Brevet FR2164437A1 — publié le 19730803

La présente invention concerne un dispositif de repérage de l'orientation d'un objet, lequel peut être mobile ou immobile, par rapport à une direction de référence. L'orientation dudit objet est déterminée à l'aide de repères, au nombre minimal de deux, solidaires dudit objet. L'invention est particulièrement bien adaptée à l'orientation précise d'un aéronef par rapport à une référence géographique (nord géographique par exemple) ou topographique, ce qui permet alors d'orienter les diapositifs de navigation de l'aéronef. lesdits repères solidaires de l'aéronef sont avantageusement placés dans le plan vertical de symétrie de l'aéronef passant par la queue et la cabine de pilotage. les dispositifs connus d'orientation d'un objet par rapport à une direction de référence, telle que le nord géographique ou magnd- tique, utilisent soit des compas magnétiques, soit des gyroscopes étalon, appelés également gyroscopes de référence ou de transfert, calés sur une direction de référence. La précision des compas magné- tiques est généralement insuffisante et les gyroscopes demandent un temps assez long pour leur lancement, leur stabilisation, leur correction de dérive etc.Pour des objets immobiles, on peut également déterminer leur orientation par rapport à des repères dessinés sur le sol. C'est ainsi que l'orientation des instruments de navigation d'un aéronef avant son envol peut s'effectuer en amenant ledit aéronef sur des repères fixés au sol, mais cette manoeuvre est lente et difficile à réaliser avec précision. La présente invention propose un dispositif de repérage de lto- rientation d'un objet correspondant mieux que ceux de l'art antdrisr aux exigences de la pratique, notamment en ce que ledit objet peut autre indifféremment mobile ou immobile et en ce que ledit repérage peut être rapide, précis et simple. Â cette fin, l'invention propose un dispositif de repérage de l'orientation d'un objet pouvant autre mobile, caractérisé en ce qui comporte t - deux catadioptres séparés par une distance X et fixés sur ledit objet, la position de la droite joignant les centres des deux dits catadioptres étant connue par rapport à ladite orientation dudit objet. - deux miroirs tournants munis chacun d'un moteur pour les mettre en rotation, fixés sur un support rigide à ladite distance X l'un de l'autre et ayant leurs axes de rotation verticaux lorsque ledit sup- port est en position horizontale, - un séparateur de faisceau lumineux divisant le faisceau lumineux d'un laser en deux faisceaux secondaires sensiblement de même tintez sité, frappant chacun 11un desdits deux miroirs tournants et pouvant balayer par rotation desdits miroirs une zone comprenant lesdits deux catadioptres, ledit séparateur étant situé à égale distance des deux dits miroirs tournants, - des moyens pour déplacer ledit support rigide de façon à l'amener en position parallèle à la droite joignant lesdits catadioptres, le quadrilatère, ayant pour sommets lesdits miroirs tournants et lesdits catadioptres, étant un parallélogramme par ladite position parallèle, et - des moyens de mesure de la différence de longueur des deux côtés opposés dudit quadrilatère, lesdits côtés étant délimités chacun par l'un desdits miroirs tournants et l'un desdits catadioptres, ledit quadrilatère devenant un parallélogramme lorsque ladite différence est nulle et lesdits moyens de mesure commandant lesdits moyens pour déplacer ledit support rigide. L'intensité lumineuse dudit laser peut être continue ou modulée. Salivant un mode de réalisation de l'invention, lesdits miroirs tournants sont animés d'un mouvement de rotation uniforme pendant toute la durée du repérage de l'orientation de l'objet. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, ledit repérage s'effectue schématiquement en deux étapes successives : lesdits miroirs tournants sont tout d'abord animés d'un mouvement de rotation uniforme pendant la recherche des catadioptres, puis leur mouvement est asservi au déplacement éventuel des catadioptres pendant une deuxième étape du repérage (déterminAtion proprement dite de l'orientation de 11 objet). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation particuliers de l'invention donnés à titre d'exemples explicatifs, mais non limitatifs et adaptés à l'orientation des dispositifs de navigation d'un aéronef. