Jan Vander VennetHet Gyrokompas Werking gyroscoop Een gyroscoop in een snel draaiende tol met 3 graden van bewegingsvrijheid. Hij kan draaien rond de x-as (de as van de roterende tol), de y-as (de verticale beweging van de tolas) en rond de z-as (horizontale beweging tolas). Samenstelling 1. 2. 3. 4. Een rotor- draaitol Een tolas Binnencardan Een buitengardan die vast hangt aan het geraamte Besluit: Dankzij de cardanische ophanging kan de tol in alle dimensies vrij draaien en zal de tolas steeds dezelfde kant op blijven wijzen. 1ste Tolwet: De tol behoudt zijn richting in de ruimte. Als er geen momenten op de gyroscoop werken zal deze een vaste stand in de ruimte willen behouden. 2de Tolwet: Precessie Precessie is de beweging die de draaias van een roterend voorwerp maakt onder invloed van een uitwendige kracht. Zonder deze kracht wijst de as steeds zelfde richting uit. Wanneer een gyroscoop slecht op 1 punt wordt ondersteunt zal deze een precessie ondergaan door een uitwendige kracht. Deze zal een hoek van 90° maken met de kracht die er op in werkt. Hoe groter en zwaarden de tol is en hoe sneller ze draait, hoe minder invloed ze zal onder vinden. 1 Om de tolas van een gyroscoop naar het Noorden te laten wijzen is het volgende nodig: Een gyroscoop Een richtsysteem Een demingssysteem Aardrotatie Een gyroscoop waar geen momenten op werken behoudt zijn plaats in de ruimte. Tilling gaat naar boven ten Oosten van meridiaan en naar beneden ten Westen van meridiaan. Het principe van een Gyrokompas Het element dat het noord zoekt in een gyrokompas is een gyroscoop. Als men nu nog een dempingssysteem toevoegt zal deze de horizontale slingering in de richting van het Noorden tot stilstand komen. z-as van de tol. Maximus aan equator en nul aan de polen. Maximum aan de polen en nul aan de evenaar. Door de gyroscoop uit te rusten met een richtsysteem verkrijgt men een tolas die naar de horizon wijst.Jan Vander Vennet Gevolgen: Drift en tilling De rotatievector kan men ontbinden in 3 richtingen: x. Drift naar het Oosten op het Noordelijk Halfrond en naar het Westen op het Zuidelijk Halfrond. Ten opzichte van het aardoppervlak beschrijft de tolas een cirkel aan de hemelsfeer met als middelpunt de Polaris. y. 2 . 3 .Jan Vander Vennet Richtsysteem Verticaal moment op de tolas aangebracht dat afhankelijk is van de helling van de tolas. er een precessie is in Westelijke richting en een precessie in Oostelijke richting als ze onder de horizon is (=richtingsprecessie). De grootte is evenredig met de helling. Hier zien we de ellips onder invloed van de schijnbare dagelijkse beweging van de tolas (drift en tilling) en richtingsprecessie. Gevolg: We krijgen een platte ellips. Dit moment is zodaning gekozen dat als de tolas boven de horizon komt. Dit wordt gedaan door twee communicerende vaten gevuld met olie aan de Noord en Zuid kant te plaatsen. De naar de laagste kant stromende olie veroorzaakt een moment (M) dat rechtevenredig met de helling is van de tolas. Het verbindingsstuk is te smal zodat olie niet zo snel heen en weer kan lopen als het rollen van het schip.β m= richtingsconstante β= helling van de tolas Horizontale richtingsprecessie ώt=-(B/H)*β met ώt= de richtingsprecessie B= richtingsconstante H=impulsmoment van de tol Β=helling van de tolas 4 . dit wordt vooral toegepast op de Amerikaanse gyrokompassen.Jan Vander Vennet Top heavy Hierbij plaatst men een gewicht op de tol. Demping van beweging Om ongewenste effecten van de slingering te voorkomen wordt onder of boven het tolhuis een demping geplaatst. M=m. Dempingssysteem Er zijn twee manieren om de elliptische beweging van de tol uit te dempen. De precessie wordt veroorzaakt door een horizontale moment (dit wordt gecompenseerd door een gewichtje aan de westkant van de tol).Jan Vander Vennet Bottom heavy Bij duitse gyrokompassen. de horizontale richtprecessie (ώt) en verticale dempingsprecessie (ώd). Verticale precessie Boven de horizon: precessie naar beneden. De bol wordt geplaatst op een stabiel platform zodat de gyrobol niet kan gaan slingeren. Onder de horizon: precessie naar boven. 