JPS6373108A - ジヤイロコンパス - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、転輪球と液槽の相互関係によって発生する電
圧を純エレクトロニクス構成の電圧角度変換部と角度情
報演算部で変換・演算して得た信号で液槽駆動部を駆動
して液槽を転輪球に追従動作させるジャイロコンパスに
関する。

〈従来の技術〉 従来の公知のこの種の技術としては、例えば横河技報Ｖ
ｏ　ｌ　、　２９　　Ｎｏ、　２　（１９８５）　ＰＯ
２〜１０８「舶用ジャイロへのマイクロコンピュータの
応用」等がある。以下、この従来の技術を更に詳細に表
した第２図の従来のジャイロコンパスの構成図を用いて
説明する。

第２図において、船舶に搭載されるジャイロコンパスの
転輪球１は、２軸周りに傾斜可能なジンバルリング４に
支持された液槽３の中に、導電性の支持液２によりその
水平軸周りに自由に傾斜できる他、垂直（方位）軸周り
に自由に回動できるように摩擦無く支持されている。こ
の転輪球１は、図示しない誘導源から成るジャイロロー
タが内臓され、ジャイロ効果により常に北に向いて静止
している。ところで、転輪球１には地球に例えれば赤道
にあたる部分に図示しない帯状電極があり、一方液槽側
には図示しない追従電極があり、又この帯状電極と追従
電極との間には支持抵抗が形成され、これ等帯状電極、
追従電橿、支持抵抗及びブリッジ抵抗６でホイートスト
ンブリッジが形成される。このホイートストンブリッジ
の出力は、転輪球１と液槽３との間に垂直（方位）軸周
りの角度的なずれがあると、その位相が角度ずれの方向
を表わし、その電圧が角度ずれの大きさを表わす電圧信
号となって出力される。この電圧信号が、同期整流回路
７で電圧信号の位相に応じて正負の値を取り、その絶対
値が電圧に比例する直流電圧信号に変換されて以下に機
能と動作を詳述するプロセッサ８に導かれる。このプロ
セッサ８からの角度信号は増幅器９で増幅されて液Ｐａ
３を転輪球１に追従動作させる液槽駆動部のステップモ
ータ１０に導かれる。その結果、台板１１に組付けられ
た液槽駆動部の歯車機構１２が動作し、ジンバルリング
４を介して転輪球１と液槽３の角度ずれがゼロ、即ち、
ホイートストンブリッジ出力がゼロになる方向に液槽３
を回動させるほか、コンパスカード１３を回動させる。

ホイートストンブリッジ出力がゼロになるとステップそ
一夕１０は動作を停止する。

この時、台板１１に固定された指針１４とコンパスカー
ド１３によって方位が表示される。スリップリング５は
液槽３が回動しても電線がねじれないようにするために
設けられたものである。

ところでジャイロコンパスを搭載した船舶が地球を航走
すると、船舶の緯度及び航走速度に起因してジャイロコ
ンパスの鋭感部である転輪球１は真の北から僅かに変位
して静止する。この誤差は、ジャイロコンパスの技術的
方式にかかわりなく共通して起きるものであり、これを
速度誤差Δθといい、 Δθ−ｔａｎ’（ｖｃｏｓθ０　／ ９００　・ｃｏｓＰ）・・・（１） で表すことができる。但し、θ０　：速度誤差修正前の
方位、■：航走速度（ノット）、Ｐ：緯度とする。ジャ
イロコンパスから遠隔発信する方位は、速度誤差Δθが
プロセッサ８で補正されたものとなっている。ところで
、プロセッサ８にはデジタルコンピュータが使用され、
通常一定の繰返し周期で逐次処理が繰返されている。叩
ら、同期整流回路７からの電圧信号は、プロセッサ８内
のＡＤＣ８ａでデジタル変換され、変化角演算部８ｂで
繰返し周期毎に変化すべき角度（変化角）に変換し直さ
れた上で次段の計数部８Ｃで積算される（この積算値は
コンパスカード１３の指度と一致している）。ステップ
モータ１０を駆動する角度信号は、１°で１周期の変化
をする電圧信号であり、計数部８Ｃの積算値の内の１°
未渦の値がＤＡＣ８ｄでアナログ変換された上で増幅器
９を介して得られる。一方、遠隔発信される方位信号は
、計数部８Ｃの積算値（速度誤差修正前の方位）と、船
舶の緯度・速度データ？ｊＥとから速度誤差演算部８ｅ
で速度誤差演算され、修正部８ｆで計数部８Ｃの！？ｉ
惇値から速度誤差演算部８Ｃの速度誤差が加減されて修
正され、前記１′″未満の値をＤＡＣ８ｇとグレイコー
ド変換部８ｈに導かれる。ＤＡＣ８ｃ＋からはアナログ
変換された１°未渦の積算値が増幅器１５で増幅されて
方位信号φとして遠隔発信され、グレイコード変換部８
ｈからは３ビツトグレイコードに変換された方位信号θ
がスイッチ回路１Ｇを介して遠隔発信される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところでこの従来のジャイロコンパスには以下のような
問題点がある。

