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L'invention est relative aux compas pour contrôler les mécanis- mes de direction ou de gouverne automatique destinés à maintenir les engins de navigation aérienne et marine dans une route prédéterminée. De tels com- pas seront dénommés ci-après "servo-compas" afin de les distinguer des compas ne donnant qu'une indication visuelle de direction.
Un objet de l'invention est de simplifier et de réduire le coût des servo-compas pour le pilotage automatique sur des engins sujets au tan- gage et au rouliso
Un autre objet de l'invention est d'accroître la sensibilité d'un servo-compas de type -optique.
D'autres objets et particularités encore de l'invention ressor- tiront de la description qui suit.
L'invention se rapporte à un type très employé de servo-compas utilisant un système optique dans lqquel un.faisceau ou pinceau de lumière est projeté par delà un bord radial de la rose de compas,, sur un tube photo- électrique,, de manière qu'une modification dans la direction de l'engin fasse varier la quantité de lumière atteignant le tube photo-électrique, en faisant varier ainsi le débit du tube.. pour actionner un système de gouverne à moteur dans une direction telle que l'engin est ramené dans sa route.
Dans tous les servo-compas antérieurs connus de la demanderesse. l'ensemble du compas a été suspendu à la Cardan de manière que le roulis de l'engin ne modifie pas l'angle vertical entre la rose du compas et le faisceau ou pinceau lumineux. étant reconnu que de telles modifications introduisaient des erreurs.
Il était évident qu'une simplification et une réduction du coût pourraient être obtenues en éliminant la suspension à la Cardan, mais il était impossible de réaliser ceci avec les systèmes optiques connus.
La présente invention permet l'élimination de la suspension à la Cardan par introduction d'un nouveau système optique n'engendrant pratiquement pas d'erreurs en réponse aux changements survenant dans l'angle vertical entre le système optique et la rose de compas. Comme résultat, seule la rose du compas doit être supportée de manière à conserver une position horizontale. le reste du compas étant rigidement fixé à l'engin.
Le nouveau système optique diffère du système optique ancien par l'emploi d'une pluralité de pinceaux lumineux et d'une pluralité de bords coopérants à la rose les pinceaux et les bords étant distribués de manière telle autour de l'axe de compas que l'inclinaison du compas à partir d'une position normale dans un sens tel qu'elle accroît l'interception d'un pinceau par le bord associé de la rose du compas, fait décroître l'interception d'un ou d'autres pinceaux, en ne produisant de ce fait aucun changement net sérieux dans la lumière totale atteignant la cellule photo-électrique. Le résultat peut s'obtenir avec deux pinceaux espacés de 90 autour de l'axe du compas ou avec trois ou un plus grand nombre de pinceaux symétriquement espacés autour de l'axe.
L'invention pourra être bien comprise à l'aide de la description qui va suivre en relation avec les dessins sur lesquels :
Figo 1 est une vue en coupe verticale dans un servo-compas conforme à l'invention. les parties se trouvant en position normale
Figo la est une vue analogue à la figo 1. mais montrant les positions relatives des parties lorsque le bâti de l'appareil est incliné hors de la position verticale normale ;
Figo 2 est une coupe transversale horizontale par le plan II-II de la fig. 1 ;
Fige 3 est une coupe transversale suivant le plan III-III de
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la fig. 1. montrant la relation normale entre la rose du compas et les pinceaux lumineux ;
Fig. 4 est une coupe transversale suivant le plan IV-IV de la fig. la montrant la relation de la rose du compas et des pinceaux lumineux lorsque l'axe du compas est incliné hors de la position verticale normale;
Fig. 5 est une vue en plan d'une variante de repose de compas ;
Fige 6 est une vue analogue à la fig. 1. montrant une variante de la structure représentée sur cette figure ;
Fig. 7 est une coupe transversale suivant le plan VII-VII de la fig. 6 ; et.
Figo 8 est une vue analogue aux figs. 1 et 6 montrant encore une autre variante.
En se référant tout d'abord à la fige la le servo-compas qui y est illustré comprend un bâti 10 ayant un axe normalement vertical et consistant en des sections d'habitacle supérieure et inférieure 11 et 12 respectivement. unies ensemble par des boulons 13. lesquels boulons servent également à assujettir une cuvette de compas 14, dans une position fixe par rapport au bâti. Ainsi la cuvette de compas 14 est formée de deux moitiés.
14a et 14b. chacune d'elles pratiquement semi-sphérique et comportant une bride équatoriale s'étendant vers l'extérieur. lesquelles brides 15 sont pressées ensemble entre des brides correspondantes 16 aux extrémités jointives des sections d'habitacle 11 et 12, respectivement.
