Brevet FR2412817A1 — publié le 19790720

La présente invention a pour objet un détecteur gyrométrique, permettant de fournir un signal fonction de la vitesse de rotation dun organe. Les détecteurs gyrométriques sont largement utilisés, notamment dans le domaine du pilotage et de la navigation aérienne. Mais leur domaine d'emploi est limité par le fait qu'il s'agit d'instruments complexes et coûteux. Pratiquement, tous es cyromètres existants ont en effet une constitution similaire : ils -omportent une toupie qu'un moteur entraîne en rotation a gronde vitesse par apport à un bâti et un organe de rappel qui permet de maintenir la toupie en position par rapport au bati, tout en détectant les variations de couple qui s'exercent sur la toupie et sont représentatives des rotations du bâti. te moteur et les circuits représentent un poids, un encombrement et un coût importants. La présente invention vise à fournir un détecteur gyrom4tri que de constitution relativement simple, peu coûteux, permettant d'obtenir un signal représentatif d'une vitesse de rotation avec une linéarité suffisante pour de nombreuses applications. Dans ce but, l'invention propose notamment un détecteur gyrométrique comprenant un bâti destiné à être entrain en rotation autour d'un premier axe et dans lequel une palette équilibrée est montée rotative autour d'un deuxième axe du bâti, perpendiculaire au premier axe, de façon que le plan médian de la palette puisse osciller de part et d'autre d'une position orthogonale au premier axe dans ùn domaine angulaire limité, et des moyens de détection des écarts de la palette par rapport à ladite position orthogonale, écarts provoqués par des rotations du bâti autour de l'axe du bâti orthogonal aux deux dits axes du bâti et de vitesse angulaire faible par rapport à la vitesse de rotation du bâti. On voit que le bâti constitue la contrepartie de la toupie des détecteurs gyrométriques antérieurs. Lorsque le détecteur est destiné à être placé sur un organe ou un engin animé d'une vitesse élevée et uniforme de rotation autour d'un axe, il suffit de placer le premier axe du bâti suivant cet axe de rotation de l'enyin ou de l'organe pour éviter la nécessité d'un moteur d'entrai- nement. On choisira le domaine angulaire de débattement de la palette en fonction de nombreux paramètres : toutefois, ce domaine angulaire restera pratiquement toujours inférieur à 100. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un détecteur qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, et de diverses applications. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma en perspective montrant les principaux composants mécaniques du détecteur et les notations utili- sées ; - la figure 2 est un schéma montrant le détecteur gyrome'tri que, en coupe, et un circuit électrique de mesure associé. Les organes mécaniques principaux du détecteur gyrométrique montré en figure 1 sont un bâti 10 et une palette 11. Le bâti 10 est prévu pour être entraîné en rotation à vitesse angulaire uniforme PO autour d'un axe Gxb qui constituera généralement un axe de révolution du bâti. La palette Il est montée sur le bâti 10 par l'intermédiaire de pivots 12 à faible frottement, qui lui permettent d'osciller autour d'un axe Gzb lié au bâti et passant par son barycentre G. Le débattement angulaire de la palette peut être limité à un domaine angulaire faible, inférieur à # 100, en général ne dépassant pas + 5", autour de la position canonique pour laquelle l'axe Gxp normal au plan de la palette colncide avec Gxb. On peut déterminer par le calcul les relations reliant les écarts angulaires tel de la palette par rapport à la position canonique et les déplacements angulaires du bâti 10 lorsque celui-ci se déplace suivant une trajectoire quelconque. On supposera que, durant les déplacements du bâti, l'axe Gxb reste tangent à la trajectoire et on utilisera les notations suivantes R/OXYZ (I, J, K : référentiel de Galilée B/Gxb, yb, zb (ib, jb, kb ) : référentiel lié au bâti 10 #/Gxp, yp, zp (ip, jp, kp) ) : référentiel barycentrique lié à la palette 11 /Gxyz (i, , k) : référentiel fictif tel que = ihw réfé- rentiel animé de la vitesse angulaire -Pcib par rapport au repère B a, b, c i moments d'inertie de la palette autour de Gxp, Gy p et Gz p q = Q cos Pot + R sin Pot (composante suivant du vecteur rotation du bâti 10 par rapport à ltespace, exprimé dans le référentiel du bâti) (6/R) = Pi + Q3 + Rk : vecteur vitesse angulaire de # par rapport à R. Contrairement à ce que pouvait laisser supposer la complexi- té du système, on peut réduire l'ensemble des relations à une équation simple, à condition d'imposer des restrictions > certains paramètres - la vitesse de rotation PO du bâti 10 doit être très grande par rapport aux modules des vitesse P, Q et R et par rapport aux bandes passantes de ces vitesses, - a doit rester faible (pour que cos 2 a soit assimilable à 1 et 1/2 sin2a à a). Dans ces conditions, on peut écrire c a + f a + (a - b) Po &alpha; = (a - b + c) Scq L'équation ci-dessus est celle d'un détecteur gyrométrique dont les paramètres sont les suivants inertie de la toupie : c terme d'amortissement visqueux s'exerçant sur la palette -fa raideur de rappel : k = (a - b) Po moment cinétique de la toupie : g = (a - b + c) PC axe sensible : Gyb. On voit que si l'on monte le gyromètre sur un organe animé du mouvement de rotation à vitesse PO, on obtient le moment cinétique de la "toupie" sans qu'il soit nécessaire de prévoir un moteur supplémentaire. On constate également que le rappel élastique, correspondant au terme (a - b) Po est obtenu grâce à une partie du couple d'inertie et donc sans qu'il soit nécessaire de prévoir des organes supplémentaires de rappel, tels qu'une barre