Brevet FR2495311A1 — publié le 19820604

l 2495311 La présente invention concerne un dispositif gyroscopique pour déterminer la direction du nord et mainte- nir un cap du genre comprenant un gyroscope à deux axes de mesure dont l'axe de giration est sensiblement vertical et qui disposé sur un cadre de précession, comprenant en outre deux capteurs de position pour déterminer l'inclinaison de ce cadre dans deux directions perpendiculaires l'une par rap- port à l'autre et perpendiculaires l'axe de giration dont l'une s'étend parallèlement à l'axe de précession, compre-- nant un second cadre dans lequel est monté le cadre de pré- cession et qui est monté à son tour dans un boitier au mo- yen d'un axe perpendiculaire à l'axe de précession, un géné- rateur de couple commandé par le premier capteur de position agissant sur l'axe du second cadre, et comprenant un circuit de calcul pour calculer, à partir des signaux engendrés au moyen du gyroscope, l'écart entre la direction du nord et une direction de référence. La demande de brevet allemand publié après examen n0 27 41 274 décrit un tel dispositif gyroscopique. Il s'agit dans ce cas d'un gyroscope à deux axes comprenant des axes d'entrée qui s'étendent de manière sensiblement horizontale, les capteurs de position des axes agissant cha- cun de manière croisée sur des générateurs de couple montés sur les deux axes. Les tensions amenées aux générateurs de couple sont transmises simultanément à un calculateur qui fournit les écarts par rapport à la direction du nord. Dans ce dispositif, il est nécessaire de rendre horizontaux les deux axes d'entrée avant le début du processus qui permet de déterminer la direction du nord. Le même document décrit également un dispo- sitif gyroscopique qui peut être utilisé, non seulement pour déterminer la direction du nord, mais également pour déter- miner un cap (gyrocompas), le boîtier du gyroscope étant alors basculé de 90 autour de l'un des axes d'entrée. L'axe de giration présente alors pour l'essentiel une direc- tion horizontale. Le gyroscope est fixé dans cette position et il mesure les vitesses angulaires autour des axes d'entrée qui sont fixes par rapport au véhicule, des accéléromètres a 2 2495311 supplémentaires étant prévus pour capter la position du véhicule par rapport à l'horizontale. Pour la détermination des caps, ce disposi- tif gyroscopique présente une construction compliquée, à cause notamment de l'utilisation d'accéléromètres qui doivent satisfaire à des exigences très poussées quant à leur précision. En outre il faut prévoir pour la détermina- tion des caps une exploitation des données qui est coûteuse. Le but de l'invention est de réaliser un dis- positif gyroscopique dans lequel le temps nécessaire pour une détermination précise de la direction du nord se trouve raccourci et qui peut être utilisé comme référence de cap et de position, grâce à quoi une détermination précise du cap peut être obtenue avec des moyens aussi simples que possible. Ce but est atteint selon l'invention, au moyen d'un dispositif gyroscopique du genre spécifié ci- dessus qui est caractérisé en ce que le gyroscope comporte deux axes de mesure et se présente par exemple sous la for- me d'un gyroscope à accord dynamique dont les capteurs fournissent des signaux (wlt w2) pour calculer la direction du nord, en ce que le second cadre est un cadre à axe sen- siblement vertical, ou cadre azimutal, en ce qu'au moyen du signal du premier capteur de position, le capteur de précession est amené en position horizontale dans la direc- tion perpendiculaire à l'axe de précession, en ce que le signal du deuxième capteur de position est utilisé pour te- nir compte de l'inclinaison rapport à l'horizontale,et en ce que, pour utiliser égale- ment le gyroscope comme gyroscope de cap, des circuits de type connu sont prévus pour faire pivoter le cadre de pré- cession vers une position dans laquelle l'axe de