La cuvette de compas 14 contient une rose de compas 17 qui est supportée à pivot en son centre, de la manière usuelle. par une pointe ou aiguille de pivot dressée,, 18. qui s'étend à partir d'un socle 19 fixé à la moitié inférieure de la cuvette 14. La rose 17 peut être formée de toute matière magnétique permanente, magnétisée de façon à s'orienter d'elle-même dans le champ magnétique terrestre.
La cuvette 14 est pratiquement remplie d'un liquide 20 (conformément à la pratique usuelle) pour amortir les mouvements de la rose de com- pas 17 en réponse au roulis de l'engin sur lequel le compas est montéo
Le bâti 10 doit être assujetti rigidement par sa base à l'engin sur lequel il est utilisé. de façon à se mouvoir en tous sens avec lui.
Comme il est montré fig. 3. la rose de compas 17 comporte quatre lames 17a ayant des bords radiaux actifs 22.22.24 et 25, chacun d'eux occupant la portion marginale en avant dans le sens des aiguilles d'une montre de sa lame associée 17a. La largeur des lames n'est pas un facteur critique. mais elles sont représentées d'une amplitude d'arc de 45 afin de procurer des arcs de lames correspondant aux arcs entre les lames. Les bords 22.23.24 et 25 sont normalement placés en position d'interception partielle par rapport à quatre pinceaux de lumière identiques 26, projetés verticalement par delà la rose à partir d'un dispositif projecteur de faisceau porté par le bâti.
En référence à la fig. 1, le dispositif projecteur de faisceau comprend une source de lumière 30. qui est montrée constituée par une lampe montée dans l'extrémité supérieure de l'habitacle 10. un réflecteurannulaire 31. et un moyen de "blocage" de lumière 48 placé en dessous. Ainsi, une portion de la lumière émise par la lampe 30 est réfléchie par le miroir cônique 31 sous forme d'un faisceau creux vertical 32o Ce faisceau 32 est intercepté par le moyen de blocage 48 constitué par une paire de plateaux 33 et 34 fixés ensemble à un moyeu 35. lequel est supporté sur un axe vertical 36 s'étendant à partir de l'extrémité supérieure de la cuvette de compas 14.
Ces plateaux 33 et 34 sont formés d'une matière opaque, mais comportent
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quatre fenêtres 37 superposées l'une à l'autre et espacées de 90 autour de l'axe du bâti 10. de sorte que les plateaux bloquent toute la lumière dirigée vers le bas dans leur direction sauf aux ouvertures des fenêtres 37. qui permettent le passage des pinceaux 26 dont il a été question en rela- tion avec la figo 3.
Le plateau inférieur 34 est représenté pourvu d'une denture le long de son bord engrenant avec une vis sans fin 40 (figo 2). laquelle peut être amenée en rotation à l'aide d'un arbre flexible 41 à par- tir d'un point de contrôle éloigné à l'effet d'ajuster l'orientation des pinceaux 26 autour de l'axe du bâtio
Les quatre pinceaux 26 pénètrent la moitié supérieure de la cu- vette 14. passent la rose 17. et traversent la moitié inférieure de la cu- vette 14 sans modifier leur direction. En dessous de la cuvette 14 ils vien- nent frapper des moyens collecteurs de lumière représentés par une lentille
44 qui les réfractent sur une cellule photo-électrique 45 disposée dans la partie inférieure du bâti 10.
La cellule photo-électrique 45 comporte des conducteurs électriques 46 qui peuvent être prolongés jusqu'à un dispositif de gouverne automatique répondant aux variations du courant qui lui est fourni.
Les moitiés supérieure et inférieure 14a et 14b de la cuvette de compas 14 sont établies chacune avec une face annulaire plane 50 située dans le trajet des,, et perpendiculaire aux pinceaux lumineux 26. quelle que soit l'orientation des pinceauxo Par suite aucune réfraction des pinceaux de lumière ne se produit aux points d'entrée et de sortie de la cuvette 14.
D'une manière analogue, aucune réfraction ne résulte du passage des pinceaux de lumière entre la surface interne de la cuvette 14 et le liquide 20 qui l'occupe malgré l'angle de valeur élevé entre les pinceaux lumineux et la surface interne de la cuvette, car le liquide 20 et la matière de la cuvet- te sont choisis de façon à avoir pratiquement le même indice de réfraction.
Ainsi. la matière de la civette peut être de l'acétate de celluloseet le liquide 20 peut être du pétrole (kérozène) ayant tous deux un indice de réfraction d'environ 1.5.
Il ressort de la description qui précède que toute déviation de sa route,. de l'engin auquel le bâti est fixée déplace le reste de l'en- semble du compas par rapport à la rose de compas 17.c'est-à-dire soit en accroissant soit en décroissante dans le même sens la mesure dans laquelle tous les bords actifs22. 23. 24 et 25 interceptent les quatre pinceaux lumineux 26o Ceci modifie la quantité totale de lumière tombant sur la cellule photo-électrique 45 et détermine une modification du courant électrique s'écoulant dans les conducteurs 46 au mécanisme de gouverne.