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - les fig. la et lb montrent la position des deux catadioptres fixés sur un avion, pris ici pour ledit objet, dont on veut déterminer l'orientation, - les fig0 2a et 2b représentent schématiquement un mode de réalisation avantageux de l'invention, - la fig. 3 montre une partie d'un mode de réalisation de l'invention, - la fig. 4 représente un mode de réalisation d'un circuit de sécurité permettant un asservissement correct d'un miroir sur le catadioptre qui lui est affecté, et - la fig. 5 montre un sens de rotation avantageux des miroirs tournant. L'invention permet de repérer l'orientation d'un objet quelconque, mobile ou immobile, à l'aide d'un système optique. Pour ce faire, on fixe audit objet deux catadioptres, réflecteurs optiques tels qu'un rayon lumineux réfléchi est confondu avec le rayon lumi neux incident. Les centres des catadioptres sont alignés suivant une droite dont la position est bien déterminée par rapport à la direction à repérer dudit objet, ladite droite pouvant bien-entendu outre confondue avec ladite direction. Âfin de mieux faire comprendre la présent. invention, des exemples précis de mises en oeuvre de l'invention, destinés à repérer l'orientation d'un aéronef, et plus spécialement d'un avion, sont donnés ci-après. Sur les fig. la et lb qui représentent schématiquement un avion vu respectivement de profil et de dessus, l'orientation de l'avion 1 est contenue dans son plan de symétrie vertical et définie par sa direction de déplacement y'0 , yO . Comme il n'est pas possible de fixer les catadioptres 2 et 3 suivant l'axe y'0 , yO qui est la véritable orientation de l'avion, on les fixe suivant l'axe y' , y contenu dans le plan de symétrie vertical de l'avion, par exemple à proximité de la queue et de la cabine de pilotage. L'ang1eot formé par les axes y' , y et y , yO est une constante pour un avion déterminé et peut autre connu avec précision. D6termi- ner l'orientation réelle de l'avion revient donc à repérer ltorien- tation de y' , y Suivant la présente invention, le repérage de l'orientation de l'avion est effectué par un système optique. Sur les fig. 2a et 2b qui représentent schématiquement un mode de réalisation de l'invention, ledit système optique comporte un support rigide 4 sur lequel sont fixés deux miroirs tournants 5 et 6 entrains respectivement par les moteurs 7 et 8, la distance B entre lesdits miroirs étant égale à la distance L entre les deux catadioptres 2 et 3. Les miroirs 5 et 6 tournent autour des axes de rotation respectivement 9 et 10 passant par les centres des miroirs et parallèles entre eux. La position de ces deux axes 9 et 10 est telle qi'isont verticaux lorsque le support rigide 4 est horizontal. Ce dernier est mobile autour d'un axe Il, situé avantageusement mais non nécessairement à égale distance des deux axes 9 et 10, ledit axe il étant fixé sur un étrier 12 soutenu par une tige 13 s'appuyant sur un trépied 14 orientable grté à ses pieds coulissants et munis de vis calmantes 15. Le support rigide 4 peut autre orienté dans toutes les directions par des moyens de déplacement représentés sur la fig. 2b, laquelle est une coupe partielle perpendiculaire au plan de la fig. 2a.Ces moyens de déplacement sont constitués principalement, d'une part, d'un moteur 16 dont l'arbre 17 porte à son extrémité un engrenage couplé à un engrenage 18 fixé sur l'axe 11, ce qui permet les déplacements dans un plan vertical du support 4 autour de l'axe 11, et d'autre part, d'un moteur 19 dont le rotor est solidaire de la tige 13, ce qui permet les déplacements de l'axe 11 dans le plan horizon tal. D'autres moyens classiques pour déplacer les supports 4 et 12 dans toutes les directions peuvent etre utilisés. Un laser 21, fixé avantageusement sur un axe 20 perpendiculaire au support 4, émet un faisceau lumineux 22 sensiblement parallèle, lequel est divisé en deux faisceaux secondaires 23 et 24, sensiblement de même intensité, à l'aide d'un séparateur de faisceaux lumineux 25.Ce dernier, d'un type connu, formé par exemple de deux miroirs totalement réfléchissants ou semi-transparents disposés à 450 de l'axe 20 et de part et d'autre dudit axe, envoie les faisceaux secondaires 23 et 24 respectivement sur les miroirs tournants 5 et 6. Un trou est percé dans le support rigide 4 afin de laisser passer le faisceau lumineux 22. Des moyens, non représentés sur la fig. 2a, élargissent le faisceau lumineux 22 de façon à faciliter la recherche des catadioptres 2 et 3: pour ce faire, lesdits faisceaux secondaires 23 et 24 sont élargis dans une direction définie par un plan vertical lorsque le support 4 est horizontal. Ledit élargissement peut être réalisé par exemple à l'aide d'un système optique faisant diverger les faisceaux seoon- daires 23 et 24 uniquement dans la direction définie précédemment. Au cours de la rotation des miroirs 5 et 6, les faisceaux secondaires élargis 23 et 24 rencontrent les catadioptres 2 et 3, lesquels réfléchissent la lumière de telle