Brevet FR2531208A2 — publié le 19840203

FR 2531208 A2 19840203 FR 8213189 A 19820728 Perfectionnements apportés aux installations gyroscopiques de navigation Le présent certificat d'addition a pour but de per- fectionner certaines dispositions faisant l'objet de la demande de brevet principal N O 81 17692 déposée le 18 septembre 1981, et qui avait pour but des installa- tions gyroscopiques de navigation permettant de con- naître les paramètres caractérisant la trajectoire d'un véhicule. Parmi les dispositions de cette demande de brevet, l'une d'elles visait plus particulièrement les installa- tions gyroscopiques de navigation pour un véhicule soumis à une dynamique de tangage quasi-nulle, et une vitesse linéaire quasi-constante. C'est cette disposition que le présent certificat d'addition se propose de perfectionner, en y rajoutant des variantes de réalisation. Selon la présente invention, l'installation comporte un cardan monté tourillonnant sur lé véhicule autour de l'axe longitudinal du véhicule, un gyroscope à deux axes de sensibilité monté sur ce cardan, de sorte que l'un de ses deux axes de sensi- bilité (axe de sensibilité en azimut) soit orthogonal à l'axe longitudinal du véhicule, l'autre axe de sen- sibilité de ce gyroscope (axe de sensibilité en roulis) étant parallèle à l'axe longitudinal du véhicule, et de sorte que l'axe de rotation de sa toupie soit main- tenu dans un plan horizontal, et un bloc accélérométrique asservi à au moins deux axes de sensibilité monté sur ce cardan, de sorte que, pour deux d'entre eux, l'un de ses deux axes (axe de sensibilité en azimut) soit parallèle à l'axe de sensibilité en azimut du gyroscope, et que l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis) soit parallèle à l'axe de rotation du gyroscope. Ceci étant, ces éléments coopèrent entre eux de la façon suivante: 2- les détecteurs de position en azimut du gyroscope asservissent le moteur couple de précession en azimut du gyroscope et donnent une indication qui est exploitée pour obtenir les paramètres d'azimut caractérisant la trajectoire du véhicule (vitesse angulaire n Z); les détecteurs de position en roulis du gyroscope asservissent le moteur d'asservissement en roulis du cardan; celui-ci entraîne le stator d'un détecteur angulaire de position en roulis; le signal d'inclinaison en roulis SAX de l'accélé- romètre est utilisé pour niveler, par précession, l'axe de rotation du gyroscope (ce qui provoque une rotation lente du cardan autour de l'axe de sensi- bilité en roulis du gyroscope), et le signal d'inclinaison S Az de l'accéléromètre (signal qui, à court terme, présente un bruit) indique, à long terme du véhicule, ou la pente de la trajectoire suivie. Suivant une variante de cette disposition, le bloc accélérométrique asservi comporte trois axes de sensi- bilité, à savoir: un axe de sensibilité parallèle à l'axe de sensi- bilité en azimut du gyroscope, un axe de sensibilité en roulis parallèle à l'axe de rotation du gyroscope, et un axe de sensibilité en tangage parallèle à l'axe longitudinal du véhicule, ce, grâce à quoi, il est possible d'effectuer une bonne mesure de la pente, même si l'on décrit une tra- jectoire quasi-horizontale (ce qui apporte un per- fectionnement à la disposition ci-dessus qui ne per- mettait pas une telle mesure). Dans ces conditions, le signal d'inclinaison en tangage S Ay de l'accéléromètre indique en plus, à long terme, le tangage du véhicule. Il convient également de signaler que, lorsque l'axe longitudinal du véhicule est quasi-vertical -3- et le véhicule stoppé et verrouillé, l'installation se comporte alors, grâce à la disposition des axes de sensibilité du gyroscope et du bloc accélérométrique, comme une installation de recherche du Nord à compo- sants liés (possibilité d'amener l'axe de sensibilité du gyroscope au voisinage de la ligne Est-Ouest, ce qui donne une bonne