Ainsi qu'il est bien connue le mécanisme de gouverne est établi de manière à modifier la route de l'engin dans un sens tel qu'il le ramène dans sa position première grâce à quoi l'intensité de la lumière tombant sur la cellule 45 est ramenée à la normaleo
On va examiner maintenant ce qui se produit lorsque l'axe du bâti 10 est déplacé dans diverses directions à partir de la verticale.
Il ressort de l'examen de la fig. 3.que si l'axe vertical bascule soit autour de l'axe X-X. soit autour de l'axe Y-Y. la mesure dans laquelle les pinceaux 26 sont interceptés ne sera pas modifiéeo
En référence à la fig. 4. on supposera que le bâti 10 bascule autour de l'axe Z-Z intermédiaire entre les axes X et Yo La figo 4 montre la roue de compas et les pinceaux ainsi qu'on pourrait les observer en regardant suivant l'axe du bâti 10 la rose étant maintenant vue en perspective au lieu d'être observée en plan,, et étant raccourcie dans la direction perpendiculaire à l'axe Z-Z, Ceci déplace la paire de pinceaux 26 associés aux bords 22 et 23 en les écartant de ces bords,
mais déplace également les pinceaux associés auc bords 24 et 25 plus avant dans ces bordso L'accroissement de la quantité de lumière passant par délà les bords 22 et 23 à la
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cellule photo-électrique est pratiquement neutralisée par la réduction de la quantité de lumière passant aux bords 24 et 25, de sorte qu'une condition de roulis telle que montrée figo 4 ne détermine pas un fonctionnement erroné de l'appareil de gouverne.
Cependant il ressort de l'examen de la fig. 4 que dans les systèmes antérieurs n'utilisant qu'un seul faisceau, la quantité de lumière atteignant la cellule photo-électrique aurait été notablement modifiée en réponse au roulis du compas autour de l'axe Z-Z, soit par accroissement. soit par réduction de la quantité de lumière. Il résulte également de l'examen de la fig. 4 que deux seulement des pinceaux lumineux doivent être em- ployés pour produire l'effet compensatoire, mais qu'ils doivent être séparés de 90 . Ainsi, les deux pinceaux associés à deux quelconques bords adjacents 23 et 24, ou 24 et 22, 22 et 25, ou 25 et 23, produisent des effets se neutralisant mutuellement en réponse au roulis.
Il est ordinairement désirable d'utiliser quantre pinceaux et quatre bords comme montré dans les figsa 3 et 4, au lieu de n'employer que deux pinceaux et deux bords, et cela pour deux raisonso Une des raisons est que la variation totale dans la lumière venant frapper la cellule 45 est accrue, et par suite la sensibilité dans l'ensemble est augmentée. L'autre raison est que dans le cas d'une violente agitation, toute la rose de compas 17 pourrait être décentrée par rapport au pivot 18 qui est situé dans l'axe du bâti.
Un tel déplacement produirait une erreur notable si deux bords adjacents seulement, tels que les bords 23 et 24, étaient utilisés, mais lorsque tous les quatre bords 22. 23. 24 et 25 sont employés, le mouvement d'ensemble de la rose dans une direction quelconque tend à accroître deux pinceaux dans la même mesure que les deux autres sont réduits.
Lorsque l'espacement entre les bords de la rose interceptant la lumière est de 90 . on peut utiliser soit deux bords et deux pinceaux, soit quatre bords et quatre pinceauxo Cependant, l'invention n'est pas limitée à un espacement de 900 des bords. Tout nombre de bords plus grand que 2 peut être utilisé.. auquel cas ils seront tous également espacés autour du centre de la rose. Ainsi, comme montré fig. 5. un système à trois pinceaux peut être employé, utilisant trois bords 60 qui interceptent trois pinceaux 61.
On a constaté qu'avec cet agencement, une déviation de l'axe du bâti à partir de la verticale dans une direction quelconque, tend à accroître ou à réduire l'interception d'un ou de deux pinceaux, mais avec une réduction ou un accroissement correspondant de l'interception des autres ou de l'autre pinceau, de sorte que la quantité totale de lumière atteignant la cellule photo-électrique reste pratiquement inchangée.
Le nombre optimum de pinceaux et de bords à utiliser dépend de diverses circonstances. Lorsque le compas doit être employé sur un petit engin, qui peut être sujet à des modifications rapides de sa route, un-petit nombre de pinceaux est désirable car dans ce cas les lames de la roue peuvent avoir une amplitude d'arc notable, et les espaces entre les lames peuvent également être d'amplitude d'arc notable, en sorte qu'un très grand mouvement angulaire du compas sera nécessaire pour déplacer les pinceaux 26 en travers des lames et les amener en relation de fonctionnement avec les autres bords de celles-ci. Naturellement si ceci se produisait. le compas travaillerait à l'envers et serait inopérant quant à procurer un résultat utile quelconque.
