NO772569L - Anordning ved gyroskop. - Google Patents

Description

Anordning ved gyrosknpinstrument.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning ved

gyroskopinstrurnenter.

I henhold til . oppfinnelsen omfatter et gyroskop-instrument en stabilisert gyro cg én styregyro montert på en felles drivaksel. Rotoren for stabiliseringsgyroen er stivt montert på akselen og rotoren for styregyroen er montert på akselen ved hjelp av midler som tillater gyroens polarakse og beveger seg i en liten vinkel fra kolinearitet med drivakselen. Vinkelmomentet for styregyroen er fortrinnsvis lite sammenliknet med vinkelmomentet for'stabiliseringsgyroen. Instrumentet i henhold til oppfinnelsen er forsynt med uttak som måler enhver vinkelmessig mistilpasning mellom polaraksen for stabiliseringsgyroen og; aksen for styregyroen, og det er forsynt med dreiemomentanordninger som frembringer en momentreaksjon mellom de to gyroer.

Gyroene og akselen sammen med en drivmotor er anbrakt i et hus som ér dreibart lagret om en akse parallelt med spinnaksen, og er slik balansert at de ortogonale akser for uttakene og dreiemomentanordningene normalt er parallelle og

i rett vinkel på den lokale loddlinje. Instrumentet er montert på de' ytre slingrebøyler som.har frihet til vinkelbevegelse om en normalt horisontal akse i rett vinkel på spinnaksen og frihet til vinkelbevegelse om en'asimutakse som under bruk er anordnet slik at den står i rett vinkel på en normalt horisontal flate på bæreren av instrumenter..

Den vinkelmessige mistilpasning mellom styregyroen og stabiliseringsgyroen målt av uttakene, avgir signaler som benyttes til å påvirke de dreiemomentanordninger som virker på stabiliseringsgyroen for å bringe spinnaksen for denne til alltid å være rettet inn med spinnaksen for styregyroen og da med . en høy gra.d av nøyaktighet.

For at instrumentet skal kunne arbeide som et gyrokompass er slingrebøylene for'stabiliseringsgyroen utført pendlende for på denne måte å frembringe den tyngdekraftreferan-se som er nødvendig for anvendelse som .gyrokompass. Signalet' fra asirnututtaket for styregyroen blir da et mål på tippingen av spinnaksen for stabiliseringsgyroen, og dette signal kan etter . eventuelt ønsket behandling,benyttes til å betjene dreiemomentanordningene som virker mellom stabiliseringsgyroen og styregyroen.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1, skjematisk og i perspektiv, viser hoved-komponentene for gyrokompasset,

fig. 2 viser, i perspektiv, gyrokompasset med det hus som omgir de følsomme deler fjernet og

fig. 3 viser et koplingsskjerna for gyrokompassets

styresystem.

Gyroelementet for det gyrokompass som er vist på fig. 1 og 2 omfatter en stabiliseringsgyro 1 og en styregyro 2 montert på en felles drivaksel 3- Gyroen 1 er et forholdsvis tungt hjul som er fast montert på akselen:3- Gyroen 2 har en lav treghet og er montert på akselen 3 'Sout en f rirotorgyro. Stabiliseringsgyroen 1 kan med fordel' ha et vinkelmoment som er stort sammenliknet med momentet for styregyroen 2, f. eks . omtrent ti ganger større. Frirotorgyroen 2 krever en drivanordning som er vist på fig. 2, innbefattende en mellomliggende slingrebøyle '4 ved .hjelp av hvilken rotoren er slik' forbundet med akselen 3 at den holder en spinnende td.lsta.nd med samme hastighet som akselen, mens dens polarakse fritt kan bevege-seg fra kolinearitet med akselen. En slik type anordning'er kjent som "dynamisk avstemt frirotorgyro", og denne utførelse kan benyttes i det viste gyrokompass, men også andre utførelser er anvendelige. Konstruksjons-detaljene ved opphengning-av dynamisk avstemte frirotorgyroer er blitt vel kjent i de.senere år og utgjør ingen del av foreliggende oppfinnelse.

