Brevet FR2107847A1 — publié le 19720512

Ltinvention concerne un dispositif qui comprend au moins trois paires d'accéléromètres linéaires pour déceler et mesurer les mouvements angulaires d'un système rigide et des moyens pour la transformation des informations accélérométriques fournies par le dispositif en valeurs des trois composantes de la vitesse de rotation du dit système rigide (plate-forme ou véhicule). Le dispositif qui fait l'obået de l'invention est destiné à remplacer les dispositifs classiques du type gyrostatique, commu- nément appelés gyromètres ou "rate-gyros n et peut avoir des utilisations variées, en particulier dans les systèmes de navigation inertielle maritime ou aérienne ou pour la stabilisation de plate-formes pour véhicules en général ou pour des installations fixes. On sait en effet que dans les systèmes inertiels non articulés les gyrostats classiques supportent mal les fortes accélérations angulaires, plus précisément les sollicitations dynamiques en général que subit par exemple un véhicule pendant les manoeuvres. Dans les systèmes articulés aussi bien que dans les systèmes non articulés, les trois systèmes de gyrostats utilisés comme moyens stabilisateurs sont suets à des erreurs dtinteraccou- plement. Le dispositif selon l'invention élimine ces inconvénients. En outre, il est bon de remarquer que dans 11 application particulière du dispositif aux systèmes de navigation inertielle, les maies accéléronètres faisant partie du dispositif et utilisés pour la stabilisation ou pour la régénération des trois systèmes inertiels de référence sont aussi utilisables dans le système pour déceler et mesurer les accélérations du mouvement pour l'intégration du chemin parcouru. À la différence des systèmes de stabilisation classiques qui utilisent comme capteurs ou Senseurs de l'assiette les éléments gyrostatiques, on utilise essentielleient dans le dispositif selon l'invention des paires d'accéléromètres linéaires, soit qu'il s'agisse de systèmes à plate-forme articulée, dits "gimbaled systemsîl, soit qu'il s'agisse de systèmes à trois ases solidaires, dits "stras down systèmes". Le principe informateur, sur lequel se base la présente invention, consiste dans le fait d'utiliser des paires d'accélé uromètres linéaires comme détecteurs d'assiette et ainsi comme éléments essentiels dans les systèmes de stabilisation, ces paires d'accéléromètres linéaires permettant de déceler et d'évaluer quantitativement les trois composantes de la vitesse de rotation d'un système rigide par rapport à un trièdre d'axes orthogonaux solidaire de ce système, en indiquant les différences entre les sorties des accéléromètres accouplés entre-eus, avec des axes de sensibilité parallèles pour les trois paires distinctes avec les éléments de chaque paire alignés suivant les trois s'es, les axes de sensibilité des éléments d'une paire pouvant être en coincidence ou inclinés par rapport aux axes correspondants d'alignement en dépendance des buts à atteindre mais en se trouvant toujours respectivement dans l'un des trois plans définis par les trois axes de référence. Les dessins annexés montrent, à titre d'exemples indicatifs sans caractère limitatif, quelques formes d'exécution de l'inven tison. Dans ces dessins la figure 9 est une vue axonométrique dans laquelle on a représenté le trièdre triorthogonal des axes et la disposition d'une paire d'accéléromètres linéaires dont les axes de sensibilité coincident avec l'axe x d'alignement ainsi que la disposition des trois gyroscopes auxiliaires détecteurs du sens de rotation pour les composantes p, q, r de la vitesse instantanée de rotation la figure 2 représente dans le plan xy la disposition d'une paire d'accéléromètres linéaires dont les axes de sensibilité coincident respectivement avec une normale à 1'axe x d'alignement la figure 3 est une représentation semblable à celle de la figure 2 mais concernant la disposition dans laquelle les axes de sensibilité de la paire d'accéléromètres linéaires sont inclinés à un angle prédéterminé par rapport à l'axe x d'ali gnement la figure 4 montre un schéma logique pour le calcul des composantes p, q, r de la vitesse instantanée de rotation du système rigide à contrôler sur lequel est monté le dispositif selon l'invention, dans la réalisation dans laquelle on a prévu des paires d'accéléromètres longitudinaux la figure 5 est semblable à la figure 4, mais concerne la forme de réalisation dans laquelle on prévoit des paires d'accéléromètres avec axes de sensibilité perpendiculaires à l'axe d'alignement ; et la figure 6 est une autre représentation semblable à celle de la figure 4, mais qui concerne la forme de réalisation dans laquelle les paires d'accéléromètres sont disposées avec axes de sensibilité inclinés par rapport aux axes respectifs d'alignement. Les diverses formes de réalisation se différencient par conséquent par l'orientation différente qui est