자이로스코프

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1. 개요

자이로스코프는 회전하는 물체의 관성을 이용해 각도나 방향을 측정하는 장치이다. 1817년 독일의 요한 보넨베르거가 최초로 개발했으며, 이후 레옹 푸코가 '자이로스코프'라는 이름을 붙였다. 20세기 초 전기 모터의 발명으로 실용화되었고, 항해, 자세 제어, 안정화, 소비자 가전 등 다양한 분야에 활용된다. 기계식, 유체식, 광학식, 양자, MEMS 등 다양한 종류가 있으며, MEMS 자이로스코프는 소형화, 경량화되어 스마트폰, 드론 등에서 널리 사용된다.

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자이로스코프
개요
자이로스코프의 작동 원리를 보여주는 다이어그램
유형	기계식 자이로스코프 MEMS 자이로스코프 링 레이저 자이로스코프 광섬유 자이로스코프 유체 자이로스코프 자이로듀론
작동 원리
각운동량 보존	자이로스코프의 회전체가 각운동량 보존 법칙에 따라 공간 내에서 일정한 방향을 유지하려는 성질을 이용함
세차 운동	외부에서 힘(토크)이 가해질 때, 회전축이 힘의 방향에 수직인 방향으로 회전하는 현상
주요 구성 요소
회전체 (Rotor)	높은 속도로 회전하는 원반 또는 바퀴
지지 구조 (Gimbal)	회전체를 지지하고 자유로운 회전을 가능하게 하는 틀
활용 분야
항법 장치	관성 항법 장치 (INS): 항공기, 선박, 우주선 등의 자세 제어 및 위치 측정 자동 조종 장치: 차량, 선박 등의 자동 운전 시스템
안정 장치	자이로스코프 안정기: 선박, 항공기 등의 흔들림 방지 카메라, 스마트폰 등의 손떨림 보정
센서	각속도 센서: 로봇, 게임 컨트롤러, 가상 현실 장비 등 자세 센서: 드론, 웨어러블 기기 등
기타	자이로스코프 효과를 이용한 장난감: 팽이, 자이로 자동차 등 정밀 기기: 경위의, 광파 측거기 등
역사
발명	1817년 요한 본넨베르거가 처음 고안
명칭	1852년 레옹 푸코가 지구 자전을 증명하는 실험에 사용하며 "gyroscope" (자이로스코프)라는 이름을 붙임

2. 역사

본질적으로 자이로스코프는 한 쌍의 짐벌과 결합된 팽이이다. 팽이는 고대 그리스, 로마, 중국을 포함한 여러 문명에서 발명되었다.^[5] 이들 중 대부분은 기구로 활용되지 않았다.

자이로스코프와 유사한 최초의 장치("소용돌이 거울" 또는 "서슨의 거울")는 1743년 존 서슨에 의해 발명되었다. 이는 안개나 연무가 낀 상황에서 수평을 잡고 지평선을 찾기 위해 사용되었다.

1865년경에는 실험 기구 카탈로그에 자이로스코프가 기재되어 있다. 자이로 모멘트에 의해 항상 일정한 방위를 나타내는 자이로콤파스가 만들어진 것은 1908년이다.

20세기에는 팽이 외의 다른 방식들이 발명되었다.

2. 1. 초기 역사

역사적으로 알려져 있는 최초의 자이로스코프는 1817년 독일의 요한 보넨베르거가 만든 것인데, 그 당시에는 '기계(machine)'라고 불렀다.^[6]^[7]^[8] 보넨베르거의 기계는 회전하는 거대한 구를 기반으로 했다.^[9] 1832년, 미국의 월터 R. 존슨은 회전하는 원반을 기반으로 한 유사한 장치를 개발했다.^[10]^[11] 1836년, 스코틀랜드의 수학자 에드워드 섕은 지구의 자전을 감지하는 데 사용할 것을 제안했다.

프랑스의 수학자 피에르시몽 라플라스는 파리 에콜 폴리테크니크에서 이 기계를 교육 보조 도구로 사용할 것을 권장했고, 이로 인해 레옹 푸코의 주목을 받게 되었다.^[12] 푸코는 이를 지구의 자전과 관련된 실험에 사용하였으며, '자이로스코프'라는 이름을 생각해 내었다. 하지만 지구의 회전(gyros)을 보는(scopeein) 실험은 마찰 때문에 실패하였는데, 각 실험 시간은 변화를 관측하기 어려운 8 ~ 10분으로 제한되어야 했기 때문이다.

