Brevet FR2458053A1 — publié le 19801226

La présente invention concerne des gyroscopes du type dans lequel un rotor sphérique tourne dans une enceinte sphérique. La présente invention concerne plus particulièrement des moyens pour détecter l'inclinaison de trois axes orthogonaux du boîtier par rapport a des positions de repère définies par les axes correspondants du rotor. Dans une technique connue pour atteindre ce but, la surface du rotor sphérique est divisée en deux surfaces égales et de formes identiques mais de couleurs ou de réflectivités différentes. Un détecteur monté dans le boîtier indique les durées pendant lesquelles chaque surface passe successivement devant lui, et les surfaces ont des formes telles qu'elles amènent la proportion des deux durées à varier avec la position de la sphère. Les surfaces ont des formes en pointes aux pôles et la frontière rejoignant les pointes a une forme de S. Cet appareil peut mesurer des angles sensiblement sur seulement une gamme de variations d'inclinaisons limitées, et des imprécisions surviennent quand le détecteur se trouve sur la région critique d'un pôle du rotor. Selon la présente invention, dans un gyroscope ayant un rotor sphérique monté dans un boîtier sphérique, un procédé de mesure de la position d'un premier de deux axes orthogonaux du boî- tier sphérique par rapport à une position de repérage définie par un axe orthogonal correspondant du rotor se trouvant perpendiculaire à son axe de rotation, comprend l'observation du rotor selon le second des deux axes orthogonaux et la détection de l'intervalle de temps requis pour qu'une ligne méridienne sur le rotor passe entre une paire de détecteurs positionnés transversalement à la ligne méridienne selon une ligne sensiblement parallèle au troisième axe orthogonal du boîtier. Avec seulement deux détecteurs, le signal de sortie représente le sinus et le cosinus de l'angle requis. Ceci peut être suffisant quand de très petits angles sont mesurés mais trois détecteurs sont requis pour obtenir des signaux représentant à la fois le sinus et le cosinus de l'angle requis. Si l'orientation de plus d'un angle orthogonal doit être mesurée, un second groupe de trois détecteurs peut être positionné selon le second des deux axes orthogonaux du boltier sphérique. Un tel agencement permet également la mesure de l'inclinaison des trois axes horizontaux du boîtier sphérique par rapport à l'axe de rotation du rotor. Ceci est réalisé par des circuits de calcul utilisant des relations trigonométriques connues. Par exemple, si e représente l'inclinaison de l'axe des X du boîtier par rapport à sa position de repère (définie par l'axe x du rotor) et que représente l'inclinaison de l'axe des Y du boitier par rapport à sa position de repère définie par l'axe y du rotor, alors l'inclinaison de l'axe Z du boltier par rapport à l'axe de rotation du rotor est donnée par l'équation cos J = cos e cos PI oa W est l'inclinaison de l'axe Z. Quand l'axe de rotation est vertical et que le boîtier sphérique est monté sur un missile, représente le roulis du missile et e représentera son inclinaison (ou tangage). L'angle ? représentera alors l'un des "angles de direction" du missile qui ont trait à un dispositif de mesure de ltorientation du missile dans des axes autres que ceux du missile typiquement dans des axes terrestres. Pour mesurer l'angle de lacets du missile, un second gyroscope serait nécessaire, son axe de rotation étant horizontal. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante, faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est une vue de dessus sur l'axe X d'un rotor sphérique dont une ligne méridienne est représentée ainsi que, schématiquement, la position de trois détecteurs. La figure 2 représente un circuit qui permet la comparaison de la différence entre les deux intervalles. La figure 3 est une vue schématique du rotor sphérique représentant les angles référencés dans la description suivante et Les figures 4A et 4B sont des vues en plan schématiques et en élévation axiale d'un dispositif de détecteur photo-électrique adapté. En se référant à la figure 1, un rotor sphérique 1 d'un gyroscope est entraîné à tourner autour d'un axe z-z représenté comme étant vertical en figure 1. I1 doit être monté sur des paliers à air dans un boîtier sphérique mais, comme cet appareil est bien connu et ne concerne pas directement la présente invention, il ne sera pas décrit plus en détail dans la présente description. En relation avec la présente invention, au moins une ligne méridienne 2 est marquée sur le rotor qui apparaît comme un diamètre vertical en figure 1 car elle est présentée passant devant ltobservateur et l'axe x. Dans le boîtier sont montés trois détecteurs photo-électriques P1, P2 et P3. Ces détecteurs sont disposés sur les sommets d'un petit triangle qui, dans cet exemple, est représenté proche de "l'équateur" du rotor.Les détecteurs P1 et P2 se trouvent le long d'une ligne parallèle à l'axe Z du boîtier, tandis que les détecteurs P1 et P3 se trouvent le long d'une ligne parallèle à l'axe Y du boîtier. En figure 3, il est représenté les relations tridimensionnelles entre les divers angles et axes identifiés dans la description suivante. X, Y