NO165656B - Gyrokompass for sjoegaaende fartoey. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører gyrokompass for sjøgående fartøy, spesielt for handelsskip, det vil si for sivile anvendelser der spørsmålene om pris antar en viss betydning (i mot-setning til militære anvendelser).

Det er kjent gyrokompass omfattende en pendelmekanisme med

to kardangledd, nemlig en kardang for rulling og en kardang for stamping, idet denne pendelmekanisme bærer en nedre opphengt kardang.

Denne nedre opphengte kardang har et fritt avskjermet gyroskop i et tett hus anordnet inne i et ytre hus fylt med en flytevæske og fast forbundet med den nedre opphengte kardang.

Sentreringen av det tette hus i det ytre hus kan oppnås ved hjelp av eleketriske midler (anordning med repulsjonsspoler), ved hjelp av hydrostatiske midler (flytevæsker med for-skjellig tetthet) eller ved mekaniske midler (torsjons-staver).

I alle tilfellene har det ytre hus en vertikal rotasjonsakse i forhold til sin opphengning, gjennom den nedre kardang,

til pendelmekanismen; dette ytre hus er styrt for å følge i azimut retningen til gyroskopets rotasjonsaske.

De benyttede frie gyroskoper er gyroskoper med to frihetsgrader hvilke samtidig har en mulighet for fri rotasjon i azimut mellom gyroskopet og det ytre hus inneholdende væsken (mulighet for rotasjon som noen ganger er begrenset til noen grader), og en mulighet for rotasjon i elevasjon (mulighet for rotasjon generelt mindre eller lik 20°); imidlertid eksisterer det bare en vinkelensretting i azimut mellom de to, hvilket tillater en styring av huset i azimut. Gyroskopet oppfører seg således sluttlig delvis som et fritt gyroskop og spesielt utsettes det da for alle de horisontale forstyrrende dreiemomenter på. grunn av friksjonen og ele-vasjonsbevegelsene av det ytre hus som er pendlende under rulling og stamping.

Et slikt gyroskop må derfor da gis et meget høyt kinetisk moment (av størrelsesorden 10 c.g.s.) slik at det kan mot-stå disse horisontale forstyrrende dreiemomenter; dette leder til gyroskoper hvis rotorer har høye masser (minst 500 g).

Rotasjonsaksen til gyroskopet forblir dessuten horisontalt og konstant orientert i en nord-syd-retning, hvilket gjør gyrokompasset følsomt overfor en fast avdrift av gyroskopet hvilket skaper en permanent ukjent kursfeil.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et gyrokompass hvis gyroskop har et meget lavt kinetisk moment 4

(av størrelsesorden 10 c.g.s.) som kan være 100 ganger mindre enn det kinetiske moment til gyroskopene som benyttes i kjente gyrokompass.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et gyrokompass som tillater azimut- og elevasjonsstyring og ikke bare azimutstyring som i de kjente gyrokompassene.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et gyrokompass i hvilket gyroskopets rotasjonsakse ikke lenger er konstant orientert i en nord-syd-retning, men tvert.imot er drevet med en jevn vinkelhastighet mens det forblir i horisontalplanet.

Nok et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et gyrokompass hvis gyroskop kan ha meget lave avdrifts-stabilitetsegenskaper, slik at det er et billig gyroskop, med en lang nyttig levetid (på grunn av den lave belastning på lagrene) og har utmerket motstandsevne overfor støt og vibrasjoner.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt et gyrokompass omfattende: - en pendelmekanisme med to kardanger, nemlig en kardang for rulling og en kardang for stamping, - en vertikal gaffel som samvirker fritt med nevnte pendelmekanisme,