레옹 푸코가 지구의 자전을 증명하기 위한 실험을 하면서 "자이로스코프"라고 부른 것이 더 널리 알려져 푸코의 발명품이라고 기술하는 경우도 있지만, 그가 발명한 것은 "명칭"이다. 지구의 자전 감지는 제작 기술 부족으로 실패로 끝났다.

2. 2. 푸코의 자이로스코프

1852년, 레옹 푸코는 지구의 자전과 관련된 실험에 이 장치를 사용하면서 '자이로스코프'라는 이름을 붙였다.^[13]^[14] 푸코는 지구의 회전(그리스어 ''gyros'', 원 또는 회전)을 보는(그리스어 ''skopeein'', 보다) 실험을 하였으나,^[15]^[16] 마찰로 인해 각 실험 시간은 변화를 관측하기 어려운 8 ~ 10분으로 제한되어야 했기 때문에 실패하였다.

1852년 레옹 푸코가 설계한 자이로스코프. 1867년 만국 박람회를 위해 Dumoulin-Froment가 제작한 복제품. 국립 공예 기술 박물관, 파리.

2. 3. 상용화

1860년대에 전동기가 만들어져 자이로스코프가 무한정 회전하는 것이 가능해졌다. 이는 자이로컴퍼스로 이어졌다. 최초의 기능성 자이로컴퍼스는 1904년 독일의 발명가 헤르만 안슈츠-캠페가 특허를 받았다.^[17] 1910년 미국의 엘머 스페리는 자신의 설계를 발표했고, 각국에서 이 발명품의 군사적인 중요성을 인식하게 되었다. 당시 해군은 국방력의 중요한 척도였기 때문에, 각국은 자체적인 자이로스코프 산업을 만들어내었다. 스페리 자이로스코프 회사는 항공기와 군함의 안정장치를 만들었고, 다른 자이로스코프 개발자들도 이를 따랐다.^[18]

1917년, 미국 인디아나폴리스의 챈들러 회사는 '챈들러 자이로스코프'라는 장난감을 만들었다. 이 제품은 이후 지속적으로 생산되어 미국 장난감의 고전으로 여겨지고 있다.^[19]^[20]

2. 4. 20세기 이후

20세기 초, 여러 발명가들이 자이로스코프를 초기 블랙박스 항해 장치에 이용하려 시도하였으나 실패하였다. 유사한 원리는 관성유도장치와 탄도 미사일에 쓰이게 되었다.^[21] 1910년 미국의 엘머 스페리(Elmer Sperry)는 자이로컴퍼스를 개발하였고, 각국에서 이 발명품의 군사적 중요성을 인식하고 각자의 자이로스코프 산업을 만들어내었다. 스페리 자이로스코프사는 항공기와 군함의 안정장치를 만들었고, 다른 자이로스코프 개발자들도 이를 따랐다.^[18]

1917년 미국 인디아나폴리스의 챈들러 회사는 '챈들러 자이로스코프'라는 장난감을 만들었는데, 이 제품은 이후 지속적으로 생산되어 미국 장난감의 고전으로 여겨지고 있다.

제2차 세계 대전 동안, 자이로스코프는 항공기 및 대공포 조준기의 주요 구성 요소가 되었다.^[22] 전쟁 후에는 유도 미사일 및 무기 항법 시스템을 위한 자이로스코프 소형화 경쟁이 벌어져 '''소형 자이로스코프'''가 개발 및 제조되었다.

최근 MEMS(Micro Electro-Mechanical System; 극소 전자기계장치) 기술의 발전으로 3축 MEMS 기반 자이로스코프는 태블릿,^[24] 스마트폰,^[25] 스마트워치와 같은 휴대용 전자 장치에도 사용되고 있다.^[26] 새로운 MEMS 기반 관성 측정 장치는 단일 집적 회로 패키지에 최대 9개의 모든 감지 축을 통합하여 저렴하고 널리 사용 가능한 모션 감지를 제공한다.^[29]

3. 원리 및 작동 방식

자이로스코프는 회전하는 팽이(로터)와 이를 지지하는 짐벌로 구성된 장치이다. 짐벌은 로터가 자유롭게 회전할 수 있도록 균형을 유지하는 구조이다.

