Brevet FR2506007A1 — publié le 19821119

La présente invention concerne un dispositif pour la détermination de l'orientation d'un axe, mobile autour d'un point, d'un solide en rotation autour de cet axe, notamment d'une toupie gyroscopique. Considérons une sphère, ou une portion de sphère, animée d'un mouvement de rotation propre autour d'un axe, de préférence son axe de symétrie, ledit axe étant capa- ble d'un mouvement à deux degrés de liberté, au moyen, par exemple, d'une suspension à la Cardan, c'est-à-dire mobile autour d'un point fixe. On sait déjà déterminer l'orientation, ou mesurer les coordonnées angulaires, d'un tel système en plaçant sur les axes de cardan des capteurs angulaires connus, tels que potentiomètres, resolvers inductifs, codeurs optiques Cependant, il est souvent difficile d'accéder aux axes de cardan pour y installer ce type de capteur, soit parce que les dimensions générales de la suspension sont trop faibles relativement à l'encombrement des cap- teurs, soit parce que la suspension à la Cardan est dis- simulée en partie à l'intérieur par exemple de la toupie. De plus lorsque les deux degrés de liberté de l'axe sont autorisés non plus par une suspension à la cardan, mais par une rotule sphérique, l'accès est alors physi- quement impossible. De plus, tous les capteurs existants exercent sur les axes de la suspension des couples parasites, non négligeables et susceptibles de fausser les mesures. La présente invention vise à pallier ces inconvé- nients et à proposer un dispositif de mesure dans lequel strictement aucun couple n'est exercé sur la toupie, et se prêtant à une miniaturisation poussée. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif pour la détermination de l'orientation d'un axe, mobile autour d'un point, d'un solide en rotation autour de cet axe, notamment d'une toupie gyroscopique, caractérisé par le fait qu'il comprend une portion de sphère centrée sur ledit point dudit axe, dont la surface comporte au moins deux parties respectivement absorbante et réfléchissante pour un rayonnement donné, et des moyens capteurs sensibles au rayonnement réfléchi par la sphère, les parties réfléchissante-et absorbante étant conformées pour que les moyens capteurs délivrent des signaux caractéristiques de l'orientation dudit axe. Dans une forme de réalisation préférée de l'inven- tion, la surface de la sphère est divisée en deux parties par une courbe dont l'équation est une fonction monotone. Dans ce cas, l'une de ces deux parties peut étre réfléchissante, l'autre absorbante. Mais au moins l'une des deux parties peut aussi avoir un albédo constant ou progressivement variable. L'une des deux parties de la surface de la sphère peut également comporter des traits méridiens alternati- vement absorbants et réfléchissants, l'autre partie res- tant par exemple réfléchissante. La présente invention sera mieux comprise à la lec- ture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation préférée du dispositif, faite en référence aux dessins annexés, et d'un exemple de procédé de réali- sation de la sphère ou de la portion de sphère dont les coordonnées sont à mesurer Sur les dessins e - La fig 1 représente une vue en perspective d'une première forme de réalisation de la sphère de l'invention dont les coordonnées angulaires sont à mesurer. La fig 2 représente une autre vue de la sphère de la fig 1. La fig 3 représente une vue d'ensemble du dispo- sitif comprenant la sphère des figs 1 et 2 et les cap- teurs. La fig 4 représente une vue analogue à celle de la fig 2, mais d'une deuxième forme de réalisation de la sphère de l'invention, et La fig 5 représente une vue en perspective d'une troisième forme de réalisation de la sphère de l'inven- tion. Sur la figure 1 est représentée une sphère 1, de centre O, solidaire d'une toupie gyroscopique d'axe Ox, et destinée à être entrainée en rotation