- en elevasjonskardang båret av nevnte gaffel,

- et gyroskop med to frihetsgrader båret av denne elevasjonskardang slik at en av dets to sensivitetsakser er vertikal, den andre sensitivitetsaksen er parallell med aksen til elevasjohskardangen, og dens rotasjonsakse er horisontal, - en horisontalitetsdetektor båret av denne elevasjonskardang, slik at dens sensitivitetsakse er parallell med gyroskopets rotasjonsakse, kjennetegnet ved at - den vertikale gaffel azimutstyres av posisjonsdetektorene for gyroskopets vertikale sensitivitetsakse, - elevasjonskardangen styres i elevasjon av posisjonsdetektorene til gyroskopets horisontale sensitivitetsakse, - horisontalitetsdetektoren styrer kun gyroskopets vertikale presesjons-dreiemomentmotor for horisontalinnstilling av gyroskopets rotasjonsakse, - gyroskopets,horisontale presesjons-dreiemomentmotor styres slik at gyroskopets rotasjonsakse beveger seg i horisontalplanet med en vinkelhastighet (som kan være en omdreining pr. time) som er jevn i forhold til et fast utgangspunkt, slik som f.eks. meridianen,

hvorved det er mulig, ved hensiktsmessig behandling av det langsomme sinussignal (f.eks. ved en cykel pr. time)

som kommer fra gyroskopets vertikale presesjons-dreiemoments-motor, hvilken dreiemomentmotor kompenserer for den horisontale komponent til jordens rotasjonsvektor, som er orto-

gonal i forhold til gyroskopets rotasjonsakser, for derved å holde gyroskopets rotasjonsakse i et horisontalt plan,

å bestemme når denne rotasjonsakse passerer til nord og til syd og således utlede permanent derfra det sjø-

gående fartøys kurs.

For hver omdreining av gyroskopets rotasjonsakse i horisontalplanet, oppnås to nord-søkingsresultater, f.eks. ved synkron demodulering av det langsomme sinussignal fra gyroskopets vertikale presesjons-dreiemomentmotor over en halv cylke. Denne synkrone demodulering bevirkes fra en demoduleringsreferanse som kan dannes av en binær teller matet med en fast frekvens fQ, som representerer en vinkel hvis suksessivt minkende verdier er ir, jr tt ... tt 2 4 2n og fremskrider ved den samme frekvens som den til vinkelhastigheten til gyroskopets rotasjonsakse i horisontalplanet.

Mellom de to øyeblikk når gyroskopets rotasjonsakse passerer til nord og til syd, er kursen kjent takket være den kjente jevne vinkelhastighet til gyroskopets rotasjonsakse og takket være azimutkardangens vinkelposisjonsdetektor.

Fordelen med et slikt gyrokompass i forhold til kjente gyrokompass er at nord-søking er uavhengig av en hver fast avdrift av gyroskopet.

Det benyttede gyroskop kan således ha meget lave avdrifts-stabilitetsegenskaper og er således et billig gyroskop med en lang nyttig levetid (lett spinner).

Ved siden av den nettopp beskrevne anordning, består oppfinnelsen av andre anordninger som benyttes fortrinnsvis samtidig og som vil bli mer nøye beskrevet i det følgende.

Oppfinnelsen vil i alle fall forstås godt utfra det be-skrivelsessupplement som følger og de medfølgende tegninger, hvilket supplement og tegninger angår en foretrukken ut-førelse av oppfinnelsen og har naturligvis ingen be-grensende karakter.

Fig. 1 i disse tegninger er et skjematisk perspektivriss

av et gyrokompass konstruert ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 og 3 er snitt, henholdsvis i to perpendikulære plan,

av gyroskopet i gyrokompasset i fig. 1.

Fig. 4 er et vektordiagram som forklarer oppfinnelsen.

Fig. 5 er en sinuskurve som viser utviklingen av et signal

dannet av gyrokompasset ifølge oppfinnelsen.

Fig. 6, 7 og 8 er blokkdiagram som viser en spesiell ut-førelse av oppfinnelsen. Fig. 9 er et skjematisk perspektivriss av.et gyroskop

konstruert ifølge en variasjon av oppfinnelsen.

