Brevet FR2343224A1 — publié le 19770930

La présente invention est relative aux centrales de cap et de verticale destinées notamment à l'aéronautique; elle concerne plus spécialement l'asservissement-à la verticale de la plateforme ou coeur d'une telle centrale On sait qu'une telle centrale a pour mission de fournir au pilote, humain ou automatique, les indications d'assiette (c'est- à-dire les indications de déviation par rapport au plan horizontal, décomposées classiquement en roulis et tangage) et de cap (ou direction par rapport au Nord géographique). Une telle centrale doit matérialiser un trièdre trirectangle avec un axe maintenu vertical, par rapport auquel est déterminée l'assiette, un premier axe horizontal maintenu suivant une direction déterminée (par exemple suivant-le Nord géographique) par rapport auquel est déterminé le cap, le plan de la plate-forme devant donc tre -perpendiculaire à cet axe vertical et contenir l'axe dirigé suivant cette direction déterminée, et enfin un second axe horizontal perpendiculaire aux deux axes précédents. A-ltheure actuelle, on connaît plusieurs types de centrales, notamment - les centrales à inertie comportant des gyroscopes permettant de déterminer l'orientation, et des accéléromètres et une calculatrice numérique permettant de déterminer par double intégration le chemin parcouru; leur période d'oscillation propre, qui est égale à 84 minutes 20 secondes environ (période dite de Schüler), leur confère d'excellentes performances, notamment en ce qui concerne l'assiette et le cap; toutefois ces centrales sont très coûteuses; - les centrales ou plate-formes à érection contrôlée plus simples que les centrales à inertie, car elles ne font que conserver la verticale et un cap (par exemple le Nord géographique) sans déterminer le point par calcul du chemin parcouru; ce sont en fait des plate-formes stabilisées asservies à rester de niveau indépendamment des mouvements du véhicule porteur (notamment de l'avion); si ces centrales ou plate-formes sont assez économiques pour pouvoir etre utilisées dans l'aéronautique, elles n'ont pas toutefois une précision suffisante, à moins d'être pourvues d'une aide tachymétrique fournissant une valeur précise de la vitesse, aide constituée généralement par une centrale aérodynamique (ané- momètre corrigé ou radar à effet Doppler dans le cas d'un avion) ce qui augmente le prix de revient et diminue la sécurité de l'information, car cette dernière dépend de plusieurs équipements La présente invention a pour but de réaliser une centrale de cap et de verticale du type plate-forme de Schüler, de grande précision mais de coût limité, car ne faisant appel ni à une aide tachymétrique, ni à la technique de la navigation par inertie Une centrale de cap et de verticale selon l'invention comprend, à la manière connue,comme une plate-forme de Schüler classique, un coeur ou plate-forme stable qui porte trois gyroscopes qui sont isolés du mouvement du véhicule porteur, tel qu'un avion, grâce à un montage à cardans et dont les axes de rotation sont disposés suivant un trièdre trirectangle, dont un axe est à maintenir vertical et les deux autres horizontaux grâce à des asservissements de position suivant chaque axe, et deux accéléromètres (ou un accéléromètre double) suivant les deux axes hori zontaux, avec deux boucles d'asservissement à la verticale, savoir une de chaque accéléromètre associé à un axe horizontal vers le gyroscope associé à l'autre axe horizontal, chaque boucle comportant, à la sortie de l'accéléromètre, des moyens compensant la vitesse de rotation relative du véhicule porteur par rapport à la Terre et la rotation de la Terre, ainsi que la dérive propre du gyroscope associé, ces moyens, qui comportent entre autres un intégrateur pour déterminer la vitesse relative du véhicule par intégration de l'accélération déterminée par l'accéléromètre, tendant à maintenir la plate-forme stable perpendiculaire à la verticale locale, et elle est caractérisée par le