D'autre part, pour des bâteaux ou navires relativement grands et stables, où des changements rapides de route sont pratiquement impossibles, un grand nombre de pinceaux plus rapprochés peut être utilisé à l'effet de procurer une sensibilité accrue,
Il est désirable qu'il n'y ait pas d'air libre dans la cuvette du compas 14. car. en cas d'une violente agitation, cet air pourrait se mélanger avec le liquide et interférer avec les propriétés optiques de celuici.
Il est par suite désirable de prévoir dans la cuvette 14 du compas, en tout point ou emplacement convenable, une petite masse 47 de matière compres-
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sible élastique (comme par exemple du caoutchouc ou néoprène cellulaire) qui est imperméable au liquide employée Ceci permet l'expansion et la con- traction différentielle entre le liquide et la cuvette 14 par compression ou dilatation de la masse compressible élastiqueo
Diverses modifications de la structure particulière montrée figo 1 pourrait être apportées.. en obtenant encore l'immunité désirée quant aux erreurs.
Ainsi il ressort de la description qui précède que l'immunité quant aux erreurs résulte de l'emploi d'une pluralité de bords de contrôle sur la rose de compas et divers changements peuvent être faits dans le sys- tème optique particulier montré fig. 1 tout en utilisant encore cette par- ticularitéo
Ainsi, comme montré figo 6. les moyens de blocage de lumière 48 peuvent être disposés en dessous de la cuvette de compas 14 au lieu d'être placés au dessus d'elle. Avec un tel agencement on peut prévoir un écran
63 interposé entre le réflecteur 31 et la cuvette de compas 7.la,9 pour bloquer toute lumière émanant de la lampe 30 et du réflecteur 31 et projetée vers le bas. sauf le faisceau cylindrique creux 32.
Comme montré figo 7. l'écran
63 peut consister en un corps de matière transparente,, comme du verre ou une matière plastique, qui comporte des recouvrements 63a et 63b en une pein- ture opaque ou analogue, délimitant une étendue annulaire libre 64 dans le trajet du faisceau désiré 32.
Ce faisceau 32 est directement projeté sur la rose de compas
17. et passe au delà sur les moyens de blocage de lumière 48. où toutes les portions du faisceau ayant passé la rose 17 sont bloquées sauf celles at- teignant les ouvertures 37 (figo 2)o Il est apparent que dans le fonction- nement normal,,, les bords de travail de la rose de compas 17 occupent les mêmes positions relativement aux ouvertures 37 que celles qu'ils occupaient dans la structure de la figo 1. cette relation étant montrée par les figso 3 et 4. Les pinceaux résultants passant à travers les ouvertures 37 sont réfléchis par un miroir annulaire 67 sur la cellule photo-électrique 45. le miroir 67 remplissant la même fonction que la lentille 44 de la figo 1.
On observera que dans la figo 6 la cuvette 14 est de forme cylindrique au lieu d'être sphérique comme dans la figo 1. Une cuvette sphérique constitue la forme la plus parfaites car engendrant moins de turbu- 1 ence dans le liquide qui s'y trouve en cas de rouliso Cependant on a constaté en pratique que des cuvettes non sphériques ne comportent pas.. en usage courant, de caractéristiques de turbulence prêtant à objection et sont à divers points de vue plus aisément réalisables.
Ainsi.. lorsqu'une cuvette cylindrique est utilisée comme montré fig. 6. la lumière entre et quitte la cuvette.. d'une façon pratiquement perpendiculaire aux faces terminales de celle-ci de sorte qu'il n'en résulte aucune réflexion ou réfraction inacceptableo
Une autre modification encore de la structure de la figo 1 est représentée figo 8. Dans cette variante on utilise une cuvette cylindrique 7.la.9 la même que celle montrée figo 6. mais les moyens de blocage de lumière 48 sont placés au dessus de la cuvette de même que dans la fig. 1.
Cet agencement diffère tant de la figo 1 que de la figo 6 par l'emploi d'un système générateur de faisceau différent qui dirige les pinceaux par delà la rose de compas 17 d'une manière convergente., directement sur la cellule photo-électrique 45.de sorte qu'aucune lentille ou miroir ne doit être prévu en dessous de la cuvette du compas.