donnée dans chacune d'elles aux axes de sensibilité des éléments, formant chaque psire d'accéléromètres linéaires, par rapport à l'axe d'alignement correspondant des dits éléments. On conçoit que, si les accéléromètres de chaque paire sont distincts et disposés de façon que les axes de sensibilité correspondants soient en coincidence avec l'axe d'alignement de la paire ou bien selon l'un des axes du trièdre triorthogonal de référence, les différences de leurs sorties Dx, Dy, Dz ne décèleront que des accélérations radiales qui seront fonction de leur distance (, #y, Az) et de la vitesse de rotation de composantes p,q, r (figure 1). Si l'orientation des axes de sensibilité est au contraire inclinée par rapport à celle de l'alignement, les différences entre les sorties des deux accéléromètres (tangentiels) décèleront les composantes des accélérations radiales et aussi des accélérations linéaires périphériques dues aux variations de la vitesse de rotation. Dans le premier cas, il y a toujours une ambiguité du signal, même pour une vitesse variable, dans la mesure où les accélérations centrifuges (radiales) sont indifférentes au sens des rotations mais dépendent seulement de leurs valeurs absolues. Dans le second cas et dans le troisième, l'ambiguité cesse à cause de la présence du terme du premier ordre (r, p ou q). En référence à la disposition de la figure 1, on remarque qu'entre deux points de l'un des axes du système solidaire, par exemple de l'axe x, à distance #x, les sorties des accéléromètres 2 d'une variation de type ax ( 2 diffèrent d'une variation de type #x (q2 + r De façon analogue, pour un axe parallèle à y et pour un axe parallèle à z, on a : Ay (p2 + r2), #z (p2 + q ). On remarque encore que les accéléromètres ressentent la gravitation newtonienne G et que par conséquent le signal de sortie d'un tel instrument à axe sensible, placé par exemple suivant la direction x, comptera la variation Gx (composante). Mais il y a lieu encore de remarquer que les valeurs de G en deux points X1 2 du domaine d'un véhicule normal peuvent eAtre considérées comme égales, de sorte qu'avec une paire d'accéléromètres linéaires à écartement fixe pour chacune des directions x, y, z, et ainsi aux distances Ax, Ay, Az, on obtient, en mesurant la différence D des signaux de sortie a de chaque paire, les expressions du type:: Dx = #x (r2+q2) = nH = (ra+ p2) Dz = 3 (p + q) La résolution d'un tel système algébrique fournit, à moins d'une ambiguité de signe, les valeurs des composantes p, q, r dans les formules de résolution suivantes gu'il est possible de traiter en calcul numérique selon la figure 4 dans laquelle pour la composante sur l'axe 1 pour la composante sur l'axe Y pour la composante sur l'axe Z les D étant les différences entre les sorties d'accéléromètres de deux senseurs d'une paire et l'indice signalant l'axe d'alignement ; les a au contraire sont les sorties des accéléromètres singuliers et les indices signalent l'axe d'alignement et celui du senseur dans la paire. En référence à la forme d'exécution de la figure 2 dans laquelle au contraire les paires d'accéléromètres ont leurs axes de sensibilité parallèles entre eux et perpendiculaires à celui de l'alignement et en examinant de façon analogue les expressions des accélérations aux points d'un même axe (par exemple de l'axe x et avec axe de sensibilité parallèle à y), on voit qu'elles diffèrent encore à cause de leurs distances différentes du point d'origine O choisi et précisément pour les termes du type #x (r + qp) si dr est la distance entre les dits deux points. L'expression qui indique la différence entre les sorties d'une paire d'accéléromètres linéaires, organisés de la façon dite, sera du type D X Ax (r + qp) et, si l'axe de sensibilité de Iy la paire sur l'axe y est dirigé parallèlement à l'axe z et celui de la paire alignée sur l'axe z est dirigé parallèlement à l'axe x, on aura respectivement D > z Os p + rq) ; Dzx - Az (q + rp) De telles expressions permettent (figure 5) de traiter en calcul numérique l'intégration approximative pour la détermination automatique des variables p, q, r en temps réel sans ambiguité de signe. Les expressions prennent la forme étant entendu les-valeurs avec l'indice inférieur O sont celles au temps to et que la résolution a lieu en temps réel pour le retour des variables intégrées p, q, r aux paires de chaque expression différentielle La figure 3 concerne la réalisation dans laquelle les paires d'accéléromètres ont des ases de sensibilité parallèles, mais avec une inclinaison intermédiaire préchoisie par rapport à l'axe correspondant d'alignement. Dans la version des paires d'accéléromètres avec axes de sensibilité en alignement (figure 1), les seules accélérations perceptibles pour la différence sont les accélérations axiales dues aux rotations autour d'axes normaux : toutes les autres s'annulent ainsi que les accélérations périphériques