Brevet FR2236190A1 — publié le 19750131

La présente invention concerne un dispositif permettant l'alignement initial en cap d'un avion mettant en oeuvre un codeur selon la demande de brevet n" -72 25589 déposée le- 13 juillet 1972 par la demanderesse et dont la présente demande est une division. La demande de brevet précitée est caractérisée par le fait qu'elle comprend en combinaison - un support rigide, notamment un disque magnétique, apte à tourner autour d'un axe, autour duquel doit être mesuré le déplacement angulaire, support portant, d'une part, une première piste circulaire centrée sur ledit axe et comportant un certain nombre de 1,marques1, de position, régulièrement espacées angulairement et, d'autre part, une seconde "piste" comportant une seule marque repère; - une première et une seconde tête de lecture notamment de lecture magnétique7 disposée respectivement en regard de la première et de la seconde piste, afin de lire chacune les marques inscrites sur la piste correspondante; - des moyens pour amplifier et détecter les signaux émis respectivement par la première et la seconde tête, lors du passage de chaque tête devant une marque;; - et un compteur comptant les signaux amplifiés et détectés en provenance de la première tête, ledit compteur étant remis automatiquement à zéro par un signal amplifié et détecté en provenance de la seconde tete. Le dispositif d'alignement initial en cap d'un avion, objet de l'invention, est caractérisé par le fait qu'il comprend en combinaison d'une part au sol, - un codeur angulaire du type précité, - des moyens pour faire tourner en rotation, à une vitesse relativement constante, le support rigide dudit codeur, - un émetteur d'un faisceau lumineux sensiblement parallèle à faible divergence, notamment un laser, - des moyens à miroir tournant solidaires en rotation du support rigide dudit codeur, - des moyens pour constater le retour sur lui-même du faisceau optique, réfléchi par lesdits moyens à miroir -tournant, à la suite de sa réflexion sur l'avion-; - des moyens pour provoquer la lecture du compteur que com porte ledit codeur, - un émetteur apte à émettre un signal, représentatif de la lecture dudit compteur, vers l'avion;; d'autre part dans l'avion, - un élément réfléchissant aligné suivant la ligne de foi de l'avion et visible de l'extérieur de celui-ci, - un récepteur apte à recevoir les signaux émis par ledit émetteur, - un élément électronique de connexion apte à transformer les signaux reçus par ledit récepteur en signaux, représentatifs de l'angle de l'alignement de l'avion, directement utilisables dans le calculateur de bord de l'avion. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1, de ces dessins, représente schématiquement un mode de réalisation d'un codeur angulaire selon la demande précitée, les moyens électroniques y étant illustrés sous forme de blocs fonctionnels. La figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif d'alignement initial en cap d'un avion, selon l'invention, les moyens électroniques étant également représentés sous la forme de blocs fonctionnels. La figure 3, enfin, est un schéma montrant comment est effectuée la détermination au sol de l'angle de cap de l'avion. Selon l'invention, et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un dispositif d'alignement initial en cap d'un avion mettant en oeuvre un tel codeur, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. En ce qui concerne tout d'abord le codeur et en se référant à la figure 1 annexée, on voit que celui-ci comprend en premier lieu un support tournant à deux pistes, qui est avantageusement constitué par un disque magnétique 1. Dans le mode de réalisation préféré, ce disque est réalisé en aluminium et il est revêtu d'un alliage magnétique à base de cobalt tel qu'un alliage nickelcobalt-phosphore déposé par voie électrolytique sur une sous couche de cuivre. Sur ce disque 1 sont prévues deux pistes circulaires concentriques 2 et 3, le centre 4 de ces-pistes circulaires étant dis- posé sur l'axe de rotation du disque 1. La piste 2 est en fait constituée par une succession de marques ou points d'inscription qui sont disposés à égale distance l'un de Itautre de manière que deux marques successives forment avec le centre 4 un même angle au centre. Quant à la piste 3, elle ne comporte qu'une seule marque ou point d'inscription. La piste 2 constitue la piste d'information, tandis que la piste 3 