fait qu'elle comprend un système d'amortissement disposé en parallèle sur l'intégrateur et qui est saturé pour les fortes valeurs de l'accélération du véhicule porteur. On compense ainsi automatiquement en vol l'évolution de la rotation de la Terre et 1a dérive propre des gyroscopes (la vitesse relative étant déjà compensée dans une plate-forme de Schüler classique), d'où une réduction des erreurs de maintien dans le plan horizontal de la plate-forme selon l'invention : en particulier on peut réduire à 0,5 l'erreur d'horizontalité dans les plus sévères conditions d'accélération, et cela quelle que soit la durée du vol. 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. Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement, respectivement en perspective et en élévation, les éléments essentiels d'une plate-forme de Schüler à laquelle on peut appliquer les perfectionnements selon l'invention. La figure 3 représente, sous forme de blocs fonctionnels, une boucle d'asservissement accéléromètre-gyroscope, dans le cas d'une centrale de cap et de verticale d'un type connu. La figure 4 représente, sous forme de blocs fonctionnels, une boucle d'asservissement accéléromètre-gyroscope, dans le cas d'une centrale de cap et de verticale dotée des perfectionnements selon l'invention. La figure 5 illustre un mode de réalisation du système d'amortissement avec saturation, caractéristique de la boucle d'asservissement de lafigure 4. La figure 6, enfin, représente la variation de l'amortissement, porté en ordonnées, en fonction de l'accélération, portée en abscisses. 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, d'établir une centrale de cap et de verticale, notamment pour avions, de grande précision et de coût relativement réduit, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue Référence étant d'abord faite aux figures 1 et 2, on rappelle qu'une centrale de Schüler à laquelle on peut appliquer l'invention comporte - un coeur ou plate-forme 1 constituant l'élément stable (en fait à stabiliser) de la centrale; cette plate-forme 1 doit être maintenue horizontale et constituer ainsi "l'horizon artificiel" de la centrale; - trois gyroscopes 2x, 2y, 2z, à un degré de liberté avec leurs axes disposés suivant les trois axes X, Y, Z d'un trièdre trirectangle, Z étant destiné à & re maintenu suivant la direction de la verticale locale et donc X et Y à être maintenus horizontaux suivant des directions fixes (X peut par exemple & re destiné à etre aligné suivant la direction du Nord géographique);; - deux accéléromètres dont les axes sont dirigés suivant les directions orthogonales X et Y ou bien, comme représenté sur les figures 1 et 2, un accéléromètre double 3 fournissant les composantes rX et Yy de l'accélération suivant les axes X et Y (on notera que tant que X et Y sont horizontaux l'accélération de la pesanteur n'intervient pas, mais que, par contre, lorsque la plate-forme fait un angle a avec l'horizontale, l'accélération de la pesanteur g intervient par un facteur g sin a assimilable à ag lorsque a est petit);; - un système d'anneaux de cardan 4, 5, 6 articulés en 7, 8, 9, 10 (savoir un système 7 pour rotation autour de l'axe Z, un système 10 pour. rotation autour de l'axe Y et deux systèmes 8 et 9 pour rotation intérieure et extérieure autour de l'axe X), assurant l'isolement de la plate-forme stable 1 des mouvements de l'avion dont des portions de paroi sont représentées en Il (il s'agit d'une plate-forme "4 axes" de type: connu, ne comportant pas de véritable axe interdit, ce qui assure le fonctionnement de la centrale pour toutes les évolutions de l'avion); - un résolveur (ou détecteur d'écart) 12 de coordonnées recevant des gyroscopes 2x et 2y (par 12x et 12y) les tensions d'erreur délivrées par ceux-ci et débitant sur ses sorties 12a et 12b les tensions d'erreur des asservissements en roulis intérieur vers l'amplificateur 22 et le moteur 18 et tangage vers l'amplificateur 23 et le moteur 19, tandis que le gyroscope 2z