非常に困難だったでしょう。
訓練ミッションでは、NASA は宇宙飛行士が宇宙にいるときに遭遇するジンバルを使用します。初期の訓練シミュレーションの中には、宇宙遊泳をシミュレートするために、宇宙飛行士がハーネスを装着し、吊り下げられたジンバルシステムからぶら下がる必要があるものもありました。宇宙飛行士は一連のジンバルに乗っていたため、宇宙にいるときと同じように、さまざまな方向に向きを変えることができました。ジンバルはモーション シミュレーターでも重要な役割を果たし、シミュレーター キャビンの動きの自由度を高めました。
NASA は初期の宇宙船で、機器から推進システムに至るまであらゆるものにジンバルを使用していました。ナビゲーション システムでは、ジンバルは、地球や宇宙ステーションなど、他のものに対する宇宙船の向きを決定したり変更したりするのに役立ちます。ジンバルは、ソーラーパネルなどのコンポーネントにも役立ちます。ジンバル システムに取り付けられたパネルは、宇宙船の向きが変わっても、太陽に向くように傾けたり回転したりできます。
慣性計測ユニット
NASA の最も重要な宇宙機器の 1 つは慣性測定ユニット () です。 IMU は、ピッチ、ロール、ヨー、加速度の変化を測定します。 IMU には、宇宙船の速度と姿勢の変化を監視する加速度計とジャイロスコープが含まれています。
ジェミニのミッションでは、NASA は 4 つのジンバル システムを使用しました。しかし、アポロ計画では、NASA は 3 つのジンバル システムを採用することを決定しました。技術者らは、4つのジンバルシステムの完成を待っていれば、1970年までに人類を月面に着陸させるという目標を達成できなくなるのではないかと懸念したためだ。アポロ宇宙船の IMU では 3 つのジンバルしか使用していなかったので、宇宙飛行士はジンバルのロックを避けるために常に警戒を怠らず、宇宙船の位置を再調整する必要がありました。
NASA は宇宙船の推進システムを構築する際にもジンバルを使用しました。固定されたロケット エンジンまたはスラスターは、単一方向にのみ推力を提供できます。ジンバルに取り付けられた同じ推進ユニットは、異なる方向に推力を提供するために傾けることができます。これは、他の宇宙船、惑星、月など、宇宙船が他の物体と位置を合わせる必要がある場合には常に重要です。
相互接続された一連の単純なリングによって、NASA が有人宇宙船を月に送ることが可能になったと考えるのは、非常に驚くべきことです。ジンバルがなければ、宇宙を正確に航行したり旅行したりすることはできません。
NASAを超えて
前に説明したように、ジンバルはさまざまなデバイスに組み込まれており、環境の動きに関係なくデバイスの柔軟性と特定の方向を維持する機能に貢献しています。カメラ マウント、機関銃の砲塔、モーション シミュレーターから衛星パラボラ マウントや軌道照明システムまで、数多くの用途があります。
スポットライト: カメラ機器の世界
ドローンと同様に、カメラ機器も安定化のためにジンバル システムを利用することがよくあります。業界ではハンドヘルド ジンバル、電動ジンバル、ジンバル ヘッドが一般的で、カメラの揺れを軽減し、スムーズなジンバル ショットを実現します。取り付けられたカメラであれ、他のタイプのカメラスタビライザーであれ、ジンバルは、不要な揺れを避けながらショットで安定した意図的な動きを目指す写真家やビデオグラファーにとって不可欠です。これらのジンバルではブラシレス モーターを使用することで効率的な動作が保証され、シームレスなパン、チルト、ロール軸の動きが可能になります。
