JPH02272315A - ジャイロコンパス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｆａ）産業上の利用分野 この発明は短期静定性能を向上させたジャイロコンパス
に関する。

（ｂ）従来の技術 ｉにジャイロコンパスは、ジャイロロータに対し地盤の
旋転に応じたプリセツションを生じさせることによって
指北させるように構成され、通常運転時は地球上の緯度
における地盤の東旋および東方傾斜に応じたプリセツシ
ョンを常に生じさせることによって指北安定させている
。

しかしながら、ジャイロコンパスの起動時にロータの回
転軸の方位が北からずれている場合、またロータ回転軸
の地盤に対する傾斜が静定時の傾斜角からずれている場
合には、地盤の東方傾斜および東方旋回によるプリセツ
ションが生じ、ロータの指北端が楕円軌道を描き、長時
間経過後に静定する。このジャイロコンパスの起ｖＪ後
から静定までの間は正確な方位測定を行うことができな
いため、可能な限り短時間に静定できるようにしなけれ
ばならない。

ジャイロコンパスの短期静定性能を大幅に向上さ−Ｕる
方法として本出願人は特願昭６２−２４　ｆ３９１７号
を出願している。その発明の内容を実施例に対応させて
要約すれば次のようになる。

ジャイロコンパスはロータの起動後以下に述べる第１段
階から第４段階の順に制御が行われる。

第１段階（自動起立） ロータの起動直後に、ロータの水平軸がどの方向に倒れ
ているかを傾斜計の出力信号によって判定し、追従サー
ボに偏差を与えることによって懸吊線をねしり、ロータ
を水平軸の回りにブリセノンヨンさ・Ｕて水平に起立さ
せる。

第２段階（短期静定） 傾斜計出力信号の微分成分の増幅率を高めて、ロータの
水平軸回りにトルクを加える水平軸トルク印加装置（以
下トルカ−という。）を駆動することにより振揺周期を
短くし、また傾斜計出力信号の微分成分の一部に対応す
るトルクをロータの垂直軸回りに加えることによって振
揺を減衰させる。この動作によってロータの回転軸を短
期間に子午線面に一致させる。

第３段階（傾斜修正） 第２段階においては、まだロータの傾斜が静定時の傾斜
角に一致していない。静定時のロータの傾斜角は次式で
表される。

β−Ｈ・ω・ｓｉｎ　φ／′Ｋｐ・・・・・・（１）こ
こでβ：傾斜角 Ｈ二ロータ角運動量 ω：地球の自転角速度 φ　二ｔｊ　度 Ｋｐ：傾斜角に対するトルカ−出力の比（増幅率） そこでこの段階では、ロランなどの航法装置や海図など
から緯度情報を求め、上式の傾斜角を自動的に３１算し
、追従サーボに偏差を与えてロータの垂直軸回りにトル
クを加えることによってロータの傾斜をその傾斜角に一
致させる。

第４段階（通常動作） 以上の動作の結果、ロータの回転軸が指北しその傾斜が
静定時の傾斜角に一致したので、トルカ−の出力トルク
を傾斜計出力の比例成分と微分成分の適度な混合とし、
またトルカ−に対する増幅率を下げて振揺周期を８４分
周期として以後通常のジャイロコンパスの動作を行ね−
ひる。

以上のようにしてジャイロコンパスを短期間に静定さ−
Ｕることがてきる。

（Ｃ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、より短期間且つ正確に静定さセるために
は以下に述べる解決すべき課題があったすなわち上記第
３段階で自動的に求める静定時のロータ傾斜角は、理論
的な値であって、実際の静定後の傾斜角とは少し異なる
。その理由を以下に述べる。

ジャイロコンパスの製造に際しては、水平軸回りの重心
をｉ＝に調整して所定位置に合わセるが、それでも数学
的な正確さで調整することはできない。また、温度変化
に対して重心が動かないように各部材の構成が水平軸の
回りに対称となるように設３１されるが、部材のばらつ
きなどによって若干の重心移動がある。

ロータに加えられる水平軸回りのトルクは、これら重心
によって発生するトルクとトルカ−が出力するトルクを
合８１シたものである。この合計トルクはその緯度の地
球の自転速度に対応して、ロータの指北端がプリセツシ
ョンし、北を追いかけるに必要なトルクであるから、一
定である。従って、上記重心のありかたによってトルカ
−出力が増減することになる。