회전하는 팽이는 외부 힘이 없을 때 회전축을 중심으로 균형을 유지하려는 관성을 가진다. 이를 방향 안정이라고 한다. 예를 들어 팽이가 돌고 있는 지표면에 각도가 생겨도 팽이의 중심축은 지구 중심 방향을 향하는 현상을 들 수 있다.

회전하는 팽이에 외부 힘이 가해지면, 팽이는 힘의 방향과 수직 방향으로 회전 운동을 시작한다. 이를 세차 운동이라고 한다. 예를 들어 오토바이가 빠른 속력으로 달릴 때 몸을 한쪽으로 기울이면 주행 방향이 바뀌는 현상이 세차 운동의 예시이다.

이러한 자이로스코프의 특성을 이용하여 물체의 각속도나 각도를 측정할 수 있다. 가속도센서와 비교하면, 가속도센서는 지표면을 중심으로 기울기, 가속도 등을 측정하지만, 지표면에 수직 방향의 가속도는 측정할 수 없다. 반면 자이로스코프는 가속도센서로 측정할 수 없는 방위각을 측정하며, 지면에 수직인 조건에 상관없이 모든 방향에 대해 각도의 변화를 측정할 수 있다.

물체의 운동을 측정하는 데 필요한 축의 개수는 물체의 운동 차원에 따라 달라진다. 2차원 운동에는 자이로스코프 1개와 가속도센서 2개가 필요하지만, 3차원 운동에는 자이로스코프 3개와 가속도센서 3개가 필요하다. 3차원 운동을 측정하는 6개의 센서를 통틀어 6자유도(Degrees of Freedom)를 가진다고 표현한다.

자이로스코프는 작동 원리에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

종류	설명	특징	활용 분야
기계식 자이로스코프	고마, 플라이휠을 사용한 방식. 회전하는 물체가 회전 상태를 유지하려는 관성의 법칙, 각운동량 보존의 법칙을 이용한다. 회전하는 팽이에 가해지는 관성력을 검출하여 각속도를 측정한다.	분해능과 안정성이 높지만, 크기가 크고 기동 시간이 길며 소비 전력이 크다. 베어링 마모 등으로 정기적인 유지 보수가 필요하다.	가장 오래전부터 사용되었다.
드라이 튜닝 자이로 (DTG)	내부 회전체가 특정 회전 속도에 도달하면 회전축에 대한 기계적 구속력이 최소화되도록 설계된 자이로스코프.	자이로 1개로 2축의 각속도 검출을 수행할 수 있다.
진동형 자이로스코프	팽이 대신 막대나 링의 진동을 이용하는 방식. 진동하는 물체에 가해지는 코리올리 힘으로부터 각속도를 검출한다.	모터나 베어링 등 여러 부품이 필요하지 않아 신뢰성이 높다. 구조상 소형화, 대량 생산에 적합하며, MEMS에 의해 탑재되는 사례가 확대되고 있다.	자동차의 미끄럼 방지 시스템, 카메라의 손떨림 보정 기능, 내비게이션, 스마트폰, 게임기 등
광학식 자이로스코프	사냐크 효과를 이용하는 방식.

진동형 자이로스코프는 다음과 같이 세분화할 수 있다.

구조 종류: 음차형, 음편(가로 진동 가는 막대, 빔)형, 링형, 플레이트형
구동 방식: 정전 인력, 역압전 효과, 전자기력
검출 방식: 정전 용량형, 압전형, 피에조형, 전자형, 광학식

3. 1. 방향 안정

고속 회전하는 로터에 외력이 없다면 로터의 각운동량 벡터값은 항상 일정하다는 것이 방향 안정이다. 이는 뉴턴 제 1법칙인 관성의 법칙과 관련이 크다. 피겨 선수들이 빙판 위에서 회전할 때나 지구의 자전 등이 대표적인 예이다.^[30]

비행기를 예로 들면, 자이로스코프는 회전축을 중심으로 균형을 유지한다(여기서 비행기를 기준좌표계로 설정할 수 있다). 비행기가 운동하던 방향이 바뀌어도 회전자는 회전축을 중심으로 밸런스를 유지한다. 외부틀은 비행기와 함께 회전하며 비행기가 기준좌표계로부터 틀어진 정도를 측정한다.