autour de cet axe Ox, dont on veut connattre les coordonnées Sur la sphère 1 est définie une zone entre deux plans 2 (en haut) et 3 (en bas) normaux à l'axe Ox, et d'équations respec- tives x = Xmax et x = + x a, Xmax étant une valeur prédéterminée, comme on le verra plus loin. Sur la surface de la zone précitée est définie une courbe 4, d'équation x = f ( 0, modulo 2 P), e étant l'an- gle de rotation de la sphère 1 l autour de l'axe Ox compté à partir d'un axe de référence origine Or, et telle que f(O) = Xmax et f( 21) = + xmax, et que f(o) soit monotone sur tout l'intervalle lo, 2 Une fonction monotone est une fonction variant toujours dans le même sens. Dans l'exemple décrit, 11 équation de cette courbe est x xmax (% 1) ( 1) sur l'intervalle O Cette courbe divise la zone précitée en deux demi- zones en "dent de scie", et placées tête-b 8 che. La demi-zone située entre la courbe 4 et le plan inférieur 3, en grisé sur les figs 1 et 2, est agencée pour absorber en tout ou partie les rayonsypar exemple lumineuxreçus par la sphère et provenant d'un éclairage ordinaire Le reste de la sphère est, à itopposé, en tout ou partie réfléchissant, la condition étant que les albédos de ces deux secteurs seient sensiblement diffé- rents L'albédo est ce qu'on pourrait appeler le coeffi- cient de réflexion. L'axe de rotation Ox de la sphère 1 est, de façon connue, matérialisé et fixé sur une suspension à la Cardan, (non représentée) ce qui lui permet toute rota- tion autour des axes perpendiculaires à l'axe Ox. On conçoit alors pourquoi cette sphère du dispositif est solidaire du gyroscope ou même en est un élément. On sait que, lors d'un mouvement gyroscopique, l'axe de rotation propre, en l'occurence Ox, est animé d'un mouvement de précession, délimité par un c 8 ne de demi-angle au sommet O, égal à O, et d'axe OX. Sur la figure 3, on voit que la position de l'axe Ox est représentée d'une part par son site, c'est-à-dire par l'angle 5 qu'il fait avec un plan contenant l'axe OX et un axe perpendiculaire à OX, soit OY, et d'autre part par son azimuth, c'est-à-dire l'angle A qu'il fait avec un plan contenant l'axe OX, et un axe perpendicu- laire à la fois à OX et à OY, cet axe étant quant à lui désigné par OZ. OX, OY et OZ seront par la suite appelés les axes de référence du gyroscope Ils définissent un repère orthonormé. On vérifie aisément, par la trigonométrie sphérique, que Cos ( 9 R étant le rayon de la sphère 1. Le dispositif,selon l'exemple de la figure 3, com- prend en outre deux capteurs ou détecteurs photoélectri- ques 5, 6 (fig 3), placés à proximité immédiate de la sphère Le capteur 5 est placé sur l'axe OY et le capteur 6 est placé sur l'axe OZ. On conçoit que chacun des capteurs ne délivrera pas le même signal suivant qu'il fait face à une partie ab- sorbante ou réfléchissante. Ainsi, suivant la position de l'axe Ox par rapport à l'axe de référence OX, position déterminée par les angles A et S, on comprend que, à vitesse donnée de rotation W de la sphère 1 autour de l'axe Ox, les zones absorbantes définies plus haut feront face plus ou moins longtemps à chacun des capteurs. On obtient finalement, en sortie de chacun des cap- teurs, un signal périodique rectangulaire dont la période instantanée est égale à W, et dont le rapport cyclique est fonction de liazimuth et du site de l'axe Ox. On démontre, par des calculs simples de trigonomé- -trie sphérique que, les capteurs étant placés aux endroits précités, les équations suivantes sont vérifiées: pour le capteur 5: ( 2 a=i S g cosor 2 T sin|S maxi pour le capteur 6: ( 2 1) = sin A cos S c T sin ls maxn x étant le rapport cyclique de l'onde rectangulaire four- nie par chacun des capteurs, et plus précisément le rapport entre la durée Z pendant laquelle le secteur ab- sorbant fait face au capteur correspondant, et la durée totale T d'une révolution de la sphère 1 et cos