På tegningene 1 til 9 er det sjøgående fartøy vist skjematisk ved sin lengdeakse 1.

En pendelmekanisme 2 bæres ved hjelp av to faste lagre 3

av en struktur som er i ett med det sjøgående fartøy (ikke vist).

Denne pendelmekanisme 2 omfatter en balansert rullekardang 4, montert i de to faste lagre 3 og en balansert stampe-kardang 5, montert i de to lagrene 6 anordnet på rulle-kardangen 4.

Stampekardangen 5 samvirker med en vertikal gaffel 7.

Denne vertikale gaffel 7 kan være opphengt fra denne stampe-kardang 5 og rotere fritt i et lager 8 anordnet på stampekardangen 5 (fig. 1).

I en variasjon av oppfinnelsen kan denne vertikale gaffel 7 være innvendig til stampekardangen 5 og roteres fritt i et lager 8 anordnet på stampekardangen 5 som således omfatter en betydelig ubalanse 5a (fig. 9).

Ved den nedre enden av denne gaffel er det anordnet en elevasjonskardang "9 montert i to lagre 10 anordnet på nevnte nedre ende.

Et gyroskop 11 med to frihetsgrader er montert på elevasjonskardangen 9 slik at

- en av dets to sensivitetsakser, akse Gz, er vertikal,

- den andre sensivitetsaksen, akse Gy, er parallell med elevasjonskardangen 9, hvilken akse er definert ved de to lagrene 10,

- og dets rotasjonsakse S er horisontal.

En horisontalitetsdetektor 12 er også montert på elevasjonskardangen 9 slik at dens sensivitetsakse P er parallell med gyroskopets 11 rotasjonsakse S.

Gyroskopet 11 omfatter som vist på figurene 2 og 3,

- en ramme 13,

- en rotor 14 båret av en aksel 15 med en i mellom anbragt Hoocke-pakning 16, idet denne aksel holdes i lageret 17, - og en elektrisk motor 18 som driver enheten som utgjøres av akselen 15 og rotoren 14.

To posisjonsdetektorer Dz er anordnet for samvirke med rotoren 14 og måling av dens bevegelser i forhold til gyroskopets 11 vertikale sensitivitetsakse Gz (fig. 2).

To andre posisjonsdetektorer D yer anordnet for samvirke med rotoren 14 og måling av dens bevegelser i forhold til gyroskopets 11 sensivitetsakse G^ (fig. 3).

En vertikal presesjons-dreiemomentmotor M^7 er anordnet for samvirke med rotoren 14 og for å bevirke en vertikal presesjon av gyroskopet 11 (fig. 2).

En ytterligere horisontal presesjons-dreiemomentmotor M H er anordnet for samvirke med rotoren 14 og for å bevirke en horisontal presesjon av gyroskopet 11 (fig. 3).

Den vertikale gaffel 7 omfatter en stabiliseringsstyremotor 19 og en vinkelposisjonsdetektor 20.

Elevasjonskardangen 9 omfatter en stabiliseringsstyremotor 21.

Av denne grunn er følgende styreinnretninger tilveiebragt: - styremotoren 19 for den verdikale gaffel 7 styres i azimut av detektorene Dz for posisjonen av gyroskopets 11 vertikale sensivitetsakse G^, - styremotoren 21 for elevasjonskardangen 9 styres i elevasjon av detektorene D yfor posisjonen av gyroskopets 11 sensivitetsakse G^.

Den horisontale presesjons-dreiemomentmotor til gyroskopet 11 styres, ved hensiktsmessige styreinnretninger 22, slik at gyroskopets 11 rotasjonsakse S beveges i horisontalplanet ved en jevn vinkelhastighet.

