Brevet FR2397001A1 — publié le 19790202

"CAPTEUR DE SIGNAL D'ERREUR A INERTIE ET PILOTE AUTOMATIQUE ASSOCIE Domaine de l'invention : Pilotage automatique des engins mobiles, tels que les maquettes d'avion, en vue d'assurer l'assiette de l'engin en rou- lis et tangage, cette assiette étant stabilisée, par un servo- mécanisme embarque, autour d'une position moyenne fixée par des valeurs de consigne envoyées du sol. Technique antérieurs : II est connu de commander les évolutions d'une mequet ta d'avion à partir d'un pupitre de commande manuelle au sol qui envoie des impulsions codées en durée et reparties dans le temps sur un certain nombre de voies t on trouve assez couramment six voies qui correspondent par exemple (voir Fig. 1) : - la première Vj au régime du moteur - la deuxième V2 aux ailerons commande de roulis) - la troisième V3 aux volets de profondeur - la quatrième V4 au gouvernail de direction - la cinquième Vs au train d'atterrissage - la sixième V6 aux aero-freins. La destination des voies est en général librs, à ceci près qui faut naturellement assurer au moins la commande des ailerons, le régime du moteur, le gouvernail de direction et les volets de profondeur. L'habitude est de leur réserver les quatre premières voies. Ces impulsions codées en durée, qui modulent la haute frOquence de la tdte H.F. du pupitre, sont reçues par un récepteur embarque, détectées et distribuées dans les voies correspondantes. Elles passent dans un comparateur (par voie) recevant des impulsions étalons engendrées sur place et qui ont généralement une durée ds 1,4 millisaconde. Dans chacune des voies, suivant que les impulsions reçues du pupitre sont plus longues ou plus courtes que l'impulsion étalon, le comparateur produit un signal positif ou négatif (ou l'inverse) qui sert à commander le sarvo- mécanisme propre à la voie correspondante. Le pilotage est effectué à vue et peut assurer l'as cette de l'appareil à une distance pas trop grande permettant de se rendre compte du roulis, du tangage et du lacet et ds les corriger. I1 permet aussi de faire effectuer à la maquette des évolutions variées. Par contre, à grande distance il est difficile, sinon impossible, d'assurer une manoeuvre correcte du gouvernail de profondeur et surtout des ailerons, particulièrement au cours des changements de cap. Il est connu également d'assurer l'assiette d'un engin volant au moyen d'un capteur gyroscopique qui sert de repère de verticale et commande les servo-mécanismes d'ailerons et de profondeur. Un tel appareil est relativement volumineux, lourd et d'ailleurs délicat. I1 est difficile de l'embarquer sur une maquette. En outre, ctest un appareil anéreux. En admettant qu'il soit possible de le monter sur une maquette, il donnerait satisfaction en vol rectiligne en palier. Mais si l'on voulait lui confier l'assiette de l'engin au cours des évolutions et notamment des changements de cap, il faudrait lui associer un correc teur supplémentaire analogue à ceux que 1 t Qn trouve sur les ap- pareils en vrai grandeur. Exposé de l'invention L'invention utilisa un type de capteur beaucoup plus simple dont l'élément sensible est un petit volant légèrement déséquilibré, de façon à lui fixer une position d'équilibre au repos qui ne soit pas indifférente mais au contraire sensible à la verticale ; ce volant entraîne un diaphragme avec lequel il est solidaire. L'ensemble constitue un équipage rotatif qui peut Entre considéré à la fois comme un volant inertie déséquilibré et comme un pendule composé ; cet ensemble est monté sur pivot à rubis de façon à diminuer les résistances passives à la rotation, et il est placé dans une snceinte remplie d'un liquide qui amortit ses mouvements.Au cours de la rotation de cet équipage, le diaphragme occulte plus ou moins un faisceau infrarouge, émis par une source telle qu'une diode, dans la direction d'un élé- ment sensible à ce rayonnement, tel qu'un phototransistor, dont la conductivité varia suivant le flux qutil reçoit. Le capteur produit donc un signal modulé en amplitude an fonction de le po sition angulaire du volant, la ligne joignant la diode au photo~ transistor servant de repère. Un convertisseur transforme ce signal en impulsions codées en durée en fonction de l'amplitude de ce signal, et ces impulsions sont ensuite oompardes à des impulsions étalons comme en radiopilotage manuel. Le volant de l'équipage rotatif est commodément un petit rouage tel qu'on en utilise en horlogerie, par exemple une roue ordinaire à cinq rayons dont lvun a été cisaillé pour lais- ser libre l'emplacement du diaphragme et ne pas interférer avec lui ; ce diaphragme a le profil général d'une spirale logarithmique et est collé sur la roue à l'endroit ou manque le rayon cisaillé : la roue pivote dans une chape à rubis.