par l'effet de la rotation autour du troisième axe ; dans cette version, il y a lieu à une ambiguité de signal, mais en compensation s'effectue l'effet centrifuge maximal pour la mesure des trois composantes de rotation. Il faut remarquer au contraire que quand on prévoit une inclinais on S , intermédiaire entre OQ et 900 des axes de sensibilité par rapport à ceux d'alignement (figure 3), il est possible de tirer parti des avantages complémentaires des deux dispositions indiquées (axiale et transversale) de façon à bénéficier ainsi d'une bonne réponse des senseurs et en même temps de lever 1 'ambiguité. Si, en effet, w est l'angle d'inclinaison de l'axe de sensibilité d'un paire d'accéléromètres écartes de bx, montés sur un axe parallèle à l'axe x et situés dans un plan parallèle à xy, on trouve pour la différence entre les deux signaux de sortie, une relation du type #x Ucos ff (q2 + r2) - sint (r pq) + pq)j et de façon analogue pour les autres axes, d'où (q 2 cos o sinj Dx = #x 2 + r2) cos# - (r + pq) et de façon analogue pour Dy et Dz pouvant gtre différent d'une paire à une autre. On décrira maintenant plus en détails les calculateurs selon les figures 4 et 6. En référence au calculateur algébrique de la figure 4 dans le cas de la disposition axiale des axes de sensibilité selon la figure 1. Sur cette figure 4, on a représenté le schéma logique d'un calculateur à temps réel des composantes de la vitesse de rotation p, q,-r, associé à un dispositif accessoire constitué par trois gyroscopes Gx, Gy, Gz qui ont le seul rôle de signaler les inversions du mouvement de rotation selon les trois axes x, y, z du système associé au système rigide. Le signal de sens transmis par chaque gyroscope élémentaire commande la sortie correspondante en valeur absolue. Cela ne doit pas apparaître en contradiction avec la caractéristique principale de l'invention, dans la mesure où les senseurs de type gyroscopique, prévus dans cette forme de réalisation de l'invention, sont d'un ordre dé fonctionnalité qui peut être acceptable même stil est réduit par rapport à celui des appareils de mesure d.e la vitesse de rotation dits "rate-gyros". Un tel système de trois gyroscopes peut entre considéré comme coiplémentaire du système accélérométrique. I1 s'agit d'un calculateur numérique classique. Les valeurs des distances fixes d I, h h2 sont des constantes du système ; avec les trois entrées provenant des trois paires d'accéléromètres, elles constituent trois diviseurs correspondant aux trois rapports fondamentaux de tout le calcul et ces diviseurs, en entrant dans trois appareils arithmétiques conduisent à la détermination des valeurs des composantes p, q, r. La figure 5 concerne un calculateur différentiel applicable à la réalisation du dispositif avec la disposition des axes de sensibilité de chaque paire d'accéléromètres parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe d'alignement. Sur la figure 5, on a représenté le schéma logique d'un calculateur automatique numérique à temps réel des composantes p-, q, r pour l'intégration à l'étage des expressions différentielles correspondantes, indiquées au paragraphe précédent. Sur la figure 5, on a indiqué aussi les expressions concernées dans les différents blocs. La caractéristique primordiale dn dit calculateur est la forme d'alimentation du retour du calcul à l'étage avec les valeurs des mêmes grandeurs calculées p, q, r, ce qui impose, an point de vue de la réalisation, une fermeture des cycles de calcul à faible constante de temps (théorie des étalonnages) et dans de bonnes conditions de stabilité. L'exécution de l'élaboration du calcul à l'étage doit titre comprise comme des répétitions successives du calcul de l'incrément avec des valeurs successives toujours remises à jour des différences D provenant avec continuité des senseurs pour le m8me intervalle ht. Sur la figure 6, on a représenté le schéma d1un calculateur différentiel pour la disposition des accéléromètres avec axes de sensibilité parallèles entre eux mais avec une inclinaison par rapport à l'axe d'alignement intermédiaire entre 0 et 900. Le calculateur de la figure 6 est analogue au calculateur différentiel pour la disposition à axes de sensibilité normaux à ceux d'alignement selon la figure 5 et décrit précédemment avec la variante de l'adjonction du paramètre t qui peut mêne titre différent entre les trois paires d'accéléronètres. Le dispositif selon l'invention peut avoir des utilisa tions variées ; par exemple, il peut ttre appliqué à la navigation par inertie, avec position plus ou moins barycentrique du système. I1 est intuitif que, plus la position du "centre" du système est barycentrique, moins seront ressenties les sollicitations indésirables et nocives à la tranquillité de tous les organes qui nécessairement ne peuvent coexister au barycentre, surtout compte tenu de la nécessité pour chaque paire, dans les dispositions prévues, de prévoir les accéléromètres à la distance maximale pour la meilleure amplification de la réponse, utile pour la détermination des composantes p, q, r de la vitesse de rotation. Cependant, la proximité du centre du système au barycentre du véhicule (aérien ou naval en particulier) n'est pas essentielle pour la détection des rotations et par suite pour le controle de l'assiette dans les deux types (à cardans et calculés) et il n'est pas nécessaire que les accéléromètres dtune paire se trouvent de part et d'autre de l'origine des s'es. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé aussi pour l'intégration du chemin nautique. En effet, le dispositif de la présente invention, à la différence de ceux qui utilisent les senseurs gyroscopiques pour la stabilisation ou pour déceler continuellement l'assiette qui disposent dpun seul accéléromètre pour chacun des axes du système triaxial solidaire, en met à disposition deux pour chaque axe et l'utilisation des paires d'accéléromètres pour l'assiette ntempEche pas leur utilisation ultérieure pour l'intégration z ation du chemin. Un des avantages fondamentaux de la disposition proposée par l'invention est donc la possibilité de disposer de deux systèmes triorthogonaux disponibles pour leur utilisation indépendante, ainsi que du système orthogonal unique de senseurs accélé rométriques linéaires pour l'intégration du chemin nautique. Une telle utilisation des deux systèmes disponibles d'ascéléromètres pour des buts nautiques est essentiellement avantageuse pour la précision de la détermination de la position nautique dans la mesure ou avant tout autre les résultats indépendants de ltintégration du chemin peuvent Store de controle réciproque et c'est pourquoi n'est pas exclue la possibilité d'effectuer la comparaison non seulement au niveau de la seconde intégration, mais mÉme au niveau de la première, ou bien sur la vitesse avant l'étude appropriée de l'évaluation de la compa raison des sorties tachymétriques, ainsi qu'au niveau des accélérations, utiles à la détermination du chemin nautique. En référence à l'intégration des cosinus directeurs par les techniques classiques, on remarquera que les diverses dispositions accélérométriques et les schémas logiques correspondants de calcul pour la détermination continue et à temps réel des valeurs des composantes p, q, r de la rotation du système rigide fournissent en définitive les valeurs des dites composantes. L'utilisation des dites valeurs dans le système de navigation par inertie sera différente selon qu'on traite d'un système à plate-forme stabilisée ou d'un système à régénération du trièdre d'inertie. Dans le premier cas, les valeurs des dites composantes seront utilisées comme informations pour le fonctionnement régulier des trois cycles de servocommande de la stabilisation à trois s'es. Dans le second cas, les valeurs de sortie de chacune des paires d'accéléromètres du dispositif selon l'invention fournissent avec continuité à un calculateur différentiel destiné à résoudre le système des équations de Poisson qui, comme on le sait, est un système de relations entre les cosinus directeurs du trièdre mobile (solidaire) par rapport au trièdre d'inertie les dérivées correspondantes ainsi que les trois composantes p, q, r, indiquées ci-dessus, de la vitesse angulaire du trièdre mobile par rapport au trièdre d'inertie. Dans une variante de réalisation,on assure aussi ltutili- sation des six paires d'accéléromètres linéaires, dont trois paires ont leurs s'es de sensibilité en coincidence avec les axes respectifs d'alignement, comme prévu dans la première forme d'exécution de la figure 1 tandis que les trois autres paires ont les ases de sensibilité normaux aux axes d'alignement, comme prévu dans la deuxième forme de réalisation, selon la figure 2, afin de pouvoir bénéficier de la bonne détermination, correspondant à la disposition de la figure 1 et de l'absence d'ambiguité propre à la réalisation de la figure 2. R E V E N D I C À T I O N S. 1. Dispositif pour déceler et mesurer les mouvements angulaires, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un ensemble de trois paires d'accéléromètres linéaires dans lequel les éléments de chaque paire sont alignés deux à deux à distance fixe, respectivement le long des trois axes d'un trièdre triorthogonal solidaire d'un système rigide, les axes de sensibilité de chaque paire étant parallèles entre eux et situés respectivement dans l'un des plans définis par le trièdre triorthogonal tandis qu'au dispositif sont associés des moyens pour l'utilisation des informations obtenues par la sortie des senseurs accélérométriques de chaque paire d'accéléromètres. 2 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les axes de sensibilité des accéléromètres de chaque paire coincident avec l'axe d'alignement de celle-ci. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les axes de sensibilité sont normaux à la direction d'alignement. 