Brevet FR2129948A1 — publié le 19721103

a présente invention concerne des perfectionnements aux systèmes de téléguidage. Elle s1applique plus particulièreiaent au téléguidage à partir du sol d'un mobile envoyé à la rencontre d'un autre mobile évoluant dans l'espace. Elle n'est toutefois pas limitée à l'espace aérien et stapplique également au pilotage de tout engin dans les eaux ou sur terre destiné à rencontrer un autre mobile. Actuellement les procédés de pilotage utilisés pour diriger un mobile vers un autre ressortissent de deux catégories, Une première catégorie comporte les procédés par alignement qui consistent à piloter par téléguidage un des mobiles un engin par exemple de façon à le maintenir constamment sur l'alignement radar-mobile poursuivi. Une seconde catégorie concerne des procédés dits à route de collison parmi lesquels la méthode dite de navigation proportionnelle consistant à piloter un mobile, un engin par exemple, en sorte de maintenir la droite engin-mobile poursuivi, fixe par rapport à un axe fixe, condition d'une trajectoire rectiligne de collision lorsqu'engin et mobile poursuivi sont animés par des vecteurs vitesse constants en grandeur et en direction, 11accélération de correction étant proportionnelle à la vitesse de rotation de la droite engin mobile poursuivi. On constate que les procédés de pilotage évoqués et les dispositifs qui les matérial'sent font appel à un équipement de détection électromagnétique ou électro-acoustique dans le cas où l'engin piloté évolue dans l'eau. Actuellement les radars de poursuite utilisés sur terre aux fins de pilotage d'engins sont à balayage mécanique et ne permettent ainsi de ne relever instantanément les données radiales et angulaires que pour un seul mobile à la fois, ou au plus pour deux mobiles, sous réserve que ces deux mobiles se trouvent à 11 intérieur dlun meme faisceau fin Seule la première catégorie de procédés donne lieu à des applications de téléguidage, la deuxième catégorie ne pouvant être utilisée d façon satisfaisante, avec les radars classiques à faisceau de poursuite unique, que sous la forme dautoguidage de l'engin qui élabore ses ordres de commande à partir d'un dispositif embarqué dit auto-détecteurq Les trajectoires correspondantes ne permettant pas la mesure simultanée des grandeurs nécessaires. Cette situation est regrettable du point de vue téléguidage car la méthode de la navigation proportionnelle relevant de la deuxième catégorie des procédés, n'entraine 11 élaboration d1ordres et donc de manoeuvres pour l'engin , qui sont coûteuses en énergie, que pour des correc de la continuité tions liées à des variations dans le temps/des paramètres observés. Au contraire les méthodes par alignernent, adaptées au téléguidage conduisent à l'élaboration -permanenta d'ordres et donc de manoeuvres alors même que les paramètres observés ne varient pas. Il suffit que le vecteur vitesse du mobile poursuivi au but ne soit pas aligné avec le radar de mesure. Une partie des inconvénients signaîés ci-dessus peut être écartée par l'utilisation des radars à balayage électronique à la place des radars à balayages mécanique, ou sonars dans le cas du milieu aquatique, utilisation qui mène à l'élaboration d'un nouveau procédé de pilotage de mobiles à diriger sur un autre mobile en introduisant une nouvelles expression de signal d'erreur à considérer. De fait, dans le cas où l'espace aérien est pris en considération, les radars à balayage électronique se caractérisent tout à la fois par une extrême agilité du faisceau rayonné et par la possibilité de disposer de plusieurs faisceaux fins simultanément. Les dispositifs à balayage électronique permettent ainsi de mesurer, à tout instant et avec précision, outre les données classiques radiales, en distance et en vitesse, des deux mobiles c'est-à-dire de l'engin et. du but (par exemple avec un dispositif Doppler à impulsions ou un radar M.T.I c'est-à-dire à élimination d'échos fixes), l'écart angulaire entre engin et but observé du radar, et la vitesse