5 . Slingeren van het schip wordt gecompenseerd door het plaatsen van 2 tollen waarbij de hoek van de tolassen 45° tot 60° bedraagt. ώt=-(B/H)*β De richtingsconstant B wordt nu bepaald door het gewicht van de gyrobol en de afstand tussen tussen het gewichtszwaartepunt en het volumezwaartepunt. Ώd = -(S/H)β Met S=dempingsconstante Β=helling tolas Ώd=dempingsprecessie H=impulsmoment van de tol Als tolas tot rust komt bevindt deze zich in het Noorden. De tol wordt geplaatst in een bol met een vloeistof. Hierdoor wordt de korte as van de ellips verkleint en omdat de kleine as en grote as met elkaar in verhouding zijn zal de lange as ook korter worden. Het gewichtzwaartepunt ligt lager dan het volumezwaartepunt. Hier zien we de baan van de projectieas van de tolas aan de hemelsfeer en onder invloed van de schijnbare beweging van de tolas (tilling en drift). Kompassen van Amerikaanse oorsprong worden verticaal gedempt. In het rustpunt heffen de horizontale beweging en verticale elkaar op. Kompassen van Duitse oorsprong worden verticaal gedempt. 6 . Deze fout is door het verticale dempingssysteem en is afhangkelijk van de geografische breedte.Jan Vander Vennet Deze breedtefout of dempingsfout (αo) is de uitwijking van het rustpunt uit het Noorden. Jan Vander Vennet Horizontale dempingssysteem De horizontale precessie is tegengesteld aan de richtprecessie maar loopt achter. Het rustpunt van een horizontaal gedempte gyroscoop valt samen met de meridiaan waardoor er geen breedte of dempingsfout ontstaat. 7 . In het rustpunt is de horizontale en verticale beweging gelijk aan nul. Om horizontale demping van de precessie wordt er een verticaal moment aangebracht dit met behulp van een dempingsring. Volgsysteem Dit systeem bestaat uit een transformator. Veranderingen van het kompas worden overgebracht naar repeaters en andere systemen. 2. 6. In nieuwere versies wordt gewerkt met digitale gyrokompassen. 4. 3. 8 . Correctorsysteem Hangt af van het type dempingssysteem en type kompas. Afleessysteem De kompasroos wordt door volgsysteem nagedraaid op gevoelig element. Overbrengingssysteem Moederkompas drijft één of meerdere dochters aan. Voedingssysteem Paneel op de brug of bij het moederkompas altijd met een alarmsysteem dat het gyrokompas voorziet van elektrische stroom.Jan Vander Vennet Opbouw van een Gyrokompas 1. een versterker en een motor (=volgmotor. 5. azimuthmotor) Nieuwe systemen werken elektronisch met een digitaal afleessysteem. Gevoelig element Afleessysteem Volgsysteem Overbrengingssysteem Correctorsysteem Voedingssysteem Gevoelig element Is één of meerdere gyroscopen en het richtingssysteem en dempingssysteem. Wrijving in lagers van het gevoelig element Horizontale versnellingen bij koers of vaartverandering Versnellingen door het stampen en rollen van het schip Deze fout moet regelmatig gecontroleerd worden en bepaald. 2. Vc=-0. De afwijking die de richting van de tolas (Ng) krijgt ten opzichte van de werkelijke koers is de vaartcorrectie (Vc). 5. 