JPH02108911A

JPH02108911A - ジャイロスコープ装置

Info

Publication number: JPH02108911A
Application number: JP1236790A
Authority: JP
Inventors: Nigel F Rennie; ナイジェル　フォーブス　レニイ
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1990-04-20
Also published as: EP0359484A3; EP0359484A2; US4986139A; GB8821370D0

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】イ、産業上の利用分野本発明に航空機およびミサイルの制御および航行の念め
に利用されるそれのようなジャイロスコープ装置に関す
る。

口、従来の技術一般に利用されている形式のジャイロスコープ装置は、
無条件安定であるように設計されたタイプ■制御ループ
を有する零追求サーボを有している。この構成によって
、ジャイロスコープはそれを吊すためのジンバルを必要
とすることなく、「ストランプダウン」モードで動作す
ることができる。ジャイロスコープの回転子を懸垂する
ことによって、回転子は角度の制限範囲以上に自由に運
動することができる０次いで、制御ループは、その零位
置に関する回転子のチルト角を検出し、そしてトルクを
発生して歳差運動により回転子を適切な位置に戻す。チ
ルトはジャイロスコープのケースの角運動によって発生
されるので、回転子音その零位置に保持するのに必要な
トルクは、その印加角運動の測定値となっている。

そのようなタイプ■ジャイロスコープ装置はジャイロス
コープと、ジャイロスコープの回転子のチルト角を検知
するよう構成された角度ピックオフと、この角度ピック
オフによって発生され比信号を受信し、かつ制御信号を
発生するよう構成された制御手段と、および制御信号に
応答してジャイロスコープの回転子にトルクを印加する
よう構成されたトルク印加手段とを備えている。制御手
段には、角度ピックオフから受信した信号を積分するよ
う構成されて制御信号を発生する一次積分器が含まれて
いる。

そのようなタイプ■装置を限定する特徴は、それが制御
信号に２段の積分を経過させるということである。第１
積分器は制御手段の一次積分器において笑現され、そし
て角度ピックオフからの信号を積分して制御信号を発生
し、この制御信号はトルク印加手段に与えられる。代表
的に、トルク印加手段は、ジャイロスコープの回転子の
周辺の近くに位置ぎめされた電磁フィルとなっている。

もう１つの積分器はジャイロスコープそれ自体である。

ジャイロスコープの力学は、その出力角度が直交軸に印
加されたトルクの積分に比例するようになっている。

タイプ■制御ループは無条件安定であるように設計する
ことのできる最もすぐれ九制御系である。制御信号が第
３次装置を与えるこれ以上の積分段を経過する場合には
、ループは無条件安定であるよう設計することはできず
、結果の装置は、例えば、始動の際に無制限発振を受け
やすい。

へ作用本発明によれば、そのようなジャイロスコープ装置はな
お、一次積分器によって発生された信号を受信し、かつ
トルク印加手段に対する制御信号全発生するよう構成さ
れた二次積分器を備えて−る。

上で指摘した理由のために、不安定になうやすい装置を
生ずる結果にならずに、制御ループ内に第３積分器を含
むことが可能であるとは一般に考えられていなかった。

しかし、第３積分器が低周波数においてのみ積分器とし
て有効であシ、そして他の周波数では線形で入力信号全
通過させるように１その周波数応答が調整されている場
合、第３積分器を含むことができる。

そのような装置は、ジャイロスコープの性能の周波数依
存特性のために、そのタイプ■特性を保持している。

ジャイロスコープの回転子は、非常に低周波数では真の
積分器ではない。これは自動直立として周知の現象から
生ずる。ジャイロスコープのその零位置からの僅かの偏
向は、主としてガスボンピングによって発生される小さ
い寄生トルクによって反対されがちである。ジャイロス
コープ用のハウジングはからにされているが、真空が不
完全であることは避けが九い。非常に低い周波数でのこ
れらの現象の結果として、ジャイロスコープは印加トル
クに対する積分器として動作することを中止し、従って
、補助積分器がない場合には、制御系は事実上、タイプ
１装置に劣化する。従って、これらの低周波数で動作す
る二次積分器を制御手段内に含むことによって、タイプ
■装置の無条件安定性特性を保持しながら、装置の性能
を改良する。