L'agencement de la fig. 8 diffère essentiellement tant de celui de la figo 1 que de celui de la figo 6. par le fait qu'il utilise un système optique distinct pour former chaque pinceau au lieu d'utiliser l'unique miroir conique 31. Ainsi, pour chaque pinceau, il est prévu dans le plan horizontal de la lampe 30 un miroir plan séparé 70 qui est incliné de manière à diriger la lumière de la lampe 30. qui en est interceptée, à travers l'ou-
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verture 37. au delà de la rose de compas 17. et directement sur la cellule photo-électrique 45 Pour accroître la quantité de lumière qui est concentrée sur les bords actifs de la rose de compas 17. on peut utiliser une paire de lentilles de condensation 71 et 72.
La lentille 71 peut être une len- tille sphérique de courbure telle qu'elle tend à concentrer la lumière de la lampe 30 qui l'atteint en un faisceau parallèle. D'autre part. la lentille 72 est de préférence une lentille cylindrique concentrant la lumière en un faisceau relativement étroit et long à l'emplacement du plan de la rose de compas 17 On accroft ainsi la sensibilité sans réduire la quantité totale de lumière qui est contrôlée.
Chacun des ensembles constitués par la lentille 71. le miroir 70 et la lentille 72. peut être supporté à l'aide d'une console 74 par le dispositif de blocage de lumière 48. de manière que lors d'un ajustement circulaire du dispositif de blocage de lumière 48 il déplace avec lui les lentilles et des miroirs qui forment les pinceaux lumineux.
Comme les pinceaux entrants et sortants de la cuvette de compas 14 sont inclinés d'un certain angle sur les faces supérieure et inférieure de la cuvette,, il se produit une certaine réfraction comme indiqué figo 8. mais cette réfraction est constante, et il peut aisément en être tenu compte dans l'établissement de l'appareil. de sorte qu'elle ne prête pas à objectiono
Bien que pour l'explication de l'invention certaines réalisa tions particulières de celle-ci aient -été représentées et décrites. des modifications évidentes pourront apparaître aux gens de métier et l'invention n'est donc pas limitée aux détails exacts représentés et décrits.
REVENDICATIONS.
1. Un compas,, en particulier un servo-compas. du type comportant un dispositif optico-électrique dans lequel la lumière projetée par une source montée sur le bâti du compas. sur un élément photo-électrique également monté sur le dit bâti. est interceptée de façon variable par un bord radial de la rose de compas. de manière que l'illumination et par suite le débit électrique de l'élément photo-électrique soit une fonction de l'angle entre le dit bord radial de la rose de compas et une direction fixe (normalement horizontale) du bâti. caractérisé en ce que. à l'effet d'éliminer l'erreur due au non-alignement de l'axe du bâti du compas et de l'axe de la rose de compas.
la lumière projetée sur l'élément photo-électrique est li- mitée à une pluralité de pinceaux séparés, angulairement espacés autour de l'axe du bâti, la rose de compas étant pourvue de bords radiaux d'intercep- tion de lumière (22.23.24.25), égaux en nombre et analogues quant à l'agen- cement aux dits pinceaux, orientés de manière que chaque bord intercepte. normalement de façon partielle, un des dits pinceaux, de telle sorte qu'en cas de défaut d'alignement entre les dits axes. dû en particulier au mouvement de l'engin sur lequel le compas est installé, la variation résultante totale de la quantité de lumière interceptée dans tous les pinceaux par les bords radiaux associés de la rose de compas, soit automatiquement nulle.
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The invention relates to compasses for controlling automatic steering or rudder mechanisms intended to maintain air and marine navigation devices in a predetermined route. Such compasses will be referred to hereinafter as “servo-compasses” in order to distinguish them from compasses giving only a visual indication of direction.
An object of the invention is to simplify and reduce the cost of servo-compasses for automatic piloting on vehicles subject to tangling and rolling.
Another object of the invention is to increase the sensitivity of an optical-type servo-compass.
Still other objects and features of the invention will emerge from the description which follows.
The invention relates to a widely used type of servo compass employing an optical system in which a beam or brush of light is projected beyond a radial edge of the compass rose, onto a photoelectric tube, of light. such that a change in the direction of the craft will vary the amount of light reaching the photoelectric tube, thereby varying the flow rate of the tube .. to actuate a power steering system in a direction such as machine is brought back in its path.
In all the prior servo-compasses known to the applicant. the entire compass was suspended from the Cardan shaft so that the roll of the machine does not modify the vertical angle between the compass rose and the light beam or brush. it being recognized that such modifications introduced errors.
It was obvious that simplification and cost reduction could be obtained by eliminating the gimbal suspension, but it was impossible to achieve this with known optical systems.
The present invention enables the elimination of the gimbal suspension by introducing a new optical system with virtually no errors in response to changes in the vertical angle between the optical system and the compass rose. As a result, only the compass rose should be supported so as to maintain a horizontal position. the rest of the compass being rigidly fixed to the machine.