ジャイロコンパスにプロセッサ８を適用することは、速
度誤差修正のような面倒な演算が容易にできる上に、他
の機器とのインターフェイスや自分自信の修正・学習機
能等という面からは非常に効果的であるが、一方以下の
よう問題もある。

即ち３ピツドグレイコードの分解能は１／６゜（０，１
６７°）毎に信りをデジタル的に変化させる構造（１″
″において例えば、０１０→０１上→０止１→工０１→
１００→１上０→の６ステートから成る。下線部分が前
回値に対する変化）である。一方、プロセッサ８のイテ
レーション（一定周期で処理を繰返す動作）は、例えば
１回／１０ｍ秒で３ビツトグレイコードを読取るように
なっている。従って、この時のジャイロコンパスの最大
（限界）追従速度（同期整流回路７から出力される値の
変化速度、即ち、船舶の旋回速度に応じて変化する３ピ
ツドグレイコードの変化に対するプロセッサ８の処理速
度の限界）は、０．１６７°／１０ｍ秒となる。

ところで２１．６秒で一旋回（３６０’″）する船舶お
いては、３６０°／２１．６秒から、１６．６７／１秒
＝　０．　１６７°／１０ｍ秒となり、これは１０ｍ秒
当たり１／６°となるから、旋回速１ｉ２１．６秒以上
に船舶の旋回速度をあげると３ピツドグレイコードの変
化にプロセッサ８の処理速度が追付かなくなり、その結
果としてグレイコード変換部８ｈから（りられる方位信
号θには乱れ（信号が飛ぶ）が生じることになり、この
方位信号θを利用する機器等においては不都合が生じる
。即ち、ジャイロコンパスの追従速度はプロセッサ８の
処理速度に大きく依存し、この処理速度以上に船舶は旋
回速度を上げることができないという￥Ｉｊ限を受ける
。

本発明はこの従来の技術の問題点に鑑みてなされたもの
であって、プロセッナの処理速度を上げることなくジャ
イロコンパスの追従速度を上げることができ、しかもこ
の追従速度を上げても３ビツトグレイコードの信号が飛
ばない（乱れない）ようにした高性能なジャイロコンパ
スを提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 上述の目的を達成するための本発明のジャイロコンパス
は、 船舶に搭載され、外部から前記船舶のｐ度・速度データ
を入力して液槽内に設けられた転輪球に基づく信号との
関係から前記船舶の針路方位を検出するジャイロコンパ
スにおいて、 ■：：記転輪球と前記液槽の相互関係からの位置検出信
号を入力して未修正角度データを１ｑる電圧角度変換部
と、 ■：：記未修正角度データと前記船舶の緯度・速度デー
タとを入力してジャイロコンパスの速度誤差の修正値を
ラッチ回路に出力するプロセッサと、 ■：：記未修正角度データと前記ラッチ回路の出力が導
かれて角度の正弦・余弦又はこれに類似する角度と、こ
れ等角度に速度誤差を修正したグレーコード又は類似の
コードとを演算する角度情報演算部と、 ■：該内角度情報演算部らの角度の正弦・余弦又はこれ
に類似する角度の情報に基づいて前記液槽を前記転輪球
に追従動作させる液槽駆動部と、 ■：：記角度情報演算部からの角度の正弦・余弦又はこ
れに類似する角度とこれ等角度に速Ｉｆ誤差を修正した
グレーコード又は類似のコードとを入力して３ビツトグ
レイコードの方位信号を出力するスイッヂ回路と、 ■：：記ラッチ回路の出力と前記角度情報演算部からの
角度の正弦、余弦又はこれに類似する角度とに基づいて
速度誤差を修正した方位信号を出力するオイラー変換ス
イッチ回路と、 を具備したことことを特徴とするものである。