好ましいことに、このジャイロスコープ装置はなお、二
次積分器に信号を出力するよう構成されたジャイロスコ
ープとは無関係な角加速度検知手段金倉んでおシ、検知
された角加速１１に従って、トルク印加手段に供給され
た制御信号を修正する。

ジャイロスコープ装置の性能を強化するための独立角加
速度上ンサの使用は、本出願人の関連ヨーロッパ出願第
８９３０１２１３９．８号に詳細に記述され、かつ請求
されている。角加速度計からの信号は積分されて、トル
ク印加手段に対する速度依存信号を発生しなければなら
ない。単一の一次積分器のみを有する既知のタイプ■装
置では、角加速度計からの信号は必然的に、一次積分器
の前に制御系に供給される。トルクコイルにとって必要
な速度依存信号金与えるため罠、これは有効ではあるが
、この構成には、加速度計からの信号におけるいずれの
低周波数誤シでも、車輪の零位置全シフトする残留偏差
を発生するという不利益がある。この結果、ジャイロス
コープの回転子に作用する寄生トルクの変化が生ずる場
合、ジャイロスコープ装置の性能は劣化する。

ジャイロスコープ装置が、寄生トルクを元の零位置に訂
正するよう較正される。零の位置がシフトする場合、寄
生トルクの変化のために系統的誤差全もたらす。さらに
極端な場合、残留偏差が太きいと、零が車輪の機械的停
止部の近くに、あるいはそれ以上にさえ移動することも
ちゃ得る。この場合、ループは車輪を制御することがで
きず、従って装置は急激に機能停止する。制御手段に二
次積分器を備えることによって、本発明は一次積分器の
あとで角加速度計からの信号を印加させることを可能圧
する。従って、加速度計信号におけるいずれの低周彼数
誤シでも、一次す−ボルーブによって相殺され、その友
めに零位置において残留偏差として現われることはない
。

都合のよいことに、二次積分器は一次積分器から信号を
受信するよう構成された第１入力、および角加速度計か
ら信号を受信するよう構成された第２入力を有しており
、そして二次積分器は、低周波数のみの第１入力から受
信した信号を積分し、そして装置の全帯域幅にわたる第
２入力からの信号を積分するよう構成されている。

例えば、適切に形成されたアナログフィルタを利用して
、二次積分器を、その２つの入力に対する異なる周波数
応答を有する加算接合部として構成することができる。

次に、角加速度計からの強化信号はこの接合部を真の積
分器と考え、一方、制御信号はそれを非常に低い周波数
においてのみ、積分器と考える。

二、実施例次に、本発明による装置を、添付の図面を参照して、詳
細に説明する。

ジャイロスコープ装置は二軸レートジャイロスコープ１
、独立角加速度計２、および制御系３を備えている。

ジャイロスコープ１は、本出願人の先願英国特許第２０
７９９５４号に開示され、請求され念タイプの二軸レー
トジャイロスコープである。ジャイロスコープ１には回
転子４とピックオフコイル５が含まれる。回転子４の周
辺の近くの磁気素子は、回転子４のチルト角に依存する
信号を発生するピックオフコイル５に電流を誘導する。

ピックオフコイル５からの信号は制御系３に入力される
。

制御系３には一次積分器６と二次積分器７が含まれる。

二次積分器には２つの入力がある。

これら入力の１つは一次積分器６からの信号全受信し、
そしてもう１方の入力は角加速度計２からの信号を受信
する。二次積分器７はその２つの入力に対して異なる周
波数応答を有する加算接続部として構成されている。角
加速度計２から信号を受信する入力は、二次積分器７を
真の積分器、すなわち広い帯域幅にわ几って有効な積分
器、と考える。他方の入力における一次積分器６からの
信号は、積分器７を非常に低い周波数のみにおける積分
器と考える。

二次積分器７からの出力は増幅器８に与えられ、この増
幅器は回転子４０周辺に位置ぎめされたトルクコイル５
を駆動する。二次積分器７からの信号もまた、出力装置
（図示されていない）に与えられて、ジャイロスコープ
ケースの検知された角運動を表示する。

