Brevet FR2507311A1 — publié le 19821210

L'invention est relative aux gyrocompas pour véhi- cules marins, notamment pour les bateaux marchands,c'est- à-dire pour des applications civiles dans lesquelles les questions de prix revêtent une certaine importance (par opposition aux applications militaires). On connait des gyrocompas comportant un mécanisme pendulaire à deux cardans, à savoir un cardan de roulis et un cardan de tangage, ce mécanisme pendulaire suppor- tant un cardan inférieur suspendu. Ce cardan inférieur suspendu porte un gyroscope libre abrité dans une enceinte étanche disposée à l'in- térieur d'une enceinte extérieure remplie d'un liquide de flottation et solidaire du cardan inférieur suspendu. Le centrage de l'enceinte étanche dans l'enceinte extérieure peut être obtenu par des moyens électriques (dispositif à bobines de répulsion), par des moyens hydrostatiques (liquides de flottation de densité diffé- rente) ou par des moyens mécaniques (barres de torsion). Dans tous les cas, l'enceinte extérieure présente un axe de rotation vertical en raison de sa suspension, par l'intermédiaire du cardan inférieur, au mécanisme pendulaire; cette enceinte extérieure est asservie pour suivre en azimut la direction de l'axe de rotation du gyroscope. Les gyroscopes libres utilisés sont des gyroscopes à deux degrés de liberté, qui ont à la fois une possi- bilité de rotation libre en azimut entre le gyroscope et l'enceinte extérieure contenant le liquide (possibi- lité de rotation quelquefois limitée à quelques degrés), et une possibilité de rotation en site (possibilité de rotation en général inférieure ou égale à 200): toutefois, seule une détection angulaire existe en azi- mut entre les deux, ce qui permet un asservissement de l'enceinte en azimut Le gyroscope se comporte donc finalement, pour moitié, comme un gyroscope libre, et, en particulier, il se trouve alors soumis à tous les couples perturbateurs horizontaux en raison des frotte- ments et des mouvements de site de l'enceinte extérieure qui est pendulaire en roulis et tangage. On est donc contraint de conférer à un tel gyro- scope un moment cinétique très élevé (de l'ordre de 106 c g s) afin qu'il puisse résister à ces couples perturbateurs horizontaux: ceci conduit à des gyrosco- pes dont les rotors présentent des masses élevées (au minimum 500 g). De plus, l'axe de rotation du gyroscope reste hori- zontal et constamment orienté dans une direction Nord- Sud, ce qui rend le gyrocompas sensible à une dérive fixe du gyroscope qui crée une erreur permanente de cap non connue. La présente invention a pour but la réalisation d'un gyrocompas dont le gyroscope présente un moment ciné- tique beaucoup plus faible (de l'ordre de 104 c g s)qui peut être 100 fois plus faible que le moment cinétique des gyroscopes utilisés dans les gyrocompas connus à ce jour. La présente invention a également pour but la réa- lisation d'un gyrocompas permettant un asservissement en azimut et en site, et non pas seul un asservissement en azimut comme dans les gyrocompas connus à ce jour. La présente invention a aussi pour but la réalisa- tion d'un gyrocompas dans lequel l'axe de rotation du gyroscope n'est plus constamment orienté dans une direc- tion Nord-Sud, mais au contraire animé d'une vitesse angulaire uniforme tout en restant dans le plan horizon- tal. La présente invention a encore pour but la réalisa- tion d'un gyrocompas dont le gyroscope peut être à performances de stabilité de dérive très basses, donc être un gyroscope de faible prix, à longue durée de vie (grâce à une faible charge sur les roulements) et ayant une excellente tenue aux chocs et aux vibrations. Selon l'invention, le gyrocompas comporte: un mécanisme pendulaire à deux cardans, à savoir un cardan de roulis et un cardan de tangage, une fourche verticale coopérant librement avec ledit mécanisme pendulaire, un cardan de site porté par ladite fourche, un gyroscope à deux degrés de liberté porté par ce cardan de site, de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité soit vertical, l'autre axe de sensibi- lité soit parallèle à l'axe du cardan de site, et son axe de rotation soit horizontal, un détecteur d'horizontalité porté par ce cardan de site, de sorte que son axe de sensibilité soit parallèle à l'axe de rotation du gyroscope, la fourche verticale étant asservie en azimut par les détecteurs de position de l'axe de sensibilité vertical du gyroscope, le cardan de site étant asservi en site par les dé- tecteurs de position de l'autre axe de sensibilité du gyroscope, le détecteur d'horizontalité