sorte que les faisceaux incident et réfléchi sont confondus. Les faisceaux secondaires de retour sont alors à nouveau réfléchis par les miroirs puis reçus par des détecteurs photosensibles 26 et 27 placés de façon à ce que les distances "miroir 5 - détecteur 26* et "miroir 6 - détecteur 27" soient égales. Le principe de repérage de l'orientation de l'avion consiste à déplacer le support 4 jusqu'à ce que le quadrilatère, ayant pour sommets successifs le catadioptre 2, le catadioptre 3, le miroir 6 et le miroir 5, soit un parallélogramme. Il est équivalent de dire que les distances du catadioptre 2 au miroir 5 et du catadioptre 3 au miroir 6 sont égales puisque les distances "2 - an et "5 - 6" sont par construction toutes deux égales à L. Dans ce cas, le support 4 est parallèle à la droite passant par 2 et 3 et l'orientation de l'avion est déterminée par celle du support 4. Les méthodes utilisées pour détecter et rendre nulle la différence de longueurs des bras du quadrilatère formés par 2 et 5 et par 5 et 6 sont nombreuses. Toutes consistent à obtenir un signal, électrique de préférence, indiquant que la différence entre deux trajets optiques n'est pas nulle, lesdits trajets étant égaux à une constante prbs aux distances entre 2 et 5 et entre 3 et 6. A titre d'exemple, le faisceau laser 22 peut être ou non modulé en intensité et suivant une première méthode les miroirs 5 et 6 sont animés d'un mouvement de rotation uniforme pendant toute la durée du repérage de l'orientation de l'avion. En comparant la phase des signaux délivrés par les deux détecteurs 26 et 27, on peut obtenir un signal caractéristique de la différence de longueurs desdits bras du quadrilatère. Ledit signal auquel on associe éventuellement sa dérivée et son intégrale afin d'augmenter respectivement la stabilisation de l'asservissement et la précision de la mesure, commande ensuite lesdits moyens de déplacement du support 4 afin de rendre ce dernier parallèle à la droite joignant lesdits catadioptres. Suivant une autre méthode, les miroirs tournants 5 et 6 recherchent tout d'abord lesdits catadioptres, puis sont asservis au mouvement éventuel des catadioptres, l'asservissement se faisant en calant chaque miroir sur le maximum dtintensité lumineuse reçue par le détecteur associé audit miroir. Les signaux fournis alors antérieurement par les détecteurs sont ensuite démodulés.La comparaison de leurs phases donne un signal d'erreur appliqué auxdits moyens de déplacement du support 4, la dérivée de ce signal d'erreur donnant le sens de l'erreur. Les fig. 3 et 4 se rapportent à cette dernière méthode de détection. La fig. 3 représente schématiquement des moyens pour repérer ladite orientation et des moyens pour amener le support rigide 4 pa rallèle à l'orientation de l'avion. Les faisceaux limineux 28 et 29, réfléchis par les catadioptres respectivement 2 et 3, sont reçus par les détecteurs 26 et 27, lesquels fournissent à leur sortie des si gnsux électriques. Ces derniers sont démodulés par les démodulateurs 30 et 31, de façon à permettre la comparaison de leurs phases en grandeur et en signe.Un comparateur de phase 32 fournit à sa sortie un signal uniquement lorsque ledit quadrilatère n'est pas un paral lélogrnmme. Ce signal accompagné de sa dérivée générée par le ddri- vateur 32', après amplification par 33, commande la mise en marche des moyens de déplacement 34 du support 4, le signe de la dérivée indiquant le sens des déplacements à effectuer. Un codeur angulaire 35, dont le stator 36 est calé au Nord géographique par un chercheur de Nord 37, indique à sa sortie analogique ou numérique l'angle formé par le support rigide avec le Nord géographique.Le chercheur de Nord 37 peut être d'un type classique, par exemple du type décrit dans le brevet français 1.552.879 déposé le 21 août 1967 au nom de la Demanderesse, et ayant pour titre "Dispositif gyroscopique chercheur de Nord et dans son premier certificat d'addition nO 71/22.815 déposé le 23 juin 1971. L'indication fournie par 35 peut autre par exemple appliquée soit à l'entrée de moyens de télécommunication 38 qui communiquent à la radio de bord de l'avion son orientation précise, soit à l'entrée d'un modulateur 39 qui module l'intensité du faisceau laser 22 suivant un code prédéterminé, ladite modulation étant caractéristique de l'indication fournie par le codeur angulaire 35.Dans ce dernier cas, l'un des catadioptres 2 et 3 est muni de moyens de mesure de l'intensité du faisceau lumineux 22, lesdits moyens étant reliés à un dispositif de décodage qui indique ladite orientation de l'avion. Il est important que l'asservissement d'un miroir s'effectue sur le catadioptre qui lui est associé (catadioptre 