The new optical system differs from the old optical system by the use of a plurality of light brushes and a plurality of co-operating edges in the rose, the brushes and the edges being distributed in such a manner around the compass axis that the 'tilting the compass from a normal position in a direction such that it increases the interception of a brush by the associated edge of the compass rose, decreases the interception of one or more brushes, thereby producing no serious net change in the total light reaching the photocell. The result can be achieved with two brushes spaced 90 degrees apart around the compass axis or with three or more brushes symmetrically spaced around the axis.
The invention can be clearly understood with the aid of the description which will follow in relation to the drawings in which:
Figo 1 is a vertical sectional view in a servo-compass according to the invention. the parts in normal position
Figo la is a view similar to Figo 1. but showing the relative positions of the parts when the frame of the apparatus is tilted out of the normal vertical position;
Figo 2 is a horizontal cross section through the plane II-II of fig. 1;
Fig 3 is a cross section along the plane III-III of
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fig. 1. showing the normal relationship between the compass rose and the light brushes;
Fig. 4 is a cross section taken on the plane IV-IV of FIG. 1a showing the relationship of the compass rose and light brushes when the compass axis is tilted out of the normal vertical position;
Fig. 5 is a plan view of an alternative compass rest;
Fig. 6 is a view similar to FIG. 1. showing a variant of the structure shown in this figure;
Fig. 7 is a cross section along the plane VII-VII of FIG. 6; and.
Figo 8 is a view similar to Figs. 1 and 6 showing yet another variant.
Referring first to figure 1a, the servo-compass illustrated therein comprises a frame 10 having a normally vertical axis and consisting of upper and lower cabin sections 11 and 12 respectively. joined together by bolts 13. which bolts also serve to secure a compass cup 14, in a fixed position relative to the frame. Thus the compass cup 14 is formed of two halves.
14a and 14b. each of them substantially semi-spherical and having an equatorial flange extending outwards. which flanges 15 are pressed together between corresponding flanges 16 at the contiguous ends of the passenger compartment sections 11 and 12, respectively.
The compass cup 14 contains a compass rose 17 which is pivotally supported at its center in the usual manner. by an erect pivot point or needle, 18. which extends from a base 19 attached to the lower half of the bowl 14. The rose 17 may be formed of any permanent magnetic material, magnetized so as to s 'orient itself in the earth's magnetic field.
The bowl 14 is substantially filled with a liquid 20 (in accordance with the usual practice) to damp the movements of the compass rose 17 in response to the roll of the machine on which the compass is mounted.
The frame 10 must be rigidly secured by its base to the machine on which it is used. so as to move in all directions with it.
As shown in fig. 3. the compass rose 17 has four blades 17a having active radial edges 22.22.24 and 25, each of them occupying the forward marginal portion in the clockwise direction of its associated blade 17a. The width of the slats is not a critical factor. but they are shown with an arc amplitude of 45 in order to provide blade arcs corresponding to the arcs between the blades. The edges 22.23.24 and 25 are normally placed in a position of partial interception with respect to four identical light brushes 26, projected vertically beyond the rose from a beam projector device carried by the frame.
With reference to FIG. 1, the beam projector device comprises a light source 30. which is shown constituted by a lamp mounted in the upper end of the passenger compartment 10. an annular reflector 31. and a light "blocking" means 48 placed below. . Thus, a portion of the light emitted by the lamp 30 is reflected by the conical mirror 31 in the form of a vertical hollow beam 32 ° This beam 32 is intercepted by the blocking means 48 formed by a pair of plates 33 and 34 fixed together to a hub 35. which is supported on a vertical axis 36 extending from the upper end of the compass cup 14.
These plates 33 and 34 are formed of an opaque material, but comprise
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four windows 37 superimposed on each other and spaced at 90 about the axis of the frame 10. so that the trays block all the light directed downward in their direction except at the openings of the windows 37. which allow the passage of the brushes 26 which has been discussed in relation to FIG. 3.
The lower plate 34 is shown provided with toothing along its edge meshing with a worm 40 (figo 2). which can be rotated by means of a flexible shaft 41 from a remote control point to adjust the orientation of the brushes 26 around the axis of the frame
The four brushes 26 penetrate the upper half of the bowl 14. pass the rose 17. and pass through the lower half of the bowl 14 without changing their direction. Below the cuvette 14 they strike light collecting means represented by a lens
44 which refract them on a photoelectric cell 45 arranged in the lower part of the frame 10.
The photoelectric cell 45 comprises electrical conductors 46 which can be extended to an automatic steering device responding to variations in the current supplied to it.
The upper and lower halves 14a and 14b of the compass cup 14 are each set with a planar annular face 50 located in the path of the, and perpendicular to the light brushes 26. regardless of the orientation of the brushes. As a result, no refraction of the brushes. light brushes only occurs at the entry and exit points of the cuvette 14.
Similarly, no refraction results from the passage of the light brushes between the internal surface of the cuvette 14 and the liquid 20 which occupies it despite the high value angle between the light brushes and the internal surface of the cuvette. because the liquid 20 and the cuvette material are chosen so as to have substantially the same refractive index.