commandant uniquement le moteur couple de précession en vertical du gyroscope (pour la mise à l'horizontale de l'axe de rotation du gyroscope), le moteur couple de précession en horizontal du gyro- scope étant commandé de sorte que l'axe de rotation du gyroscope se déplace dans le plan horizontal avec une vitesse angulaire (qui peut être d'une révolution par heure) uniforme vis-à-vis d'un organe fixe, tel par exemple que le méridien. Grâce à cette disposition, il est possible, par un traitement approprié du signal sinusoïdal lent (par exemple un cycle par heure) provenant du moteur couple de précession en vertical du gyroscope, moteur couple qui compense la composante horizontale du vecteur rotation terrestre (qui est orthogonale à l'axe de rotation du gyroscope) afin de maintenir l'axe de rotation du gyroscope dans un plan horizontal, de dé- terminer les passages de cet axe de rotation au Nord et au Sud, et donc d'en déduire en permanence le cap du véhicule marin. A chaque révolution de l'axe de rotation du gyro- scope dans le plan horizontal, on obtient deux résultats de recherche du Nord, par exemple par démodulation syn- chrone du signal sinusoïdal lent provenant du moteur couple de précession en vertical du gyroscope sur un demi-cycle Cette démodulation synchrone s'effectue à partir d'une référence de démodulation qui peut être constituiepar un compteur binaire alimenté avec une fréquence fixe f 0, représentant un angle dont les va- leurs successives décroissantes sont de n, I, N N W 24 2 n et progressent à la même fréquence que celle de la vitesse angulaire de l'axe de rotation du gyroscope dans le plan horizontal. Entre les deux instants de passage au Nord et au Sud de l'axe de rotation du gyroscope, le cap est connu grâce à la vitesse angulaire uniforme connue de l'axe de rotation du gyroscope et grâce au détecteur de position angulaire du cardan en azimut. L'avantage d'un tel gyrocompas par rapport aux gyrocompas connus réside dans le fait que la recherche du Nord est indépendante de toute dérive fixe du gyro- scope. De ce fait, le gyroscope utilisé peut être à per- formances de stabilité de dérive très basse,donc être un gyroscope de faible prix et de longue durée de vie (toupie légère). L'invention consiste, mise à part la disposition dont il vient d'être question, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels,complément et dessins, sont relatifs à un mode de réalisation pré- féré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig 1, de ces dessins, est une vue en perspec- tive schématique d'un gyrocompas établi conformément à l'invention. Les fig 2 et 3 sont des vues en coupe, respecti- vement dans deux plans perpendiculaires, du gyroscope du gyrocompas de la fig 1. La fig 4 est un schéma vectoriel expliquant l'in- vention. La fig 5 est une courbe sinusoïdale montrant l'évolution d'un signal élaboré par le gyrocompas sel-on l'invention. Les fig 6, 7 et 8 sont des blocs diagrammes mon- trant un mode de réalisation particulier de l'invention. La fig 9 est une vue, en perspective schématique, d'un gyrocompas établi conformément à une variante de l'invention. Si l'on se réfère aux fig let 9, le véhicule marin est schématisé par son axe longitudinal 1. Un mécanisme pendulaire 2 est porté, par l'inter- médiaire de deux paliers fixes 3, par une structure soli- daire du véhicule marin (non représentée). Ce mécanisme pendulaire 2 comporte un cardan de roulis équilibré 4, monté dans les deux paliers fixes 3, et un cardan de tangage équilibré 5, monté dans deux paliers 6 prévus sur le cardan de roulis 4. Le cardan de tangage 5 coopère avec une fourche verticale 7. Cette fourche verticale 7 peut être suspendue à ce cardan de tangage 5 et tourner librement dans un palier 8 prévu sur le cardan de tangage 5 (fig 1). Selon une variante de l'invention, cette fourche verticale 7 peut être interne au cardan de tangage 5 et tourner librement dans un palier 8 prévu sur le cardan de tangage 5 qui comporte alors un balourd 5 a important (fig 9). A l'extrémité inférieure de cette fourche 7, il est prévu un cardan de site 9 monté dans deux paliers 10 prévus sur ladite extrémité inférieure. Un gyroscope 11, à deux degrés de liberté, est monté sur le cardan de site 9, de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité, l'axe GZ, soit vertical, l'autre axe de sensibilité, l'axe G, soit parallèle à l'axe du cardan de site 9, axe défini par les deux paliers 10, et-son axe de rotation S soit horizontal. Un détecteur d'horizontalité 12 est monté également sur le cardan de site 9, de sorte