자이로 휠 다이어그램. 출력 축(파란색)에 대한 반작용 화살표는 입력 축(녹색)에 적용된 힘에 해당하며 그 반대도 마찬가지입니다.

3. 2. 세차 운동

자이로스코프의 두 번째 특성은 세차운동(Precession)이다. 로터가 외부로부터 로터의 축 방향으로 힘을 받으면 회전 반발력(Gyroscopic Reaction Moment)이 생겨 로터에 수직한 또 다른 수직축 방향에 대한 회전운동을 시작한다. 예를 들어 오토바이가 빠른 속력으로 달릴 때, 핸들을 직접 조종하지 않고 몸을 한쪽으로만 기울여도 주행 방향을 바꿀 수 있다. 오토바이를 기준으로 왼쪽으로 몸을 기울이면 오토바이 바퀴 윗부분이 왼쪽 지면으로 밀리는 힘이 발생한다. 이 힘은 90도가 지난 바퀴 앞부분에서 작용하여 왼쪽으로 밀리는 결과가 나타나 오토바이가 왼쪽으로 방향을 바꾸게 된다.^[31]

회전하는 팽이의 회전운동은 회전축을 중심으로 이루어진다. 만약 이 팽이에 외력을 가하거나 시간이 지나 팽이가 스스로 멈추려 할 때, 회전축 또한 일정한 원 모양의 자취를 그리면서 회전하는 것을 관찰할 수 있다. 회전운동을 방해하는 외력이 크다면 팽이는 멈추고, 작다면 팽이는 다시 중심을 잡고 회전한다. 이러한 현상을 세차운동이라 정의한다.

이러한 세차 운동은 각운동량 보존법칙에 의한 것이며, 각운동량 보존에 의하면 각운동량의 방향만 바뀔 수 있고 이 방향의 변화는 토크와 같기 때문에 세차운동을 하게 된다.

회전하는 바퀴(로터)의 축은 스핀 축을 정의한다. 로터는 항상 내부 짐벌의 축에 수직인 축을 중심으로 회전하도록 제한된다. 따라서 로터는 3도의 회전 자유도를 가지며 해당 축은 2도를 가집니다. 로터는 입력 축에 가해지는 힘에 대해 출력 축에 반작용한다.

자이로스코프의 세차 운동은 토크에 의해 유도된다. 이것은 가해진 토크에 의해 생성되는 각운동량의 변화율이다. 세차 운동은 팽이가 넘어지지 않는 것과 같은 직관적이지 않은 동적 결과를 생성한다. 세차 운동은 항공우주 응용 분야에서 자세와 방향의 변화를 감지하는 데 사용된다.

4. 종류

자이로스코프는 각운동량 보존의 법칙이나 코리올리 힘을 이용하는 기계식 및 유체식, 사냑 효과를 이용하는 광학식으로 크게 나눌 수 있다.

4. 1. 기계식 자이로스코프

자이로 효과를 이용하는 회전형은 팽이 (플라이휠)를 사용한 방식이다. 회전하는 물체는 그 회전 상태를 유지하려는 성질(관성의 법칙, 각운동량 보존의 법칙)이 있다. 팽이의 회전면을 기울이는 외력이 가해지면, 원래 상태를 유지하려고 하기 때문에 관성력이 발생한다. 이 회전하는 팽이에 가해지는 관성력을 검출함으로써 외력에 의해 발생한 물체의 각속도를 검출한다. 크고 무거운 팽이를 사용하면 분해능과 안정성이 향상되지만, 크기가 커지는 단점이 있다. 클수록 기동 시간이 길어지고, 팽이 구동을 위한 소비 전력이 커진다. 또한, 베어링 마모 등으로 인해 정기적인 유지 보수가 필요하다. 이 방식은 가장 오래전부터 사용되고 있다.^[48]

드라이 튜닝 자이로(다이내믹 튜닝 자이로, DTG)는 내부의 회전체가 어느 고속 회전 속도에 도달했을 때 회전축에 대한 기계적 구속력이 극소화되도록 설계된 것으로, 자이로 1개로 2축의 각속도 검출을 수행할 수 있다.