二次按分器７の周波数応答は、ジャイロスコープ１０周
波数応答の補数になるよう選定される。高周波数では、
一次項分器６はピックオフコイルからの信号を積分し、
そしてこれを二次積分器７に出力する。信号の周波数は
二次積分器７の動作の範囲外であるので、この信号はそ
れ以上積分されずに、増幅器８へ真直ぐ通過する。次い
でこの信号はトルクコイル５ｆｃ介して回転子４に与え
られる。回転子４の力学は、トルクコイル５によって印
加されたトルクに応答して、印加トルクの積分に依存す
る角度だけ回転子が運動するようなものとなっている。

従つて、そのような高周波数では、回転子４は制御系の
第２の積分段を与えるので、装置は全体としてタイプ■
となっている。

低周波数では、回転子４は積分器として作用することを
止める。低周波数における回転子４のその零位置から離
れる僅かな運動の結果、ガスボンピングを生じ、その流
体力学効果は寄生トルクを発生し、このトルクは回転子
がその零位置に向かって駆動されるような方向で、回転
子に作用する。印加トルクへの回転子４の応答は、従っ
て、非常に低い周波数ではほぼ線形である。ピックオフ
コイル５からの信号はなシ、一次項分器６における第１
積分段に従う。次いで、積分器６からの信号は、この特
定周波教区において実施される、二次積分器７でのそれ
以上の積分全経過する。このように、回転子４は積分器
として作用することを止めるが、全体としての装置ｔは
そのタイプ■特性を保持する。

角加速度計２からの信号は、二次積分器７のもう１方の
入力に与えられる。良好な実施態様において、二次積分
器７は、装置が動作する周波数範囲を通じて、角加速度
計２からの信号がそれを真の積分器と考えるように構成
されている。第５図で分るように、第２積分器には差動
入力演算増幅器ＩＣ１が含まれている。抵抗器Ｒ１およ
びコンデンサＣ１は、角加速度計から信号を受信する工
Ｃ１の入力における周波数応答を調整する几めに備えら
れている。伝達関数は下記の通シである。

この回路は、Ｆ（Ｆ））における付加反転を必要とする
ｖ２の方向を反転する。

ある込はまた、よシ単純な構成を利用することもできて
、その場合二次積分器は、それが一次項分器６からの信
号を積分するのと同じ狭い周波数範凹内においてのみ、
角加速度計２からの強化信号を積分する。この場合、第
４図に示されるように、強化信号が二次積分器における
ジャイロスコープ制御ループに算入される前に、この強
化信号を事前に調整する之めの別のフィルタが必要であ
る。この事前調整フィルタは、例えばディジタルフィル
タを使用することによって、伝達関数の利得および位相
の逸脱を回避するために、二次積分器に正確に整合して
いなければならない。伝達関数は下記で与えられる。

である。この場合、事前調整フィルタは強化信号によっ
て、高周波数では積分器、そして低周波数では線形と考
えられる。この場合の伝達関数は次の通りである。

良好な実現セットへの同様な応答を得るために、次いでＶ７　　８＋Δ　　　■７　−Δ″（Ｓ＋Δ）Ｖ６　　
　　Ｓ　　　　　　Ｖ２　　　８”（Ｓ＋Δ′）ΔがΔ
′にほぼ等しい場合には、ｖ７　　　−Δ Ｖ２　　　　　　Ｓ別の選択に、＄５図に示されるように、事前調整フィル
タと単純加算接続部とを残している上記装置から低周波
数積分器機能を省略することフィルタ特性はジャイロス
コープの自動直立効果に整合されて、妥当な角加速度追
従性能はあるが、良好な装置に比較すると精度は劣るで
あろう複合装置を得る。低周波数では、自動直立効果に
よって回転子がその停止部にぶつからないようにするが
、高周波数では、強化信号がこの作用を実行するであろ
う。

角加速度計２からの強化信号全利用することによって装
置の高周波数応答全改良し、そして・ｆｎｌ述の関連特
許で記述されたように、一次制御ループの設計における
抑制を取除く。

第２図はジャイロスコープ１の力学ならびにその制御系
をラプラシアン記号を使用して示しており、その場合Ｓ＝ニラプラス算子Ａ＝対角線に関する回転子の慣性モーメント８２回転子
の角運動量ｐ＝回転子の自動直立係数 τｘ／　Ｔｙ　＝そのｙ軸およびｙ軸それぞれに関して
回転子に印加されたトルク πｘ　／　Ｋｙ　＝ジャイロスコープのｙ軸とｙ軸それ
ぞれについてのピックオフ角。