constitue la piste de synchronisation. Avec chacune des pistes 2 et 3 'coopère une tête de lecture, en particulier une tête de lecture magnétique 5 et 6, la tête 5 étant appelée tête d'information et la tete 6 tête de synchronistation Un moteur non représenté entraîne à vitesse constante le disque 1. Dans ces conditions la tête d'information 5 voit défiler devant elle les marques successives de la piste d'information 2, tandis que la tête de synchronisation 6 ne voit passer à chaque tour de disque, qu'une seule marque, à savoir la marque figurant sur la piste de synchronisation 3 qui est la marque d'origine des angles.On voit donc que pour un angle de rotation donné à partir de l'origine des angles, la tête d'information fera défiler devant elle un nombre de marques sur la piste d'in- formation 2 strictement proportionnel à l'angle de rotation du disque 1 autour de son axe dont la trace est en 4 (étant donné l'équidistance des marques sur la piste 2), tandis que la tête 6 n'aura vu passer à l'instant d'origine que la marque unique de la piste 3 (qui se trouve en regard d'une des marques de la pis te 2). Chaque marqué sur la piste 2 et sur la piste 3 est constituée par une transition magnétique provoquée par la tête correspondante lors de l'inscription, les têtes 5 et 6 étant à la fois des têtes de lecture et d'inscription. L'inversion du sens du courant dans les têtes lors de l'inscription définit la transition magnétique par changement du sens de l'induction magnétique à chaque point marqué. L'ensemble électronique 7 traitant les signaux "lus" par les têtes d'information 5 et de synchronisation 6 comporte deux amplificateurs de lecture 8 et 9, pour les signaux lus par les têtes 5 et 6 respectivement, deux détecteurs 13 et Il pour les transitions de courant produites dans les têtes 5 et 6 par les marques et amplifiées par les amplificateurs 8 et 9 respective -ment, et enfin un compteur 12 dont l'entrée de comptage 13 reçoit les impulsions sortant du détecteur 1Q et dont l'entrée de remise à zéro 14 est connectée à la sortie du détecteur de transition 11. A chaque marque lue par la tête d'information 5, le détecteur 10 débite une impulsion qui est comptée dans le compteur 12 totalisant le nombre d'impulsions ainsi reçues sur son entrée de comptage 13; lors du passage devant la tête 6 de la marque unique de synchronisation de la piste 3, le détecteur Il débite une impulsion de synchronisation qui remet à zéro le compteur 12.De ce fait ce compteur débite sur sa sortie 15 un signal qui représente le nombre d'impulsions reçues par le compteur 12 depuis sa dernière remise à zéro, c'est-à-dire égal au nombre de marques ayant défilé devant la tête d'information 5 depuis le passage de la marque de la piste de synchronisation 3 devant la tete 6; par conséquent le signal débité-sur la sortie 15 du compteur 12 représente l'angle de rotation du disque 1 à partir d'un axe d'origine matérialisé par la marque de synchronisation sur la piste 3. La précision du codeùr de la figure 1 dépend directement de la régularité géométrique des espacements entre les marques de la piste 2, mais ne dépend pas, par contre, de la constance de la vitesse de rotation de ce disque en cours d'utilisation. L'inscription des marques ou transitions magnétiques doit donc être effectuée avec soin au moyen de la tête 5 fonctionnant en tête d'inscription. Pour ce faire on doit faire tourner le disque 1 à une vitesse constante et commander l'inscription à une succession d'intervalles de temps très réguliers, c'est-à-dire en commandant la tête magnétique avec une fréquence stable et connue. Si l'on craint que la variation de vitesse de rotation du disque 1, lors de l'écriture, ne soit pas compatible avec la précision recherchée, on peut effectuer l'écriture en deux temps, en inscrivant d'abord quelques transitions de référence sur le disque 1 posi tionné au moyen d'un diviseur mécanique et en inscrivant ensuite les transitions intermédiaires dans chacun des secteurs compris entre deux transitions de référence successives, le nombre, et donc la longueur, de ces secteurs étant choisi tel que la vites -se de rotation du disque puisse y être considérée comme constante pour la précision recherchée. La résolution du codeur de la figure 1 dépend directement du nombre N de transitions, c'est-à-dire de marques sur la piste 2. La résolution en degrés d'angle est de 360/N et en minutes d'arc de R = 360 x 