de variation de cet écart angulaire. L'exploitation de ces données permet de façon simple, le pilotage d'un engin, les seules manoeuvres qui s'avèrent nécessaires étant la correction des éventuelles variations de trajectoire de la cible ou de la vitesse des mobiles. L'objet de la présente invention est alors de définir un système de pilotage d'un mobile en direction d'un autre mobile, qui échappe aux inconvénients rappelés de l'art antérieur et qui de plus évite de faire appel à la mesure de la rotation de la droite liant les deux mobiles, qui, dans le procédé de navigation proportionnelle par téléguidage, perd de sa précision au fur et à mesure que l'un des mobiles se rapproche de celui qu'il doit rencontrer. Suivant l'invention, on utilise pour le pilotage d'un mobile vers un autre mobile, des données fourniespar un radar à balayage électronique ou tout autre instamment susceptible de fournir, ins tantanément (sonar, lidar) les données radiales en distance et en vitesse du mobile poursuivant (engin) et du mobile poursuivi ainsi que écart angulaire observé à partir de cet instrument et la vitesse de variation de cet écart.Le dipositi f suivant l'invention élabore à partir de ces données des ordres de commande d'accélération latérale constituant le pilotage du premier mobile. L'invention sera mieux comprise dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif à l'afde des figures qui représentent la figure I : un schéma dans le plan montrant les positions respectives par rapport au radar, de l'engin et du mobile à rencontrer ou cible; la figure 2 : un s chéma dans l'espace définissant les plans de référence en relation avec l'antenne radar et permettant de définir les positions de l'ngin et de la cible; la figure 3 : un diagramme schématique du dispositif de pilotage suivant l'invention, et la figure 4 : un diagramme schématique du dispositif d'élabore ration des ordres de pilotage dans le cas de lacet. On a indiqué dans le préambule de la description que l'objet du brevet était d'élaborer des ordres de commande d'accélération latérale d'un engin pour le piloter de façon qu'il se airige toujours vers une cible qu'il doit rencontrer et que l'élaboration de ces ordres se fait à partir des données délivrées par un radar à balayage électronique associé. Dans ce qui suit on perlera de radar à balaya électronique, mais il est bien entendu que l'invention englobe également le téléguidage de mobiles en milieu aquatique à l'aide d'un sonar ou par procédés opto-électroniques à l'aide d'un lidar par exemple. La figure 1 représente dans le plan les positions relatives du radar, de l'engin et de la cible et à partir de cette figure on va établir la route, dite de collision que l'engin devra suivre pour atteindre la cible, étant entendu que le prolongement arrière de ladite route de collision, suivie par l'engin, passe toujours par le radar, en conditions stationnaires toutefois. Par condltions stationnaires on entend les conditions d'équilibre du systèmc piloté après correction de l'erreur d'asservissement. Sur la figure 1 la droite de collision est prise comme axe de référence des abscisses, soit OX, O origine des coordonnées représentant le radar à balayage électronique associé. Le point M représente l'engin et VM son vecteur vitesse, C est la cible et VC est son vecteur vitesse orienté. I représente le point de collision. Avec cette représentation XM = rM et YM = o sont les coor- données de l'engin et X'M = r'M et Y'M = o celles de son vecteur OM vitesse d . De même pour la cible C les coordonnées du vecteur dt OC sont XC = rc cos a, YC = rc sin a en appelant a l'angle compris entre les vecteurs OM et OC. Les coordonnées du vecteur vitesse de OC la cible d sont alors X'c = r'c cos a-a'rc sin a dt Y'c = r'c sin a + a'rc cos a. En introduisant le temps t qui reste avant la collison entre l'engin M et la cible C on peut écrire la condition d'interception soit XM + t X'M = XC + t X'C YM + t Y'M = YC + t Y'C Cette dernière équation se simplifie puisque le point de