一方トルカー出力は傾斜３１の出力に対応して制御され
るものであるため、上記のようにトルカ〜出力が一定で
ないことは、静定時の傾斜角が一定でないことを意味す
る。

このように上記重心のありかたによって静定時の傾斜角
は理論値と正確に一致せず、上記短朋静定動作の第３段
階において、ロータの傾斜角を理論的な静定時の傾斜角
に合わせても、傾斜角の微小差によって、正確な静定に
達するまでになお若干の時間が必要になる。

この発明の目的は、上記短期静定動作を行う第３段階に
おいて、そのジャイロコンパスの実ｔ５の静定後の傾斜
角に一致てきるようにして前述の課題を解決したジャイ
ロコンパスを提供することにある。

（（１）課題を解決するための手段 この発明は、ロータ回転軸の地盤に対する傾斜を検出す
る傾斜計と、ロータの水平軸回りにトルクを加える水平
軸トルク印加装置と、ロータの垂直軸回りにトルクを加
える垂直軸トルク印加装置と、 ロータ起動後の第１段階で垂直軸トルク印加装置の制御
によりロータを水平に起立させる自動起立制御手段と、
第２段階で傾斜計の出力がらロータの傾斜角速度を求め
るとともに、この傾斜角速度に対応して前記水平軸トル
ク印加装置および垂直軸トルク印加装置を制御してロー
タを短期静定する短期静定制御手段とを有するジャイロ
コンパスにおいて、 ジャイロコンパス静定時のロータ傾斜角を記憶する静定
時傾斜角記憶手段と、 第３段階で垂直軸トルク印加装置を制御してロータの傾
斜角を静定時傾斜角に修正する傾斜修正制御手段を設け
たことを特徴としている。

（ｅ）作用 この発明の構成例を第１図に示す。

第１図において１はジャイロコンパスの機構部であり、
ジャイロロータ２およびこれを支持するジンバル３から
なる。

ジャイロロータ２は、そのケース２ａが垂直軸３ａによ
り支持され、さらに；認吊線３ｂにより）４吊されてい
る。

垂直軸３ａおよび懸吊線３ｂは垂直環３ｃに軸周囲回転
可能に軸支され、また、この垂直環３ｃは水平環３ｄに
対し水平軸３ｅ周囲に回転自在に支持され、水平環３ｄ
は追従環３ｆのアーム３ｇに回転自在に支持されている
。

垂直環３ｃを支持する水平軸３ｅには、その軸周囲に１
ルクを与えるトルカ−４と、ジャイロロータ軸の地盤に
対する傾斜を検出する傾斜計５が設けられ、また、追従
環３ｒにはジャイロロータ２の垂直ｌ軸回りにトルクを
加えるとともにジャイロロータ２の回転を追従する゛す
゛−ボモータ６が設けられている。

また、垂直環３ｃとジャイロロータ２との間に追従セン
ナ７が設けられ、上記・す゛−ボモータ６はこの追従セ
ンサ７の検出信号により作動し、追従環３ｆをジャイロ
ロータ２に追従さ・Ｕｌこれとともにジャイロコンパス
による方位検出を可能としている。

上記傾斜計５には、この傾斜計の出方信号を演算処理し
てトルカ−４およびナーボモータ６を制御する次に述べ
る回路が設けられている。

検波回路８は傾斜側５の出力信号からロータの傾斜角に
対応する信号を発生する。積分器９は検波回路８の出力
信号を積分し、減衰器１ｏは積分器９の出力を一定比率
に減衰さ−Ｕる。加算器１２は検波回路８の出力信号か
らスイッチ１）により選択された信号成分を減算する。

トルカ−駆動回路１３は加算器１２の出力信号に基づき
トルカ−４を駆動する。静定時傾斜角記憶手段１５は静
定後のロータ傾斜角を記憶する装置であり、加算器１６
は検波回路８の出力信号に対して静定時頌斜角記憶手段
１５の出力信号分を減算することによってザーボモータ
６の追従・す゛−ボ系に偏差を与える。タイマ１８はス
イッチ１），１４．１７の切替制御およびトルカ−駆動
回路１３の増幅早開’＜Ｉｎを行・）ことにより第１段
階から第４段階の８制’４Ｎ’Ｊを順次行う。

第１図に示した制御系の動作は次のとおりである。

第１段階（自動起立） ス・イソチ１７を■に切り替えて検波回路８の出力信号
をナーボモータ６に人力し、追従り・−ボ系に偏差を与
えることによって）Δ吊線をねしり、ロータを水平軸の
回りにプリセツションさせて水平に起立させる。

