gimballukko

Gimballukko (engl. gimbal lock) on ilmiö, joka voi esiintyä kolmiakselisen gimbal-järjestelmän käytössä. Se syntyy, kun kaksi gimbal-aksia ovat suunnilleen samalla suunnalla, jolloin kolmannen aksin kierto ei enää vaikuta järjestelmän orientaatioon. Tämän seurauksena järjestelmä menettää yhden vapausasteen ja orientaation kuvaaminen Euler-kulmilla voi tulla singulariksi.

Ilmiö johtuu Euler-rotations esityksen singulariteetista. Kun kolmen akselin kiertojen suhde asettuu tiettyyn asentoon, kaksi akselia linjautuu ja kolmannen aksin kiertoa ei voi erottaa. Esimerkiksi pitch-kulman ollessa lähellä 90 astetta yaw- ja roll-kiertoa ei voi erottaa toisistaan, jolloin tila ei enää ole yksiselitteisesti määritettävissä.

Oireita ovat muun muassa se, että asento tai suunnan määritys muuttuu äkillisesti tai epäjohdonmukaisesti, vaikka todellinen liikuttelu on vähäistä. Kameravakaajien, ilmailun ja avaruustekniikan sekä 3D-ohjelmoinnin yhteydessä gimbalukko voi johtaa hallinnan menetykseen tai epävakauteen, jos Euler-kulmia käytetään suoraan orientaation ilmaisemiseen.

Ehkäisy ja ratkaisut koostuvat muun muassa Euler-kulmien välttämisestä sekä rotaatioiden esittämisestä kvaternionien tai rotaatiomatriisien avulla. Suunnittelussa voidaan välttää kolmen akselin samaan suuntaan joutuminen, käyttää useampaa kuin kolmea akselia tai muuttaa akselien järjestystä. Tilan estimoinnissa voidaan soveltaa Kalman-säätöjä ja tilan uudelleenparametrointia, kun gimbalukko havaitaan.

Gimballukko on yleisesti tunnettu ilmiö avaruusalusten ja vakaajamien suunnittelussa sekä elokuvien kameravakaistuksessa. Sen välttämiseksi nykyiset järjestelmät käyttävät kvaternioita tai muita kulmanilmaisuita, jotka eivät kärsi tällaisista singulariteeteista.