précession du gyroscope est horizontal et pour le maintenir dans cette position. Pour obtenir la direction du nord, on ferme les circuits d'asservissement du gyroscope qui fournissent deux signaux correspondant au couple autour des axes d'en- trée du gyroscope. Afin de réaliser un calcul simple de la direction du nord, et selon l'invention, on rend horizontal le cadre de précession dans la direction perpendiculaire à l'axe de précession au moyen de simples palpeurs. Selon une forme de réalisation de l'invention, il suffit alors de mesurer l'angle d'inclinaison t de l'axe de précession et de l'introduire dans le calcul de l'écart angulaire a par rapport au nord. Cet angle peut être calculé au moyen des signaux des circuits d'asservissement w et 2 au mo- yen de la relation cg = a + arc tg i cos 0>2 sQ sincf ou Qv est la composante verticale de la rotation de la ter- re qui peut être enregistrée comme constante dans une mé- moire du circuit de calcul ou être introduite avant la mesure, a étant la déviation du cadre azimutal par rapport à la direction de référence. Pour exploiter rapidement les données, aus- si bien lors de la détermination de la direction du nord que pour la détermination du cap, il est prévu un micro- processeur qui met en mémoire les signaux du gyroscope, des palpeurs vérifiant la verticalité et des capteurs de position d'axe qui calculent à partir de ces données l'angle d'écart par rapport à la direction du nord ou l'an- gle de cap et qui commandent simultanément le déroulement du programme pour les diverses phases de mesure. Pour simplifier l'exploitation de la donnée que constitue l'écart angulaire a par rapport à la direction du nord lors de la détermination de cette dernière, le cadre de précession peut être également mis à l'horizontale en direction de l'axe de précession au moyen du deuxième cap- teur de position et d'un générateur de couple agissant sur l'axe azimutal. La prise en considération de l'angle d'in- clinaison q disparaît alors et l'écart angulaire par rapport au nord peut être calculé par la relation: 4 2495311 " = aa + arc tg Pour obtenir la direction du nord par rapport au véhicule, on prend en considération lors du calcul l'an- gle ac entre ce dernier et la position du cadre azimutal. Les tolérances de fabrication des cadres montés à la cardan et des palpeurs de verticalité, les influences extérieures dues au champ magnétique et les phé- nomènes analogues peuvent conduire, lors de-la détermina- tion du nord, à des erreurs de dérive qui peuvent être éli- minées dans de larges mesures lorsque l'écart a par rapport au nord est mesuré pour deux positions de l'axe azimutal décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de 1800 de préférence. Les résultats ainsi obtenus peuvent être utilisés pour une détermination plus précise de l'angle d'écart avec la direction du nord. Dans le dispositif gyroscopique selon lPin- vention, le cadre de précession est amené au moyen d'un simple palpeur de verticalité dans une position pour laquel- le l'axe de giration du gyroscope est horizontal. Grâce à cette disposition des cadres, on obtient ainsi un gyros- cope de cap entièrement découplé qui constitue de manière physiquement exacte une référence pour la position du cap. Comme le véhicule qui porte le dispositif gyroscopique présente dans la plupart des cas, lors de la détermination de la-direction du nord, une position-des axes longitudinal ou transversal qui s'écarte de l'hori- zontale il est avantageux, pour fournir l'angle d'écart avec le nord au calcul de la direction du cap ou à l'indi- cateur de cap du gyroscope, de tourner ce dernier dans une position pour laquelle les cadres sont disposés l'un par rapport à l'autre dans une position telle qu'une transmis- sion exempte d'erreursde cardan soit possible. Ceci est réalisé grâce au fait que les générateurs de couple exer- cent des couples.sur les axes en fonction des capteurs