collison I a une ordonnée nulle, soit = YC + t Y'C. En remplaçant les symboles X, X', Y et Yt par leurs valeurs en fonction des distances à l'origine dos coordonnées et de l'angle a on obtiont : rc ces a + t (rc' cos a - a'rc sin a) = rM + tr'M rc sin a + t (rc' sin a + a'rc cos a) = o a'rc sin a + 1/t (rM - rC cos a) = r'c cos a - r'M (1) a'rc cos a + 1/t rc sin a = r'c sin a. (2) En multipliant respectivement les équations 1 et 2 par cos a et sin a et en les soustrayant l'une de ltautro on obtiont le temps t soit t = rc-rM cos a r'M cos a - r'c En multipliant respectivement les équations 1 et 2 par sin a et cos a et en les additionnant on obtient la vitesse de variation angulaire de l'écart a soit a' sin a rM a' = - # + r'M# (4) rc t Le pilotage de l'engin étant effectué par des accélérations latérales inprimees à engin à partir de la vitesse de variation de l'écart observé du radar entre la cible et l'engin, on introduit alors la quantité da' = a' mesuré - a' calculé, comme signal d'erreur, a'mesuré étant la valeur mesurée de la vitesse de variation angulaire de l'écart et a' calculé étant la valeur calculée de cette vitesse de variation angulaire à l'aide de l'expression donnée ci-dessus, étant toutefois entendu que les valeurs calculees7sont cQxse si les données observées correspondaient à un état stationnaire. L'ordre d'accélération latérale à appliquer à l'engin pour le piloter par l'intermédiaire du dispositif de téléguidage est de la forme n0 = K dat (5) formule dans laquelle K estrsoit une constante, soit une fonction par exemple de la forme K = k - où -k est une constante et T la durée totale de l'interception, c'est-à-dire la valeur initiale de t. Cette accélération commandée doit permettre à l'engin de modifier sa route pour gagner une nouvelle route radiale de colliion. A l'aide de cette formule (5) on peut définir des ordres d'accélération latérale à imprimer à l'engin dans différents cas, par exemple dans la correction d'un écart initial de pointage, ou de la correction d'un écart vitesse angulaire de l'engin. On peut également chercher à établir une loi pour la quantité K si l'on veut faire intervenir la raideur de la commande à la durée de l'engin gement d'interception. Cependant ces exemples ne seront pas décrits plus en détail car ils ne font pas partie directement de l'invention. L'étude de l'élaboration d'ordre d'accélération latérale faite suivant l'invention, dans un plan peut être étendue à l'espace où les ordres de pilotage sont établis en lacet et en tangage. Figure 2 , on définit deux plans de référence H et V horizontal et vertical passant par le centre géométrique O de l'antenne à balayage électronique associée au système suivant l'invention. Dans cette figure 2 on définit l'angle g de gisement et l'angle s de site de l'engin M qui se trouve au moment considéré dans un plan vertical W; on considère également les projections du vecteur OM sur le plan V, soit OH1 et dans le plan H soit OH3, intersection des plans H et V. La demi droite OH2 représente l'intersection du plan horizontal H et du plan vertical V. Ces projections servent à définir deux autres angles, soit 1 entre les demidroitesoM et OH1 et m entre les demi droites OH2 et OH1. On constate aisément sur la figure 2 que les quatre anglet qui ont été introduits sont liés par les relations suivantes : tgs tgl cos g = et cos m = tgm tgg L'accélération lacet est parallèle au plan H et l'accéléra- tion tangage est parallèle au plan V. De façon classique le pilotage en lacet et le pilotage en tangage se font séparément à partir des mouvements projetés sur les plans H et V. Pour rattacher le cas général au cas traité dans le plan on notera que la variable a dans le plan H correspond à 1' écart gisement dg. Dans le plan V, cet écart a correspond non pas à écart en site, mais à écart sur l'angle m soit dm. Dans ces conditions pour le pilotage lacet 11 accélération latérale à considérer est la suivante nt = K (dg' mesurée - dg' calculée). (6) - sin dg dans laquelle dg' calculée = (rM/tL + r'M) cos sM (7) rc cos sc rc cos sc - rM cos sM cos dg et tL = r'c cos sc - r'M cos sM cos dg calculé où tL représente le temps restant/avant collision dans le plan lacet. Pour le pilotage en tangage, il vient de façon semblable nT T - K( dm' mesurée - dml calculée ) sin dm avec dm' calculée = - (@M/tT + r'M) cos lM rc cos bc rc cos lc - rM cos lM cos dm et tT = r'C cos lc - r'M cos lM cos dm calcule ou tT est le temps restant/avant collision dans le plan tangage Quand la trajectoire de l'engin est stabilisée sur sa nouvelle route de collision c'est-à-dire après correction, on a tT = tL On remarque après ce qui précède que les pilotages en lacet et tangage sont de nature symétrique, de sorte que l'e- xemple de mise en oeuvre de 11 invention qui sera décrit dans ce qui suit pour le pilotage en lacet vaut également pour le pilotage en tangage. On remarquera également que toutes les données qui interviennent dans les relations qui ont été établies sont délivrées de façon continue ou à une cadence très rapide de l'ordre de lOomillisecondes par exemple. Elles sont traitées dans un récepteur associé à l'antenne à balayage électronique ou équipement similaire sur lequel s'appuie l'invention. La figure 3 représente un diagramme schématique du système de téléguidage suivant ltinvention. La cible et l'engin M sont suivis par l'antenne à balayage électronique t. dette antenne alimente un calculateur 2 qui délivre en 3 les données nécessaires à l'élaboration des ordres de commande, soit ri et rc les distances radar de l'engin et de la cible , rtM et rlc leur vitesse radiale, les angles de gisement et de site g et s relatifs à l'engin et à la cible, leurs dérivées et les angles 1 et m ainsi que leurs dérivées et les vitesses de variation des écarts soit dm' et dg'.Ce circuit 3 est connecté à un dispositif d'élaboration des ordres 4 délivrant des signaux nL et nT correspondant aux ordres dlaccélération latérale en lacet et en tangage qu'il faut appliquer à l'engin pour le ramener sur sa route de collision. Ces signaux sont appliqués à travers éventuellement un dispositif de codage 5 à un émetteur 6, qui les transmet à l'engin M. Tous les dispositifs concourant à la mise en oeuvre de la figure 3 ne nécessitent pas de description spéciale. Toutefois on donnera dans la figure 4 un exemple de réalisation du dispositif d'élaboration des ordres 4 pour le pilotage en lacet qui vaudra également pour le pilotage en tangage. aet exemple est réalisé en version analogique. Les entrées du dispositif 7 à 12 reçoivent respectivement les données rc, r'c et sc relatives à la cible et celles r'M et sM relatives à l'engin. Des résolveurs 13, 14, 15 et 16 alimentés par les entrées définies ci-dessus délivrent respec tienent les signaux rc cos sc à la sortie du résolveur 13, cos sc à la sortie du résolveur 14 et les signaux rM cos sM et rTM cos SM respectivement aux sorties des resolveurs 15 et 16. Les résolveurs 14, 15 et 16 sont connectés respectivement à une boucle comportant un amplificateur à grand gain (18 -21 - 24) un sommateur (17 - 20 - 23) et un multiplieur (19 - 22 - 25), chacun de ces multiplieurs recevant le signal de sortie du résol- veur 13, soir rc cos 80 . Les amplificateurs considérés étant à grand gain, les boucles effectuent la division des signaux qui leur sont appliqués d'une part à l'entrée du sommateur et autre part à l'entrée du multiplieur.Dans ces conditions, l'amplifica- teur 18 délivre le signal A = r'c/rc , l'amplificateur 21 délivre rM cos sM le signal B = et l'amplificateur 24 délivre le si r'M cos sM gnal D = rc cos sc Les signaux B et D sont appliqués respectivement aux résolveurs 28 et 29 recevant par ailleurs un signal angulaire dg, écart en gisement de entrée 40, tandis que le signal A est appliqué à une entrée du sommateur 30 recevant sur son autre entrée le signal de sortie en cosinus du résolveur 29, soit D cosdg. L'autre sortie du résolveur 29 délivre le signal D sin dg. D'unc façon analogue, le résolveur 28 délivre sur une de ses sorties un