〈実施例〉 以下本発明の具体的一実施例を第１図の本発明のジャイ
ロコンパスの構成図に基づき説明する。

尚、第１図において、第２図と重複する部分は同一番号
を付してその説明は′ａ略する。

第１図において、１７は転輪球１と液槽３の相互関係か
らの位は検出信号（電圧信号）を入力してこの電圧信号
を一次送れ要素を介して角度変換して角度データを出力
する電圧角度変換部である。

この電圧角度変換部１７は、この実施例においては、ホ
イートストンブリッジの交流電圧を電圧に比例し且つ位
相により極性（＋／−）を変化させる直流電圧に変化し
て出力する同ｍ整流回路１７ａと、−次遅れ要素を構成
する例えば入力電圧の一次遅れの電圧を発生するオペア
ンプＱと抵抗Ｒ７〜Ｒ３（但しＲ３はオペアンプＱを安
定に作動させるために設けられた抵抗である）とコンデ
ンサＣとから成るサーボ系の作動をスムーズにすること
を目的として設けられた一次遅れ回路１７ｂと、この−
次遅れ回路１７ｂからの出力電圧に比例した周波数のパ
ルス列を出力するＶ／Ｆ変換器又は電圧制御発信器（以
下ｒＶｃＯＪと略称する）１７Ｃと、このＶ　ＣＯ１７
ｃの出力パルスを一次遅れ回路１７ｂの出力電圧の正負
の極性に応じて加算（アップする）又は減算（ダウンす
る）して計数出力である未修正の角度データ（デジタル
値）（（＋）式参照）を出力するいわゆるアップ・アン
ド・ダウン・カウンタから成る計数器１７ｄとから構成
される。１８は計数器１７ｄからの未修正の角度データ
を入力する一方船舶のｌ！度・速度データυＥを他方か
ら入力して２進データのジャイロコンパスの速度誤差の
修正値をラッチ回路１９に出力する速度誤差の修正用と
して機能するプロセッサである。このプロセッサ１８は
、未修正の角度データと実際のＲ度・速度データ１ｊＥ
とから速度誤差を演算する速度誤差演算部１８ａと、２
進データの速度誤差の修正値信号を逐次出力する計数部
１８ｂと、速度誤差演算部１８ａの出力値と計数部１８
ｂの出力値（前回までのｌａ）とを入力してその偏差を
演算してその演惇値を計数部１８ｂにフィードバックし
て常に計数部１８ｂのデータを更新する備差演算部１８
ｃで構成され、特に計数部１８ｂでは偏差演算部１８ｃ
の正負に応じたアップダウンカウントをして常に必要な
速度誤差の修正値を得てラッチ回路１９に出力する。

２０は電圧角度変換部子７の計数器１７ｄからの未修正
の角度データとラッチ回路１９でラッチされた速度誤差
の修正値が導かれて、角度の正弦（ｓｉｎ）。

余弦（ＣＯＳ）又はこれに類似する例えばアナログ電圧
等の信号から成る未修正の角度データと、これ等角度デ
ータに速度誤差を修正したグレーコード又は類似のコー
ドとを演算して出力する角度情報演算部である。即ち、
この角度情報演算部２０は、所定の角度情報が記憶され
角度信号θに応じて角度の正弦、余弦又はこれに類似す
る角度と及びこれ等角度に速度誤差を修正したグレーコ
ード又は類似のコードが出力されるＲＯＭ２０ａと、こ
のＲＯＭ２０ａからの角度の正弦、余弦又はこれに類似
する角度をアナログ変換するＤＡＣ２０ｂと、このＤＡ
Ｃ２０ｂからのアナログ変換された角度を夫々電力増幅
し方位信号φ１を液槽駆動部を構成するステップモータ
１０に出力する増幅器２０ｃとから構成される。２１は
ＲＯＭ２０ａからの未修正の角度データとこの角度デー
タの修正量の増減分だけ変化したグレーコード又は類似
のコードとを入力して一見して全体が素早く追従動作し
ているように見える３ビットグレイコードの方位信号θ
、を出力するスイッチ回路である。２２は、ラッチ回路
１９からのプロセッサ１８の速度誤差の修正値であるラ
ッチ出力と、角度情報１部２０のＤＡＣ２０ｂからのア
ナログ変換された未修正の角度データとが入力して、未
修正の角度データをラッチ回路１９からのデジタル信号
で指定しただけ角度をずらして（再度変化させて）補正
した値の方位信号として発信するオイラー変換スイッチ
回路である。このオイラー変換スイッチ回路２２は、デ
ジタル信号で選択駆動するスイッチや抵抗回路網等から
成る従来公知の回路構成であり、例えば、ラッチ出力が
仝て０（Ｌ）（又は１（Ｈ）の場合もあるがここでは説
明は省略する）である場合は、入力の正弦。