de position et que les cadres se déplacent vers la position 2495311 requise. Lorsque l'on rerd horizontal l'axe de gi- ration du gyroscope, de sorte que la disposition correspond à celle du fonctionnement en gyroscope de cap, la déter- mination de la direction du nord est en outre possible à l'aide de la procédure appliquable au gyrocompas. A cette fin, un signal d'entrée de la direction du nord est capté sur le gyroscope; en outre, on mesure l'écart entre l'axe de précession et 1' horizontale et on l'utilise pour corriger l'angle d'écart avec la direction du nord qui est mesuré. L'avantage de ce procédé réside dans une sensibilité plus faible auxmouvements parasites, ce qui permet de déterminer la direction du nord lorsque, par exemple, des fluctuations ou des mouvements relativement importants agissent sur le gyroscope. Dans ce cas, et pour diminuer les fluctuations, on peut faire intervenir l'axe du gyroscope à accord dynamique qui s'étend parallèlement à l'axe de précession. La description qui va suivre, et qui ne pré- sente aucun caractère limitatif, permettra de bien compren- dre comment la présente invention peut être mise en pratique. Elle doit lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels: -la figure 1 représente le dispositif gyros- copique dans sa position adaptée à la détermination de la direction du nord; -la figure 2 représente ce dispositif gyros- copique dans une position décalée angulairement de 90 o il sert de référence pour la position du cap. Comme on le voit sur la figure 1, un bâti l est monté sur une partie fixe qui est par exemple un véhi- cule. Un cadre azimutal 2 qui est monté dans le bâti 1 autour d'un axe vertical 16 porte en outre un cadre de pré- cession 3 qui est monté mobile en rotation dans le cadre 2 et dont l'axe 15 est sensiblement horizontal. Les deux axes 15 et 16 comprennent des capteurs d'anglesde rotation 4 et 5 et des générateurs de couple 6 et 7. Sur le cadre de précession 3 sont montés deux capteurs de position 8 et 9 qui sont perpendiculaires l'un par rapport à l'autre et qui sont réalisés sous la forme de palpeurs de verticalité, ainsi que deux capteurs de position 10 et 11 qui sont réalisés sous la forme de capteurs d'inclinaison et qui sont également perpendiculai- res l'un rer rapport à l'autre. Ces capteurs sont nontés de telle manière qu'ils détectent tout écart du cadre de précession 3 par rapport à l'horizontaJeet par rapport à une position déca- lée angulairement de 900 par rapport à l'horizontale.Le coeur du dispositif gyroscopique, à savoir le gyroscope 13 à accord dynamique, est monté sur le cadre de précession 3 de telle manière que l'axe de giration 12 soit perpendicu- laire au cadre de précession. En outre, le premier axe 19 du gyroscope à accord dynamique qui s'étend en direction radiale est parallèle à l'axe de précession 15 du disposi- tif gyroscopique, et son second axe 20 est décalé angulai- rement de 90 par rapport au premier. Les signaux engendrés par les palpeurs de verticalité 8 et 9 et par les capteurs d'inclinaison 10 et 11 sont transmis à des circuits d'exploi- tation 17 et 18 qui conduisent aux générateurs de couple 6 et 7 les signaux qui en résultent par l'intermédiaire d'un calculateur ou d'un microprocesseur. La détermination de la direction du nord et le maintien du cap qui en découle résulte d'une séquence qui est indiquée au préalable et qui comprend les points suivants: a)- mise en route du moteur du gyroscope et fermeture des circuits d'asservissement du gyroscope 13, b)- détermination de-l'écart par rapport à la verticale dans la direction perpendiculaire à l'axe 15 au moyen du palpeur de verticalité 8 et correction éventuelle par mise à l'horizontal de cet axe par excitation du générateur de couple 7, c)- mesure de l'angle entre l'axe de précession et l'hori- zontaleau moyen du capteur de position 10, d)- mesure des grandeurs de sortie du gyroscope 13, c'est- à-dire