également clash sique en horlogerie, et un léger balourd lui donne au repos une position privilégiée qui dépend de la verticale apparente. L'équipage rotatif et sa chape sont contenue dans un boîtier cylindrique rempli d'un liquida. Le diode et le phototransistor sont fixés sur les flancs de ce boîtier et se font face. I1 y a deux capteurs : pour l'un d'eux, le plan du volant est longitudinal, et il est sensible au tangage. Pour autre, le plan du volant est transversal, et il est sensible au roulis. Ces deux capteurs, supposés parfaitement réglés, pourraient assurer l'assiette de l'appareil an palier en utilisant comme impulsions étalons les mimes qui servent de référence en pilotage manuel, c'est-à-dira les impulsions engendrées à bord. Ce serait théoriquement possible en ligna droite, et méme avec changement de cap (toujours en palier), car la verticale appareil te est modifiée par la force centrifuge ; elle agirait sur le balourd du volant st l'appareil s'inclinerait de lui-m8ma dans le sens qui conviendrait pour qu'il ne dérapa pas pendant le virage ss quand il reprendrait un vol rectiligne, il se redresse- rait de lui-mama. En admettant que le réglage initial des capteurs soit parfait, on pourrait donc faire voler correctemsnt l'engin en palier et meme le faire changer de cap en utilisant comme impulw suions étalons celles qui sont engendres à bord et utilisées en pilotage manuel. Mais on ne pourrait ni le faire monter ni le faire descendre à volonté, ni d'ailleurs le faire décoller. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les signaux produits par le pupitre de commande, transmis par la voie Vs et servant, en pilotage manuel, à commander les gouvernes de profondeur, sont utilisés en pilotage automatique pour corriger et éventuellement modifier systématiquement les impulsion; codées sn durée provenant du capteur de tangage et donner ainsi à l'en- gin une valeur de consigne à la pente de vol, ctest-à-dire la valeur moyenne à laquelle la pente doit être maintenue par le capteur, ces signaux constituent des signaux de tarage. I1 en va d'une façon analogue pour les signaux produits par le pupitre de commande et transmis sur la voie V2 et qui servent en pilotage manuel à commander directement las ailerons de façon à donner une assiette correcte à ltengin en vol an palier et à l'incliner pendant les changements de cap. En pilotage automatique, ces signaux continuent à hêtre transmis et servent alors à décaler le zéro des impulsions provenant du capteur ds roulis. Ces signaux servent à ajuster l'assiette transversale de l'appareil en vol, le capteur de roulis ayant pour fonction de le maintenir à la position ainsi ajustée et aussi pour fonction d'incliner transversalement l'appareil pendant les virages. En bref, en pilotage automatique, les signaux provenant de pupitre par les voies V2 et V3 ne sont plus des signaux de commande directe, mais servent à modifier ceux qui proviennent des capteurs au moyen d'une commande de tarage indépendante. Si la voie V1 est encore réservée à la commande du régime du moteur, la voie V4 étant pour le gouvernail de direction, une voie, par exemple Vg, pourra commander la commutation manuel-automatique. I1 faut donc au minimum cinq voies. Enoncé des figures : La Fig. 1 représenta l'articulation générale d'un dispositif de pilotage manuel à distance traditionnel dont il a été question dans le rappel de la technique antérieure. La Fig. 2 représente, à grande échelle, un volant d'inertie de capteur et une demi-chape faisant partie de la monture dans laquelle il pivote. La Fig. 3 représenta un diaphragme destiné à entre collé sur le volant. La Fig. 4 représente le volant équipé de son diaphragme et sa monture complète. Les igs. 5aw 5b, 5c et 6 représentent, à une échelle un peu moins grande, un capteur selon l'inventinn en coupe longitudinale, transversale, en plan vu de haut, et an perspective. La Fig. 7 représenta l'articulation générale d'un dispositif de pilotage automatique selon l'invention ; elle est à rapprocher de la Fig. 1. La Fig. 8 est le schéma général du dispositif de pilotage automatique de la Fig. 7. Description détaillée d'une forme de réalisation : Le coeur d'un capteur conforme à l'invention est représenté sur les Fige. 2, 3 et 4, à échelle agrandie plusieurs fois, par exemple par le coefficient quatre ou cinq. Un petit volant 1 constitué par exemple par un rouage à cinq rayons en cuivre couramment utilisé en horlogerie et pesant quelques milli- grammes, a reçu des modifications qui ne viennent pas d'usine : un de ses rayons a été cisaillé et un léger balourd a été monté sur sa périphérie. Sur la Fig. 2, ce volant est représenté monté à pivot sur une demi-chape 3, également classique en horlogerie 5 l'autre demi-chape est absenta. Le pivotement est à rubis. La Fig. 3 représente un diaphragme destiné à autre collé sur le volant 1. Il a un profil 5 en forme générale de spirale logarithmique. Sur la Fig. 4, le diaphragme a été collé sur le volant 1, et le deuxième demi-chape 6a été mise en place, fixée par une vis 7 à la demi-chape 3. On voit aussi un rubis ta complétant le pivotement de l'équipage rotatif constitué par l'ensemble du volant 1 et du diaphragme 4. On retrouve sur les Fige. 5a et 5b à une échelle un peu moins grande, le volant 1, son balourd 2 et le diaphragme 4, l'ensemble étant contenu dans un boîtier cylindrique 8 fermé par deux flans 9 et 10. Le flan 9 est percé d'un orifice dans lequel est inséré une diode 11, et le flan 10 est également percé d'un orifice dans lequel est inséré un phototransistor 12, faisant face à la diode li Le'flan 10 présente aussi un alésage pour un bouchon fileté 13. Voici comment il est commode de monter ce capteur t le bottier cylindrique 8, le flan 9 st la demi-chape 3 sont d'abord collés ensemble ; puis on met en place le volant I qui pé de son balourd et de son diaphragme, ainsi que la demi-chape 6, et on les fixe avec la vis 7. On met ensuite en place le flan 10, on fixe sur ce flan le phototransistor 12, et sur le flan 9, la diode 11, les orifices nécessaires ayant été prati qués à l'avance. On remplit la cavité avec du liquide tel qu'un mélange en parties égales de pétrole blanc (souvent dénommé "white spirit" > et d'huile de paraffine, et on la ferme avec le bouchon 13. Le bottier ainsi constitué est alors placé dans un support constitué de deux flasques 14 et 15 découpés à la dimension des flans 9 et 1Q, solidaires d'une platina 16 portant des broches telles que 17, à peu près dans la position représentée sur les Figs. 5a et 5b mais sans les coller l'un à l'autre, car il y a encore une opération de réglage à faire. Ce réglage se fait de la façon suivante : on alimente la diode et le phototransistor d'une façon normale, et on dispose un instrument pour mesurer le courant du transistor. En faisant tourner lentement à la main le bottier 8 dans son support, la platine 16 restant horizontale, on entraîne la ligne joignant la diode au phototransistor, mais le volant reste immobile g on fait donc varier le flux reçu par le phototransistor et on trace la courbe des mesures relevées ; on y repère le point où la pente est maximale, on s'y place, et on fixe à la colle le boîtier sur son support. Il ne reste plus qu'à connecter aux broches les conducteurs de la diode et du transistor, comme indiqué sur la Fig. 5cw et on obtient un capteur comme représenté en perspective sur la Fig. 6. Il est prêt à être embroché sous une plaquette qui sera de préférence du type à circuit imprimé ; chaque capteur peut servir indifféremment à titre de capteur de roulis ou de tangage : les volants de ces capteurs seront l'un dans le plan longitudinal, l'autre dans le plan transversal de ltengin, et commanderont chacun un convertisseur produisant des impulsions codées en durée. Le premier réglage des capteurs doit entre suivi d'un réglage de ces convertisseurs de façon qu'au repos ils produisent des impulsions de 2,8 millisecondes. La raison de la présence de sept broches sur la platine 16 raccordées an diagonale, alors que quatre suffiraient théoriquement, est la suivante : chaque capteur, comme on l'a ;u, commande par son phototransistor un convertisseur produisant, quand il est déclenché, une impulsion dont la durée varie en plus ou en moins autour de 2,8 millisecondes suivant l'intensité du flux reçu par le transistor an provenance de la diode, c'est-àdire suivant que le diaphragme 5 occulte plus ou moins ce flux, et c'est la durée de l'impulsion qui agit sur les servo-mécanis- mes d'ailerons ou de profondeur. Dans certains équipements du commerce une augmentation de la durée d'impulsion fait pencher l'engin à droite, et