signal B cos dg appliqué ensuite au sommateur 26 et sur son autre sortie un signal B sin dg appliqué à une entrée du multiplieur 34. Le sommateur 26 reçoit sur sa deuxième entrée marquée un signal de référence + 1 provenant de entrée 27 de sorte qu'il délivre vers le multiplieur 31 un signal E = I - B cosdg. Ce multiplieur 31 fait partie d'une boucle comprenant un amplificateur à grand gain 33 et un sommateur 32, recevant le signal de sortie du sommateur 30 soit U = D cos dg - A . L'amplificateur à grand gain 33 délivre un signal quotient des signaux appliqués à ltentrée de la boucle qui le comporte soit D cos dg - A r'M cos sM cos dg - r'e cos sc U/E = = = 1/tL si 1 - B cos dg rc cos sc - rM cos sM cos dg l'on compare ce résultat à celui donné par ltéquation (8). Cette valeur du temps restant avant collision, dans le plan lacet est appliquée au multiplieur 34 recevant, comme cela a été dit, par ailleurs le signal B sin dg.La sortie de ce multiplieur 34 B sin dg délivre le signal qui est appliqué à une entrée du tL sommateur 35 recevant sur son autre sntrée, le signal D sin dg délivré par le résolveur 29. Le sommateur 35 délivre alors le B sin dg signal F= - D sin dg soit en remplaçant les symboles tL B et D par leurs valeurs en fonctions des données d'entrée du dispositif. rM cos sM r'M cos sM F = - # x 1/tL + ) sin dg rc cos sc rc cos sc din dg = - (rM/tL + r'M) cos BM (7) c'est-à-dire rc cos sc que l'on obtient pour F la valeur de la vitesse de variation de l'écart dg' calculé Cette valeur dgl calculée est ensuite appliquée au sommateur 39 qui reçoit sur son autre entrée 38 la valeur de écart dg' mesurée par l'équipement. Ce sommateur réalise l'équation L = dg' calculée - dg' mesurée et le signal L est appliqué au multiplieur 36 recevant par ailleur 37 un signal représentant K.La sortie de ce multiplieur est alors un signal qui a la forme KL soit KL = - K (dg' calculée - dgr mesurée ) = - h (équation 6). Ainsi le dispositif qui vient autre décrit élabore l'ordre dtaccélération latérale en lacet L. La même figure peut Qtre utilisée pour élaborer 11 ordre d'accélération latérale en tangage nT. Il suffit de remplacer dans la description précédente des données s, g et n respectivenent par 1 , m et g , étant donné la symétrie existant entre les plans lacet et tangage. Dans cette figure 4 a été décrite une réalisation analogique. il est bien entendu que cette réalisation ne confère aucune limitation à la portée de l'invention qui peut être réalisée suivant les techniques digitales sans qutil soit besoin de donner des précisions supplémentaires. On a ainsi décrit dans ce qui précède un système de téléguidage d'un engin destiné à intercepter une cible, et faisant appel aux données délivrées par une antenne à balayage électronique. il est bien entendu que cette antenne n1 apporte pas de limitation à la portée de l'invention. De fait cette antenne peut titre remplacée par tout équipement de mesure capable de délivrer pour le moins à une cadence rapide les données concernant à la fois engin et la cible et qui sont nécessaires pour établir l'ordre dtaccelération latérale à imprimer à l'engin pour modifier sa route de collision avec la cible. REVENDICATIONS 1. Système de téléguidage dans lequel des données relatives à la distance et à la vitesse de deux mobiles devant se recontrer, soit un engin et une cible ainsi que leurs angles de gisement et de site respectivement sont délîvréespar un équipement électromagnétique, électroacoustique ou optoélectronique, données à partir desquelles sont élaborées les commandes d'accélération latérale à appliquer à 11 engin pour modifier sa route de façon qu'il rencontre la cible, caractérisé par le fait qu'un appareil de mesure de l'équipement de détection relevé instantanément et simultanément ou dans un laps de temps très court, les données radiales et angulaires de 11 engin et de la cible et plus particulière ment l'écart angulaire entre l'engin et la cible observé à partir de l'équipement de detection ainsi que la vitesse de variation dudit écart, la commande de pilotage à appliquer à l'engin pour modifier sa route de collision étant proportionnelle à la différence entre la vitesse de variation angulaire de l'écart mesurée et celle calculée. 