余弦又はこれに類似する角度をそのまま出力し、ラッチ
出力の最上位のビットが１である場合は、正弦、余弦又
はこれに類似する角度の座標を１８０°回転させ、最上
位から２番目のビットが１である場合は正弦、余弦又は
これに類似する角度の座標を９００回転させ、以下順次
下位のビットが１になる毎に前段（上位側）のビットの
回転させる角度の半分を回転させるようになっているオ
イラー変換スイッチをラッチ回路１９からの速度誤差の
修正値で駆動し、増幅器２３を介してアナログ値である
方位信号ψとして遠隔発信出力する。

このように構成されたジャイロコンパスの動作を構成部
分毎に更に説明する。

ホイートストンブリッジの出力は、同期整流器１７ａで
電圧に比例し且つ位相に応じて正負に極性変化する直流
電圧に変換されて一次遅れ回路１７ｂに入力する。−次
遅れ回路１７ｂの伝達関数は入力電圧をｖｌ、出力電圧
をＶｏとする時、Ｖｏ／Ｖｔ＝ −（Ｒ１／Ｒ２）／　（１＋ＳＯＲ＋　）・・・（２）
となる（但し、ＳはラプラスＦＩ４算子）。この式は定
常的にはＶｏ　／Ｖｔ　＝　　（Ｒ１／Ｒ２）で単なる
比例関係にあるわけで、この出力電圧Ｖ０をＶＣＱ　１
７ｃに入力すると出力電圧Ｖｏに比例した周波数のパル
ス列が得られる。このパルス列を出力電圧Ｖｏの極性に
応じて加算（アップ）又は減算（ダウン）するように計
数器１７ｄで計数する。この計数即ち、Ｖ４鐸値は速度
誤差修正前の角度データとなる。この未修正の角度デー
タ（デジタルｆｆ１）の１°未満（例えば８ピツト）の
信号とラッチ回路１９の出力（例えば５ビツト）を、次
の■〜■の条件で設定したＲＯＭ２０ａに入力する。

■二角度データ（８ピツト）及びラッチ出力（５ビツト
）がＲＯＭ２０ａの番地を指定する。

■二うッチ出力（５ビツト）の値に係わらず、角度デー
タ（８ビツト）の入力に対して、方位１°を角［３６０
°とした時の値の正弦及び余弦に変換したデジタル信号
をＲＯＭ２０ａはＤＡＣ２０ｂに出力する。この値は角
度データ（８ピツト）入力によってのみ定まり、ラッチ
出力（８ビツト）が変化しても変らない。

■：ラッチ出力（５ビツト）は角・度データを修正する
角度情報であるが、このラッチ出力と角度データ（８ビ
ツト）入力とを加減した値の１′″未満の角度によって
定まる３ピツトグレ４コードをＲＯＭ２０ａはスイッチ
回路２１に出力する。

このようなＲＯＭ２０ａにおいて呼出された未修正の角
度データはＤＡＣ２０ｂによりアナログ変換されて、増
幅器２０Ｃで電力増幅されステップモータ１０を回動す
る。

今、転輪球１と液ＷＩ３との角度ずれが発生したとする
と、ホイートストンブリッジの出力により一次遅れ回路
１７ｂの出力電圧Ｖｏはある所定の値となり、計数器１
７ｄの出力はその値を変化させてゆくが、これによりス
テップモータ１０が回動する方向が角度ずれがゼロ、即
ち、ホイートストンブリッジ出力がゼロになる方向にな
るように計数器１７ｄの加算又は減算の方向を合せてお
けば、ステップモータ１０は角度ずれがゼロになったと
ころで静止する。この時、コンパスカード１３に方位が
表示される。