Drivanordningen for drift av akselen 3 er en motor

5 (fig- 2) som fortrinnsvis er en induksjonsmotor eller en synkronmotor. Hvis styregyroen er av den dynamisk avstemte frirotortype er det hensiktsmessig å benytte en synkronmotor for å sikre overensstemmelse med den resonanstilstand som man, må ha for å få den beste nøyaktighet fra styregyroen 2.'

Drivmotoren, akselen og de to gyroer er bygget inn i et hus 6 som kan være sylindrisk slik det fremgår av fig. 2. Huset 6 er dreibart opphengt i en slingrebøyleramme 7 som kan tippe om en akse 8. Denne akse er kolineær med spinnaksen for stabiliseringsgyroen 1. Denne oppnengsningsakse er betegnet som "fri svingeakse", og huset 6' er utført svakt pendlende slik at asimutaksen 9 og tippeaksen 10 som gjelder styregyroen, holder seg stort sett henholdsvis vertikal og horisontal. For å sørge for passende dempning av denne del av systemet kan det anvendes treghetsdempning (ikke vist).

Slingrebøyleramrnen 7 for tipping bæres i en asimut-slingreramme '11 for'rotor cm aksen 10 som er i rett vinkel på aksen 8,.og rammen 11 er, ved hjelp -av en asimutdrivplate 12, opphengt i skipet eller en annen bærer for rotasjon om en akse med rett vinkel på en normalt horisontal plate på bæreren eller om man vil, i "dekksplanet". Akselen vil således være stort sett vertikal og utgjør hovedaksen. 9 for .asimut. Den annen slingrebøyleakse eller tippeaksen 10 er normalt.horisontal i øst-vestplanet, mens aksen 8 også er normalt horisontal og ligger i nord-sydplanet. Hovedslingrebøylen er utført pendlende som antydet ved 1^1 (fig. 1)', og- får' derved den tyngdekraft-referanse som er nødvendig for anvendelse av anordningene, som e.t gyrokompass. Slingrebøyleoppbyggingen for det viste gyrokompass er derved identisk med den man finner ved et klassisk gyrokompass.

Styresystemet for gyrokompasset benytter styregyroen 2, som i seg selv er meget nøyaktig, til styring, over-våkning og forbedring av. driften av stabiliseringsgyroen.

For å oppnå dette anvendes de styreelementer som.

er vist på fig. 1 og som er koplet sammen som vist på fig. 3-

Styreelementene omfatter først dreiemomentanordninger (eller dreiernotorer) for betjening av stabiliseringsgyroen 1. Disse omfatter en asimutdreieanordniii;;; 15 og en tippedreieanordning 16 (for øst-vestaksen).

Eor det annet omfatter styreelementene dreiemomentanordninger som driver styregyroen ,;2 . Disse er anordningen 17-

>■

for styregyroens asimut og anordningen 18 for styregyroéns tipping. Begge virker mellom deri stabiliserende gyro 1 og styregyroen 2.

Sluttelig innbefatter- styreelementene uttak for måling av den øyeblikkelige mistilpasning mellom spinnaksen for styregyroen 2 og for stabiliseringsgyroen 1. Disse uttak .er et vippeuttak 19 for styregyroen og et asimututtak 20 for den samme gyro.

Stabiliseringsgyroen 1 er slavekoplet til styregyroen 2 ved hjelp av tilpasningssignalene fra uttakene-19 og 20 etter passende forsterkning i d-e tilhørende forsterkere 21, 22, slik at signalene kan styre de respektive dreiemoméntanord--ninger 15, 16 i en slik retning at rnistilpasningssignalene bringes til null. Dreiemomentanordningene 15, 16 er fortrinnsvis .kraftige 1 ikestrømmotorer uten tannhjul med så godt- som øye-blikkelig reaksjon siden de omtrent ikke har treghet som ville skape forsinkelse i dreiemomentene på gyrokompasset, og slike motorer er derfor i denne forbindelse meget bedre enn servo-anordninger med ta.nnhjul.