第２段階（短期静定） スイッチ１）をａ側に切り替えるとともに、スイッチ１
７を■に切り替える。このことにより加算器１２の出力
には検波回路８の出力信号から積分器９による積分値の
減算結果が得られる。このときの積分器９と加算農工２
とは等測的に微分器としてａ能し、加算器１２の出力に
はロータの傾斜角の微分成分（ｄβ／ｄ　ｔ）が得られ
、トルカ−駆動回路１３がこの微分成分に対して大きな
増幅率でトルカ−４を駆動する。このときの増幅率は８
４分周期（シュウラ−の周期）に無関係に大きく設定さ
れ、これにより振揺周期が短くなる。

また、上記微分成分の一部がサーボモータ６に入力され
る。このことにより振揺が減衰し、ロータの回転軸が短
期間に子午線面に一致する。

第３段階（傾斜修正） スイッチ１７を■に切り替えることによって検波回路８
の出力信号βから静定時傾斜角記憶手段１５の出力信号
βＳ＠減算した値をサーボモータ６へ入力する。すなわ
ち追従サーボ系にβＳの０．１）差を与える。このこと
により地盤の東旋による緯度に応じたロータの傾斜角に
一致する。静定傾斜角記憶手段１５は後述するように、
このジャイロコンパスが正確に静定したときの傾斜角が
記憶されていて、従来のように理論式（（１）式参照）
によって与えられるものではないため、この第３段階の
動作を終了した時点でジャイロコンパスを正確に静定さ
・已ることができる。

第４段階（通常動作） スイッチ１）をｂ側に切り替えることによってトルカ−
４の出力トルクを傾斜計５の出力の比例成分と微分成分
の適度な混合とし、また、トルカ−駆動回路１３の増幅
率を下げて、振揺周期を８４分周期に設定する。またス
イッチ１７を■に切り替えて以降通常のジャイロコンパ
スとして動作させる。

ところでジャイロコンパスの電源がオフされればロータ
の回転が停止するため、ロータ回転軸の方位および傾斜
は静定時とは異なった状態となるが、このようにジャイ
ロコンパスの電源がオフされる状態は、通常ジャイロコ
ンパスが備えられている船舶などの航行体が停泊して地
盤に対して固定されている状態である。従って電源がオ
フされているあいだ緯度は変化しない。そこでジャイロ
コンパスが正確に静定しているとき、例えばジャイロコ
ンパスの電源をオフする直前に第１図に示したスイッチ
１４を閉じて静定時の傾斜角を静定時傾斜角記ｔな手段
１５に記憶さ−Ｕる。ジャイロコンパスの起動後は、上
述したように第３段階において、この静定時傾斜角記憶
手段１５の出力によりて直接ロータの傾斜角を制御する
ことができる（ｆ）実施例 前記作用説明で用いた第１図の制御系をブロック線図で
表せば第２図に示すようになる。第２図において実線部
分は各回路によるブロック、破線部分は制御または外方
（地盤の東旋、東方傾斜）によるジャイロコンパスの挙
動である。

同図において２０は緯度φにおける地盤の東方１頃斜角
速度（ωｃｏｓ　φ）、２１は東方傾斜角速度が時間経
過とともに積算されていく状態（１／ｓ：積分要素）を
示している。また、図中２２は・す゛−ボモータ６によ
り与えられる垂直軸回りのトルクに対してｌ　／　ｌ−
ｒのプリセツションが上下方向（β方向）に与えられる
ことを示している。同様に図中２３はトルカ−１！によ
り水平軸回りに印加されるｉ−ルクの１　／　Ｉ−１の
プリセツションが東西方向（α方向）に与えられること
を示している。また図中２４は緯度φにおける地盤の東
旋角速度（ωｓｉｎ　φ）、２５は地盤の東旋角速度と
トルカ−４による水平軸回りのトルクの合計値が積分さ
れて東西方向に変位角が与えられることを示している。

なお２６はジャイロロータの指北端が指している初期方
位値である。

また同図において６′のＫｔはサーボモータ６に人力さ
れる信号に対する垂直軸回りに与えられるトルクのゲイ
ン、Ｋｉは減衰器１０のゲイン、Ｋｐはトルカ−駆動回
路１３のゲインをそれぞれ示している。

このように制御系を構成したことにより、第３段階にお
いてスイッチ１７が■に切り替えられることにより、サ
ーボモータ６の追従サーボ系に対して静定時傾斜角記憶
手段１５の傾斜角βＳが偏差として琴えられ、これによ
りロータの傾斜角が静定時の傾斜角に一致するようにな
る。