des composantes tangentielles de la vitesse de rotation de la terre selon deux directions perpendicu- laires l'une par rapport à l'autre et calcul de l'écart 7 2495311 angulaire par rapport à la direction du nord en prenant en considération l'inclinaison de l'axe de précession, e)- basculement éventuel du gyroscope de 180 autour de l'axe azimutal 16 au moyen du générateur de couple 6 et du capteur azimutal 5 et répétition des points b) à d). A partir des valeurs ainsi obtenues de l'écart par rapport à la direction du nord, il est alors pos- sible d'obtenir grâce au calculateur l'erreur de dérive et un écart angulaire par rapport au nord plus précis, f)- basculement de 900 du cadre de précession 3 autour de l'axe 15 selon la figure 2 au moyen du générateur de couple 7 et du palpeur de verticalité 9, ce qui conduit à la position représentée sur la figure 2 dans laquelle l'axe de giration 12 du gyroscope se trouve en direc- tion horizontale, g)- rotation éventuelle du cadre azimutal 2 au moyen du gé- nérateur de couple 6 jusqu'à une position dans laquelle il est possible d'obtenir une transmission exempte d'er- reur de cardan de l'écart angulaire par rapport à la direction du nord à l'indicateur de cap; il en est de même lorsque le cadre de précession 3 s'étend dans le plan du cadre azimutal 2, ce qui est déterminé par le capteur 4. Le gyroscope 13 se trouve alors dans une position de maintien du cap qui est indépendante du véhi- cule et il peut indiquer le cap instantanné du véhicule au moyen du capteur 5. Lors de la détermination de la direction du nord selon les points a) à e) ci-dessus, il est également possible de simplifier le calcul de l'écart angulaire par rapport au nord en éliminant l'angle 1 par une mise à l'horizontale supplémentaire de l'axe de précession 15. Pour cela, et au moyen du capteur d'inclinaison 10, on excite le générateur de couple 6 de telle manière que l'axe de précession est maintenu dans l'une des deux positions horizontales qui sont possibles. Le capteur d'inclinaison est utilisé dans ce but comme un palpeur de verticalité. Mise à part la détermination du cap, la 8 2495311 position du cadre de précession 3 du dispositif gyroscopi- que qui est représenté sur la figure 2 doit également être utilisée lorsque la détermination de la direction du nord est effectuée selon la procédure propre au compas gyrosco- pique, par exemple à cause de la présence de couples para- sites. Dans cette procédure, il faut utiliser en outre le capteur d'inclinaison l1 qui mesure l'écart par rapport à l'horizontalede l'axe de précession 19 du gyroscope 13 ou de l'axe de précession 15 du dispositif gyroscopique. Lorsque le cadre de précession 3 se trouve en position verticale, ce qui est obtenu au moyen du capteur de vertica- lité 9 et du générateur de couple 7, l'excitation du généra- teur de couple 7 ayant alors lieu comme indiqué sur la figu- re 1, la composante tangentielle du-mouvement de rotation de la terre produit un couple autour de l'axe 20 du gyrosco- pe. Ce couple, ou le courant qui engendre un couple opposé au précédent, constitue une mesure de l'écart par rapport au nord qui peut être utilisée pour l'asservissement du gyros- cope ou pour le calcul de l'écart par rapport à la direction du nord. Cet écart est faussé en outre par l'inclinaison de l'axe de précession 15 par rapport à l'horizontaleet il peut être corrigé par une détermination de l'inclinaison au moyen du capteur d'inclinaison il et d'un calcul de correc- tion. 9 2495311 R E V E N D I C A T I O N S 1.