Denne form for styresløyfe har to fordeler. For det første overvinnes friksjonsmomentene eller andre, feilmomenter som utøves av slingrebøylelagrene etc. på den stabiliserende gyro 1. For det annet ved å anvende tilstrekkelig.høy forsterkning (det vil si tidskonstanter så korte som noen få sekunder) får man meget god transientfølsomhet overfor forstyrrelser som skyldes bevegelse av bæreren etc... Tidskonstantene for vind og for mistilpasning er fortrinnsvis gj'ort store ved hensiktsmessig formgivning av rotoren for styregyroen 2 og dennes opphengning.

Et annet trekk ved styresystemet er,anvendelse av muligheten for pendelbevegelse l<1>! ved den ytre slingrebøyle-ramme 7- Uten -de styreslpyfer som er beskrevet ville pendlings-muligheten få stabiliseringsgyroen 1 til å virke som et klassisk gyrokompass uten dempning og med mange av de andre ulemper ved et klassisk gyrokompass, blant annet rullefeil som oppstår når et gyrokompass blir utsatt for en svingekomponent• med N-V - akselerasjon i et fast faseforhold med en komponent med 0-V-akselerasjon, f.eks. på grunn av rullingen av skip når dette seiler med en kurs som ligger mellom hovedretningene. Med styring fra gyroen 2 oppstår det imidlertid en helt annen situa-sjon. Så snart hovedspinnaksen blir forskjøvet eller tipper, vil et dreiemoment virke om Ø-V-aksen og på stabiliseringsgyroen ■ 1 . Denne gyro vil så begynne å presere i forhold til

■styregyroen 2 og mistilpasningssignalet for asimut vil mellom dem frembringe et motsatt virkende dreiemoment ved hjelp av

den ytre dreiemomentanordning 16. I den stabile tilstand vil således størrelsen av denne dreiernomentstrøm være et mål på gyroens tippevinkel. Med denne anordning har man således fått en ideell pendel med tilbakekopling av dreiemoment, og man får et signal som er lik det som gis av en overføringspendel slik tilfellet er i gyrokompass som anvender overføringspendler eller liknende anordninger.

Det system som her er beskrevet resulterer i en "frigyro" som vil arbeide•som en retningsgyro under forutset-ning av at visse midler til styring av forskyvningen i tippingen var tilgjengelig. Dette kan gjøres ved å mate en del av mistilpasningssignalet for asimut fra uttaket 20 (et signal som

.allerede har ført til hovedrireiernomentanordningen 1.6) inn i den vertikale dreiemomentanordning 17 som virker på styregyroen 2. Dette danner en "antitippe"-sløyfe slik man vanligvis finner

det i .retningsgyroer for fly.

For at anordningen skal virke som et gyrokompass benyttes mistilpasningssignalet for asimut, fra uttaket 20 til

å påvirke styregyroens dreiemomentanordning 18 som virker som sin tippeakse 10 for å. få styrgyroen til å presere i asimut og også til å påvirke styregyroens dreiemomentanordning 17 som virker om dens asirnutakse for å cringe styregyroen 2 til å presere ved vipping.På denne måte får man både gyrokompass-styring Og kontroll med gyrekompassretningen. Forsterkere 23,

2k finnes i forbindelse med creieanordningene 17, 18.

Det skal påpekes at rotoren som egentlig arbeider som et gyrokompass er styregyroens rotor 2 som kan være en nøyaktig dynamisk avstemt frirotor. Den annen gyro 1 virker bare som et stabiliseringselement på grunn av sitt -høyre gyroskop-iske treghetsmornent .