ds et cos 2 sont les cosinus directeurs instantanés de l'axe Ox. On sait parfaitement par des techniques électroni- ques usuelles, obtenir à partir d'un signal rectangulaire son rapport cyclique Quant aux cosinus directeurs, ce sont les cosinus des angles C" 1 et O 2 que fait l'axe Ox respectivement avec les axes OY et OZ. Pour que la mesure soit-correctement effectuée, il faut que chaque capteur reste en permanence face à la zone de la sphère délimitée par les plans 2 et 3 En ef- fet, dans le cas contraire, au moins un des deux capteurs délivrerait un signal non significatif, car il ferait face au moins une fois par tour à un secteur non signifi- catif de la sphère Il faut donc, comme on l'a dit plus haut, et si est l'angle de précession maximal, c'est-à- dire le demi-angle au sommet O du cane de précession, que la relation suivante soit respectée: xmax = R sin - On peut encore simplifier les calculs précédents en définissant maintenant la courbe 4 par l'équation s A =m Dax ( 1) pour O compris dans l'intervalle LO, 2 e Tl ( 2) o X représente non plus l'abcisse du point de la courbe, mais sa latitude; les calculs donnent alors s pour fl capteur 5 S ( 2 t Ma) = 15 2 pour le capteur 6: 1) Ln 5 g X. Il est & noter que les capteurs 5 et 6 pourraient ne pas se trouver sur les axes OY et OZ. Les valeurs précédentes pourraient bien être obtenues, mais au moyen de calculs plus complexes de trigonométrie sphérique. On notera que les plans 3 et 4 pourraient itre écar- tés Jusqu'à devenir les plans tangents à la sphère en ses p 8 les. On a donc décrit un premier exemple de dispositif de mesure permettant, sous certaines conditions, de mesurer plus ou moins précisément les cosinus directeurs de l'axe de rotation propre du gyroscope, mais qui présente cepen- dant des inconvénients, en particulier le fait que Tot I dépendent de la vitesse de rotation du gyroscope. Un second exemple de réalisation a pour but de sup- primer cet inconvénient Sur la fig 4 on voit que la zone absorbante (en grisé sur les figs 1 à 3) est rem- placée par une succession de traits méridiens, alternati- vement absorbants et réfléchissants, d'épaisseurs égales, et s'étendant de la courbe 4 vers le plan inférieur 3. Ainsi on peut substituer à la mesure précédente de T et % un comptage, par exemple celui du nombre de zones absorbantes qui ont fait face aux détecteurs pendant une révolution, les signaux fournis à la sortie des détecteurs étant sous forme de trains d'impulsions. On comprend alors que la mesure ne dépend plus de la vitesse de rotation du gyroscope. En effet il suffit, dans les calculs précédents, de remplacer T par le nombre maximum de traits absorbants sur la sphère, c'est-à-dire dans le cas présent, par le nombre de traits dans le plan 3 (x = xmax ou X = X max max et t par le nombre de traits absorbants comptés, à savoir le nombre d'impulsions de chaque train. On notera qu'au lieu de considérer deux demi-zones dtalbédos différents ou une demi-zone pourvue de traits méridiens alternativement absorbants et réfléchissants, on pourrait également prévoir une demi-zone à albédo pro- gressivement variable, selon une loi prédéterminée. Une variante de dispositif selon l'invention est re- présentée sur la fig 5. Dans cette variante, la portion de sphère est délimi- tée par deux plans 7, 8 d'équations respectives X = i Max et X t . La courbe 9, d'équation X f ( 1,mddl T) est alors définie par une fonction monotone telle que f (o) = Xmax et f ( 2 'f) = O. On pourra par exemple, choisir: x * A ( 1) ( 3) max 2 XT o A représente la latitude du point de la courbe, ou encore: max f( 4) o x représente l'abscisse du point de la courbe, telle que max soit la latitude du point correspondant à une abscisse xma. De m 8 me des traits méridiens, alternativement absor- bants 10 et réfléchissants 11 sont disposés entre la courbe 9 et le plan 8. Cette variante