JPS6042403B2 - 真方位角検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はジャイロスコープを用いた真方位角検出装置
に関する。

ジャイロスコープを用いて運動体の真方位角または磁
気方位角を検出する装置として、航空機等で用いられて
いる（イ）方位ジャイロ、（口）ジャイロ磁気コンパス
装置、および慣性航法装置、船舶等で用いられているジ
ャイロスコープ等が知られている。

方位シャー川よ、ジャイロ慣性を利用して方位の変化
を検出する装置で、比較的安価て取扱は容易であるが時
間的なドリフトがあるという短所がある。

ジャイロ磁気コンパス装置は、フラックスバルブとジ
ャイロの組合せによる磁気方位を検出する装置であり、
時間的ドリフトがないという長所があるが、磁性体等に
より撹乱される。

つまり、磁気雑音に弱いという問題がある。

ジャイロコンパスは高慣性モーメントの方位ジャイロ
を用いて地球の自転を検出し真方位を検出する装置であ
るが、比較的装置が大型て初期設定に時間を要するとい
う短所がある。 本発明による真方位角検出装置は、時
間的トリフトがなく、磁気攪乱を受けず、小型で短時間
の初期設定が可能な装置である。

一般に角速度ジャイロの入力軸を水平に保持すれば、地
球自転角速度の水平成分が検出できる。

地球自転角速度の水平成分の大きさは、角速度ジャイロ
の入力軸の向き（真方位角）の余弦関数に比例する（第
２図参照）から、角速度ジャイロの出力によつてその入
力軸の向き（真方位角）を知ることができる。上述のよ
うな機構に取り付けられた角速度ジャイロにおいては、
微少角速度（イ）．００１ャ／Ｓｅｃ前後）である地球
自転角速度の水平成分を検出するように感度が設定され
ているため、その装置を装備している船体とか、ジャイ
ロの外筐（以下単に運動体という）動揺等による外乱の
影響を受けやすく、角速度ジャイロの出力は短時間には
不安定である。

しかし長時間には方位ジャイロなドリフトはなく検出す
る真方位角は安定している。第１図に前述した方位ジャ
イロと角速度ジャイロの方位変化の特性を比較して示し
てある。図においてａは方位ジャイロ、ｂは角速度ジャ
イロによいて示してある。本発明の主たる目的は角速度
検出用のジャイロと方位ジャイロの長所を有効に組合せ
て、ドリフトがなくかつ動揺等の外乱に強い真方位角検
出装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は初期設定を迅速に行うことが
できる真方位角検出装置を提供することにある。

前記主たる目的を達成するために本発明による真方位角
検出装置は、地球自転の角速度を検出することにより、
真方位角の余弦関数に比例した信号を出力する角速度検
出用のジャイロと、前記ジャイロの入力軸を水平に安定
化するための水平安定機構と、前記ジャイロの方位を設
定するための方位設定機構と前記ジャイロの出力を水平
軸に取り付けられているトルク発生器で受けて追従させ
られ、その追従によつて生じる方位変化を垂直軸に取り
付けられている方位発信器により出力する方位ジャイロ
と、前記方位ジャイロの出力を前記方位設定機構に伝達
し前記角速度検出用ジャイロの出力が零になるように制
御する伝達機構と、前記方位設定機構の設定位置におい
て真方位を出力する出力装置とから構成してある。

前記他の目的は、当初方位ジャイロを系から除いて、角
速度検出用のジャイロ出力で初期方位設定機構を駆動す
ることにより達成される。

以下図面等を参照して本発明による装置をさらに詳しく
説明する。

第３図は本発明による装置の実施例を示す説明的斜視図
である。

まず本発明による装置の主たる構成要素について説明す
る。

なお第３図中斜線を付した部分は運動体の一部を構成し
ている。方位ジャイロ３は、運動体の方位変化を検出し
て出力する。

通常、方位ジャイロは高速回転する高慣性モーメントの
ロータを有し、そのジャイロ慣性を利用して方位変化を
検出するため、その信号は短時間には非常に安定してい
る。ところが、ジャイロ内のジンバル・ベアリング等の
摩擦、マスアンバランス等によつて、長時間にドリフト
を発生し第１図に示すように方位変化を生じる。なお、
図において１３は方位ジャイロ３の水平軸に設けられた
トルク発生器、１４は方位軸に設けられた方位発信器で
ある。１５は水平検出器、１６は増幅器、１７は水平ト
ルカである。