次に上記静定時傾斜角記憶手段の具体例について幾つか
の例を示す。

第３図は静定時傾斜角記憶手段に相当する回路とこれに
接続される回路部分について示している第３図において
５は電解液を用いた傾斜計であり、検波回路８はロータ
の傾斜角に応じた電圧信号を発生する。ＡＤ変換器３０
は検波回路８の出力信号をディジタルデータに変換する
。発振回路３４は一定周期でタイミング信号を発生する
回路であり、メモリ３１はこのタイミング信号の発生時
にＡＤ変換器３０の出力データを記憶することにより静
定時傾斜角を更新する回路である。このメモリ３１は通
常電源ライン十Ｅからダイオード３７を介して電源供給
が行われるが、電源十Ｅの遮断時には電池３５によって
ダイオード３６を介して電源供給がなされる。遮断回路
３２は電源十Ｅの通電時に導通し、メモリ３１の記憶デ
ータを出力する。ＤＡ変換器３３はそのデータをアナロ
グの電圧信号に変換して前記静定時傾斜角βＳとして加
算器１６へ出力する。

第３図に示した回路は次のように動作する。先ず第４段
階すなわち通常動作においては電源＋Ｅから回路各部に
電源供給がなされる。これにより発振回路３４が一定周
期でタイミング信号をメモ。

す３１へ与え、メモリ３１はその都度ロータの傾斜角デ
ータを更新する。その後たとえばこのジャイロコンパス
を備える船が停泊し、ジャイロコンパスの電源がしゃ断
されたとき発振回路３４を含むその他の回路が動作を停
止する。ただしメモリ３１だけは電池３５によりダイオ
ード３６を介して電源供給がなされ、記憶内容を保持す
る。従ってメモリ３１には停泊後電源しゃ新前の最後の
傾斜角データが残ることになる。なお、バックアップ用
の電池３５の電圧は通常時の電源電圧十Ｅより若干低い
電圧であり、この電池３５が通常時に消費されることは
ない。また、メモリ３１の消費電力は微少であり、遮断
回路３２の作用とあいまって電池３５の消費電力は僅か
である。従って後日ジャイロコンパスに電源が投入され
るまでロータの静定時における傾斜角を正確に記憶して
おくことができる。゛ジャ・イｕコンパスへの電源投入
後Ｄ　Ａ変換器３３から傾斜角データβＳが出力される
ため、上述のように第３段階においてロータの傾斜角が
正確な静定時の傾斜角に一致するよう直接側御されるこ
とになる。

第３図に示した構成において遮断回路を備えたメモリで
３１．３２を置き換えることも可能である°。また、第
３図に示した例では、発振回路３４から一定周期で発生
されるタイミングでロータの傾斜角が更新されるが、こ
の発振回路３４の代わりに手動スイッチを設け、ジャイ
ロコンパスの停止前にその手動スイッチを操作して記憶
さゼることもできる。また、停止時に電源十Ｅの電圧が
僅かに低下しはじめる現象を捉えて、傾斜角データを記
憶するタイミング１３号を発生する回路を設けてもよい
。またＤＡ変ｔｆＡ器３３を廃し、加算器１６の代わり
にＡＤ変換器３０の出力データとメモリ３１の出力デー
タとを直接比較するディジクル比較器を用いてもよい。

また、アナログの記憶装置によって傾斜角を記憶するこ
とも可能である。その例を第４図に示す。第、１図にお
いて５０は作動増幅回路、５１：まモータ、５４はポテ
ンショメータであり、ポテンショメータ５４はギア５２
．５３を介してモータ５１により回転駆動される。ポテ
ンショメータ５４には基準電圧子Ｖ、−Ｖを印加し、そ
の摺動子電圧を作動増幅回路５０へ帰逼さ・Ｕている。

この制御系はサーボシステムであるから、ポテンショメ
ータ５４の摺動子電圧が検波回路８の出力電圧すなわち
ロータの傾斜角に対応する電圧と一致するようにり′−
ボモータ５１が回転する。この場合にモータ５１の回転
を極端に遅くし、ジャイロコンパスの起動後の１〜２時
間は傾斜角が大きな場合にも僅かしか回転しないように
構成すれば、ポテンショメータの摺動子電圧はやがて静
定時の傾斜角に対応する電圧に一致する。その後ジャイ
ロコンパスの電源がしゃ断されたときモータ５１は回転
しないため、ポテンショメータ５４が静定時の傾斜角を
ｔＨｉｊｉ的に記憶することになる。その後電源が復帰
すればポテンショメータ５４の摺動子電圧が第３段階に
おける静定時傾斜角信号βＳとして使用できるわけであ
る。