et Z sont des axes orthogonaux du boîtier et x, y et z représentent les positions de repérage de ces axes, qui sont définies par les axes correspondants du rotor tournant autour de son axe z. Le boîtier étant monté dans un missile, l'axe x du rotor se trouvant selon l'axe longitudinal du missile, l'angle e représente le tangage du missile et l'angle le roulis de celui-ci. Les angles q, et )f représentent les angles directionnels du missile et les signaux représentant ou , et 8 peuvent être calculés à partir des signaux représentant sin e, cos e, sin et cos en utilisant les relations suivantes cos = - sin e cos h = - cos e sin cos Y = cos e cos Les angles e et sont mesurés enfermes d'intervalles de temps entre le passage du méridien devant deux paires quelconques des détecteurs P1, P2 et P3. Si tl = l'intervalle de passage entre les détecteurs P1 et P2 t2 = l'intervalle de passage entre les détecteurs P1 et P3 = = la vitesse angulaire du rotor d = la séparation angulaire des détecteurs P1 et P2, et P1 et P3 e e = l'angle de tangage = l'angle de roulis n = le nombre de méridiens du rotor et que les intervalles de passage sont mesurés par rapport à P1, on a sin (uJ.tl) = sin d sin et sin (w .t2) = sin d cos Si l'angle d est petit de sorte que sin d # d et, que sin (cJ.tl) itfwtl, on a alors d tl = W sin et t2 = d/# cos La sortie de chaque détecteur photo-électrique consiste en une impulsion produite par le passage d'un méridien et chaque paire de détecteurs P1 - P2 et P1 - P3 est reliée à un circuit bistable respectif du type Eccles-Jordan B1, B2 et à un élément de formation de valeur moyenne M1, M2 (voir figure 2) qui est mis en route par le front de montée de l'impulsion en provenance de P2 (P3) et coupé par le front de montée de l'impulsion en provenance du détecteur P1.La sortie résultante de chaque bistable est de durée tl (ou t2), d'amplitude V1 et de période de répétition t = 2 /nw. La valeur de cette impulsion sur une période de configuration est 1 V. d sin # n# V1 = (V.t1) = V. d sin # . t # 2# ainsi Vi = V. d n sin 2TF et de même V. d n cos # V2 = 2# où V1 est la valeur moyenne du signal en provenance de P1 P2, et V2 est la valeur moyenne du signal en provenance de P1 P3. Les deux valeurs moyennes sont indépendantes de la vitesse du rotor et de l'inclinaison de tout autre axe du missile. Un second groupe de détecteurs (P4, P5, P6) et des bascules bistables correspondantes B3 et B4 avec des éléments de formation de valeur moyenne M3 et M4 sont en conséquence prévus sur l'axe Y pour mesurer sin e et cos e. Les détecteurs P4, P5 et P6 se trouveraient au sommet d'un triangle et correspondraient exactement aux détecteurs P1, P2 et P3 de sorte que les détecteurs P4 et P5 se trouveraient le long d'une ligne parallèle à l'axe Z du boîtier et P4 et P6 se trouveraient le long d'une ligne parallèle à l'axe X du boîtier. Les sorties sin e, cos e, sin et cos sont en conséquence représentées par une duree d'impulsions modulée et en tant que telles sont particulièrement adaptées pour un calcul permettant de déterminer ensuite les angles de directionq , p et X De façon typique, pour V = 20 volts, d = 0,166 radian et n = 4, les sorties des bistables B1 et B2 (après passage à travers les éléments de formation de valeur moyenne M1 et M2) lissées en forme de signaux continus sont V1 = 2,1 sin volts V2 = 2,1 cos volts La limite inhérente de la gamme de fonctionnement est déterminée par des problèmes de marquage des lignes méridiennes dans les ré- gions polaires.Quand les lignes méridiennes approchent la région polaire, l'espacement entre les lignes devient voisin de l'espacement des détecteurs à photocellules et le marquage doit en conséquence être arrêté à environ - 800 de latitude. Une autre limitation survient dans les régions polaires en raison de la perte progressive des signaux en provenance des photocellules dans chaque groupe de détecteurs. Quand une photocellule entre dans la région polaire, son signal en impulsions cesse et les bascules bistables deviennent à l'arrêt ou en marche. La valeur moyenne du signal de sortie est alors un maximum ou un zéro respectivement et n'est pas représentative de la valeur désirée.Si le fonctionnement dans la région polaire est nécessaire, les circuits de traitement de signaux requièrent l'adjonction de circuits de mémoire et de commutation logiques pour éviter la production de signaux parasites.-De tels circuits supplémentaires sont peu économiques et ne seront en conséquence pas décrits ici. Un dispositif comprenant deux groupes de trois détecteurs est en conséquence limité à des gammes d'orientation sur un axe d'environ 750 pour une ligne méridienne unique, de 700 pour un dispositif à deux lignes méridiennes et de 600 pour un dispositif à quatre lignes méridiennes. Un dispositif comprenant un groupe unique de détecteurs sur un seul axe est totalement libre de cette limitation angulaire sur le second axe. Les tensions en impulsions V1 et V2 représentant sin 0 et cos respectivement peuvent être utilisées pour la résolution des commandes de roulis dans le dispositif de guidage de missile. Dans un tel dispositif, les deux signaux sont utilisés, sans traitement supplémentaire, comme multiplicateurs pour