팽이와 같은 회전 대신 막대나 링의 진동을 이용하는 방식은 진동형 자이로스코프라고 한다. 진동하는 물체에 가해지는 코리올리 힘으로부터 각속도를 검출한다. 회전형과 같은 모터나 베어링 등 여러 부품이 필요하지 않아 신뢰성이 높다. 자동차의 미끄럼 방지 시스템, 카메라의 손떨림 보정 기능, 내비게이션, 스마트폰, 게임기 등에 사용된다. 구조상 소형화, 대량 생산에 적합하며, MEMS에 의해 탑재되는 사례가 확대되고 있다.^[48]

미세 전자기계 시스템(MEMS) 자이로스코프는 푸코 진자의 아이디어를 차용하여 진동 요소를 사용한다. 이러한 종류의 자이로스코프는 처음에는 군사적 용도로 사용되었지만, 이후 상업적 용도로 널리 사용되고 있다.

반구 공진 자이로스코프(HRG)는 와인잔 자이로스코프^[49] 또는 버섯형 자이라고도 불리며, 두꺼운 줄기로 고정된 얇은 고체 반구형 쉘을 사용한다. 이 쉘은 쉘을 둘러싼 별도의 융합 석영 구조물에 직접 증착된 전극에 의해 생성된 정전기적 힘에 의해 굴곡 공진으로 구동된다. 자이로 효과는 굴곡 정재파의 관성 특성에서 얻어진다.^[50]

진동 구조 자이로스코프(VSG)는 코리올리 진동 자이로스코프(CVG)라고도 하며,^[51] 다양한 금속 합금으로 만들어진 공진기를 사용한다. 저정밀도, 저가형 MEMS 자이로스코프와 고정밀도, 고가형 광섬유 자이로스코프 사이에 위치한다. 정확도 매개변수는 낮은 고유 감쇠 재료, 공진기 진공화, 디지털 전자 장치를 사용하여 온도 의존적 드리프트와 제어 신호의 불안정성을 줄임으로써 향상된다.^[52]

고품질의 와인 잔 공진기는 HRG와 같은 정밀 센서에 사용된다.^[53]

진동형 자이로스코프의 구조, 구동 방식, 검출 방식은 다음과 같다.

종류	방식
구조
구동 방식
검출 방식

4. 2. 유체식 자이로스코프

유로 내에 기체(가스)를 흐르게 하면, 그 기체에 가해지는 코리올리 힘에 의해 기체의 흐름이 변화한다. 이 변화를 검출함으로써 각속도를 얻는다. 흐름의 변화를 검출하는 방법으로는 구조가 간단한 열선식(유량계)이 많이 사용된다. 구조가 간단하지만, 분해능, 안정성 모두 다른 방식에 비해 떨어진다. 순항 미사일과 같은 일회용 용도로 사용된다. 또한, 아주 초기의 카 내비게이션에도 사용되었다.

4. 3. 광학식 자이로스코프

광학식 자이로스코프는 사냑 효과(Sagnac Effect)를 이용하는 방식으로, 링 레이저 자이로스코프(RLG)와 광섬유 자이로스코프(FOG)로 나뉜다. 고정밀 자세 제어가 필요한 경우에 주로 사용된다.^[56]

광로를 따라 동시에 빛(레이저)을 방사하면 양방향에서 접근하는 빛이 같은 시간에 검출되지만, 회전운동이 발생하면 두 빛의 도달 시간은 달라진다. 이 시간 차이를 검출·계산하여 각속도를 산출한다. 링 레이저 자이로스코프는 이 효과에 의한 공진기 길이의 변화를 이용하고, 광섬유 자이로스코프는 길게 감긴 광섬유를 이용하여 광로의 길이 변화를 측정하여 각속도를 산출한다.

광섬유 자이로스코프는 빛의 간섭 현상을 이용하여 기계적 회전을 감지한다. 분리된 두 개의 빛 빔은 최대 5km에 달하는 광섬유 케이블 코일 내에서 서로 반대 방향으로 이동한다. 링 레이저 자이로스코프와 마찬가지로 사냑 효과를 이용한다.^[56] 광섬유의 길이와 감는 반지름 등에 따라 성능이 결정되며, 사용하는 광섬유는 통신용이 아닌 자이로 전용이다. 레이저 발광 소자의 수명, 발광 소자와 섬유의 접점 열화, 온도 변화에 민감하다는 점, 링 레이저 자이로보다 정밀도가 낮다는 점이 단점이지만, 소형이므로 사용되는 경우가 늘고 있다.