pour d'autres, c'est l'inverse. De mame pour la profondeur.La possibilité de retourner les capteurs permet de s'adapter aux équipements traditionnels sans avoir à les modifier. Il convient de rappeler que l'échelle des Figs. 5a à 6 a été choisie assez grande pour une meilleure compréhension des dessins et que le volant 1 a le diamètre d'un petit pois. Ltarticulation générale d'un pilote automatique selon l'invention est représentée sur la Fig. 7, qui est à rapprocher de la Fig. 1. Il utilise un pupitre de commande classique et un récepteur embarqué également classique, et à cinq voies au moins. Les voies V1 et V4 sont sans changement et agissent sur le régime du moteur et la direction ; les voies V2 et V3 aboutissent chacune à un commutateur manuel-automatique, et ces deux commutateurs sont commandés simultanément par Vs. En pilotage manuel à vue, les commutateurs manuelautomatique se contentent de transmettre les impulsions des voies V2 et V3 aux servo-mécanismes d'ailerons et de profondeur, où elles seront comparées avec les impulsions étalons de 1,4 milliseconde engendrées sur place. En pilotage automatique, les choses se passent ainsi: laa capteurs de ruulis et de tàhgage, qui sont geométtiquement perpendiculaires l'un à l'autre, commandent des convertisseurs qui produisent des impulsions codées en durée. Après amplification, leur durée est comparée à celle des impulsions qui par visnnent par las voies V2 et V3 respectivement, et le résultat est transmis aux servo-mécanismes d'ailerons et de profondeur, dans chacun desquels intervent une nouvelle comparaison avec des impulsions de 1,4 milliseconde engendrées sur place. Le passage manuel-automatique se fait normalement au moment où ltengin vole en palier et à une distance permettant d'estimer facilement que son assiette est correcte. Si tout est bien réglé, notamment les convertisseurs de capteurs, il nty a pas de heurt au moment de la commutation. Si l'engin a tendance à s'incliner à droite pour une raison ou une autre, cette rotation ntentraine pas le volant et entraîne très peu le liquide du capteur puisqu'il est contenu dans un boîtier qui est presque de révolution. C'est la ligne diode-transistor qui se déplace par rapport au volant, celui-ci servant de référence pour l'aplomb de l'engin.La variation de flux reçu par le transistor qui an résulte ramène l'engin à son aplomb initial ; d'autre part, assiette transversale et la pente de vol pourront être corrigées à partir du pupitre0 Un schéma de principe plus détaillé est représenté sur la Fig. 8. Parmi les cinq voies du récepteur embarqué, la voie Vs commande un commutateur 20 en lui envoyant des impulsions courtes pour le pilotage manuel ou des impulsions longues pour le pilotage automatique de la façon suivante : après dérivation obtenue par le passage dans un condensateur Cg, le front avant de ltimpulsion (courte ou longue) déclenche un monostable à créneau fixe M5 qui produit alors une impulsion de 1,4 milliseconde, laquelle est envoyée à un comparateur de commutation K5. Ce mgme comparateur reçoit directement l'impulsion (courte ou longue) qui a déclenché M5 et produit soit une impulsion négative courte soit une impulsion positive longue, laquelle commande la commutateur 20. Ce commutateur a quatre bornes d'entrée, et notamment une borne 22 correspondant à la voie V2 et une borne 23 pour la voie V3. S'il reçoit une impulsion courte négative du comparateur K5, il relie les bornes 22 et 23 aux servo-mécanismes d'ailerons et de profondeur respectivement. Quand le commutateur 20 reçoit du comparateur K5 une impulsion longue positive, ce ne sont plus les bornes 22 et 23 qui commandant les servo-mScanismes, mais deux autres bornes d'entrée 32 et 33 qui sont attaquées comme suit r. concernant le gouvernail de profondeur, le capteur de tangage est relié à uri convertisseur constitué par un monostable à créneau variable M3. Ce monostable est relié par un condensateur C3 à la voie V3, et il est déclenché par le front avant de chaque impulsion arrivant par cette voie. Il fournit à ce moment une impulsion positive dont la durée est fonction du signal qu'il reçoit du capteur, et qui est réglée à 2,8 millisecondes quand le capteur est horizontal. Après amplification, cette impulsion est envoyée à un comparateur K3 qui reçoit aussi le signal de la voie V3 amplifié. Il sort du comparateur une impulsion dont la durée est la différence entre les durées de celles de M3 et de la voie V3. La plage de variation est donc centrée sur 1,4 milliseconda. L'impulsion résultante aboutit à la borne 33. De la même façon, la borne 32 reçoit -une impulsion dont la durée des la différence entre celle produite par un monostable M2 commandé par le capteur (et déclenché par la voie V2), et l'impulsion parvenant par V2. