Кіріспе
Үш өлшемді, үш гимбалдық механизмдегі бір еркіндік дәрежесінің жоғалуы. Гимбалдық бұғаттама – көп өлшемді механизмдегі осьтердің белгілі бір реттелуі кезінде бір еркіндік дәрежесінің жоғалуы. Үш өлшемді үш гимбалдық механизмде, гимбалдық бұғаттама екі гимбалдың осьтері параллель конфигурацияға келгенде пайда болады, бұл жүйені екі өлшемді дегенеративті кеңістікте айналуға "бұғаттайды". Гимбалдық бұғаттама термині, жеке гимбалдардың ешқайсысының іс жүзінде шектелмегендігін ескеретіндей, жаңылыстырушы болуы мүмкін. Барлық үш гимбал да өз аспалы осьтері бойынша еркін айнала береді. Бірақ, екі гимбалдың біліктері параллель болғандықтан, бір оське айналу үшін қолдау көрсететін гимбал болмайды, нәтижесінде аспалы объекті сол оське қатысты тиімді түрде бұғатталып қалады (яғни айнала алмайды). Бұл мәселе басқа жағдайларға да қатысты, координаталық жүйе басқа айнымалылардың белгілі бір мәндерінде өзінің бір айнымалысын анықтай алмайтын жағдайларға да қатысты болады.
Gimbal lock is the loss of one degree of freedom in a multi dimensional mechanism at certain alignments of the axes. In a three dimensional three gimbal mechanism, gimbal lock occurs when the axes of two of the gimbals are driven into a parallel configuration, "locking" the system into rotation in a degenerate two dimensional space. The term gimbal lock can be misleading in the sense that none of the individual gimbals are actually restrained. All three gimbals can still rotate freely about their respective axes of suspension. Nevertheless, because of the parallel orientation of two of the gimbals' axes, there is no gimbal available to accommodate rotation about one axis, leaving the suspended object effectively locked (i. e. unable to rotate) around that axis. The problem can be generalized to other contexts, where a coordinate system loses definition of one of its variables at certain values of the other variables.
Джимбалдар
Гимбал – бір ось бойынша айналу үшін ілініп тұратын сақина. Гимбалдар әдетте көп осьті айналуды қамтамасыз ету үшін бірінің ішіне бірі орналастырылады. Олар гироскоптарда және инерциялық өлшем бірліктерінде қолданылады, бұл ішкі гимбалдың бағытын өзгермей ұстауға, ал сыртқы гимбалдың ілігі кез келген бағытқа бұрылуға мүмкіндік береді. Компас пен серпімді дөңгелектердегі энергия сақтау механизмдерінде олар заттардың тік күйде тұруын қамтамасыз етеді. Олар ракеталардағы итеркіш қозғалтқыштарды бағыттау үшін пайдаланылады. Математикадағы кейбір координат жүйелері бұрыштарды өлшеу үшін, әсіресе Эйлер бұрыштарын, нақты гимбалдар сияқты жұмыс істейді. Егер үш немесе одан аз гимбалдар тізбегі болса, жабу кеңістігінің қасиеттеріне байланысты жүйедегі белгілі бір нүктеде гимбал құлыптауы сөзсіз пайда болады.
Инженерлік салада
Тек екі нақты бағыт ғана нақты гимбал бұғаттамасын тудырады, бірақ практикалық механикалық гимбалдар осы бағыттарға жақын қиындықтарға тап болады. Гимбалдар жиынтығы бұғатталған конфигурацияға жақын болғанда, гимбал платформасының кішкентай бұрылысы үшін айналадағы гимбалдардың үлкен қозғалысы қажет. Бұл қатынас тек гимбал бұғатталу нүктесінде ғана шексіз болады, алайда гимбалдардың инерттілігінен (әр гимбал сақинасының массасынан туындайтын), подшипниктердің үйкелісінен, гимбалдарды қоршаған ауаның немесе басқа сұйықтықтың қарсылығынан (егер олар вакуумде болмаса) және басқа да физикалық және инженерлік факторлардан туындаған жылдамдық және үдеудің шектері платформаның осы нүктеге жақын қозғалысын шектейді.