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les axes de sensibilité forment un angle compris entre 0 et 900 par rapport à l'axe d'alignement. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les angles sont égaux pour les trois paires. 6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les angles sont différents d'une paire à une autre. 7. Dispositif selon les revendications 1 à 3, dans lequel un premier dispositif comprenant trois paires d'accéléromètres linéaires à axes d'alignement coincidant avec les axes de sensibilité est combiné à un second dispositif comprenant trois paires d'accéléromètres linéaires à axes de sensibilité perpendiculaires aux axes respectifs d'alignement des accéléromètres de chaque paire. 8o Dispositif selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 6, associé à une plate-forme à cardans qui est solidaire du trièdre de référence pour déceler les déplacements angulaires à partir d'une assiette prédéterminée (inertielle ou horizontale), avec trois asservissements de l'assiette, les sorties des accéléromètres étant appliquées respectivement aux dits asservissements pour fournir l'actionnement de la commande des dits déplacements pour la stabilisation de la plate-forme à cardans, les dites sorties pouvant aussi entre appliquées à des appareils pour le calcul d'intégration du chemin parcouru. 9. Dispositif selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 6, associé à un véhicule qui est solidaire du trièdre triorthogonal des axes, les sorties des senseurs accélérométriques étant appliquées à un calculateur capable d'effectuer le calcul continu des trois composantes de la vitesse de rotation du système rigide du véhicule et de fournir en temps réel le calcul des cosinus directeurs des trois axes du trièdre mobile par rapport à un trièdre inertiel, utilisable dans un appareil pour le calcul du chemin nautique par intégration. 100 Dispositif selon les revendications 1 et 2, associé à un calculateur numérique de type algébrique à trois entrées avec en tête trois diviseurs et avec des éléments d'élaboration arithmétique correspondants, tandis qu'à ces entrées sont appliquées les différences des signaux obtenus par les sorties de chaque paire d'accéléromètres, le dit calculateur étant apte à fournir les valeurs des composantes de la vitesse de rotation du système rigide contrôlé par le dispositif calculateur associé à des moyens capables de fournir l'indication du sens pour les trois sorties correspondantes, en valeur absolue, des composantes de la vitesse de rotation du système. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens pour fournir l'indication du sens sont trois gyroscopes pratiquement coaxiaux aux paires d'accéléromètres, gyroscopes associés à des moyens pour fournir des signaux de sortie indicatifs du sens et appliqués aux trois sorties correspondantes en valeur absolue du calculateur qui fournissent les composantes de la vitesse de rotation du système. 12. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens pour fournir les signaux de sens sont les instruments classiques du bord d'un véhicule, le trièdre solidaire du véhicule étant choisi dans ce cas pour correspondre au trièdre de manoeuvre du véhicule et en particulier, dans le cas d'un véhicule aérien, l'axe Z coincidant avec la direction d'embardée, l'axe Y avec la direction de cabrage et l'axe X avec celle du roulis, ou respectivement dans le cas des navires avec les directions des axes de virage, de tangage et de roulis. 13. Dispositif selon les revendications 1 et 3, associé à un calculateur numérique à trois entrées et auquel sont appli quées les trois différences de signaux fournis par les paires correspondantes d'accélérombtres, ce calculateur étant du type apte à déterminer par intégration à l'intervalle at en temps réel, en valeur et en signe, les trois composantes de la vitesse de rotation d'un système rigide contrôlé par le dit dispositif. 14 Dispositif selon les revendications 1, 4 et 5 ou 6, associé à un calculateur numérique à schéma logique et à système différentiel qui est doté de trois entrées, auxquelles sont appliquées respectivement les trois différences de signaux fournis par les sorties de chaque paire d'accéléromètres et qui est capable d'élaborer séparément les dits signaux pour l'intégration sur l'intervalle Ilt en fournissant respectivement aux trois sorties en valeur et signe les trois composantes de la vitesse de rotation du système rigide contrôlé par lui. 15. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3, 4 et 11, dans lequel l'information du système accélérométrique déterminant la vitesse angulaire est convenablement intégrée par le fonctionnement d'un système complémentaire constitué par trois gyroscopes de vitesse avec sensibilité supérieure aux seuils correspondants de la vitesse angulaire des systèmes accélérométriques.