2 ou 3 pour le miroir respectivement 5 ou 6) et non pas sur l'autre catadioptre. Il est donc nécessaire de disposer d'un circuit de sécurité, tel que représenté schématiquement sur la fig. 4, assurant un asservissement correct. Dans le circuit de la fig. 4, on impose aux miroirs 5 et 6 un sens de rotation inverse l'un de l'autre tel que représenté sur la fig. 5 par les flèches 40 et 41 : dans l'étape de recherche des catadioptres, chaque faisceau secondaire 23 ou 24 rencontre tout d'abord le catadioptre respectivement 3 ou 2 qui ne lui est pas as soucié, puis le catadioptre respectivement 2 ou 3 qui lui est associé. Les détecteurs 26 et 27 fournissent alors chacun un premier signal, puis un second, et les miroirs 5 et 6 ne sont asservis aux catadioptres que pour les deuxièmes signaux. Pour ce faire, à chaque détecteur 26 ou 27 est associé un compteur binaire 42 ou 43 connecté à la sortie du démodulateur 30 ou 31. Chaque compteur binaire 42 ou 45 autorise la mise en marche d'un circuit d'asservissement 44 ou 45 uniquement lorsqu'il a reçu deux impulsions successives. Ces circuit 44 et 45 reçoivent également la dérivée de l'amplitude du signal à travers les dérivateurs 30' et 31'. Dans ce cas seulement, les circuits 44 et 45 commandent les moteurs de rotation 7 et 8 des miroir 5 et 6.Dans le cas où la réalisation met en oeuvre la méthode qui consiste à faire tourner continuement les miroirs 5 et 6, on utilisera un semblable dispositif binaire pour ne retenir, en vue de la comparaison de phase, que les impulsions correspondant respectivement à l'éclairement du catadioptre 2 par le faisceau lumineux issu du miroir 5, et à ltéclairement du catadioptre 3 par le faisceau lumineux issu du miroir 6. De plus, dans le cas de la deuxième méthode, afin d'éviter toute erreur, le circuit possède une deuxième sécurité réalisée à l'aide des codeurs angulaires 46 et 47 couplés aux moteurs respectivement 7 et 8 et du comparateur angulaire 48. Cette deuxième sécurité est basée sur le fait que les miroirs 5 et 6 sont dans des plana perpendiculaires lorsque le support 4 est pa parallèle à la droite passant par les catadioptres 2 et 3. Lorsque les miroirs 5 et 6 sont perpendiculaires, le comparateur angulaire 48 fournit à sa sortie un signal de validation qui autorise le fonc tionnement des circuits d'asservissement 44 et 45. Lorsque les deux miroirs 5 et 6 ne sont pas perpendiculaires, le comparateur 48 remet systématiquement à zéro les deux compteurs binaires respectivement 42 et 43. Les miroirs 5 et 6 restent ainsi mus en recherche jusqu'à réalisation d'un passage en asservissement correct. La présente invention présente de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer le fait qu'il n'est pas nécessaire que l'avion soit immobile pour déterminer son orientation, que cette dernière est obtenue avec une précision qui peut être très élevée et qui est plus indépendante des conditions atmosphériques que tout système faisant appel à des mesures d'angles de direction de rayonnement luv mineux. De plus, l'appareillage nécessaire à bord de l'avion est trbs réduit tant en poids qu'en volume et toutes les opérations de calage des appareils de navigation embarqués peuvent se faire automatiquement, ce qui allège le travail du pilote et évite les risques d'erreur humaine. Outre l'application décrite précédemment et se rapportant au calage des instruments de navigation d'un aéronef, l'invention peut reoevoir de nombreuses autres applications parmi lesquelles ltorien, tation à distance des pièces d'artillerie, des fusées, d'éléments ou de sous-ensembles de génie militaire ou civil tels que travées de pont, poutres, tours, antennes radiodlectrituev etc. I1 va sans dire que la présente invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui a été représenté et déorit à titre dte- semple et que la portée du présent brevet s'étend également aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites, restant dans le cadre des équivalences, ainsi qu'à toutes applications de telles dispositions. RBVENDICA?IONS 1/ Dispositif de repérage de l'orientation d'un objet pouvant être mobile, caractérisé en ce qu'il comporte - deux catadioptres séparés par une distance L et fixés sur ledit objet, la position de la droite joignant les centres des deux dits catadioptres étant connue par rapport à ladite orientation dudit objet, - deux miroirs tournants munis chacun d'un moteur pour les mettre en rotation, fixés sur un support rigide à ladite distance L l'un de l'autre et ayant leurs axes de rotation verticaux lorsque ledit support est en position horizontale, - un séparateur de faisceau lumineux divisant le faisceau lumineux d'un laser en deux faisceaux