produire les composantes résolues des erreurs d'inclinaison et d'angle de lacets. Un agencement possible de détecteurs photo-électriques est représenté en figure 4. La figure 4A est une vue en plan schématique d'un groupe de trois détecteurs et la figure 4B est une vue de dessus schématique. Chacune des photocellules P1, P2 et P3 voit une petite zone du rotor non supérieure à 0,025cm de diamètre. Une source lumineuse 10 dirige un faisceau lumineux par l'intermédiaire d'un dispositif d'objectif 11 qui fait converger le faisceau sur une extremité d'un faisceau de fibres optiques 14. La lumière est transmise le long des fibres et émerge à l'autre extrémité pour éclairer une petite portion de la surface du rotor 12. Chaque photocellule voit cette partie illuminée du rotor par l'intermédiaire d'un objectif correspondant L1, L2 ou L3 (seuls les objectifs L2 et L3 étant visibles en figure 4B). Quand une ligne méridienne passe devant la zone observée par une photocellule, la quantité de lu mière réfléchie est momentanément réduite et, en conséquence une impulsion de sortie est produite par la photocellule. Le réglage des repères nécessaires est effectué en usine pendant le montage du gyroscope. Le rotor, comprenant la ou les lignes méridiennes est initialement positionné selon une orientation telle que la ligne méridienne s'étende devant P1 et que les distances entre P3 et la ligne méridienne (c'est-à-dire sin ), et entre la ligne méridienne et P2 (c'est-à-dire cos e) sont égales. Le rotor est maintenu bloqué dans cette position jusqu'à ce qu'il soit requis pour une utilisation, à la suite de quoi de l'air est injecté dans le boîtier sphérique qui enferme le rotor de façon à supporter le rotor sur un coussin d'air et le rotor est entraîné pour tourner rapidement. Les détecteurs P1, P2 et P3 fournissent alors des sorties aux bascules bistables de la figure 2. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONs 1 - Procédé pour mesurer, en relation avec un gyroscope ayant un rotor sphérique disposé dans un boîtier sphérique, la position du premier de deux axes orthogonaux du boîtier sphérique par rapport à une position de repère définie par des axes orthogonaux correspondants du rotor perpendiculaires à son axe de rotation,ca ractérisé en ce qu'il consiste à observer le rotor selon le second des deux axes orthogonaux et à détecter l'intervalle de temps requis pour qu'une ligne méridienne tracée sur le rotor passe entre une paire de détecteurs positionnés de façon transversale par rapport à la ligne méridienne selon une ligne sensiblement parallèle au troisième axe orthogonal du boîtier. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à détecter l'intervalle de temps requis pour que la ligne méridienne sur le rotor passe entre une seconde paire de détecteurs positionnés de façon transverse par rapport à cette ligne méridienne selon une ligne sensiblement parallèle au premier axe orthogonal du boîtier. 3 - Gyroscope comprenant un rotor monté pour tourner dans un boîtier sphérique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une ligne méridienne tracée sur le rotor et au moins deux détecteurs dont chacun est sensible au mouvement devant lui d'une ligne méridienne sur le rotor et produisant en réponse des signaux de sortie respectifs, les détecteurs étant positionnés transversalement à la ligne méridienne telle qu'observée selon l'un des axes orthogonaux du boîtier et se trouvant selon une ligne sensiblement parallèle à un second des axes orthogonaux, d'où il résulte que l'intervalle de temps entre les signaux en provenance des deux détecteurs est représentatif de la rotation du troisième axe orthogonal du boitier sphérique pour une position de repère définie par l'axe orthogonal correspondant du rotor, l'axe correspondant du rotor étant l'un des deux axes perpendiculaires à l'axe de rotation. 4 - Gyroscope selon la revendication 3, caractérisé en ce que les détecteurs sont groupés par groupes de trois, les premier et second détecteurs se trouvant selon une ligne sensiblement pa rallèle au second axe orthogonal du boîtier et les second et troi sième détecteurs se trouvant le long d'une ligne sensiblement pa rallèle au troisième axe orthogonal du boîtier. 5 - Gyroscope selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une paire de circuits à bascule bistable, chaque bascule bistable étant déclenchée de son premier état à son second état en réponse à un signal de sortie en provenance du premier détecteur, une première des bascules bistables étant déclenchée de son second état à son premier état en réponse à un signal de sortie en provenance du second détecteur et l'autre bascule bistable étant déclenchéede son second état à son premier état en réponse a un signal de sortie en provenance du premier détecteur. 6 - Gyroscope selon l'une des revendications 4 ou 5, ca racterisé en ce qu'il comprend en outre un second groupe de trois détecteurs correspondant au premier groupe de trois détecteurs mais étant positionnés transversalement par rapport à la ligne méridienne telle qu'observée selon le troisième axe orthogonal du boîtier, le second groupe de détecteur mesurant la rotation du premier axe orthogonal à partir de sa position de repérage.