4.036(Vcos GRKgyro)/cosb Met Vc= de vaartcorrectie in 0 V=vaart van het schip in km B= geografische breedte Indexfout Oorzaken: Onnauwkeurigheden in constructie gevoelig element.Jan Vander Vennet Fouten en onnauwkeurigheden 1. Koers en vaartfout Indexfout Versnellingsfout Slingerfout Correctoren Koers en vaartfout Als een schip vaart veroorzaakt dit een extra tilling. 9 . 3. Slingerfouten. Normaal verdwijnt deze fout na enige tijd. Deze fout komt voor bij dwarsscheepse versnellingen. Tc= t+bc+vc Met ic= instrumentcorrectie Vc = vaartcorrectie Bc= breedtecorrectie 10 . Opmerking: Dit komt enkel voor bij verticaal gedempte kompassen en niet bij horizontaal gedempte door het dempingsysteem en de twee tollen. Tc=ic +vc Totale correctie (tc) voor een vertikaal gedempt kompas. Dit is een gevolg van de verticale demping en wordt zo klein mogelijk gehouden door het richtsysteem extra te dempen. Hierdoor krijgt men een reactie op het richtsysteem dat vooral voelbaar is bij interkardinale koersen. Correctoren Totale correctie (tc) voor een horizontaal gedempt kompas. Dit komt door de horizontale versnelling en geeft een reactie op het richtsysteem.Jan Vander Vennet Versnellingsfouten Direct n koers of vaart verandering krijgt men een extra indexfout. Jan Vander Vennet Conventionele corrector Is een correctie op kompasroos dit door de vaart en de geografische breedte in te voeren.cosGK/cosb) Indien het kompas gekoppeld is aan een GPS kan de invoer van vaart en breedte automatisch gebeuren. De dempingsfout wordt opgehoffen door het aanbrengen van een verticale precessie.036 (Vi. Als gevolg hiervan krijgen we een precessie waardoor de tolas in de richting van het ware noorden gedraaid wordt. Hierdoor zal de roos verdraaid worden onder een hoek van 0. Deze corrector zet momenten op het gevoelig element. Koppelcorrector Deze corrector wordt gebruikt bij een vertikaal gedempte corrector. De dempingsfout wordt dus opgehoffen door het aanbrengen van een horizontale precessie. 11 . Gedempte slingertijd De tijd nodig om op 0. Fouten zijn kleiner. 12 . Demping is gelijk aan de mate waarin de uitwijking van het gyrokompas afneemt gedurende halve gedempte slingertijd: ongeveer 60 à 75%. Gyrokompas kan op de meest gunstige plaats gezet worden. Op het gyrokompas kunnen verschillende nevenapparaten geschakeld worden. Na 2 uur is de afwijking 60% tot 75% vermindert. Men moet een bepaalde afstand houden tegen over elektrische apparaten om wederzijdse stromingen te voorkomen.5° te komen van het rustpunt in de inslingertijd. (A->C). Gyrokompas tegenover een magnetisch kompas Voordelen Richtkracht van een gyrokompas is groter. Nadelen Afhankelijk van elektrische stroom Heeft veel onderhoud nodig en wisselstukken zijn duur. Roos is rustiger. Deze tijd hangt af van de beginstand (A). Voorbeeld: Bij het vertrek is de afwijking 40° na een uur 10° tot 16°. Dit tot de juiste aflezing bekomen is. minder zenuwachtig.Jan Vander Vennet Inslingeren Bij het opstarten van het gyrokompas staat de tolas op een willekeurige plaats en zal dus moeten “inslingeren”. (Zie volgend punt). Onafhankelijk van het aardmagnetisch veld. De gedempte slingertijd (A->B->C) is gemiddeld ongeveer 1 à 2 uur. Hierdoor krijgt men een gedempte oscillatie en komt de voorligging terug overeen met de ingestelde koers.Jan Vander Vennet Apparaten die op het gyrokompas geschakeld kunnen worden Course and rudder recorder Satellite TV Inmarsat systeem (communicatie) ECDIS Autopolit Gyro-repeaters Rate of Turn indicator GPS Voyage Data Recorder (zwarte doos) X-band en S-band recorder De automatic pilot of stuurautomaat Werkwijze autopilot 1. Probleem: Als het schip terug op koers is. 3 Parameters Proportional control Een elektronisch signaal veroorzaakt een roer beweging die proportioneel is met de fout tussen de voorligging en de ingestelde koers. Besluit: Tijdsverlies. 