Den vertikale presesjons-dreiemomentmotor M^. til gyroskopet 11 mottar, fra en hensiktsmessig kompensasjonsanordning 23 som har som inngang et elektrisk signal som representerer pendelinklinasjonen og danner (ved en hensiktsmessig beregningsfunksjon) et signal som skal kompensere jordens rotasjon, et styresignal for opprettholdelse av gyroskopets 11 rotasjonsakse i et horisontalt plan.

På fig. 4 er vist gyroskopets 11 rotasjonsakse S, gyroskopets 11 sensivitetsakse G yog nord-retningen (nord-

horisontal).

Vektoren cos L er projesert på nord-retningen (f2 betegner jordrotasjonen og L breddegrader). Vinkelen som dannes av nord-retningen og gyroskopets rotasjonsakse S er lik

<jJc't (o> betegner vinkelhastigheten til rotasjonsaksen S i horisontalplanet og t betegner tiden).

Gyroskopets 11 vertikale presesjons-dreiemomentmotor M^ leverer et signal 0, cos L sin wt som er projeksjonen av vektoren Q cos L på gyroskopets 11 sensivitetsakse G^.

På fig. 5 er vist dette sinusformede signal Sl cos L sin u)t, idet abscissen er tiden og ordinaten strømmen til gyroskopets 11 vertikale presesjons-dreiemomentmotor M^.

På dette signal er det overlagret en ukjent konstant som representerer gyroskopets avdrift.

Tidene t^ og t2 tilsvarer tidene når gyrosko<p>ets 11 rotasjonsakse S passerer til nord og syd.

Horisontalitetsdetektoren 12 gir et utgangssignal, som vist på fig. 6, forsterkes i en forsterkercelle 25 og deretter demoduleres i en demodulatorcelle 26. De demodulerte signal filtreres i en filtercelle 27 hvis utgangssignal føres i parallell til to operasjonsforsterkere 28 og 29.

Operasjonsforsterkeren 28 leverer et kontinuerlig presesjons-signal som anvendes i gyroskopets 11 vertikale presesjons-drciemomentmotor My Operasjonsforsterkeren 29 leverer et kontinuerlig signal som er i formen A Q cos L.sin. (wt + <)>) , hvor A betegner en forsterkerkoeffisient og <J> faseforskyv-ningen på grunn av filtrering (fig. 5).

Det er således mulig, ved hensiktsmessig behandling i en behandlingsanordning 24 av signalet fra gyroskopets 11 vertikale 11 presesjons-dreiemomentmotor My, for å bestemme når gyroskopets 11 rotasjonsakse passerer til nord og til syd og således permanent utlede derfra fartøyets kurs.

Som vist på fig. 7 blir signalet fra gyroskopets 11 vertikale presesjons-dreiemomentmotor M^. kombinert i en inte-grator 36 med tre innganger, med reverse kalibrerte pulser dannet i terskeldetektorer, en positiv terskeldetektor 30 og en negativ terskeldetektor 31.

To inkrementerende celler 32 og 33 fullfører behandlingen av signalet som deretter føres gjennom en bryteranordning 34 inn i en toveis teller 35. Denne bryteranordning 34 ut-løses når gyroskopets 11 rotasjonsakse S passerer til tt og til 3jr , slik som utledet fra innholdet i telleren 2 2

(fig. 8) inkrementert ved en fast frekvens, og som er en estimering av forskyvningen av gyroskopets 11 rotasjonsakse i forhold til nord.

På fig. 8 er vist telleren 36 som mottar den faste frekvens f hvis avtagende verdier er tt , tt , tt ... ir og utvikles i 2 4 2n overensstemmelse med en modul på 2tt ved den samme frekvens som den til vinkelhastigheten til gyroskopets 11 rotasjonsakse i horisontalplanet.

Med denne toveis teller 37 (synkron demodulasjonsreferanse) kan verdien ut + AK identifiseres, hvor AK representerer kursfeilen, et resultat oppnådd etter en halv tellecykle i toveistelleren 35.