So. the civet material may be cellulose acetate and the liquid may be petroleum (kerosene) both having a refractive index of about 1.5.
It emerges from the above description that any deviation from its route. of the machine to which the frame is attached moves the remainder of the compass assembly relative to the compass rose 17. that is to say either by increasing or decreasing in the same direction the extent to which all edges active 22. 23. 24 and 25 intercept the four light brushes 26o This changes the total amount of light falling on the photocell 45 and determines a change in the electric current flowing in the conductors 46 at the steering mechanism.
As is well known, the steering mechanism is established so as to modify the course of the machine in a direction such that it returns it to its first position, thanks to which the intensity of the light falling on the cell 45 is brought back to normal
We will now examine what occurs when the axis of the frame 10 is moved in various directions from the vertical.
It emerges from the examination of FIG. 3. that if the vertical axis tilts around the X-X axis. either around the Y-Y axis. the extent to which the brushes 26 are intercepted will not be changed.
With reference to FIG. 4. it will be assumed that the frame 10 tilts around the axis ZZ intermediate between the axes X and Yo Figo 4 shows the compass wheel and the brushes as one could observe them by looking along the axis of the frame 10 la rose now being seen in perspective instead of being observed in plan, and being shortened in the direction perpendicular to the ZZ axis, This moves the pair of brushes 26 associated with the edges 22 and 23 away from these edges,
but also moves the brushes associated with edges 24 and 25 further into these edges. The increased amount of light passing through edges 22 and 23 at the
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photocell is virtually neutralized by reducing the amount of light passing at edges 24 and 25, so that a roll condition as shown in figo 4 does not determine erroneous operation of the steering apparatus.
However, it emerges from the examination of FIG. 4 that in previous systems using only one beam, the amount of light reaching the photocell would have been significantly changed in response to the compass roll around the Z-Z axis, ie by increment. or by reducing the amount of light. It also results from the examination of FIG. 4 that only two of the light brushes should be used to produce the compensatory effect, but that they should be separated by 90. Thus, the two brushes associated with any two adjacent edges 23 and 24, or 24 and 22, 22 and 25, or 25 and 23, produce mutually neutralizing effects in response to the roll.
It is ordinarily desirable to use so many brushes and four edges as shown in figs 3 and 4, instead of employing only two brushes and two edges, for two reasons: One reason is that the total variation in light hitting cell 45 is increased, and therefore overall sensitivity is increased. The other reason is that in the event of violent agitation, the entire compass rose 17 could be off-center with respect to the pivot 18 which is located in the axis of the frame.
Such a displacement would produce a noticeable error if only two adjacent edges, such as edges 23 and 24, were used, but when all four edges 22, 23, 24 and 25 are employed, the overall movement of the rose in one. Any direction tends to increase two brushes to the same extent that the other two are reduced.
When the spacing between the edges of the light-catching rose is 90. either two edges and two brushes, or four edges and four brushes can be used. However, the invention is not limited to a 900 edge spacing. Any number of edges greater than 2 can be used .. in which case they will all be equally spaced around the center of the rose. Thus, as shown in fig. 5. A three brush system can be employed, using three edges 60 which intercept three brushes 61.
It has been found that with this arrangement, a deviation of the axis of the frame from the vertical in any direction tends to increase or decrease the interception of one or two brushes, but with a reduction or decrease. corresponding increase in the interception of the others or the other brush, so that the total amount of light reaching the photocell remains virtually unchanged.
The optimum number of brushes and edges to use depends on various circumstances. When the compass is to be used on a small machine, which may be subject to rapid changes in its course, a small number of brushes is desirable since in this case the blades of the wheel may have a notable amplitude of arc, and the spaces between the blades can also be of notable arc amplitude, so that a very large angular movement of the compass will be required to move the brushes 26 across the blades and bring them into working relationship with the other edges of the blade. these. Of course if this happened. the compass would work backwards and be ineffective in providing any useful result.
On the other hand, for relatively large and stable boats or vessels, where rapid changes of course are practically impossible, a large number of brushes closer together can be used to provide increased sensitivity,
It is desirable that there is no free air in the compass cup 14. char. in the event of violent agitation, this air could mix with the liquid and interfere with the optical properties of the latter.
It is therefore desirable to provide in the cup 14 of the compass, at any convenient point or location, a small mass 47 of compressed material.
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elastic sible (such as for example rubber or cellular neoprene) which is impermeable to the liquid used This allows the expansion and differential contraction between the liquid and the bowl 14 by compression or expansion of the elastic compressible mass.
Various modifications of the particular structure shown in Fig. 1 could be made ... still obtaining the desired immunity from errors.