nécessite cependant l'emploi sur chaque axe OY et OZ de deux capteurs diamétralement opposés (non représentés). Dans ce cas, quels que soient l'azimuth et le site de l'axe de rotation du gyroscope, seul un des deux cap- teurs d'une même paire verra défiler les traits méridiens. A partir du signal de ce capteur, sera obtenue la valeur absolue de l'angle A ou S, suivant le couple de capteurs considéré; le signe de cet anglequant à lui, changera selon que c'est l'un ou l'autre des capteurs d'une môme paire qui voit défiler les traits. Cette variante permet donc de fournir un dispositif tout aussi efficace que celui précédemment décrit, et utilisable dans le cas o il est impossible de prévoir pour le gyroscope, ou la toupie, une portion de sphère s'étendant de part et d'autre de son équateur. En outre, dans les dispositifs décrits ci-dessus, on a envisagé de délimiter la zone absorbante ou striée par une seule courbe, de période 2 ri. On peut également concevoir de définir autour de la portion de sphère non plus une courbe, mais un nombre entier de courbes, par exemple N courbes dont les équa- tions sont t A * Amax 2 i 1) sur l'intervalle _=, 2 (in) l pour i 0,, n-1 ( 5) L'avantage d'un tel modèle se situe dans le fait que le comptage est effectué dans ce cas N fois par tour, au lieu de une fois, comme précédemment Les coordonnées de l'axe de rotation sont ainsi déterminées avec une plus grande précision. On décrit, ci-dessous, quelques exemples de réali- sation du dispositif de l'invention. Exemple 1 On trace, sur une sphère de diamètre 50 mm, 128 traits réfléchissants, et autant de traits absorbants,- délimités par la courbe telle que représentée sur la figure 1 et telle que Xmax = 300. La largeur de chaque trait est de 0,61 mm, et l'incrément de longueur entre deux traits absorbants de 0,2 mm. Pour que la mesure soit de précision optimale, il faut que le diamètre de la partie sensible des détecteurs soit au plus égale à la plus faible de ces deux dimen- sions, 0,2 mm dans le cas présent. Dans ce cas, toutefois, la précision maximale théo- rique n'est pas atteinte du fait qu'avec ce détecteur de diamètre 0,2 mm, une cadence d'échantillonnage plus rapide qu'avec des traits de 0,61 mm pourrait être obtenue. Exemple 2 On trace, sur une sphère de diamètre 50 mm, 3 groupes de 128 traits réfléchissants, et autant de traits absor- bants répartis respectivement entre les 3 courbes défi- nies par l'équation ( 5) avec N = 3 et Fax = 30. On obtient donc de façon identique à l'exemple 1, un incrément de longueur des traits dans chaque groupe de 0,2 mm Mais dans le présent exempleeon comprend bien que la largeur de ces traits n'est plus que d'environ 0,2 mm également Ainsi avec un détecteur de diamètre 0,2 mm, une précision optimale est obtenue tant pour la détection de la fin de la zone striée que pour la cadence d'échan- tillonnage. On mesure alors la position de l'axe de rotation, par ses cosinus directeurs, trois fois par tour. De façon plus générale, il est chaque fois possible, pour améliorer la précision, de choisir un nombre de courbes N tel que, pour un nombre donné de traits dans chaque secteur délimité par ces courbes, l'incrément de longueur des traits et leur largeur soient aussi proches l'un de l'autre que possible. On peut ici démontrer que ce nombre N ne dépend en fait que de la valeur de Lmax choisie, c'est-à-dire, indirectement, de la valeur autorisée de l'angle de pré- cession du gyroscope. Soit N le nombre de courbes autour de la sphère, n étant à choisir N représente le nombre de traits absorbants dans chacun des N secteurs délimités par ces courbes La longueur maximale ides traits est en fait la longueur de l'arc méridien séparant les plans X Xa A= et x = -X ma Si R est le rayon de la sphère, alors te 2 maxt s 2 l 2 X R. Lfincrément de longueur des traits est alors 2 Xmax-R N Quant à la largeur des traits, elle