que son axe de sensi- bilité P soit parallèle à l'axe de rotation S du gyro- scope 11. Le gyroscope Il comporte, comme montré sur les fig. 2 et 3, un bâti 13, un rotor 14 supporté par un arbre 15 avec interposition d'un joint de HOOCKE 16, cet arbre 15 étant maintenu dans des paliers 17, et un moteur électrique 18 entraînant l'ensemble formé par l'arbre 15 et le rotor 14. Deux détecteurs de position D sont prévus pour coopérer avec le rotor 14 et mesurer ses déplacements par rapport à l'axe de sensibilité vertical Gz du gyroscope Il (fig 2). Deux autres détecteurs de position Dy sont prévus pour coopérer avec le rotor 14 et mesurer ses déplace- ments par rapport à l'axe de sensibilité Gy du gyroscope 11 (fig 3). Un moteur couple de précession en vertical M est prévu pour coopérer avec le rotor 14 et provoquer une précession verticale du gyroscope 11 (fig 2). Un autre moteur couple de précession en horizontal MH est prévu pour coopérer avec le rotor 14 et provo- quer une précession horizontale du gyroscope 11 (fig 3). La fourche verticale 7 comporte un moteur d'asser- vissement de stabilisation 19 et un détecteur de position angulaire 20 Le cardan de site 9 comporte un moteur d'asser- vissement de stabilisation 21. Ceci étant, on prévoit les asservissements sui- vants: le moteur d'asservissement 19 de la fourche verticale 7 est asservi en azimut aux détecteurs de position D z de l'axe de sensibilité vertical G du gyroscope 11, z le moteur d'asservissement 21 du cardan de site 9 est asservi en site aux détecteurs de position D de l'axe de sensibilité G du gyroscope 11. Le moteur couple de précession en horizontal M du gyroscope 11 est commandé, par des moyens de commande appropriés 22, de sorte que l'axe de rotation S du gyroscope Il se déplace dans le plan horizontal avec une vitesse angulaire uniforme. Le moteur couple de précession en vertical MV du gyroscope 11 reçoit, d'un dispositif de compensation approprié 23 ayant pour entrée un signal électrique représentant l'inclinaison pendulaire et élaborant (par une fonction de calcul appropriée) un signal servant à la compensation de la rotation terrestre, un signal de commande destiné à maintenir l'axe de rotation du gyroscope Il dans le plan horizontal. Sur la fig 4, on a représenté l'axe de rotation S du gyroscope 11, l'axe de sensibilité Gy du gyroscope Il et la direction du nord N (horizontale Nord). Le vecteur N cos L est projeté sur la direction du Nord (O désignant la rotation terrestre et L la latitude) L'angle formé par la direction du Nord et l'axe de rotation S du gyroscope est égal à wc.t (wc désignant la vitesse angulaire de l'axe de rotation S dans le plan horizontal et t le temps). Le moteur couple de précession en vertical MV du gyroscope 1 h délivre un signal N cos L sin ut qui est la projection du vecteur ? cos L sur l'axe de sen- sibilité Gy du gyroscope Il. 250731 1 Sur la fig 5, on a montré ce signal sinusoïdal 52 cos L sin t, l'abscisse étant le temps, et l'or- donnée le courant du moteur couple de précession en vertical MV du gyroscope 11. A ce signal se superpose une constante inconnue qui représente la dérive du gyroscope. Les instants t 1 et t 2 correspondent au passage au Nord et au Sud de l'axe de rotation S du gyroscope 11. Le détecteur d'horizontalité 12 émet un signal qui, comme montré sur la fig 6, est amplifié dans une cellule amplificatrice 25, puis démodulé dans une cellule démodulatrice 26 Le signal démodulé est filtré dans une cellule de filtration 27 dont le signal de sortie est dirigé en parallèle vers deux amplificateurs opérationnels 28 et 29. L'amplificateur opérationnel 28 délivre un signal continu de précession qui est exploité dans le moteur couple de précession en vertical MV du gyroscope 11. L'amplificateur opérationnel 29 délivre un signal continu qui est de la forme A 2 cos L sin (wt + y), A désignant un coefficient d'amplification et * le déphasage dû au filtrage (fig 5). Il est donc possible, par un traitement approprié dans une unité d'exploitation 24 du signal provenant du moteur couple de précession en vertical MV du gyroscope 11, de déterminer les passages de l'axe de rotation du gyroscope 11 au Nord et au Sud, et donc d'en dé- duire en permanence le cap du véhicule. Comme montré sur la fig 7, ce signal provenant du moteur couple de précession en vertical MV du gyroscope 11 est combiné dans un intégrateur 36 à trois entrées avec des impulsions calibrées inverses élaborées dans des détecteurs de seuil, détecteur de seuil posi- tif 30 et détecteur de seuil négatif 31. Deux cellules d'incrémentation 