élastique ou un moteur couple associé à un circuit d'asservissetrent. -A titre d'exemples d'applications d'un tel détecteur, on peut citer les suivantes, à titre nullement limitatif. Un premier exemple est constitué par le guidage d'un engin animé de mouvement de rotation en roulis et suivant une trajectoire horizontale, ce qui est par exemple le cas d'une torpille munie d'un empennage qui l'oblige à prendre un mouvement de rotation à vitesse élevée. Dans ce cas, seuls seront à détecter en général les mouvements de lacet. Dans ce cas, tout signal de sortie pourra être attribué à un mouvement de lacet, ce qui permet- tra naturellement de simplifier le système de mesure associé au détecteur. A titre de second exemple, on peut citer la mesure des déviations en lacet et en tangage d'un missile animé d'un mouvement tournoyant en roulis. Dans ce cas, il sera évidemment nécessaire d'effectuer des mesures aux instants où l'axe sensible Gyb coin- cide avec l'axe de tangage, puis avec l'axe de lacet. Un troisième exemple est constitué par la détermination des mouvements de lacet d'un véhicule sur roues, le détecteur étant alors placé sur une roue tournant à vitesse approximativement uniforme. La détection des écarts angulaires de la palette 11 par rapport à la position canonique peut s'effectuer par divers moyens. On peut en particulier utiliser des détecteurs inductifs ou capacitifs de type classique, qui permettent d'arriver à une pre- cision importante. On décrira maintenant une autre solution, qui permet d'arriver à un coût beaucoup plus faible et qui donne des résultats satisfaisants chaque fois qu'on ne cherche pas à atteindre la précision maximum compatible avec le montage mécanique illustré en figure 1. Ce procédé sera maintenant décrit en faisant référence à la figure 2. Sur la figure 2, où lec éléments correspondant à ceux montrés en figure 1 portent les mêmes numéros de référence, le bâti 10 est fermé par un couvercle 13 qui délimite avec lui un boîtier étanche 14 contenant un électrolyte liquide. Dans le bati sont placées, de part et d'autre du plan Gxb, Zb, deux électrodes 15 et 16 isolées du reste du bâti. La palette Il elle-même est isolée électriquement du bâti, par exemple par ses pivots. Une sour- ce 21 de tension alternative à une fréquence de quelques kilohertz est appliquée entre, d'une part, le couvercle 13 et, d'autre part, le point milieu d'un pont de résistances 17, 18 reliant les électrodes 15 et 16.Les impédances des colonnes d'électrolyte limitées par les ailes de la palette Il et par les électrodes 15 et 16 varient avec l'inclinaison a de la palette de façon pratiquement linéaire, à condition que l'angle a reste faible. Quant à l'impédance des portions d'électrolyte situées entre palette et boîtier, entre électrodes et boftier, et électrodes entre elles, elle reste à peu près inxrariable lorsque l'inclinaison e la palette change. On peut en conséquence effectuer une mesure d'inclinaison en appliquant la tensicn qui règne entre les électrodes 15 et 16 à un démodulateur synchrone 19 par l'intermédiaire d'un transformateur 20. L'emploi d'une tension alternative à quelques kilohertz suffit pour éviter tout effet d'accumulation de charge et de polarisation des électrodes. On a réalisé un détecteur du type qui vient d'être décrit, destiné à être porté par un organe lui imposant une vitesse angulaire PO = 20 Hz. L'ensemble du détecteur pesait environ 10 g et avait un diamètre externe d'environ 2,5 cm. La palette était en acier et avait un débattement angulaire maximum légèrement supérieur à + 5". On a constaté que le détecteur permettait de conserver une linéarité de réponse satisfaisante jusqu'à une vitesse de rotation autour de l'axe sensible de 200e par seconde environ. REVENDICATIONS 1. Détecteur gyrométrique comprenant un bâti destiné à être entraîné en rotation autour d'un premier axe et dans lequel une palette équilibrée est montée rotative autour d'un deuxième axe du bâti, perpendiculaire au premier axe, de façon que le plan o- dian de la palette puisse osciller de part et d'autre d'une position orthogonale au premier axe d'un angle faible, et des moyens de détection des écarts angulaires de ladite palette par rapport à la position orthogonale provoqués par des mouvements de rotation du bâti autour de l'axe du bâti orthogonal aux premier et deuxième axes et dont la vitesse angulaire reste faible par rapport à la vitesse de rotation du bâti autour du premier axe. 2. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le débattement de la palette est inférieur à 10" de part et d'autre de ladite position orthogonale. 3. Détecteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bâti constitue une enceinte étanche portant, face aux ailes opposées de la palette, de part et d'autre de l'axe de rotation, deux électrodes isolées du bâti et placées d'un même côté du plan de la palette, et est associé à des moyens de comparaison de l'impédance des colonnes d'un électrolyte contenu dans le bâti, limitées par la palette et les électrodes. 4. Détecteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des détecteurs capacitifs ou inductifs des déplacements de la palette. 5. Engin animé en fonctionnement d'un mouvement de rotation uniforme autour d'un axe, caractérisé en ce qu'il est n uni d'un détecteur gyrométrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes dont ledit premier axe est placé autour de l'axe de rotation de l'engin. 6. Engin suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est du type tournoyant en roulis. 7. Engin suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est constitué par un véhicule sur roues, le détecteur étant placé suivant l'axe dTune roue pour détecter les mouvements de lacet du véhicule.