- Dispositif gyroscopique pour détermi- ner la direction du nord et maintenir un cap, du genre com- portant un gyroscope dont l'axe de giration est sensible- ment vertical et qui est monté sur un cadre de précession, comportant en outre deux capteurs de position pour déter- miner l'inclinaison de ce cadre dans deux directiorsperpen- diculaires entre elles et perpendiculaires à l'axe de gira- tion dont l'une s'étend parallèlement à l'axe de précession, comprenant un second cadre dans lequel est monté le cadre de précession et qui est monté à son tour dans un boitier au moyen d'un axe perpendiculaire à l'axe de précession, un générateur de couple commandé par un capteur de position agissant sur l'axe du second cadre, et comprenant un circuit de calcul pour calculer, à partir des signaux engen- drés au moyen du gyroscope, l'écart a entre la direction du nord et une direction de référence, dispositif caractérisé en ce que le gyroscope (13) comporte deux axes de mesure, dont les capteurs fournissent les signaux (w1, w2) permet- tant de calculer la direction du nord, en ce que le second cadre (cadre azimutal 2) est un cadre dont l'axe est sensi- blement vertical, en ce qu'au moyen du signal du premier capteur de position (8) le cadre de précession (3) est ame- né en position horizontale dans la direction perpendiculaire à l'axe de précession (15), en ce que le signal du second capteur de position (10) est utilisé pour tenir compte de l'inclinaison ( t) de l'axe de précession (15) par rapport à l'horizontale,et en ce que, pour utiliser également le gyroscope comme gyrocompas, des circuits de type connu sont prévus pour faire pivoter le cadre de précession (3) vers une position dans laquelle l'axe de giration (12) du gyroscope (13) est horizontal, et pour le maintenir dans cette position. 2.- Disposition gyroscopique selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le circuit de calcul est relié aussi bien aux capteurs de position du gyroscope (13) 2495311 qu'au deuxième capteur de position (10), et qu'il permet le calcul de l'écart a avec la direction du nord au moyen de l'expression a =a1 + arc tg __ _cos 2 nXv sin y çv étant la composante verticale de la vitesse de rotation de la terre et a 1 l'écart entre le cadre azimutal (2) et la direction de référence. 3.- Dispositif gyroscopique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que, lors de la détermination de la direction du nord, le deuxième capteur de position (10) est relié à un autre générateur de couple (6) agissant sur l'axe vertical pour amener le cadre azimutal (2) dans une position dans laquelle l'axe de précession (15) est horizontal, l'écart a avec le nord résultant de manière connue de la relation w1 a= a1 + arc tg w2 o a1 représente la déviation du cadre azimutal (2) par rapport à la direction de référence. 4.- Dispositif gyroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour diminuer les couples parasites, on fait pivoter, de 1800 par exemple, l'axe azimutal (16) après la mesure de l'écart a avec le nord, et on réalise une nouvelle mesure a' de l'écart avec la direction du nord après avoir ramené à l'horizontalele cadre de précession (3) dans la direction perpendiculaire à l'axe de précession (15), et en ce qu'au moyen d'un circuit de calcul, on calcule à partir de a et a' la dérive du gyroscope (13) et/ou une valeur améliorée a de l'écart avec le nord. (Tl) uoTITsod ep analdvo np TeuBTs np UOToDUOg ua ta InOTeD appsuauxne saeb6 plou np uoToDeTP VI uunbTpuuT agluap TvuBTs un 1a6Ttoo anod la oz (51) uoTsseogad op axe,l apaeruozTaoq,i V 12oddul:Vd leDgTI z4Deigp inod ntagd;se (Il) azet4uauziTddns uoTiTsod ap aneq -duD un,nb ao ue l ',i uozTaoq nuasuTui l.ue (CI) adoosoiA6 np (ZI) uoTelTb aP axe,I 'seduloDo06 8uuoD flbTdoDsozd6 J;TTsodsTp as 2asT;in anod 'anb Eo ua psT9agDe.:D '1 uo-çuo si -TpuaAOe O uoas nbTdoosoaAbX6 T;TsodsTa -*L aTInU;se uepaeDo ap zanGLa,T eIInbeT mnod uoTTsod VI suep iuure Isa (z) eapeo aoD ' (Z) Inurçze eapno ne lzoddea aed (E) uoTsseDoad op aepeD np uo-iTsod VI; uenbEpuT ( ) uo0T4aTb op exuel epqequozTaoqT V OsTuW seadu S la 'edoosozx6 np deo ap ananeoTpuT,TI plou ne;loddez ad axTQnBum leDgI aa4emuIsuv2l anod 'Tnb sueAom sap aeoduioo iT,nlb D ua gsTaDgoIeoD '9, I suoTeoDTPUaea sep enbuoDIanb aun,I uoles anbTdoosorib T; TsodsTa -'S Lú569