また、この実施例では角速度検出用のジャイロとして、
角速度ジャイロ５を用いている。

一般に、角速度ジャイロ５は運動体の角速度を検出して
出力するが、角速度ジャイロ５の入力軸を水平に保持す
れは、地球自転角速度の水平成分が検出てきる。

地球自転角速度の水平成分の大きさは、角速度ジャイロ
５の入力軸の向き（真方位角）の余弦関数に比例する（
第２図参照）から角速度ジャイロの出力によつてそ入力
軸の向き（真方位角）を知ることができる。上述のよう
な機構に取り付けられた角速度ジャイロにおいては、微
少角速度（イ）．００１ャ／Ｓｅｃ前後）である地球自
転角速度の水平成分を検出するように感度が設定されて
いるため、運動体の動揺等による外乱の影響を受け易く
、角速度ジャイロの出力は短時間には不安定である（第
１図参照）。

しかし、このジャイロは長時間的にはきわ”めて安定し
ており、方位ジャイロのようなドリフトはない。水平安
定機構は、角速度ジャイロ５が地球自転角速度のき内、
水平成分のみを検出てきるように、角速度ジャイロ５の
入力軸を水平に安定化する機構である。

この実施例では自在継手４により水平安定化している。
動揺等の激しい運動体に装備する場合はバーテイカル●
ジャイロを用いて運動体のロール角、ピッチ角を検出し
、それらの信号によつてサーボ機構を駆動して水平を求
めることもできる。

方位設定機構１は運動体の方位に関係なく角速度ジャイ
ロ５の入力軸を一定方位、東または西、この実施例では
東に保持するための機構であつて受信シンクロ６、増幅
器９、サーボモータ７を含んでおり、自在継手４の支軸
４ａの位置を設定する。

この方位設定機構１には２種類の信号が加えられる。す
なわち、初期設定動作においては、角速度ジャイロ５の
出力が増幅器１０、切換接続手段１８、サーボモータ１
２、差動シンクロ１１を介して受信シンクロ６に角速度
ジャイロの出力が供給され、その後の定常作動において
は運動体の方位変化を相殺するように作動させられる。

このとき方位設定機構には方位ジャイロからの出力が接
続されている。

初期方位設定機構２は、初期設定に使用するサーボ機構
で、電源印加時に任意に停止する角速度ジャイロ５の方
位をすみやかに修正するために使用する機構であつて、
前記差動シンクロ１１およびサーボモータ１２が含まれ
る。

なお、初期設定時間を定めるために前述した切換接続手
段１８はタイマ１９の規制下においてありタイマ１９に
起動信号が入力されるとタイマ１９の定める比較的短い
一定時間増幅器１０の出力．を初期方位設定機構のサー
ボモータ１２に接続し、その後自動的に方位ジャイロ３
に接続するようにしてある。

真方位角を出力する出力装置は方位設定機構１に結合さ
せられている発信シンクロ８により構成．されている。

方位発信器８は、基準軸（真方位角検出装置を運動体に
取り付けるための基準軸）を真北に向け、サーボループ
が平衡したとき、すなわち角速度ジャイロ５の入力軸が
真東を向いたとき、出力・をＯとするように設けられて
いる。基準軸を運動体の前後方向と一致させておくと運
動体が真北を向おているときに出力は０くを指すことに
なる。

次に前記構成の検出装置の動作を説明する。第４図は前
記装置の制御ループ径路を説明するためのシステムブロ
ック図である。図において、Ｇ１は方位設定機構１の伝
達関数であつてゲインは１である。

ただし、非常に短時間の過渡応答の遅れ要素を含んでい
る。Ｇ２は角速度ジャイロ辱の伝達関数であつて、Ｓｉ
ｎφ２ （φ２については後述する。

）の関数を含んでいる。ノＧ３は増幅器１０の伝達関数
であつてゲインは例えば５００以上である。

Ｇ４は方位ジャイロ３の伝達関数であつて積分要素を含
んでいる。

Ｇ５は初期方位設定機構２の伝達関数であつて積分要素
を含んでおり、ゲインはＧ４よりはるかに大きい。

初期設定時においては切換接続手段によりＧ３の出力は
径路１側に接続される。

なおこの初期設定は運動体が運動を開始する前に行うこ
とを原則とする角速度ジャイロ５（Ｇ２）は水平安定機
構４に支持されていても運動体の動揺等による影響が大
きく出力信号に雑音が重畳されやすい。定常動作におい
てこの影響が現れにくくするために方位ジャイロ３（Ｇ
４）の応答を低くおさえてあるので、初期設定時には方
位ジャイロを一時的に制御系からはずして応答を速くす
る。すなわち初期設定時には径路１を選択し、Ｇ２（角
速度ジャイロ５）の出力は増幅器Ｇ３（増幅器１０）、
切換接続手段１８（第３図参照）を介して初期方位設定
機構Ｇ５のサーボモータ１２に入力される。サーボモー
タ１２は入力のある限り回転し、差動発信器１１を駆動
するため方位設定機構６，９，７（Ｇ１）は余弦関数ジ
ャイロ５（Ｇ２）を入力軸が真東に一致するように方位
を設定する。この設定に要する時間経過後タイマ１９の
働きにより切換接続手段で径路■が選択される。