ジャイロコンパスの制御系をマイクロコンビニーりで行
うことも可能である。その場合の例を第５図に示す。

第５図において４１はディジタル演算処理を行うＣＰＵ
、４２はその処理プログラムを予め記憶するＲ　ＯＭ、
４３は各種演算処理時のワーキングエリアとして用いら
れ、静定時傾斜角データを記憶する領域を有するＲＡＭ
である。このＲＡ　Ｍ　４３は通常動作時にダイオード
３７を介して電源が供給され、停止時には電池３５によ
りダイオード３６を介して電源が供給される。検波回路
８は傾斜計５から出力される信号を検波してロータの傾
斜角に応じた電圧信号を発生し、ＡＤ変換器３０はこれ
をディジタルデータに変換する。ＣＰ　Ｕ　ｌｉｌは必
要なタイミングでＩ１０ボート４０を介して傾斜角のデ
ィジタルデータを読み込み、各段階に応じて第２図に示
した演算処理を行う。そしてサーボモータの出力トルク
に相当するデータをＩ１０ボート４４へ出力する。ＤＡ
変換器４５はこれをアナログ信号に変換しサーボモータ
駆動回路４６へ出力する。サーボモータ駆動回路４６は
入力された電圧信号に応してナーボモータ６を駆動する
。またＣＰＵ４１はトルカ−４の出力すべきトルクデー
タをＩ１０ボート４７・＼出力する。これによりＤＡ変
換器４８はそのデータをアナログ信号に変換し、トルカ
−駆動回路４９へ出力するトルカ−駆動回路４９は入力
された電圧信号に応じてトルカ−４を駆動する。

第５図に示した構成でＣＰＵ４１は第３段階において一
定周期で、またはジャイロコンパスの電源遮断直前にロ
ータの傾斜角データをＲＡＭ４３の特定領域に記憶し、
その後のジャイロコンパス起動時の第３段階においてそ
のデータを静定時傾斜角データとして用いる。

（ｇ１発明の効果 この発明によれば次のような効果を奏する。

（１）ジャイロコンパスの機械的調整の不完全性が静定
時のロータ傾斜角に与えている影響も加味して傾斜角が
記ｔ０され、これが次の起動時における第３段階で用い
られるため、第３段階でより短時間で静定する。

（２）例えば寒冷地域から熱帯地域へ鉛が航行すること
などにより、ジャイロコンパスに温度変化が与えられ、
微少な重心の変動があっても、次に熱帯地域で起動する
際に、静定時の最適な傾斜角を譬えることができる。

（３）従来、傾斜角を与える補助手段として、ロランな
どの緯度情報を出力できる絖法装＝や操作者が海図など
から緯度を読み取って手動により緯度を設定する機構が
必要であったが、本発明によりそれらが不要になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成例を示すブロック図である。第
２図はこの発明の実施例であるジャイロコンパスの制御
系のブロック線図である。第、３図〜第５図はそれぞれ
同ジャイロコンパスにおける静定時傾斜角記憶手段の具
体例を示すブロック図である。 ジャイロコンパスの機構部、 ジャイロロータ、 ジンバル、 トルカ− 傾斜計、 勺−ボモータ、 追従センリ゛。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータ回転軸の地盤に対する傾斜を検出する傾斜
   計と、ロータの水平軸回りにトルクを加える水平軸トル
   ク印加装置と、ロータの垂直軸回りにトルクを加える垂
   直軸トルク印加装置と、ロータ起動後の第１段階で垂直
   軸トルク印加装置の制御によりロータを水平に起立させ
   る自動起立制御手段と、第２段階で傾斜計の出力からロ
   ータの傾斜角速度を求めるとともに、この傾斜角速度に
   対応して前記水平軸トルク印加装置および垂直軸トルク
   印加装置を制御してロータを短期静定する短期静定制御
   手段とを有するジャイロコンパスにおいて、 ジャイロコンパス静定時のロータ傾斜角を記憶する静定
   時傾斜角記憶手段と、 第３段階で垂直軸トルク印加装置を制御してロータの傾
   斜角を静定時傾斜角に修正する傾斜修正制御手段を設け
   たことを特徴とするジャイロコンパス。