１、ｘｌ、ｙ＝ｘ軸とｙ軸に関する入力角加速度Ｆ（８
）＝角加速度計およびその利得とその整形環の伝達関数に１（特／Ｓ　＝−人種分器および他のジャイロスコー
プループ整形環の伝達関数に２（Ｓ）／Ｓ　＝二次積分器の伝達関数に２（Ｓ）／
Ｓは、例えばに２　（Ｓ）　＝　８＋ρ／Ｈ１但しρと
Ｈは実験的に決定される、と設定することによって、自
動直立効果の周波数依存関係の補数となるように構成さ
れる。他の寄生トルクは回転子に作用し、そしてジャイ
ロスコープの応答における自動直立効果を修正する。そ
してより大きい精度が要求される場合には、これらの効
果は、上述の方法を利用してＫｚ（Ｓ）’ｒ始動点とし
て設計する際に考慮に入れることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を例示する線図、第２図はラプラシアン記号を使用して、ジャイロスコー
プ装置の単純化力学金示すブロック図、第３図は二次積分器の１例を示す線図、第４図は二次積
分器の代替例を示す線図、および第５図は二次積分器の別の代替例を示す線図である。図中、１は二軸レートジャイロスコープ、２は独立角加
速度計、３は制御系、４は回転子、５はピックオフコイ
ル、６は一次積分器、７は二次積分器、セして８は増幅
器をそれぞれ示す。図面の浄書手続補正書（自発）平成１年１０月３０］ヨ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ジャイロスコープ（１）と、ジャイロスコープの
回転子のチルト角を検知するよう配置された角度ピック
オフ（５）と、角度ピックオフ（５）によつて発生され
た信号を受信し、かつ制御信号を発生するよう構成され
た制御手段（６、７）と、および制御信号に応答してジ
ャイロスコープの回転子にトルクを印加するよう構成さ
れたトルク印加手段（８、５）とを備え、制御手段（６
、７）は角度ピックオフ（５）から受信した信号を積分
するよう構成されて制御信号を発生する一次積分器（６
）を含むジャイロスコープ装置において、制御手段（６
、７）はなお、一次積分器（６）によつて発生された信
号を受信し、かつトルク印加手段（８、５）に対する制
御信号を発生するより構成された二次積分器（７）を備
えていることを特徴とする前記ジャイロスコープ装置。
（２）請求項（１）記載のジャイロスコープ装置におい
て、この装置はなお、二次積分器（７）に信号を出力す
るよう構成されて、トルク印加手段（８、５）に供給さ
れた制御信号を検知された角加速度に従つて修正する、
ジャイロスコープ（１）とは独立の角加速度検知手段を
含んでいることを特徴とする前記ジャイロスコープ装置
。
（３）請求項（２）記載のジャイロスコープ装置におい
て、二次積分器（７）は一次積分器からの信号を受信す
るよう構成された第１入力（Ｉ１）と、角加速度計（２
）から信号を受信するよう構成された第２入力（Ｉ２）
とを有し、そして二次積分器（７）は低周波数のみの第
１入力（Ｉ１）から受信した信号を積分し、そして装置
の全帯域輻にわたる第２入力（Ｉ２）からの信号を積分
するよう構成されていることを特徴とする前記ジャイロ
スコープ装置。
（４）請求項（２）記載のジャイロスコープ装置におい
て、この装置はなお角加速度計（２）から信号を受信す
るよう構成された事前調整フィルタ（Ｆ）を含んでおり
、そして二次積分器（７）は一次積分器から信号を受信
するよう構成された第１入力（Ｉ′１）と、事前調整フ
ィルタ（Ｆ）から信号を受信するよう構成された第２入
力（Ｉ′２）とを有しており、さらに二次積分器（７）
は低周波数のみのその第１と第２の入力からの信号を積
分するよう構成されていることを特徴とする前記ジャイ
ロスコープ装置。
（５）請求項（２）記載のジャイロスコープ装置におい
て、この装置はなお角加速度計から信号を受信するよう
構成された事前調整フィルタ（Ｆ）を含んでおり、そし
て二次積分器は一次積分器から信号を受信するよう構成
された第１入力（Ｉ″１）および事前調整フィルタ（Ｆ
）から信号を受信するよう構成された第２入力（Ｉ″２
）を有する加算接続部を備えていることを特徴とする前
記ジャイロスコープ装置。