60 21.600 d'arc de R = N = N Le diamètre du disque 1 dépend, d'une part, de la résolution R et de la précision recherchée et, d'autre part, de la densité d'informations, c'est-à-dire du nombre de marques, par centimètre linéaire admissible par le revêtement magnétique du disque.Si l'on veut une précision de l'ordre de 20" d'arc et une densité de l'ordre de 1000 bits par centimètre, on aura recours à des disques ayant des diamètres de l'ordre de 250 à 300 mm, la piste 2 devant avoir une résolution de R = 0 > 3, ce qui entraîne que 21.600 N = 2to630 = 720000; avec une densité de 1000 bits par centimètre, cela donne pour la périphérie de la piste 2 une valeur 72.000/1000 = 72 cm ou 720 mm, soit un diamètre de 720/s = 235 mm environ. Le disque 1 peut être entrai né à une vitesse sensiblement constante de 1500 à 3000 tours/minutes au moyen d'un moteur monophasé consommant environ 400 VA. Quant aux têtes magnétiques 5 et 6 d'inscription et de lecture, elles peuvent être montées chacune sur un patin qui peut être par exemple - soit maintenu sans contact à une distance de l'ordre de 1 à 2 de la surface du disque par flottaison aérostatique ou aérodynamique, - soit appliqué sur le disque avec une force contrôlée; dans ce dernier cas le frottement est réduit par un film protecteur en matériau métallique, céramique ou lubrifiant. Si nécessaire on peut, en vue d'améliorer la précision, réaliser, à la lecture, une interpolation électronique entre deux transitions successives, de manière à déterminer des fractions de l'angle au centre compris entre deux marques successives. On va décrire maintenant un dispositif d'alignement en cap initial des avions mettant en oeuvre le codeur rapide à disque magnétique de la figure 1, et ceci avec référence aux figures 2 et 3. Le dispositif d'alignement comprend d'abord une source émettant un faisceau lumineux sensiblement parallèle à faible divergence, constitué notamment par un laser helium-néon 16 émettant le faisceau 17. Ce faisceau 17 traverse la portion centrale dépolie 18 d'un miroir 19, attaqué à l'envers, puis se réfléchit sur le miroir 20 porté par le disque 1 d'un codeur selon a figure 1. Le faisceau réfléchi 21 est renvoyé par un élément réflecteur 22, constitué de préférence par un prisme à réflexion totale, aligné selon l'axe de foi 23 de l'avion 24 et visible de l'extérieur dudit avion. On a représenté en 25 le faisceau lumineux renvoyé par l'élément réflecteur 22. Ce faisceau 25 se réfléchit sur le miroir 20 et frappe le miroir 19. Du fait de la divergence, quoique faible, du faisceau émis par le laser 16, le diamètre du faisceau réfléchi 26 est supérieur à celui du faisceau d'origine 17 au niveau du miroir 19 et de ce fait ce miroir renvoie une partie du faisceau 26 en tant que faisceau 27. En fait le faisceau 26 ntat- teint le miroir-19 que s'il y a auto-collimation, c'est-à-dire lorsque le faisceau 21 est renvoyé sensiblement sur lui-même en tant que faisceau 25. Donc en cas d'auto-collimation, il existe un faisceau réfléchi 27 qui est concentré par un système optique 28 sur l'élément sensible 29 d'un détecteur de radiations 30. En particulier le détecteur 30 peut être constitué par un photomultiplicateur dont 29 constitue la photocathode. A la sortie 31 du détecteur ou photomultiplicateur 30 on a un signal électrique chaque fois qu'il y a auto-collimation. Ce signal 30 est appliqué, d'une part, au registre 32 afin d'en provoquer la lecture et, d'autre part, à l'émetteur 33, afin de provoquer l'émission par celui-ci du signal lu dans le registre 32 dont la sortie est également envoyée à l'émetteur 33. Le registre 32 lit la position angulaire du disque 1 (c'est en fait le compteur 12 de la figure 1). Par conséquent, en cas d'auto-collimationss l'émetteur 33 émet un signal eprésentatif de angle de rotation du disque 1 et donc du miroir 20 par rapport à une origine des angles. Tout l'ensemble qui se trouve à l'intérieur du rectangle 34 se trouve à terre. Dans l'avion 24, en plus de l'élément réflecteur 22, on a prévu un récepteur 35 qui reçoit le signal en provenance de l'émetteur 33, notamment sous forme d'un signal binaire, c'està-dire d'une succession dtimpulsions représentant l'angle de rotation du miroir 20, sous forme série. L'avion 24 comporte également un dispositif d'interface 36 qui convertit la sortie du récepteur 35 en un signal apte à être utilisé par le calculateur de bord 37 que comporte l'avion 