délivre directement sa tension d'erreur d'asservissement en azimuth vers l'amplificateur 20 et le moteur 16; - un résolveur ou détecteur de roulis intérieur 13 délivre sa tension d'erreur d'asservissement en roulis extérieur vers l'amplificateur 21 et le moteur 17;; - trois rësolveurs 14, 15, 15a pour les trois coordonnées (le résolveur 15a étant par exemple le résolveur de cap); - enfin deux channes ou boucles d'asservissement à la verticale, l'une pour l'axe X et l'autre pour l'axe Y, représentées sur les figures 1 et 2 par les boucles 24 et 25 entre l'accéléromètre double 3 et les gyroscopes 2x et 2y respectivement. Sur la plate-forme 1, les moteurs couples (non représentés) des gyroscopes 2x, 2y, 2z imposent la précession nécessaire, telle que la vitesse de précession de chaque gyroscope soit égale au rapport C/M, en appelant C le couple appliqué à la partie tournante du gyroscope (toupie) autour de son axe de sortie et H le moment cinétique dé cette partie tournante On va décrire plus en détail ces deux boucles d'asservissement à la verticale (identiques entre elles) avec référence aux figures 3 (état de la technique) et 4 (avec les perfectionnements selon l'invention) illustrant une telle boucle, par exemple celle selon l'axe X. Pour que les gyroscopes maintiennent effectivement fixe l'orientation du trièdre X Y Z, avec Z vertical, donc X et Y dans un plan horizontal (X étant par exemple dirigé vers le Nord géo- graphique), il faut faire précessionner chacun des gyroscopes 2x et 2y en tenant compte des corrections suivantes - la rotation d' entrainement (rotation de la Terre), notée A, - la rotation relative (mouvement de l'avion par rapport à V la Terre) qui est égale à RX en appelant V la vitesse de l'avion par rapport à la Terre et R le rayon de la Terre, - compensation de la dérive propre d de chaque gyroscope. La vitesse V est obtenue en intégrant l'accélération; en fait tant que la plate-forme 1 est horizontale lt-accéléromètre double 3 détermine les composantes ex et Ty de l'accélération t suivant les axes X et Y et par intégration on obtient les composantes Vx et VY de la vitesse sur X et Y, car on sait que l'accélération est la derivée de la vitesse. Référence étant faite maintenant à la figure 3, qui représente une boucle d'asservissement de type classique 24 ou 25 pour l'axe X ou Y respectivement et si on suppose qu'on s'intéresse à la boucle 24 pour l'axe X (la boucle 25 pour l'axe Y étant analogue), on aura sur la figure 3 la partie 3x, à axe sensible suivant X, de l'accéléromètre double 3 et le gyroscope 2y, comme illustré. La partie 3x de l'accéléromètre est sensible, d'une part, à l'accélération t de l'avion et, d'autre part, à l'accélération de la pesanteur t ou plutôt aux composantes rX et gX de et sui- vant l'axe X. De ce fait on a symbolisé l'unité 3x avec deux entrées, savoir une entrée +, 3a, pour YX et une entrée -, 3b, pour car 3x est sensible à YX - gX qui est disponible sur la sortie 3c de 3x Le signal de sortie rX - gx de 3x est appliqué classiquement à un intégrateur 26 qui, à partir de cette accélération apparente YX - gxs détermine la vitesse V, en fait la composante Vx de la vitesse suivant l'axe X. Cette valeur VX est divisée parla constante R (égale au rayon de la Terre) dans un-diviseur 27. On a donc, à la sortie du diviseur 27, un signal représentatif de la VX, R valeur de R s composante suivant l'axe X de la rotation relative Un sommateur 28 reçoit sur ses différentes entrées 28a, 28b, V 28c respectivement RX2y (composante suivant Y de la rotation de VX # la Terre) et dy dérive propre du gyroscope 2y. On notera que R, dy et sont des valeurs connues, une certaine incertitude existant d'ailleurs sur dy. Le gyroscope 2y reçoit donc un signal compensé constituant une vitesse angulaire ou un taux de précession. Après intégration, le signal de sortie de la plate-forme est un angle, savoir l'angle a que fait la plate-forme 1 avec le plan horizontal Dans les conditions idéales de fonctionnement