方位ジャイロＧ４はすでに動作させられており、水平軸
に設けられている水平検出器１５の出力は増幅器１６で
増幅された後、方位軸の水平トルカ１７に加えられ、水
平軸を水平に保つており、発信シンクロ１４からすでに
出力を送出している。前記切換による角速度ジャイロ５
、（Ｇ２）の出力は増幅器１０（Ｇ３）を介して方位ジ
ャイロ３（Ｇ４）の水平軸に取り付けられたトルク発生
器１３に加えられるのであるが、Ｇ３の出力はすでに零
になつているから、方位ジャイロの状態は変わらず、発
信シンクロ１４の出力は変化することなく定常状態が形
成される。今、前記状態で出力が０るであるときに運動
体が方位を３０で変えたとすると、角速度ジャイロ５の
入力軸は運動体とともに回転し真東から３０ロ変位しよ
うとするが、方位ジャイロ３の方位発信器１４は直ちに
３０、の方位変化を出力するため方位設定機構１は逆方
向に３０変回転し角速度ジャイロ５の入力軸を真東に保
つ。

方位設定機構１が３０゜回転することにより方位発信器
８は３０１の信号を出力する。次に角度を定義して前記
動作をやや厳密に説明する。

第６図は角度の関係を示したグラフである。

角度φ１は運動体の方位角である。角度φ２は運動体の
方位角φ１の真方位角検出装置の出力する方位角との間
の誤差である。

角度φ３は初期状態で径路１が選択された場合（第４図
Ｂ参照）方位角の誤差φ２が存在すると初期方位設定機
構２のサーボモータ１２が回転する。その回転によつて
発生する差動シンクロ１１の回転角である。角度φ４は
定常状態で径路■（第４図Ｃ参照）が選択されている場
合、方位角の誤差φ２が存在する方位ジャイロ３のトル
ク発生器１３に信号が加わり、方位ジャイロ３の方位が
変化して発信シンクロ１４の角度が変化する。

この発信シンクロの角度の変化をφ４とする。角度φＥ
は電源印加時、方位ジャイロ３は方位基準をもたないた
めに任意の方位を指示する。

そのときの出力角をφ５とする。φ５の値は、電源印加
毎に変化し、また方位ジャイロ３の保有するドリフトに
よつて長期的に徐々に変化するが、運動体が方位を変え
るとその方位角だけφ５も変化する。

前述したように方位角を出力する発信シンクロ３は方位
設定機構１に直結されており、角速度ジャイロ５の入力
軸が真東を向いた時その出力が０となるように設定され
ている。

會なわち角速度ジャイロ５の出力が零になるとき発信シ
ンクロ８は０ロを出力する。

今仮に方位設定機構１、角速度ジャイロ５および発信シ
ンクロ８のみを真北から方位φ１だけ回転したとすると
角速度ジャイロ５はＳｉｎφ１に比例した信号を出力す
ることになる。

この出力を零にするためには、角速度ジャイロ５をφ１
だけ反対方向に回転する必要があり、これをサーボ機構
で行うと結局発信シンクロ８は００からφ１だけ回転す
ることになる。

これが本装置の基本となる動作原理である。

次に第４図Ｂを参照して前記装置の初期動作を詳しく説
明する。運動体の方位φ１と真方位検出装置の出力する
方位角との間に誤差φ２が存在すると、角速度ジャイロ
５（Ｇ２）はＳｉｎφ２に比例した信号を出力する。

この出力信号は増幅１０（Ｇ３）で増幅された後、初期
方位設定機構２のサーボモータ１２に加わり、差動シン
クロ１１がφ３だけ回する。

このとき、方位ジャイロ３（Ｇ４）は任意の方位角φ，
を出力しているので方位角（φ５−φ３）が方位設定機
構１の受信シンクロ６に加わり、その出力φ２は方位φ
１との差信号となる。すなわち、 Ｙ乙 Ｙ１ 〜ＹＯＴ′Ｏ１
１−リであり、φ２＝０で方位設定機構
１は停止するから、となり（２）式が平行状態の条件と
なる。