2. Système de téléguidage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'appareil de mesure de l'équipement de détection est une antenne à balayage électronique. 3. Système de téléguidage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait quc l'appareil de mesure de l'équipement de détection est un sonar ou un lidar. 4. Système de téléguidage suivant les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le prolongement arrière de la route de collision suivie par 11 engin passe par l'appareil de mesure, en conditions stationnaires. 5. Système de téléguidage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que dans un plan, la vitesse de variation angulaire de l'écart entre 11 engin et cible est donnée par la formule suivante sin a rM a' = - ( + r'M) dans laquelle a est l'angle rc t entre les rayons vecteurs de l'engin et de la cible vu de llap- pareil de mesure, rXl la distance radar de l'engin à l'instant considéré, rc la distance radar de la cible à l'instant consi déré,r'M la dérivée de la distance radar de engin et t le temps restant calculé avant la collision de l'engin et de la cible. 6. Système de téléguidage suivant les revendications 1 et 5, caractérisé par le fait que dans l'espace, la commande de pilotage de l'engin proportionnelle à la différence des vitesses de variation angulaire mesurée et oalculée se fait indépendamment en lacet et en tangage. 7. Système de téléguidage suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que pour la commande de pilotage de lten gin en lacet, la vitesse de variation angulaire de l'écart entre engin et la cible est la vitesse de variation de l'écart en gisement donnés par la formule : - sin dg dgl (rM/tL + r'M) cos sM où rc et rM sont les rc cos sc distances radar de la cible et de l'engin respectivement, r'M la dérivée de la distance rM, SM l'angle de site de l'engin, gc l'angle de site de la cible, et tL le temps restant calculé jusqu'à la collision de l'engin et de la cible dans le plan lacet. 8. Système de téléguidage d'engin suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que pour la commande de pilotage de l'engin en tangage, la vitesse de variation angulaire de l'écart entre l'engin et la cible est la vitesse de variation de l'écart de l'angle x compris dans le plan vertical de référence entre l'intersection dudit plan vertical et du plan horizontal de référence et la projection sur ledit plan vertical du rayon vecteur de l'engin, ladite vitesse de variation étant donnée par la - sin dm formule dm' = (rM/tT + r'M) cos rc cos lc où 1M est l'angle compris entre le rayon vecteur de l'engin et sa projection sur le plan vertical de référence, lc le même angle relatif à la cible et tT le temps restant avant la collision de l'engin et de la cible dans le plan tangage. 9. Système de téléguidage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un radar doté dfune antenne à balayage électronique (1) ou d1un équipement de mesure équivalent fournit à un calculateur (2) des données relatives à la vitesse et à la distance d?un engin et d'une cible, à partir desquelles sont élaborées dans le dispositif (3) la variation de ltecart angulaire entre l'engin (M) et la cible (c )ainsi que la vitesse desdites variations, un dispositif d'élaboration des ordres (4) connecté au circuit d'élaboration précédent (3) délivrant à un dispositif d'émission des ordres (6) éventuellement à travers un dispositif de codage (5) les ordres de commande de l'accélération latérale en lacet (nI) et en tangage (n) à imprimer à l'engin pour qutil modifie sa route de collision. 10. Système de téléguidage suivant les revendications 5, 7, 8 et 9, caractérisé par le fait que le dispositif d'élaboration des ordres de commande d'accélération latérale est réalisé suivant des techniques analogiques et/ou digitales.