Et viktig ytterligere trekk er at signalene som tilføres dreiemornentanordningene 17;og 18 fra uttaket 20 kan behandles eller formes for å gi en 'bedre virkning. Som vist på fig. 3 blir således det uttatte signal ført gjennom en fase-forsinkende krets 25 som skaper t-n .forsinket tidskonstant . Det viktigste resultat av dette er reduksjonen til en akseptabel verdi av rullefe.il som skyldes bevegelse i retninger som ligger mellom hovedretningene. Kretser som frembringer disse over-føringsfunksjoner er kjent og blir derfor ikke beskrevet.

Det kan også. benyttes midler som modifiserer- verdien av skalafaktoren for tippemomentstrømmen, som mates, til styregyroen 2 for å få til hurtig stabilisering. Dette er en nyttig driftsmåte når et gyrokompass først er startet opp.

Det er dessuten mulig; å anvende elektroniske begrensere (vanligvis i form av dioder eller transistorer som arbeider som begrensere) for begrensning av tippemomentstrømmen til en vilkårlig verdi. Dette kan noen ganger være nyttig når det gjelder å redusere størrelsen av feil som kan oppstå når bæreren som bærer gyrokompasset underkastes store M-S-akselerasjoner på grunn av svinger eller andre manøvre.

Forskjellige andre korreksjonselementer kan også anvendes ved å mate ytterligere signaler fra analoggeneratorer til dreiemornentanordningene 17, 18 som virker på styregyroen 2. .Den viktigste av disse korreksjoner gjelder jordens rotasjons-hastighet, virkningen av hastighet nordover og virkningen av faste avdrifter. På samme måte kan loffesignaler innføres før gyroen settes i "hurtig stabil" fase under oppstartningsprose-dyren.

En analyse av egenskapene ved det gjengitte gyrokompass vil vise at frisvingeaksen benyttes til å opprettholde den gj ennornsnitlige orientering av styregyroens dreiemoment-akser i deres riktige stillinger, det vil si vertikal og hori-sontalt. Dette er særlig viktig når kompasset anvendes ombord på et fartøy som har en krengning.til babord eller styrbord. Frisvingeanordningen blir upåvirket av skipets rulling eller stamping, men blir påvirker, av de horisontale svingende aksel erasjoner som skyldes denne, bevegelse. Det er derfor fordel-aktig å anbringe gyrokompasset så nær som mulig i samme høyde som fartøyets rullesentrum.

Utgangsinformasjonen for: gyrokompasset vil være kursen for det fartøy som kompasset'er montert i. Denne informa-sjon kan vises ved hjelp av en kompassrose for direkte avles-ning (mellom asimutslingrebøylen og bunnen av kompasset) og/eller også overføres til en fjernavlesningsanordning ved hjelp av en eller annen form for overføring av vinkler, f.eks. en synkro-motor eller en trinnrnotor.

Det skal også påpekes at mange modifikasjoner kan gjøres ved det her beskrevne gyrokompass uten at man dermed går utenom oppfinnelsens ramme.

Claims (18)

1. Gyroskopiskinstrument, karakterisert v e d at det omfatter en stabiliserende gyro og en styregyro montert på en felles drivaksel, der rotoren for den stabiliserende gyro er stivt anbrakt på akselen.og rotoren for den styrende gyro er montert på akselen ved hjelp av midler som muliggjør bevegelse av gyroens polarakse over en liten vinkel fra kolineæritet med. drivakselen.

2. Gyroskopisk instrument som angitt i krav 1, karakterisert ved at vinkelmomentet for styregyroen er lite sammenliknet med vinkelmomentet for- den stabiliserende gyro.

3- Gyroskopisk instrument som angitt i krav 1 eller.2, karakterisert ved at rotoren for styregyroen er opphengt som en-dynamisk avstemt frirotorgyro. '-I.

Gyroskopisk instrument som angitt i krav 3, karakterisert ved at en synkronmotor er anordnet for å drive drivakselen.

5- Gyroskopisk instrument som angitt i krav 1, 2, 3 eller k, karakterisert ved at den har uttak for måling av vinkelmist-ilpasning mellom polaraksen for den stabiliserende gyro og aksen for styregyroen, og dreiemomentanordninger som er innrettet til å frembringe en momentreaksjon mellom de to gyroer.