Fra et konstruksjonssynspunkt skal det bemerkes at gyroskopet 11 med to frihetsgrader kan dannes:

- enten av et "tørt" gyroskop med to styrte akser,

- eller av et "flytende" gyroskop med to frihetsgrader og to styrte akser.

Forsåvidt angår horisontalitetsdetektoren 12, kan denne ut-gjøres :

- enten av en dempet pendel,

- eller av boblenivåer,

- eller av et akselerometer med styrt masse.

Som det fremgår og som det dessuten følger av det forut-gående, er oppfinnelsen på ingen måte begrenset til de an-vendelses- og utførelsesmåter som spesielt har blitt be-traktet; den omfatter tvert imot alle variasjon derav.

Claims (8)

1. Gyrokompass for et sjøgående fartøy omfattende: - en pendelmekanisme (2) med to kardanger, nemlig en kardang for rulling (4) og en kardang for stamping (5), - en vertikal gaffel (7) som samvirker fritt med nevnte pendelmekanisme (2), - en elevasjonskardang (9) båret av nevnte gaffel (7), - et gyroskop med to frihetsgrader (11) båret av denne elevasjonskardang (9), slik at en av dens to sensitivitets-akser (G ) er vertikal, den andre sensitivitetsaksen (G ) z y er parallell med aksen til elevasjonskardangen (9), og dens rotasjonsakse (S) er horisontal, - en horisontalitetsdetektor (12) båret av denne elevasjonskardang slik at dens sensitivitetsakse (P) er parallell med gyroskopets (11) rotasjonsakse (S), karakterisert ved at - den vertikale gaffel (7) styres i azimut av posisjons detektorene (D ) for den vertikale sentitivitet (G ) Z til gyroskopet (11), - elevasjonskardangen (9) styres i elevasjon av posisjons detektorene (D ) for den horisontale sensitivitetsakse y (Gy) til gyroskopet (11) , - horisontalitetsdetektoren (12) styrer kun gyroskopets (11) vertikale presesjons-dreiemomentmotor (Mv> for horisontalinnstilling av gyroskopets rotasjonsakse, - gyroskopets (11) horisontale presesjons-dreiemomentmotor (Mjj) styres slik at gyroskopets (11) rotasjonsakse (S) beveges i horisontalplanet ved en jevn vinkelhastighet i forhold til et fast utgangspunkt, hvorved det er mulig - ved hensiktsmessig behandling av det sinusformede signal fra gyroskopets vertikale presesjons-dreiemomentmotor, hvilket dreiemoment kompenserer for den horisontale komponent til jordrotasjonsvektoren som er ortogonal til gyroskopets rotasjonsakse, for derved å holde gyroskopets rotasjonsakse i et horisontalt plan - å bestemme når denne rotasjonsakse passerer til nord og til syd og permanent å utlede derfra det sjøgående fartøys kurs.

2. Gyrokompass ifølge krav 1, karakterisert ved at gyroskopet (11) er et tørt gyroskop med to styrte akser.

3. Gyrokompass ifølge krav 1, karakterisert ved at gyroskopet (11) er et flytende gyroskop med fri-hetsakser og to styrte akser.

4. Gyrokompass ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at horisontalitetsdetektoren (12) utgjøres av en dempet pendel.

5. Gyrokompass ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at horisontalitetsdetektoren (12) utgjøres av boblenivåer.

6. Gyromkompass ifølge hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at horisontalitetsdetektoren (12) utgjøres av et akselerometer med styrt masse.

7. Gyrokompass ifølge hvilket som helst kravene 1-6, karakterisert ved at gaffelen (7) er fritt opphengt fra kardangen (5) for stamping.

8. Gyrokompass ifølge hvilket som helst av kravene 1-6, karakterisert ved at gaffelen (7) er innvendig i forhold til kardangen (5) for stamping som da omfatter en ubalanse (5a).