13 . Vergelijkt steeds de te sturen koers die ingegeven is door de stuurman met de werkelijke voorligging. wordt het schip midscheeps gezet waardoor er een parallelle route wordt aangehouden tot dat er een nieuwe afwijking is. 2. Past roercorrectie toe wanneer er een verschil tussen de koers en werkelijke voorligging is. Er is een “feedback” nodig voor de relatieve beweging tegen over de koers die gevolgd moet worden. Hierdoor krijgen we een slingerbeweging rond de ingestelde koers. Besluit: De ideale combinatie is proportional control samen met derivative control. brandstof verlies. slijtage aan de stuurmachine Derivative control Een elektronisch signaal veroorzaakt een proportionele roerbeweging met de vaart dat het schip afwijkt van zijn ingestelde koers. Deze voorligging wordt aangegeven door een gyrokompas of een “magnetic repeating compass” (=magnetisch kompas met fluxgate). Opmerking: Om een autopilot te laten reageren zoals een stuurman zijn er bijkomende factoren nodig. Opmerking: Men moet aandacht hebben voor de verstoringen door de wind en de golven. Economischer brandstofgebruik Door de autopilot hebben we minden vaak roerbewegingen en hierdoor minder weerstand door het roer en dus een grotere snelheid. Het sturen met zo weinig mogelijk snelheidsverlies en het minimaliseren van de fout op de koers is dit natuurlijk wel. Afstelling en werkwijze Roer (rudder) uitslag hangt af van de snelheid. 14 . Men kaan ook een maximale roerhoek instellen om te zwaar overhellen of kapseizen te voorkomen. Het zeer nauwkeurig houden van de koers is soms gewenst in nauwe vaarwateren zoals in kanalen. Ook is het mogelijk om “yawing” of gieren van het schip toe te laten bij slechte weersomstandigheden weer om brandstof te besparen en de stuurmachine te sparen. het tegenroer (counter rudder) is afhankelijk of het schip in ballast is of in geladen conditie. “Track control” is echter alleen te gebruiken bij een autopilot die deel uitmaakt van een Integrated Bridge System (IBS). Doel en voordelen Automatisch Bespaart brandstof Koersstabiliteit Personeelsbesparing (One Officer Watch (OOW)-> minder bemanning nodig) Betrouwbaar Vermindering in slijtage van de stuurinrichting Relatief eenvoudig wiskundig model van het stuurgedrag van het schip is het basis ontwerp van een adaptieve stuurautomaat. In de autopilot is het mogelijk om de draaisnelheid in te stellen en zijn andere knoppen eigenlijk niet nodig. Hiervoor moet men de optimale instellingen proberen te vinden om snelle roerbewegingen zo veel mogelijk te onderdrukken. 2 Stuurmodes: koersveranderen Koers houden Koers veranderen met een constante draaisnelheid is mogelijk en zonder doorslingen (= het oversturen van het schip zie afstelling en werkwijze) op de nieuwe koers. Het is mogelijk een “track control” in te stellen en dus een controle alarm in te stellen bij een te grote afwijking van de aan te houden koers.Jan Vander Vennet Integral control Elektrisch signaal meet voortdurend fout tussen de voorligging en past de meest geschikte vaste zeekoers toe. Snelle of bruuske roersveranderingen hebben een negatieve invloed op het stuurgedrag en door de extra weerstand is er overmatige slijtage aan de stuurmachine. Op volle zee is een grote stuurnauwkeurigheid niet nodig. Daarom hebben we een tegenroer nodig die deze onnodige bewegingen kan dempen. De roerhoek die wordt toegepast is naargelang de draaisnelheid. Counter rudder is in verhouding met koersverandering. Roerstand afstellen De roerhoek wordt afgesteld in combinatie met een maximale roerhoek. Roer