링 레이저 자이로스코프는 사냑 효과에 의존하여, 빔을 두 개의 별도 빔으로 분할하여 반대 방향으로 고리를 따라 이동하는 빔의 간섭 패턴의 변화를 측정하여 회전을 측정한다. 매우 정밀도가 높아서, 고성능 항공기나 로켓의 자세 제어용으로 사용된다.

4. 4. 양자 자이로스코프

런던 모멘트 자이로스코프는 회전하는 초전도체가 자이로스코프 회전자의 회전축과 정확히 일치하는 자기장을 생성하는 양자역학적 현상에 의존한다. 자력계는 생성된 자기장의 방향을 결정하며, 이는 회전축을 결정하기 위해 보간된다. 이러한 유형의 자이로스코프는 매우 정확하고 안정적일 수 있다. 예를 들어, 중력 탐사 B 실험에 사용된 자이로스코프는 1년 동안 자이로스코프 회전축 방향의 변화를 0.5 밀리각초 (약 )보다 더 정확하게 측정했다.^[57] 이는 32km 떨어진 곳에서 본 사람 머리카락 너비의 각분리와 같다.^[58]

GP-B 자이로는 회전 대칭이 거의 완벽한 구형 융합 석영으로 만들어진 유전체 지지대 위에 얇은 니오븀 초전도 물질 층이 있는 회전 질량으로 구성된다. 기존 베어링에서 발견되는 마찰을 제거하기 위해 회전자 어셈블리는 6개의 전극에서 나오는 전기장에 의해 중심이 잡힌다. 4000RPM까지 회전자를 회전시키는 헬륨 제트의 초기 스핀업 후에는, 연마된 자이로스코프 하우징에서 회전자 드래그를 더욱 줄이기 위해 초고진공으로 진공 처리된다. 서스펜션 전자 장치가 전원을 유지하는 경우, 극심한 회전 대칭, 마찰 부족, 낮은 드래그로 인해 회전자의 각운동량이 약 15,000년 동안 회전을 유지할 수 있다.^[59]

하나의 양자 또는 약 2E-15 Wb만큼 작은 변화를 구별할 수 있는 민감한 DC SQUID가 자이로스코프를 모니터링하는 데 사용된다. 회전자의 방향이 세차 운동 또는 기울어지면 런던 모멘트 자기장이 하우징에 상대적으로 이동한다. 움직이는 자기장은 하우징에 고정된 초전도 픽업 루프를 통과하여 작은 전류를 유도한다. 이 전류는 션트 저항에서 전압을 생성하며, 이는 마이크로프로세서에 의해 구면 좌표로 분해된다. 이 시스템은 회전자에서 로렌츠 토크를 최소화하도록 설계되었다.^[60]^[61]

4. 5. MEMS 자이로스코프

미세 전자기계 시스템(MEMS) 자이로스코프는 전자 장치에 사용되는 소형 자이로스코프이다. 푸코 진자의 원리를 바탕으로 진동하는 부품을 사용하며, 원래 군사용으로 개발되었으나 현재는 다양한 전자기기에 널리 쓰인다.^[48]

스마트폰에 탑재된 자이로센서는 대부분 코리올리 힘을 측정하는 소리굽쇠 방식의 MEMS 센서이다. 이 방식은 항상 일정한 자세를 유지하는 짐벌식과는 달리, 플랫폼에 고정된(strapdown) 상태에서 대상체의 자세 변화를 전기 신호로 감지한다.

진동 구조 자이로스코프(VSG)는 코리올리 진동 자이로스코프(CVG)라고도 불리며,^[51] 저가형 MEMS 자이로스코프와 고정밀 광섬유 자이로스코프 사이의 성능을 가진다.