vaut 2 4 R x -_, 2 e R représentant la longueur maximale de chacun des N secteurs, transversale- ment aux traits, et 2 N le nombre total de traits (absor- bants et réfléchissants). La précision maximale est obtenue lorsque 2 X Max R 211 ' R 1 et que ces deux valeurs sont N N 2 N égales au diamètre du détecteur On obtient ainsi 2 Cé n =- 4 xmax Les calculs ci-dessus sont également valables lorsque les secteurs considérés contiennent non plus une succes- sion de traits alternativement absorbants et réfléchis- sants, mais une surface totalement absorbante, à l'opposé du reste de la sphère. En outre, on a décrit ci-dessus plusieurs formes de réalisation du dispositif, permettant de ne mesurer que la position de l'axe de rotation propre du gyroscope, sans connaissance de ses coordonnées instantanées Il est cependant envisageable que les signaux fournis à la sortie des détecteurs puissent être représentatifs de la position instantanée du gyroscope En effet, on conçoit qu'à l'instant o un détecteur cesse de faire face à la région striée, c'est-à-dire à l'instant o le détecteur coupe la courbe, par exemple la courbe d'équation ( 2) on connalt l'angle dont a tourné le gyroscope, par rapport à la position de début de comptage, à partir du nombre de raies absorbantes compté. Bien sur, il faut pour cela que le sens de rotation du gyroscope boit tel que ce soit par les traits de plus grande longueur que commence le comptage (sens de la flèche 20 sur la fig 3), afin de disposer d'une référen- ce En effet, quelle que soit la position de l'axe de rotation, Ox, le début de la détection de la zone striée correspond alors toujours à e = O. Comme on l'a dit, le fonctionnement du dispositif dans sa version perfectionnée, est basé sur le fait que la sphère, ou la portion de sphère, comporte des secteurs alternativement réfléchissants et absorbants De plus, un graphisme d'une grande précision est nécessaire Ce- pendant, la sphère n'étant pas une surface développable, on ne peut dans le cas présent utiliser les techniques connues de gravure utilisant un masque et un vernis photo- sensible. Un exemple de procédé de gravure de la sphère est décrit ci-après. On part d'une sphère nickelée et revêtue sur toute sa surface d'une fine couche d'or, puis d'un vernis photosensible. On enveloppe la sphère, tangentiellement en-son équa- teur, d'un masque cylindrique vertical comportant une fente verticale, calibrée en largeur suivant le cercle méridien de tangence, c'est-à-dire pour que sa projec- tion orthogonale sur la sphère soit de largeur constante. La fente peut être partiellement ou entièrement masquée par un masque mobile. La sphère est alors entrainée en rotation, simulta- nément avec le masque mobile. Puis, à intervalles réguliers, on applique sur la sphère, à travers la fente, un rayonnement ultra-violet qui insole localement le vernis. Le déplacement du masque mobile et de la sphère est tel qu'alors, les régions insolées consistent en des bandes méridiennes, de largeur constante et s'étendant entre la courbe définie par l'une des équations ( 1) à ( 4) et le plan de délimitation inférieur correspondant. Puis on dépouille le vernis et on attaque, de façon chimique, la couche d'or apparaissant dans les régions insolées, pour laisser apparattre le nickel Le nickel est alors noirci de façon électrolytique et enfin, le vernis résiduel est éliminé On obtient ainsi une suc- cession de traits méridiens constitués alternativement d'or poli et de nickel noirci, c'est-à-dire alternative- ment réfléchissants et absorbants. Bien entendu on peut grâce à ce procédé réaliser toutes les sphères correspondant aux formes de réalisa- tion décrites plus haut par un choix approprié de la largeur de la fente du masque cylindrique, et des évolu- tions du masque mobile en fonction de la rotation de la sphère C'est même comme cela qu'on opère également