32 et 33 complètent le traitement du signal qui est alors envoyé, par l'in- termédiaire d'un dispositif commutateur 34, dans un compteur-décompteur 35. Ce dispositif commutateur 34 est déclenché par le passage à X et à 3 de l'axe de rotation S 2 2 du gyroscope 11, telle que déduite du contenu du compteur (fig 8) incrémenté à fréquence fixe, et qui est une estime du décalage de l'axe de rotation du gyroscope 11 vis-à-vis du Nord. Sur la fig 8, on a représenté le compteur 36 recevant la fréquence fixe f dont les valeurs dé- o croissantes sont a,,W Â et évoluent suivant 2 4 2 n un module de 2 Xr à la même fréquence que celle de la vitesse angulaire de l'axe de rotation du gyroscope 11 dans le plan horizontal. Ce compteur-décompteur 37 (référence de démodu- lation synchrone) permet de rechercher la valeur et + AK dans laquelle AK représente l'erreur de cap, résultat obtenu après un demi-cycle de comptage du compteur-décompteur 35. Au point de vue constructif, il convient de signaler que le gyroscope 11 à deux degrés de liberté peut être constitué, ou par un gyroscope "sec": à deux axes asservis, ou par un gyroscope "rflottant't à deux degrés de liberté et deux axes asservis. En ce qui concerne le détecteur d'horizontalité 12,il peut être constitué, ou par un pendule amorti, ou par des niveaux à bulles, ou par un accéléromètre à masse asservie. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application-et de réalisation qui ont été plus particulièrement envi- sagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Gyrocompas pour véhicule marin comportant un mécanisme pendulaire ( 2) à deux cardans, à savoir un cardan de roulis ( 4) et un cardan de tangage ( 5), une fourche verticale ( 7) coopérant librement avec ledit mécanisme pendulaire ( 2), un cardan de site ( 9) porté par ladite fourche ( 7), un gyroscope à deux degrés de liberté ( 11) porté par ce cardan de site ( 9), de sorte que l'un de ses deux axes de sensibilité (G) soit vertical, l'autre axe de sensibilité (Gy) soit parallèle à l'axe du cardan de site ( 9), et son axe de rotation (S) soit horizontal, un détecteur d'horizontalité ( 12) porté par ce cardan de site, de sorte que son axe de sensibilité (P) soit parallèle à l'axe de rotation (S) du gyroscope ( 11), caractérisé par le fait que, la fourche verticale ( 7) est asservie en azimut par les détecteurs de position (D z)de l'axe de sensibilité vertical (Gz) du gyroscope ( 11), le cardan de site ( 9) est asservi en site par les dé- tecteurs de position (Dy) de l'axe de sensibilité horizon- tal (Gy) du gyroscope ( 11), le détecteur d'horizontalité ( 12) commande uniquement le moteur couple de précession en vertical (MV) du gyro- scope ( 11), et ce pour la mise à l'horizontale de l'axe de rotation du gyroscope, le moteur couple de précession en horizontal (MH) du gyroscope ( 11) est commandé de sorte que l'axe de rota- tion (S) du gyroscope ( 11) se déplace dans le plan hori- zontal avec une vitesse angulaire uniforme vis-à-vis d'une origine fixe, ce, grâce à quoi, il est possible par un traitement approprié du signal sinusoïdal provenant du moteur couple de précession en vertical du gyroscope, moteur couple qui compense la composante horizontale du vecteur rotation terrestre orthogonale à l'axe de rotation du gyroscope, afin de maintenir l'axe de rotation du gyroscope dans un plan horizontal de déterminer les passages de cet axe de rotation au Nord et au Sud, et donc d'en déduire en permanence le cap du véhicule marin. 2. Gyrocompas selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le gyroscope ( 11) est un gyroscope sec à deux axes asservis 3. Gyrocompas selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gyroscope ( 11) est un gyroscope flot- tant à deux axes de liberté et deux axes asservis. 4. Gyrocompas selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que le détecteur d'horizontalité ( 12) est constitué par un pendule amorti. 5. Gyrocompas selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que le détecteur d'horizontalité ( 12) est constitué par des niveaux à bulles. 6. Gyrocompas selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que le détecteur d'horizontalité ( 12) est constitué par un accéléromètre à masse asservie - 7 Gyrocompas selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé par le fait que la fourche ( 7) est suspendue librement au cardan de tangage ( 5). 8. Gyrocompas selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé par le fait que la fourche ( 7) est interne au cardan de tangage ( 5) qui comporte alors un balourd ( 5 a)