자이로스코프는 방향과 회전을 계산할 수 있게 해주기 때문에 최신 전자기기에 널리 사용된다. 특히 스마트폰에서는 가속도계와 함께 사용되어 보다 정확한 방향 및 움직임 감지를 가능하게 한다. 삼성 갤럭시 노트 4,^[65] HTC 타이탄,^[66] 넥서스 5, 아이폰 5s,^[67] 노키아 808 퓨어뷰, 소니 엑스페리아 등의 스마트폰과, 플레이스테이션 3 컨트롤러, Wii 리모컨 같은 게임 주변기기, 오큘러스 리프트와 같은 가상 현실 헤드셋에도 사용된다.^[69] 안드로이드 폰의 PhotoSphere나 360 카메라, VR 기기 등의 일부 기능은 폰에 자이로스코프 센서가 있어야 작동한다.^[70]

닌텐도는 Wii 콘솔의 Wii 리모컨에 "Wii MotionPlus"라는 별도 하드웨어를 통해 자이로스코프를 탑재했다.^[71] 또한 3DS, Wii U 게임패드, 닌텐도 스위치 조이콘 및 프로 컨트롤러에도 내장되어 움직임을 감지한다.

이외에도 유람선에서 자동 수평 조절 장치에 사용되거나,^[72] 자전거 보조 바퀴 대신 사용되기도 한다.^[73]

5. 응용 분야

자이로스코프는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

선박, 항공기, 로켓의 자율 항법, 카 내비게이션 시스템, 자율 주행 시스템, 관성 항법 장치(INS), 로봇, 스마트폰, 디지털 카메라, 무인 항공기 등에 사용된다. 멀티콥터에도 활용되며, 키엔스의 "자이로소어"는 초소형 자이로를 응용한 라디오 컨트롤 완구 제품이다.

카메라나 쌍안경의 손떨림 보정 기능, 자동차의 미끄럼 방지 시스템, 철도의 흔들림 방지, 자이로스코프식 모노레일 등 안정화 장치에도 사용된다.

닌텐도는 Wii 콘솔의 Wii 리모컨에 "Wii MotionPlus"라는 추가 하드웨어를 통해 자이로스코프를 통합했다.^[71] 또한 3DS, Wii U 게임패드, 닌텐도 스위치 조이콘 및 프로 컨트롤러에도 포함되어 있어 움직임을 감지한다.

3축 MEMS 기반 자이로스코프는 태블릿,^[24] 스마트폰,^[25] 스마트워치와 같은 휴대용 전자 장치에도 사용된다.^[26] 이는 X, Y, Z 움직임에 대한 가속도계와 공간에서의 회전 정도 및 속도(롤, 피치 및 요)를 측정하여 모션 감지 기능을 제공한다.

드론 ‘짐벌’(Gimbal)은 자이로스코프 및 나침반과 같은 장치가 탑재되어 있어 바깥 부분의 움직임이 내부에 전해지기 어려운 구조로 설계되어, 충격을 받아 넘기기 때문에 균형을 유지한다.^[79]

5. 1. 항법 및 자세 제어

선박, 항공기, 로켓의 자율 항법에 사용된다. 최근에는 카 내비게이션 시스템, 자율 주행 시스템, 관성 항법 장치(INS), 로봇, 스마트폰, 디지털 카메라, 무인 항공기 등에서도 사용되고 있다. 멀티콥터에서도 활용되고 있으며, 라디오 컨트롤 완구로 일반에 시판된 초기 제품 중 하나인 키엔스의 "자이로소어"는, 동사의 초소형 자이로를 응용한 제품이었다.

여러 개의 거울로 링 모양(실제로는 다각형 모양)의 광로를 가진 레이저 공진기를 구성하고, 회전이 가해졌을 때 생기는 사냐크 효과를 이용하여 각속도를 검출한다. 매우 정밀도가 높아서, 고성능 항공기나 로켓의 자세 제어용으로 이 자이로가 사용된다.

자세 제어
항공기, 로켓, 인공위성, 잠수함, 로봇
안정화
자동차의 미끄럼 방지 시스템, 전복 방지, 사이드 에어백 시스템용 전복 감지
철도의 흔들림 방지
자이로스코프식 모노레일
항법용
자이로 콤파스, 관성 항법 장치

5. 2. 안정화

카메라의 손떨림 보정 기능
쌍안경의 손떨림 보정
흔들림 방지
자동차의 미끄럼 방지 시스템, 전복 방지, 사이드 에어백 시스템용 전복 감지
철도의 흔들림 방지
자이로스코프식 모노레일
차량/함선 탑재 안테나
미사일의 탐색기
1983년 영화 ''스타워즈 에피소드 6: 제다이의 귀환'' 촬영 당시 스피더 바이크 추격 장면의 배경을 촬영하기 위해 두 개의 자이로스코프와 함께 스테디캠 장비가 사용되었다. 스테디캠 발명가 개럿 브라운은 키가 큰 삼나무 숲을 걸으며 카메라를 초당 1프레임으로 작동시켰다. 초당 24프레임으로 영사했을 때, 위험한 속도로 하늘을 나는 듯한 인상을 주었다.^[32]^[33]