pour obtenir la sphère de la forme de réalisation de la figure 1, en insolant en permanence durant le déplacement de la sphère et du masque mobile. Enfin, des modifications pourront Otre apportées au dispositif et au procédé selon l'invention, sans sortir de son cadre, notamment en ce qui concerne la structure et l'agencement des zones réfléchissantes et absorbantes, le type de détecteur, etc. Il est cependant à noter que les détecteurs pourront par exemple être du type à fibre optique,,la section de la fibre de lecture étant placée au voisinage immédiat de la surface de la sphère. Toutefois, l'invention telle que décrite ci-dessus n'est pas limitée aux rayonnements visibles et s'applique également aux rayonnements infra-rouge. En outre, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en ne prévoyant qu'un seul capteur pour, cependant, a'ob- tenir qu'une seule coordonnée de l'axe dont l'orientation est à déterminer. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour la détermination de l'orienta- tion d'un axe, mobile autour d'un point, d'un solide en rotation autour de cet axe, notamment d'une toupie gyroscopique, caractérisé par le fait qu'il comprend une portion de sphère centrée sur ledit point dudit axe, dont la surface comporte au moins deux parties respecti- vement absorbante et réfléchissante pour un rayonnement donné, et des moyens capteurs sensibles au rayonnement réfléchi par la sphère, les parties réfléchissantes et absorbantes étant conformées pour que les moyens cap- teurs délivrent des signaux caractéristiques de l'orien- tation dudit axe. 2 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la surface de la sphère est divisée en deux parties par une courbe dont l'équation est une fonction monotone. 3 Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'une des deux parties de la surface de la sphère est réfléchissante et l'autre absorbante. 4 Dispositif selon la revendication 2, dans lequel au moins l'une des deux parties a un albédo progressive- ment variable. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'une des deux parties de la surface de la sphère com- porte des traits meridiens alternativement absorbants et réfléchissants. 6 Dispositif selon l'une des revendications 2 à , dans lequel ladite équation définissant la latitude d'un point de la courbe est: x Amax v 7 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la surface de la sphère est divisée en 2 N parties par n courbes dont les équations sont des fonctions monotones 8 Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les équations, définissant la latitude d'un point des courbes, sont A ' max (T 2 i 1) 9 Dispositif selon la revendication 8, dans lequel n est choisi voisin du rapport 21 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le solide est animé d'un mouvement de pré- cessimnet il est prévu deux capteurs situés dans le plan passant par le centre de la sphère et perpendiculaire à l'axe du cône de précession du solide. Il Dispositif selon l'une des revendications 1 à , dans lequel ladite équation, définissant la latitude d'un point de la courbe est x 3 Amax ( î), et il est prévu deux paires de capteurs. 12 Procédé de gravure d'une portion de sphère du dispositif, selon l'une des revendications 1 à 11, carac- térisé par le fait qu'on dispose autour de la portion de sphère un masque comportant une fente, on entraine la sphère en rotation en synchronisme avec un masque mobile agencé pour masquer ladite fente de façon variable, on éclaire la portion de sphère à travers la fente, le rayon- nement parvenant sur celle-ci étant agencé pour insoler un vernis photosensible, on dépouille le vernis, et on met en oeuvre des moyens pour rendre absorbantes les zones de la sphère qui ont été dépouillées, c'est-à-dire préa- lablement insolées, le reste de la surface de la sphère 3 o étant en un matériau réfléchissant.