secondaires sensiblement de même intensité, frappant chacun l'un desdits deux miroirs tournants et pouvant balayer par rotation desdits miroirs une zone comprenant lesdits deux catadioptres, ledit séparateur étant situé à égale distance des deux dits miroirs tournants, - des moyens pour déplacer ledit support rigide de façon à l'amener en position parallèle à la droite joignant lesdits catadioptres, le quadrilatère, ayant pour sommets lesdits miroirs tournants et lesdits catadioptres, étant un parallélogramme par ladite position pa parallèle, et - des moyens de mesure de la différence de longueur des deux cotés opposés dudit quadrilatère, lesdits côtés étant délimités chacun par l'un desdits miroirs tournants et l'un desdits catadioptres, ledit quadrilatère devenant un parallélogramme lorsque ladite différence est nulle et lesdits moyens de mesure commandant lesdits moyens pour déplacer ledit support rigide. 2/ Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour élargir ledit faisceau lumineux, dans un plan vertical lorsque ledit support est horizontal. 3/ Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comportent deux détecteurs photosensibles, chacun d'eux étant affecté à l'un desdits deux miroirs tournants et pouvant recevoir par l'intermédiaire du miroir tournant auquel il est affecté le faisceau lumineux secondaire réels chi par l'un desdits deux catadioptres, lesdits détecteurs étant situés à la même distance de leurs miroirs auxquels il sont affectés. 4/ Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour moduler ledit faisceau lumineux émis par ledit laser et en ce que lesdits moyens de mesure comportent un comparateur de phase des signaux issus desdits détecteurs, le signal de sortie dudit comparateur et sa dérivée commandant-lesdits moyens de déplacement dudit support rigide. 5/ Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les vitesses de rotation desdits miroirs tournants sont égales et uniformes. 6/ Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que chacun desdits miroirs est muni d'un dispositif d'asservissement du mouvement dudit catadioptre qui lui est affecté, lesdits moyens de mesure comportant un circuit de démodulation et de dérivation placé à la sortie de chacun desdits détecteurs, les signaux démodulés étant ensuite comparés en phase dans ledit comparateur, le signal de comparaison étant lui aussi dérivé. 7/ Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de sécurité permettant d'éviter l'asservissement de chacun desdits miroirs avec le catadioptre auquel il n'est pas affecté, ledit circuit de sécurité comportant un dispositif de mesure de l'angle de rotation de chacun desdits miroirs, un circuit de comparaison recevant sur ses deux entrées les informations fournies par lesdits dispositifs de mesure, le signal de sortie dudit circuit de comparaison commandant la mise en rotation des miroirs en cas d'asservissement sur une position relative incorrecte des miroirs et des catadioptres. 8/ Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé en ce que lesdits miroirs ont un mouvement de rotation de sens inverse l'un de l'autre, de façon à ce que le faisceau secondaire réfléchi par l'un desdits miroirs rencontre tout d'abord le catadioptre non affecté audit miroir et en ce que ledit circuit de sécurité comporte un compteur binaire associé à chacun des deux circuits de démodulation et de dérivation, chaque compteur binaire autorisant ou non la commande de l'un des deux dits circuits d'asservissement. 9/ Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un codeur angulaire couplé auxdits moyens de déplacement dudit support rigide, ledit codeur fournissant à sa sortie un signal représentatif de l'orientation dudit support rigide, donc dudit objet, lorsque ledit quadrilatère est un parallélogramme, par rapport à une orientation de référence. 10/ Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de communication audit objet dudit signal de sortie dudit codeur angulaire. 11/ Dispositif suivant la revendication 10 caractérisé en ce que lesdits moyens de communication comprennent notamment un émst- teur d'ondes hertziennes, ledit objet étant muni d'un récepteur desdites onde. 12/ Dispositif suivant la revendication 10 caractérisé en ce que lesdits moyens de communication comprennent un modulateur de l'intensité dudit faisceau lumineux émis par ledit laser, au moins l'un deadits catadioptres étant muni d'un récepteur du faisceau mo dulie et d'un décodeur des informations représentées par la modulation de ladite intensité lumineuse. 13/ Application dudit dispositif décrit à l'une des revendica tisons précédentes à l'orientation des dispositifs de navigation des aéronefs.