34.Par exemple le dispositif 36 comprend une mémoire tampon pour stocker l'information en provenance du récepteur 35 et éventuellement un convertisseur, notamment un convertisseur série parallèle si le calculateur 37 fonctionne en parallèle, tandis que la transmission depuis lté- metteur 33 se fait en série. En-ce qui concerne l'auto-collimation, on se réfère maintenant à la figure 3 sur laquelle on a représenté entre A et B le parcours de l'avion au sol, le point P étant centre du miroir 22 porté par l'avion dans une position donnée de ce dernier. C'est le centre de rotation du support tournant l du codeur (c'est en fait le point 4 de la figure 1). Les directions E et N représentent respectivement l'Est et le Nord. En cas d'auto-collimation le rayon C P revient sur lui-même, l'angle C P D étant un angle droit comme représenté. De même l'angle E C D est un angle droit du fait que la droite N D est alignée Nord-Sud perpendiculairement à la droite C E alignée Est-Ouest. De ce fait les angles V D C, d'une part, et P C E, d'autre part, sont égaux (ils sont marqués p sur la figure 3) car leurs côtés sont perpendiculaires entre eux. L'angle que l'on désire effectivement mesurer et transmettre à l'avion est l'angle C D V d'alignement initial en cap par rapport au Nord; il est egal à l'angle (N C P) à un angle droit près. Il suffit donc soit de retrancher la valeur d'un angle droit de la valeur mesurée par le codeur à partir de la direction Nord, soit plus simplement de mesurer directement la position du codeur à partir de la direction de l'Est (angle ss en E C P). Pour qu'une collimation soit toujours possible, il est nécessaire qu'entre deux passages successifs du rayon laser C P qui tourne à la vitesse angulaire w, y la la longueur du prisme 22 soit supérieure au déplacement de ce prisme entraîné par l'avion. En appelant v la vitesse de l'avion en mètres par seconde dt l'intervalle de temps entre deux passages successifs du rayon laser en P, et e la longueur du prisme, on doit avoir la relation (1) e?vdt. Or dt est égal à l'inverse du produit pn, en appelant n le nombre de tours par seconde que fait le rayon laser et p le nom bre de miroirs que porte le support 1 (sur la figure 2 on a représenté un seul miroir 20, mais on peut prévoir plusieurs miroirs tournant avec le support 1, par exemple deux miroirs opposés ou quatre miroirs disposés en carré). En remplaçant.dt par sa valeur rn dans l'inégalité (1), on a (2) e # v . pn En prenant pour v la valeur de 15 m/s (54 km/h) et n = 50 (50 tours par seconde soit 3000 tours par minute) l'inégalité (2) devient (3) e # 15 que l'on peut simplifier en (4) e # 0,3, soit 30 . en centimètres (5) e # p Pour différentes valeurs de p (nombre de miroirs), on a pour p = 1 : d # 30 cm pour p = 2 : 15 cm pour p = 4 : -7,5 cm. On voit donc qu'un prisme 22 de 7,5 cm est suffisant si on prévoit un miroir à quatre faces à la place du miroir -simple 20 de la figure 2 sur le support 1. Pour déterminer la direction du Nord ou de l'Est dans laquelle sera placée à l'origine la marque unique de la piste de synchronisation 3 du codeur, on peut prévoir par exemple un chercheur de Nord gyroscopique, un dispositif de visée optique ou un gyroscope de transfert. La précision de la mesure est de l'ordre de deux minutes d'arc ou mieux, la durée de la mesure de deux microsecondes ou moins et la duree de transmission à l'avion au plus égale à une milliseconde. L'avion peut comporter un dispositif, par exemple à signal lumineux, avertissant le pilote que l'alignement en cap a été effectué par le dispositif selon l'invention. Le pilote pourra, à partir de cet instant, donner à l'avion une vitesse supérieure à la valeur v satisfaisant l'inégalité (2). Quant à la mesure, elle peut être déclenchée automatiquement par la tour de contrôle à chaque départ de l'avion. Le codeur rapide permet une très grande précision de la mesure des angles de rotation avec transmission de cette mesure, notamment sous forme numérique. L'invention réalise un dispositif d'alignement initial en cap pour avions qui est entièrement automatique, sans intervention humaine, et nécessitant à bord dé l'avion un matériel très limité (élément réfléchissant et élément de connexion ou d'inter face) et au sol un équipement de petite dimension pouvant être facilement installé sur un véhicule pour utilisation sur un terrain même non préparé. L'erreur sur la détermination du cap peut être inférieure à deux minutes d'arc. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation, de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alignement initial en cap d'un avion, caractérisé par le fait qu'il comprend en combinaison d'une part au sol - un codeur angulaire comprenant en combinaison un support rigide, notamment un disque magnétique, apte à tourner autour d'un axe, autour duquel doit être mesuré le déplacement angulaire, support portant, d'une part, une première piste circulaire centrée sur ledit axe et comportant un certain nombre de "marques" de position, régulièrement espacées angulairement et, d'autre part, une seconde "piste" comportant une seule marque repère; une première et une seconde tête de lecture, notamment de lecture magnétique, disposées respectivement en regard de la première et de la seconde piste, afin de lire chacune les marques inscrites sur la piste correspondante; des moyens pour amplifier et détecter les signaux émis respectivement par la première et la seconde tête, lors du passage de chaque tête devant-une marque; et un compteur comptant les signaux amplifiés et détectés en provenance de la première tête, ledit compteur étant remis automatiquement à zéro par un signal amplifié et détecté en provenance de la seconde tête; - des moyens pour faire tourner en rotation, à une vitesse relativement constante, le support rigide dudit codeur; - un émetteur d'un faisceau lumineux-sensiblement parallèle à faible divergence, notamment un laser; - des moyens à miroir tournant solidaires en rotation du support rigide dudit codeur; - des moyens pour constater le retour sur lui-même du faisceau optique, réfléchi par lesdits moyens à miroir tournant, à la suite de sa réflexion sur l'avion;; - des moyens pour provoquer la lecture du compteur que comporte ledit codeur; - un émetteur apte à émettre un signal, représentatif de la lecture dudit compteur; vers l'avion; d'autre part dans l'avion - un élément réfléchissant aligné suivant la ligne de foi de l'avion et visible de l'extérieur de celui-ci; - un récepteur apte à recevoir les signaux émis par ledit émetteur; - un élément électronique de connexion apte à transformer les signaux reçus par ledit récepteur en signaux, représen statifs de l'angle de l'alignement de l'avion, directement utilisables dans le calculateur de bord de l'avion. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le laser est un laser hélium-néon. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les moyens à miroir tournant comportent un ensemble de plusieurs miroirs qui tourne en même temps que le support rigide du codeur. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que les moyens pour constater le retour sur lui-même du faisceau optique comportent un miroir ou élément réfléchissant analogue dont la zone centrale est traversée depuis l'arrière par le faisceau laser incident avant sa réflexion sur lesdits moyens à miroir, le faisceau résultant de la réflexion sur 11 avion étant reçu et réfléchi par ledit miroir ou élément réfléchissant analogue en cas d'auto-collimation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractéri-sé par le fait que la lecture du compteur est effectuée sous forme numérique et que l'émetteur émet un signal numérique représentatif de la lecture dudit compteur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le récepteur reçoit des signaux numériques et que l'élément électronique de connexion comprend des moyens pour stocker temporairement les signaux numériques captés par le récepteur et des moyens pour convertir ces signaux numériques stockés temporairement en des signaux directement utilisables dans le calculateur de bord de l'avion. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par lofait que l'élément réfléchissant aligné suivant la ligne de foi de l'avion est un prisme à réflexion totale dont la largeur est supérieure à v/pn, en appelant v la vitesse del'avion au moment de l'alignement > p le nombre de miroirs des moyens à miroir tournant et n le nombre de tours par seconde du support tournant du codeur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que, dans le codeur, les deux têtes de lecture sont deux têtes magnétiques réalisant non seule ment la lecture, mais également l'inscription des marques. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait quelle codeur comporte des moyéns pour lire sous forme numérique le contenu du compteur.