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour tarer par décalage du zéro un appareil de mesura tel qu'un capteur au moyen d'une commanda-manuel- le de tarage indépendante, caractérisé en ce qu'il comprend : - un premier monostable à créneau variable commandé par la dite commande manuelle et produisant des- impulsions codées en durée, - des moyens pour déclencher périodiquement le dit premier monostable, - un second monostable à créneau variable commandé par le dit appareil de mesure, produisant des impulsions codées en durée et déclenché par les créneaux du premier monostable, la durée des impulsions du second monostable étant sensiblement double de celles du premier, et - un comparateur pour produire un signal de sortie sous forme d t impulsions dont la durée est la différence de celles des deux monostables. 2.- Dispositif selon la revendication t adapté à un pilote automatique réglant l'assiette d'un engin mobile pourvu d'un récepteur à plusieurs voies et d'un servo-mécanisme d'aile- rons, caractérisé en ce que - la commande manuelle de tarage, le premier monostable à créneau variable produisant des impulsions codées en durée et les moyens pour déclencher le premier monostable sont montés dans un pupitre de commande à distance par radio à plusieurs voies, - le capteur est un capteur de roulis monté sur l'engin, - le second monos table et le comparateur sont également montés sur l'engin, - le signal de sortie commande les servo-mécanismes d'ailerons. 3.- Dispositif selon la revendication 2 dans lequel le capteur de roulis est remplacé par un capteur de tangage et le servo-mécanisme d'ailerons est remplacé par un servo-mécanisme de gouvernail de profondeur. 4.- Dispositif salon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé par la présence à bord de l'engin d'un commutateur à deux positions commandé par l'une des voies du pupitre et ayant pour effet : - dans le première position dite manuelle d'envoyer au servo-mécanisme d'ailerons ou de gouvernail de profondeur les impulsions codées en durée provenant de la commande manuelle transmises sur la voie correspondante, - dans la seconde position dite automatique d'envoyer au servomécanisme d'ailerons ou de gouvernail de profondeur les impulsions codées produites par le comparateur. 5. Dispositif répondant à la fois aux caractéristiques des revendications 3 et 4. 6.- Dispositif selon les revendications 4 et 5 conjointement dans lequel le dit commutateur agit simultanément sur les voies correspondant aux sarvo-mécanismes d'ailerons et de gouvernail de profondeur. 7.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé: - en ce que l'organe sensible du capteur est un petit volant déséquilibré pouvant pivoter dans une monture liée à l'engin. 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé: - en cs que le volant est monté sur sa monture par pivotement à rubis. 9.- Dispositif selon la revendication a, caractérisé: - en ce que la position relative du volant par rapport à l'engin est relevée par la variation de flux lumineux engendrés par le mouvement d'un diaphragme lié au volant et obturant plus ou moins le faisceau lumineux allant d'une source de lumiere à un récepteur, la. dite source et le dit récepteur étant liés à l'engin. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé - en ce que le diaphragme est collé sur le volant. 11.- Dispositif selon la revendication 10, carac péris8 : - en ce que le volant et sa monture sont logés dans un bottier solidaire de l'engin, la source de lumière et le récepteur étant fixés sur deux parois opposées du boîtier et se faisant face. 12.- Dispositif salon la revendication 11, carac térisé : - en ce que le boîtier est rempli de liquide pour amortir les mouvements de rotation du volant. 13.- Dispositif salon la revendication 12, carac térisé : - en ce que le liquide est un mélange en partieségales de pétrole blanc et d'tuile de paraffine. 14.- Dispositif selon la revendication 11, carac térisé : - en ce que le bottier du capteur est logé dans un support pourvu d'une platine à sept broches reliées en diagonale, ce qui permet dtadapter un tel capteur aux servo-mécanismes traditionnels anterieurs.