parfait du système, a doit être maintenu constamment égal à 0. Si a = O la pesanteur t g)n'intervient pas dans les composantes suivant X et Y de l'accélération "vue" par l'accéléromètre. Si a g 0, c'est-à-dire si la plate-forme 1 est inclinée sur le plan horizontal, l'accéléromètre "voit" non seulement (ou Xy), mais aussi gX (ou agy)O C'est pour cela qu'on a représenté un bouclage par la sortie du gyroscope intégrateur 2x avec indication de g en 29. Cette boucle est fictive (en traits interrompus) car c'est l'accéléromètre qui est sensible à ag si a n'est pas nul. La boucle de la figure 3 est appelée boucle asservie en pendule de Schufler et sa période est de 84 minutes 20 secondes, comme indiqué ci-dessus. I1 y a lieu de noter que toute erreur dans cette boucle, qui est d'un type connu, telle qu'erreur de compensation de Z et de dy ou erreur initiale sur a(si a n'est pas nul)au départ, se traduit par une oscillation non amortie en sortie, c'est-à-dire sur l'angle a. Par conséquent l'erreur sur a varie avec le temps et le plan horizontal de référence n'est plus assuré. Il est donc nécessaire, tant pour la boucle 24 illustrée figure 3 que pour la boucle 25 analogue, à l'instant initial avant le décollage - d'amortir le système pour obtenir a = 0, - et d'initialiser les intégrateurs pour compenser la rotation dlentratnement Q du lieu de la Terre où se trouve posé l'avion à l'instant initial et la dérive des gyroscopes 2x et 2y au moment initial. En vol la boucle compense, de par sa structure, la rotation relative R mais l'évolution de la rotation de la Terre (en fonc R tion du déplacement de l'avion) et de la dérive propre des gyros- copes n'est plus compensée, d'où erreur sur le plan horizontal, erreur qui n'est plus compensée L'invention a justement pour objet de palier cet inconvénient d'une boucle de Schüler classique du type représenté sur la figure 3 On a illustré sur la figure 4 les perfectionnements selon l'invention. La figure 4 est semblable à la figure 3, à part le fait qu' elle comporte, en parallèle sur l'intégrateur 26, une unité d'amortissement à saturation 30 qui est illustrée en détail sur la figure 5 et dont les caractéristiques sont illustrées sur la figure 6 (figures qui seront décrites ci-après), les sorties des unités 26 et 30, disposées en parallèle, étant additionnées dans un sommateur 31. Gracie à ce montage, on apporte sur l'intégrateur 26 un amortissement variable en fonction de l'accélération, en particulier très faible lorsque l'accélération est élevée, c'est-à-dire en conservant les avantages d'insensibilité du bouclage de Schuler en période de forte accélération (l'unité 30 étant saturée uni- quement pour les fortes accélérations comme visible sur la figure 6). En fait l'unité comporte, comme illustré sur la figure 5, deux étages,- savoir : - un étage amplificateur 32 avec un amplificateur opérationnel 33, trois résistances 34, 35, 36 et deux alimentations à + 15 volts et - 15 volts, en 37 et 38 respectivement, par rapport à la masse électrique 39, et - un étage- de saturation 40 avec une résistance 41 et deux diodes de Zener 42 et 43 montées en opposition, ces deux étages étant suivis par un ensemble de résistances 44. A titre d'exemple, l'accéléromètre 3x délivre une tension 2 Ve de 0,1 voltZmètre/(seconde) qui, après amplification dans un amplificateur (non représenté) disposé juste en aval de l'accélé- romètre est de 0,4 volt/mètre/(seconde)2 cette tension amplifiée commande les voies "intégrateur" 26 et "amortissement à satura tion', 30 délivrant ensemble au gyroscope 2y un courant Is qui entratne une précession du trièdre de référence X, Y, Z de 0,97 radian/seconde/ampère, Les gains des voies "intégrateur" et "amortissement" (avant saturation), sont respectivement Gi li i 0,162.10 A/ et P = YP = P m/s la 84106 A/ GaO = Id/# = 84.10-6 A/m/s , 2 P étant le symbole de Laplace (p représente l'intégrale), d'où la période propre de la chaîne d'asservissement soit 84,4 mn (période de Schüler) et