Екі өлшемде
Гимбалдық құлыптау екі еркіндік дәрежесі бар гимбалдық жүйелерде, мысалы, азимут (көлденең бұрыш) және биіктік (тік бұрыш) бойынша айналулары бар теодолиттерде пайда болуы мүмкін. Бұл екі өлшемді жүйелер зенит және надирде гимбалдық құлыпталуы мүмкін, себебі сол нүктелерде азимут анықталмайды және азимут бойынша айналу теодолиттің бағытын өзгерте алмайды. Көкжиектен теодолитке қарай ұшып келе жатқан тікұшақты қадағалауды қарастырайық. Теодолит – тікұшақтың бағытын және биіктігін қадағалау үшін үш аяққа орнатылған телескоп. Тікұшақ теодолитке қарай ұшып келеді және телескоп оны биіктік және азимут бойынша қадағалайды. Тікұшақ бағытын өзгерткенде үш аяқтың үстінен (яғни зенитте) өтеді және бұрынғы бағытына 90 градус бұрышпен ұшып кетеді. Телескоп бір немесе екі гимбалдық бағыттағы үздіксіз секірусіз осы маневрді қадағалай алмайды. Ол нысананы ұстап тұру үшін үздіксіз қозғалыс жасай алмайды. Ол гимбалдық құлыптау күйінде. Демек, телескоптың нысананың барлық қозғалысын үздіксіз қадағалай алмайтын зенит маңында шексіз бағыттар бар. Тікұшақ зениттен өтпесе де, бірақ зенитке жақын болса, гимбалдық құлыпталуды болдырмау үшін жүйе оны қадағалау үшін өте жылдам қозғалуы керек, себебі ол бір бағыттан екіншісіне жылдам өтеді. Ең жақын нүкте зенитке неғұрлым жақын болса, соғұрлым жылдам қозғалу керек, ал егер тікұшақ шынымен зениттен өтіп кетсе, осы «күшейе түсетін жылдамдық» қозғалысының лимиті шексіз жылдамдыққа жетеді, яғни үздіксіз болады. Гимбалдық құлыпталудан құтылу үшін пайдаланушы зенитті айналып өтуі керек: биіктікті төмендету, азимутты нысананың азимутына сәйкес ету, содан кейін биіктікті нысанаға сәйкес ету. Математикалық тұрғыдан алғанда, бұл сфералық координаттар сферадағы зенит және надирде координаттар сызбасын анықтамайтындығына сәйкес келеді. Сондай-ақ, T2→S2 торусынан S2 сферасына дейінгі сәйкес карта (белгілі азимут пен биіктігі бар нүктемен берілген) осы нүктелерде жабылмау картасы болып табылады.
Үш өлшемді
Солтүстікке қарай ұшып бара жатқан ұшақтағы деңгейді сезетін платформаны қарастырайық, оның үш гимбал осі бір-біріне перпендикуляр (яғни, руль, тангаж және рыскание бұрыштарының әрқайсысы нөлге тең). Егер ұшақ 90 градусқа көтерілсе, ұшақ пен платформаның рыскание осінің гимбалы руль осінің гимбалымен параллель болады, және рыскание бойынша өзгерістерді өтеу мүмкін болмайды.
Шешімдер
Бұл мәселені төртінші гимбалдың қолданылуымен шешуге болады, ол моторы арқылы белсенді түрде басқарылады, осылайша ролл және рыскание гимбалдарының осі арасындағы үлкен бұрыш сақталады. Тағы бір шешім – гимбал құлыпталуы анықталғанда, бірінші немесе бірнеше гимбалдарды кездейсоқ позицияға бұрып, құрылғыны қайта орнату. Қазіргі кезде гимбалдарды пайдаланудан бас тарту кең таралған. Инерциялық навигациялық жүйелерде бұл инерциялық сенсорларды тікелей көлік құралының корпусына орнату арқылы (бұл "таспалы жүйе" деп аталады) және сезілген айналу мен үдеуді кватерниондық әдістерді қолдана отырып цифрлық түрде интеграциялау арқылы көлік құралының бағыты мен жылдамдығын анықтауға қол жеткізіледі. Гимбалдарды алмастырудың тағы бір жолы – сұйық подшипниктерді немесе флотациялық камераны пайдалану.