ところで速度誤差の修正用として機能するプロセッサ１
８の速度誤差演算部１８ａには、未修正の角度データと
船舶の実際の緯度・速度データ？ＪＥとが導かれて速ｒ
！１．ａ！１差が演算される。この出力値（例えば１．
２５°）は偏差演算部１８ｃに送られ計数部１８ｂから
の前回のデータ（例えば０．８°）との偏差が演算され
計数部１８ｂにフィードバックされる。この演算ループ
はこの偏差がゼロ（計数部１８ｂの計数出力と速度誤差
演算部１８ａの出力が等しいところで（ｌ；ｌ差演算部
１８ｃの出力はゼロとなる）、即ち、計数部が１．２５
°を出力する状態になるまで継続される（計数部１８ｂ
の出力は正しい値に突然変化するのではなく履歴を追っ
てスムーズに変化していく）。この時、計数部１８ｂか
らは逐次変化する速度誤差の修正信号がラッチ回路１９
に出力される。結果的に、計数部１８ｂには方位を修正
すべき値が積算されることとなる。このようにして最終
的には計数部１８ｂに積算された方位誤差の修正値の１
°未満の値がラッチ回路１９に出力されてラッチされる
こととなり、このラッチ出力は、オイラー変換スイッチ
回路２２に送られるほか、角度情報演算部２０のＲＯＭ
２０ａに送られる。

その結果、ＲＯＭ２０ａからスイッチ回路２１を介して
遠隔発信される３ビツトグレイコードは、未修正の角度
データを常に所要の角度だけ修正を加えた角度、即ち、
角度データを加減した値の１゛未満の角度によって定ま
る値となる。又、オイラー変換スイッチ回路２２からは
ラッチ回路１９（デジタル）で指定しただけＤＡＣ２０
ｂの出力（アナログ。

正弦、余弦）を角度変化させた修正方位信号が発信され
ることとなり、この値が、増幅器２３を介して方位信号
ψとして遠隔発信される。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に本発明を説明したように本
発明のジャイロコンパスによれば、船舶の旋回等により
発生する高速の追従は非同期により行なわれるため、良
好に追従する（はとんどプロセッサは関与していない）
。プロセッサが関与するところは僅かな値を補正するだ
けであるから、プロセッサの処理速度を上げることなく
追従速度を上げられる。言替えればプロセッサが関与し
ているのは速度誤差の修正のみであり、この速度誤差は
大きくても３°程度のものでそれ以上には急激に変化し
ないものであるから、繰返し周期毎に修正すべき量は非
常に小さくなり、例えば２００ｍ秒周期でも充分対応で
きるものである。従ってプロセッサの余った能力をより
インテリジェンスの高い機能に効果的且つ有効に使用で
きる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の具体的一実施例であるジャイロコンパ
スの構成図、第２図は従来のジャイロコンパスの構成図
である。 １・・・転輪球、２・・・支持液、３・・・液槽、１７
・・・電圧角度変換部、１８・・・プロセッサ、１９・
・・ラッチ回路、２０・・・角度情報演算部、２１・・
・スイッチ回路、２２・・・オイラー変換スイッチ回路
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 船舶に搭載され、外部から前記船舶の緯度・速度データ
   を入力して液槽内に設けられた転輪球に基づく信号との
   関係から前記船舶の針路方位を検出するジャイロコンパ
   スにおいて、 前記転輪球と前記液槽の相互関係からの位置検出信号を
   入力して未修正角度データを得る電圧角度変換部と、 前記未修正角度データと前記緯度・速度データとを入力
   してジャイロコンパスの速度誤差の修正値をラッチ回路
   に出力するプロセッサと、 前記未修正角度データと前記ラッチ回路の出力が導かれ
   て角度の正弦・余弦又はこれに類似する角度と、これ等
   角度に速度誤差を修正したグレーコード又は類似のコー
   ドとを演算する角度情報演算部と、 該角度情報演算部からの角度の正弦・余弦又はこれに類
   似する角度の情報に基づいて前記液槽を前記転輪球に追
   従動作させる液槽駆動部と、前記角度情報演算部からの
   角度の正弦・余弦又はこれに類似する角度とこれ等角度
   に速度誤差を修正したグレーコード又は類似のコードと
   を入力して３ビットグレイコードの方位信号を出力する
   スイッチ回路と、 前記ラッチ回路の出力と前記角度情報演算部からの角度
   の正弦、余弦又はこれに類似する角度とに基づいて速度
   誤差を修正した方位信号を出力するオイラー変換スイッ
   チ回路と、 を具備したことを特徴とするジャイロコンパス。