5. 3. 소비자 가전

3축 MEMS 기반 자이로스코프는 태블릿,^[24] 스마트폰,^[25] 스마트워치와 같은 휴대용 전자 장치에도 사용된다.^[26] 이는 이전 세대 장치에서 사용할 수 있는 3축 가속도 감지 기능에 추가된다. 이러한 센서는 함께 X, Y, Z 움직임에 대한 가속도계와 공간에서의 회전 정도 및 속도(롤, 피치 및 요)를 측정하기 위한 자이로스코프의 6가지 구성 요소 모션 감지 기능을 제공한다. 일부 장치는^[27]^[28] 지구의 자기장에 대한 절대적인 각도 측정을 제공하기 위해 자력계를 추가로 통합한다. 새로운 MEMS 기반 관성 측정 장치는 단일 집적 회로 패키지에 최대 9개의 모든 감지 축을 통합하여 저렴하고 널리 사용 가능한 모션 감지를 제공한다.^[29]

자이로스코프를 통해 방향과 회전을 계산할 수 있기 때문에 설계자들은 이를 현대 기술에 통합했다. 자이로스코프 통합으로 이전의 단독 가속도계보다 더 정확하게 3D 공간 내의 움직임을 인식할 수 있게 되었으며, 이는 많은 수의 스마트폰에 적용되었다. 소비자 가전 제품의 자이로스코프는 더 강력한 방향 및 모션 감지를 위해 가속도계와 자주 결합된다. 이러한 애플리케이션의 예로는 삼성 갤럭시 노트 4,^[65] HTC 타이탄,^[66] 넥서스 5, 아이폰 5s,^[67] 노키아 808 퓨어뷰 및 소니 엑스페리아와 같은 스마트폰, 플레이스테이션 3 컨트롤러 및 Wii 리모컨과 같은 게임 콘솔 주변기기, 오큘러스 리프트와 같은 가상 현실 헤드셋이 있다.^[69] PhotoSphere 또는 360 카메라와 같은 안드로이드 폰의 일부 기능과 VR 기기를 사용하려면 폰에 자이로스코프 센서가 있어야 한다.^[70]

닌텐도는 "Wii MotionPlus"라는 추가 하드웨어를 통해 Wii 콘솔의 Wii 리모컨에 자이로스코프를 통합했다.^[71] 또한 3DS, Wii U 게임패드, 닌텐도 스위치 조이콘 및 프로 컨트롤러에도 포함되어 있어 돌리거나 흔들 때 움직임을 감지한다.

드론 ‘짐벌’(Gimbal)은 재해 지역 탐구 등 고급 용도에 활용이 가능한 기기로, 축구공처럼 오각형과 육각형으로 구성된 외피가 입혀져 있고 중앙에는 비행에 필요한 로터, 제어시스템, 안정판 등이 장착된 본체가 들어있다. 짐벌의 특징은 본체를 탑재하는 방법인데, 자이로스코프 및 나침반과 같은 장치가 탑재되어 있고 바깥 부분의 움직임이 내부에 전해지기 어려운 구조로 설계되었다. 기존의 드론은 본체가 장애물에 닿을 경우 로터가 영향을 받아 기울어졌지만, 짐벌은 바깥 쪽 부분이 회전해 충격을 받아 넘기기 때문에 균형을 유지한다.^[79]

5. 4. 기타

자세 제어
항공기
로켓
인공위성
잠수함
로봇
안정화
카메라의 손떨림 보정 기능
쌍안경의 손떨림 보정
흔들림 방지
자동차의 미끄럼 방지 시스템, 전복 방지, 사이드 에어백 시스템용 전복 감지
철도의 흔들림 방지
자이로스코프식 모노레일
차량/함선 탑재 안테나
미사일의 탐색기
항법용
내비게이션, 스마트폰
자이로 콤파스
어뢰
관성 항법 장치
운동 계측
관성 측정 장치
스마트폰
게임 컨트롤러
헤드 마운트 자세 센서
자이로 마우스

참조

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