Thus it will be apparent from the foregoing description that error immunity results from the use of a plurality of control edges on the compass rose and various changes can be made in the particular optical system shown in FIG. 1 while still using this peculiarity
Thus, as shown in Fig. 6, the light blocking means 48 can be arranged below the compass cup 14 instead of being placed above it. With such an arrangement it is possible to provide a screen
63 interposed between the reflector 31 and the compass cup 7.la, 9 to block any light emanating from the lamp 30 and the reflector 31 and projected downwards. except the hollow cylindrical bundle 32.
As shown in fig 7.the screen
63 may consist of a body of transparent material, such as glass or plastic, which has covers 63a and 63b of opaque paint or the like, defining a free annular expanse 64 in the path of the desired beam 32.
This beam 32 is directly projected onto the compass rose
17. and passes beyond it on the light blocking means 48. where all the portions of the beam having passed the rose 17 are blocked except those reaching the openings 37 (figo 2) o It is apparent that in operation normal ,,, the working edges of the compass rose 17 occupy the same positions relative to the openings 37 as they occupied in the structure of fig 1. this relation being shown by figso 3 and 4. The resulting brushes passing through the openings 37 are reflected by an annular mirror 67 on the photoelectric cell 45. the mirror 67 fulfilling the same function as the lens 44 of FIG. 1.
It will be observed that in Figo 6 the bowl 14 is cylindrical in shape instead of being spherical as in Fig 1. A spherical bowl is the most perfect shape because it generates less turbulence in the liquid therein. However, it has been found in practice that non-spherical cups do not have, in current use, objectionable turbulence characteristics and are, from various points of view, more easily achievable.
Thus .. when a cylindrical bowl is used as shown in fig. 6. light enters and leaves the cuvette .. in a manner substantially perpendicular to the end faces thereof so that no unacceptable reflection or refraction results.
Yet another modification of the structure of figo 1 is shown in figo 8. In this variant, a cylindrical bowl 7.la.9 the same as that shown in figo 6. is used, but the light blocking means 48 are placed above the bowl as in fig. 1.
This arrangement differs from both figo 1 and figo 6 by the use of a different beam generating system which directs the brushes beyond the compass rose 17 in a converging manner., Directly on the photocell 45. So that no lens or mirror should be provided below the compass cup.
The arrangement of FIG. 8 differs essentially from both that of fig 1 and that of fig 6 in that it uses a separate optical system to form each brush instead of using the single conical mirror 31. Thus, for each brush , there is provided in the horizontal plane of the lamp 30 a separate plane mirror 70 which is inclined so as to direct the light of the lamp 30 which is intercepted therefrom through the opening.
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verture 37. beyond the compass rose 17. and directly on the photocell 45 To increase the amount of light that is concentrated on the active edges of the compass rose 17. a pair of condensation lenses can be used 71 and 72.
The lens 71 may be a spherical lens of curvature such as to tend to concentrate the light from the lamp 30 which strikes it into a parallel beam. On the other hand. lens 72 is preferably a cylindrical lens concentrating light into a relatively narrow and long beam at the location of the plane of the compass rose 17. This increases sensitivity without reducing the total amount of light that is controlled.
Each of the assemblies constituted by the lens 71. the mirror 70 and the lens 72 can be supported with the aid of a bracket 74 by the light blocking device 48 so that during a circular adjustment of the device. light blocking 48 it moves with it the lenses and mirrors that form the light brushes.
As the brushes entering and exiting the compass cup 14 are tilted at a certain angle on the upper and lower faces of the cup, some refraction occurs as shown in figo 8. but this refraction is constant, and it may easily be taken into account in establishing the device. so that it does not give rise to objectiono
Although for the explanation of the invention certain particular embodiments thereof have been represented and described. obvious modifications will be apparent to those skilled in the art and the invention is therefore not limited to the exact details shown and described.
CLAIMS.
1. A compass, in particular a servo-compass. of the type comprising an optico-electric device in which the light projected by a source mounted on the frame of the compass. on a photoelectric element also mounted on said frame. is variably intercepted by a radial edge of the compass rose. so that the illumination and therefore the electrical flow of the photoelectric element is a function of the angle between said radial edge of the compass rose and a fixed direction (normally horizontal) of the frame. characterized in that. to eliminate the error due to the misalignment of the axis of the compass frame and the axis of the compass rose.
light projected onto the photoelectric element is limited to a plurality of separate brushes, angularly spaced around the axis of the frame, the compass rose being provided with radial light intercepting edges (22.23. 24.25), equal in number and the like as regards the arrangement with said brushes, oriented so that each edge intercepts. normally partially, one of said brushes, so that in the event of misalignment between said axes. due in particular to the movement of the machine on which the compass is installed, the total resulting variation in the quantity of light intercepted in all the brushes by the associated radial edges of the compass rose, is automatically zero.