Bepaalt de roerstand die gegeven moet worden bij bepaalde koersveranderingen. Zo moet men een tegenroerhoek geven van 5° voor elke 30°/min van de rate of turn. Als bij 5° koersafwijking een roer gegeven wordt van 2. De counterrudder hangt af van bouwer van de autopilot. Bij een schip in ballast zal er minder tegenroer gegeven moeten worden dan bij een volgeladen schip. Roerstand kan handmatig ingesteld worden. Als de autopilot bijvoorbeeld voor 1° koersafwijking roer geeft van 1° dan werkt deze met een verhouding van 1:1. Zo zal men bijvoorbeeld instellen dat een roer niet meer dan 15° roer kan geven. Counter rudder wordt toegepast vanaf een vast aantal graden buiten de nieuwe gewenste koers. 5° voor het bereiken van de gewenste voorligging (wordt ook handmating ingesteld en hangt af van de laadconditie. Hoe sneller hoe kleiner de hoek is.Jan Vander Vennet Wanneer men de autopilot koppelt aan een Rate of Turn Indicator (RTI) kan men een maximale rate of turn instellen en zal het schip dus met een vaste rate rond een vooraf ingesteld waypoint draaien in een ruime hoek. Volgende mogelijkheden zijn meestal ingebouwd. Hoe trager het schip vaart hoe groter de roerhoek zal zijn. Gewoonlijk varieert de verhouding tussen de roerstand en de koersfout tussen 2:1 en 3:1. Deze beweging veroorzaakt kinetische energie die te grote koersveranderingen kan veroorzaken.5° dan werkt dit met een verhouding van 1:2. Tegenroer Als antwoord op de roerafstelling is het mogelijk dat het schip begint te zwaaien.) 15 . Dit weer om te zwaar overhellen of kapseizen te voorkomen. Soms is dit instelbaar naargelang de lading.5°) Stand 2: navigatie op volle zee met stormachtig weer (dode sector max. 16 . Gewoonlijk zijn er 4 standen op een autopilot: Stand 1: in nauw vaarwater (dode sector 0. Als het inspeelt op bewegingen spreekt men van proactief. “Track keeping”: garandeert dat de juiste route gevolgd wordt.2 en 3: auto-adaptieve piloot (houdt rekening met snelheid. dit is een waarde die het roer aanneemt als midscheeps. Off course alarm: dit is wanneer er een grote koersfout is en is onafhankelijk van “track control”. diepgang en scheepslengte) Stand 4: niet auto-adaptieve stuurautomaat (houdt geen rekening met snelheid. 10°) Standen 1. 5°) Stand 4: navigatie op volle zee met stormachtig weer (dode sector max. voorligging en snelheid 5min. langer dan te voren dan de adaptieve instelling. Laat een dode sector te waarin een schip mag gieren zonder reactie van de autopilot. Predichieve: dit gaat net iets sneller. voorziet scheeppositie. Override: het direct over gaan op handmatige besturing. Op voorhand. Dit kan afwijking naar stuurboord of bakboord. Permanent rudder Verschillende factoren: Inherente kromming van het schip Stuwkracht van de schroef Ongunstige omstandigheden Om een koers te houden is er een vaste roerstand nodig (permanent helm). Verwijst enkel naar de heading.5°) Stand 3: navigatie op volle zee met een zeegang van2 tot 4 (dode sector max. Follow-up mode (FU): dit wat er gebeurt als je het wiel loslaat. diepgang en scheepslengte en zal trager reageren. 2. Adaptieve autopilot: dit is als de autopilot voorziet wat er gaat gebeuren en hierop reageert en aanpast. “Course keeping”: garandeert dat de juiste route gevolgd wordt. Meestal zal men dit instellen dat het roer direct terug op midscheeps komt. Non-follow up mode (NFU): meestal is dit met behulp van een helmstok (tiller) die wanneer losgelaten op dezelfde stand blijft staan. Dit is om de roerhoek te minimaliseren en route afwijking te beperken.Jan Vander Vennet Yawing of gieren Bepaalt limiet tot waar een vaartuig kan gieren.