この場合φ１，φ５はともに一定値であるからφ３は一
義的に決定される。

次に第４図Ｃを参照して前記装置の定常動作を詳しく説
明する。

定常動作に切り替わつたときは前記初期動作と同様にし
て次の式が成立するφ２＝０で方位設定機構１は停止す
るからが成立し、（４）式が平行状態の条件となる。

今、（４）式に（２）式を代人するとノとなり初期状態
から定常状態に切り替わつた時点では方位設定機構１に
は何等の変化も生じないことが分る。

今運動体３０機方位を変化したとすると、φ１→φ１＋
３０位に変化することになるが、φ５→φ５＋３０位に
変化するため、（４）式の平衡状態は満足されたままで
あり、サーボループには何等の変化も生じない。

本発明による真方位角検出装置は以上のように構成され
ているので、次のような効果が得られる。

定常動作時にいては、方位に誤差が発生しても径路■が
選択されているから方位の修正は緩やかてあるため、真
方位角検出装置に加わる衝撃的な外乱は吸使される。ま
た、方位ジャイロのドリフトは角速度検出用ジャイロよ
り修正されることになるのでドリフトの問題は解決でき
る。

次に初期設定時には初期方位設定機構を用いて初期設定
をするので設定時間極めて短くすることができる。

第５図は径路１の場合と径路■のとの比較を示してある
。径路１によれば極めて短い時間で初期設定ができるこ
とが理解できる。なお、初期設定は通常振動等の外乱の
ないところで行うのであるから、角速度検出用ジャイロ
の特性は問題にならない。

本発明による装置は以上のような特徴を持つているから
、船舶用、海洋開発用、掘削現場用と広い応用が期待で
きる。

以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で
種々の変形を施すことができる。

例えば、レート積分ジャイロ、チユーンドジヤイロ等も
角速度検出用ジャイロとして利用できる。

また、方位ジャイロとして、姿勢方位基準装置等も利用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は方位ジャイロの特性と角速度ジャイロのみを利
用した方位検出装置の特性を比較して示したグラフであ
る。 第２図は角速度ジャイロの出力特性を示すグラフである
。第３図は本発明による装置の実施例を示す説明的斜視
図である。第４図は実施例装置のブロック図である。第
５図は初期設定特性を説明するためのグラフである。第
６図は角速の関係を示したグラフである。１・・・・・
方位設定機構、２・・・・・・初期方位設定機構、３・
・・・・方位ジャイロ、４・・・・・・水平安定機構（
自在継手）、５・・・・・・角速度ジャイロ、６・・・
・・・受信シンクロ、７・・・・・・サーボモータ、８
・・・・・・方位発信器（発信シンクロ）、９，１０・
・・・・増幅器、１１・・・・差動シンクロ、１２・・
・・・・サーボモータ、１３・・・・トルク発生器、１
４・・・・・方位発信器（発信シンクロ）、１５・・・
・・・水平検出器、１６・・・・・増幅器、１７・・・
・・・水平トルカ、１８・・・・・・切換接続手段、１
９・・・・・・タイマ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 地球自転の角速度を検出することにより真方位角の
   余弦関数に比例した信号を出力する角速度検出用のジャ
   イロと、前記ジャイロの入力軸を水平に安定化するため
   の水平安定機構と前記ジャイロの方位を設定するための
   方位設定機構と、前記ジャイロの出力を水平軸にとり付
   けられているトルク発生器で受けて追従させられ、その
   追従によつて生じる方位変化を垂直軸に取り付けられて
   いる方位発信器により出力する方位ジャイロと、前記方
   位ジャイロの出力を前記方位設定機構に伝達し前記角速
   度検出用ジャイロの出力が零になるように制御する伝達
   機構と、前記方位設定機構の設定位置において真方位を
   出力する出力装置とから構成した真方位角検出装置。 ２ 地球自転の角速度を検出することにより真方位角の
   余弦関数に比例した信号を出力する角速度検出用のジャ
   イロと、前記ジャイロの入力軸を水平に安定化するため
   の水平安定機構と前記ジャイロの方位を設定するための
   方位設定機構と、前記ジヤイロの出力を水平軸に取り付
   けられているトルク発生器で受けて追従させられ、その
   追従によつて生じる方位変化を垂直軸に取り付けられて
   いる方位発信器により出力する方位ジャイロと、前記方
   位ジャイロの出力を前記方位設定機構に伝達し前記角速
   度検出用ジャイロの出力が零になるように制御する伝達
   機構と、前記方位設定機構の設定位置において真方位を
   出力する出力装置とから構成した真方位角方位装置にお
   いて、前記角速度検出用のジャイロの出力を前記方位ジ
   ャイロおよび前記方位設定機構に切換接続する切換接続
   手段を設け、初期設定時には前記切換接続手段を介して
   前記方位設定機構を駆動させ方位設定したのち前記方位
   ジャイロを接続するように構成した真方位角検出装置。