6. \ Gyroskopick instrumen- som angitt i krav 5, kar-akta ir i s e r t ved at uttakene omfatter to uttak som arbeider på akser som står i rett vinkel .på hverandre og på den felles spinnakse for den stabiliserende gyro og styregyroen, og at dreiemornentanordningene omfatter to dreieanordninger som virker på de rettvinklede akser.

7- Gyroskopisk instrument som angitt' i krav 6, karakterisert ved at riet er opphengt i en ramme som er dreibart lagret om en akse parallelt med spinnaksen,og slik balansert at de ortogonale akser for uttakene og dreiemornentanordningene henholdsvis er en asimutakse som normalt er paral-lell med den lokale loddlinje og en vippeakse som normalt■er i rett -vinkel på den lokale loddlinje.

8. Gyroskopisk instrument som angitt-i krav 7, karakterisert ved at rammen er montert på et par ytre slingrebøyler som gir vinkelmessig frihet til tipping om en normalt horisontal akse i rett vinkel på spinnaksen, og vinkelmessig frihet orn en asimutakse som under bruk strekker seg i rett vinkel på en normalt horisontal flate på en bærer som instrumentet'er montert i.

9- Gyroskopisk instrument, som angitt- i krav 8, karakterisert ved at det er utstyrt med dreiemoment-motorer som er innrettet t.il å drive om henholdsvis den ytre tippeakse og den ytre asimutakse.

10. Gyroskopisk instrument som angitt i krav 9, karakterisert ved . at clreiemomentmotorene er direkte-virkende likestrømsdreiemomentiriotorer.

11. Gyroskopisk instrument som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert ved at det har midler som er følsomme overfor et mistilpasningssignal fra uttaksanordningene for påvirkning av dreiemomentmotorene på en slik måte at spinn-, aksen for stabiliseringsgyroen alltid bringes stort sett i flukt med spinnaksen for styregyroen.

12. Gyroskopisk instrument som angitt i krav 9, 10 eller 11, karakterisert •v e d at den ytre tippe-slingrebøyle er pendlende og at mistilpasningssignalet fra asimututtaket er et mål på gyroens tippevinkel.

13- Gyroskopisk instrument som angitt i krav 12, karakterisert ved midler som er følsomme overfor et mistilpasningss"' gnal ^ra a simututtaket til påvirkning av styregyroens vippemomentanordning, for å få styregyroen til å oppføre seg som. et udempet gyrokompass.

14. Gyroskopisk instrument som angitt i krav 12 eller 13, k a r a k t e r' i s e r t ved anordninger som er følsomme overfor et mistilpasningssignal fra asimututtaket til påvirkning av styregyroens asimutmomentanordning til dannelse av en . "anti-vippe"-sløyfe.

15- Gyroskopisk instrument som angitt i krav 12, 13 eller 14, karakterisert ved midler som er følsomme overfor 'mistilpasningssignalet fra asimututtaket for påvirkning av dreiemornentanordningene for styregyroens vipping og asimut, idet gyroen derved vil virke som gyrokompass og får gyrokompassdemping.

16. Gyrskopisk instrument som angitt i krav 12, 13,

1*4 eiler 15, karakterisert ved en fasefor-sinkende krets for behandling av asimut mistilpasningssignalet.

17. Gyroskopisk instrument som angitt i et hvilket som helst av kravene 12-16, karakterisert ved at det har en formekrets for behandling av asimut mistilpasningssignalet for å begrense nivået for signalet til en på forhånd bestemt verdi.

18. Gyroskopisk instrument som angitt i et hvilket som helst av kravene 12-16, karakterisert ved at det har midler som avgir signalet for korreksjon av minst en av komponentene, jordens hastighet, nordlig hastighet, nordlig akselerasjon og avdriftsfeil i styregyroen for nøyaktig gyrokompassangivelse.