Робототехника
Робототехникада гимбалды бұғаттауды көбінесе "қапшақ флипі" деп атайды, себебі робот қолдарында "үштік айналу" механизмі қолданылады, онда қолтықтың үш осі – бағыттық бұрылыс, көлбеу және айналуды басқарады және барлығы бір ортақ нүктеден өтеді. Қапшақ флипінің, сондай-ақ қолтық сингулярлығының мысалы, роботтың қозғалыс жолы роботтың қолтығының бірінші және үшінші осьтерін бір түзуге келтірген кезде пайда болады. Содан кейін екінші қолтық осі соңғы атқарушы құрылғының бағытын сақтау үшін нөлдік уақытта 180° бұрылуға тырысады. Сингулярлықтың салдары өте күрт болуы мүмкін және робот қолына, соңғы атқарушы құрылғыға және процеске зиян келтіруі мүмкін. Робототехникада сингулярлықтан сақтанудың маңыздылығы нәтижесінде Америкалық өнеркәсіптік роботтар мен робот жүйелері жөніндегі ұлттық стандарттың қауіпсіздік талаптарында ол "екі немесе одан көп робот осьтерінің бір түзуге келгенінен туындайтын, роботтың болжаусыз қозғалысына және жылдамдығына алып келетін жағдай" деп анықталған.
Қолданбалы математикада
Гимбалдық бұғаттама мәселесі қолданбалы математикада Эйлер бұрыштары қолданылғанда туындайды; 3D модельдеу, кіріктірілген навигациялық жүйелер және бейне ойындар сияқты 3D компьютерлік бағдарламаларды әзірлеушілер оны болдырмау үшін сақтануы керек. Формальды тілде, гимбалдық бұғаттама Эйлер бұрыштарынан айналымдарға дейінгі (топологиялық тұрғыдан, 3 тор T3-ден үш өлшемді қатты денелердің айналым кеңістігімен бірдей болатын RP3 нақты проекциялық кеңістігіне дейін, формальды түрде SO(3) деп аталады) картаның әрбір нүктеде жергілікті гомеоморфизм болмауынан пайда болады, сондықтан кейбір нүктелерде реңк (еркіндік дәрежесі) 3-тен төмен түсуі керек, осы кезде гимбалдық бұғаттама орын алады. Эйлер бұрыштары үш санды пайдаланып үш өлшемді кеңістіктегі кез келген айналымның сандық сипаттамасын беруге мүмкіндік береді, бірақ бұл сипаттама ғана емес, сонымен қатар мақсатты кеңістіктегі (айналымдардың) өзгеруінің барлығын бастапқы кеңістіктегі (Эйлер бұрыштары) өзгеру арқылы жүзеге асыруға болатын нүктелер де бар. Бұл топологиялық шектеу – 3 тордан 3 өлшемді нақты проекциялық кеңістікке жабатын карта жоқ; жалғыз (тривиалды емес) карта 3 сферадан, кватерниондарды қолданудағыдай. Салыстыру үшін, барлық аудармаларды үш сан арқылы – , , және – үш өзара перпендикуляр ось – , және – бойымен үш тізбекті сызықтық қозғалыс ретінде сипаттауға болады. Бұрылулар үшін де осы принцип сақталады: барлық бұрылуларды үш сан арқылы – , және – үш өзара перпендикуляр осьтің айналасындағы үш бұрылу қозғалысының тізбегі ретінде сипаттауға болады. Сызықтық және бұрыштық координаттар арасындағы осы ұқсастық Эйлер бұрыштарын өте түсінікті етеді, бірақ аяныштысы, олар гимбалдық бұғаттама мәселесіне ұшырайды.
Бағыттылық нұсқауы
Гимбалдық бұғатталудың себебі – Ойлер бұрыштарына негізделген үш осьтік айналым түрінде есептеулердегі бағдардың көрсетілуі. Сондықтан, мүмкін болатын шешім – бағдарды басқа тәсілмен көрсету. Бұл айналу матрицасы, кватернион (кватерниондар мен кеңістіктік айналуға қараңыз) немесе бағдарды үш жеке және байланысты шама емес, бір шама ретінде қарастыратын ұқсас бағдар көрсетуі болуы мүмкін. Мұндай көрсетуді пайдаланғанда, қолданушы бағдарды шама ретінде сақтайды. Трансформация нәтижесінде туындаған бұрыштық өзгерістерді анықтау үшін бағдардың өзгеруі дельта бұрыш/ось айналымы түрінде беріледі. Алғашқы бағдар бірінен соң бірі жүзеге асырылатын трансформацияларда қалқып нүктелік қателердің жиналуын болдырмау үшін қайта нормаланбақ. Матрицалар үшін нәтижені қайта нормалау үшін матрицаны оның ең жақын ортонормальді түріне түрлендіру қажет. Кватерниондар үшін қайта нормалау кватернионды нормалауды талап етеді.