l'amortissement de la chaîne avant saturation Gao = #o = Gi - 0 32 La voie "amortissement et saturation" 30 a pour entrée une tension continue dont le facteur d'échelle est de 0,4 V/m/s. Cette tension commande l'étage amplificateur 32 de gain G = 70 réalisé par un amplificateur à grand gain 33 et les résistances de contre-réaction 34 et 36. La sortie de l'étage amplificateur 32 commande l'étage de saturation 40 composé de deux diodes de Zener 42, 43 montées tête-bêche et d'une résistance 41. Le signal Vs est transformé en courant Ia par un ensemble de re distances 44 de gain sX 3.10-6. Le fonctionnement est le suivant. La tension Vs est proportionnelle à la tension d'entrée et vaut 0,4 x 70 = 28 V/m/ 2 tant que la tension de Zener des diodes 42, 43 n'est pas s atteinte. Cette tension de Zener est VZ atteinte à partir d'une certaine accélération appelée TS = 78 Le signal Vs est alors constant pour toute accélération Y supérieure à &gamma;S procurant ainsi un gain apparent Ga = Ga0 x &gamma;S/# et un amortissement apparent # = #o #S/&gamma;. Nous obtenons ainsi la courbe illustrée sur la figure 6 Sur cette figure 6, on a porté en abscisses les accélérations en centimètres par seconde/seconde (10 m/s2) et en ordonnées les amortissements de la chaîne bouclée de la figure 4 dans laquelle l'unité 30 est telle qu'illustrée sur la figure 5. A gauche de la verticale 45 on a la zone où la voie est non saturée, c'est-à-dire linéaire, et à droite de la verticale 45 la zone où la voie est saturée. L'invention permet de réaliser une centrale de cap et de verticale d'un coût relativement peu élevé et d'une grande préci sion (erreur sur la verticale de l'ordre de 0,5"r. Une telle centrale convient particulièrement pour être utilisée en aéronautique. 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 t application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Centrale de cap et de verticale comprenant un coeur ou plate-forme stable qui porte trois gyroscopes qui sont isolés du mouvement du véhicule porteur, tel qu'un avion, grâce à un montage à cardans et dont les axes de rotation sont disposés suivant un trièdre trirectangle, dont un axe est à maintenir vertical et les deux autres horizontaux grâce à des asservissements de position suivant chaque axe, et deux accéléromètres (ou un accéléromètre double) suivant les deux axes horizontaux, avec deux boucles d'asservissement à la verticale, savoir une de chaque accéléromètre associé à un axe horizontal vers le gyroscope associé à l'autre axe horizontal, chaque boucle comportant, à la sortie de l'accéléromètre, des moyens compensant la vitesse de rotation relative du véhicule porteur par rapport à la Terre et la rotation de la Terre, ainsi que la dérive propre du gyroscope associé, ces moyens, qui comportent entre autres un intégrateur pour détermine ner la vitesse relative du véhicule par intégration de l'accélération déterminée par l'accéléromètre, tendant à maintenir la plate-forme stable perpendiculaire à la verticale locale, et caractérisée par le fait qu'elle comprend un système d'amortissement disposé en parallèle sur l'intégrateur et qui est saturé pour les fortes valeurs de l'accélération du véhicule porteur. 2. Centrale de cap et de verticale selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit système d'amortissement comprend successivement un étage amplificateur et un étage de saturation 3. Centrale de cap et de verticale selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit étage amplificateur a un gain élevé. 4. Centrale de cap et de verticale selon la revendication 2 ou 3, caractérisée par le fait que les étages amplificateur et de saturation sont suivis par un ensemble de résistances 5. Centrale de cap et de verticale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit système d'asservissement est linéaire jusqu'à ce que l'accélération du véhicule porteur ne dépasse pas une certaine valeur et se sature progressivement lorsque ladite accélération dépasse ladite valero