mesure de l'inclinaison de l'axe de rotation du gyroscope et de son axe de sensibilité en roulis, mesure nécessaire à des corrections de projection du vecteur rotation terrestre sur l'axe de sensibilité en roulis du gyroscope). L'invention, selon le présent certificat d'addi- tion,s'applique donc plus particulièrement dans le cas des installations gyroscopiques de navigation de véhicules du genre des sondes d'exploration de forages souterrains ou sous-marins tels que forages pétroliers. L'invention sera mieux 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 préféré de l'invention et ne comportent, bien entendu, aucun caractère limitatif. La fig 1, de ces dessins, illustre le schéma d'un forage dans lequel une sonde d'exploration peut être descendue en vue de connaître les caracté- ristiques géométriques de ce forage. La fi 5 2 est une vue schématique en perspective montrant les éléments constitutifs de l'installation selon l'invention. La fig 3 est une vue schématique en perspective montrant les éléments constitutifs de l'installation selon une variante de l'invention. Les fig 4 et 5 sont respectivement deux schémas montrant la façon dont coopèrent entre eux les éléments constitutifs de l'installation représentée aux fig 2 et 3 -4- Sur la fig 1, on a représenté le schéma d'un forage partant d'un point I situé en surface, suivant tout d'abord, sur une portion I II, un trajet rec- tiligne vertical, puis, sur une portion II III, un trajet incurvé, et, enfin, suer une portion III IV, un trajet rectiligne ou légèrement incurvé dont l'in- clinaison, par rapport à la verticale, peut atteindre et même plus (ce trajet pouvant même à la limite être horizontal) Dans la portion III IV, le principe de navigation en azimut fonctionne comme décrit dans la demande de brevet principal. Selon l'invention, l'installation comporte (fig. 2 et 3): un cardan unique 1 monté tourillonnant, par l'inter- médiaire de paliers 5, sur le véhicule autour de l'axe longitudinal 2 du véhicule, ledit cardan l étant soli- daire d'un moteur d'asservissement en roulis My et d'un détecteur angulaire de position en roulis Py un gyroscope à deux axes de sensibilité G monté sur ce cardan 1, de sorte que l'un de ses deux axes de sensi- bilité (axe de sensibilité en azimut Gz) soit orthogonal à l'axe 2 du véhicule, l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis Gy) étant parallèle à l'axe longitudinal 2 du véhicule, et de sorte que l'axe de rotation SG de sa toupie soit maintenu dans un plan horizontal, et un bloc accélérométrique asservi A à au moins deux axes de sensibilité monté sur ce cardan 1, de -sorte que l'un de ses deux axes (axe de sensibilité en azimut Az) soit parallèle à l'axe de sensibilité en azimut G du gyroscope G, et l'autre axe de sensibi- lité (axe de sensibilité en roulis Ax) soit parallèle à l'axe de rotation SG du gyroscope G. Sur la fig 4, on a montré deux fois le gyroscope G, dans deux coupes effectuées respectivement perpen- diculairement à son axe de sensibilité en azimut Gz et perpendiculairement à son axe de sensibilité en roulis Gy. e -5- Ce gyroscope G comporte une toupie 7 portée par un arbre 8 par l'intermédiaire d'un joint de Hoocke 9, cet arbre 8 étant maintenu par des paliers 10. La position de la toupie 7 est contrôlée, par deux détecteurs de position en azimut DG Zl par deux détecteurs de position en roulis DGY, par un moteur couple de précession en azimut MGV 1 et par un moteur couple de précession en roulis -MGY. Les deux détecteurs de position en azimut DGZ du gyroscope G asservissent, par l'intermédiaire d'un dis- positif électronique 16 assurant notamment la fonction amplificateur alternatif puis démodulateur, le moteur couple de précession en azimut MGZ du gyroscope G. Ces deux détecteurs de position en azimut DGZ donnent, toujours, par l'intermédiaire du dispositif électronique 16, la mesure gyrométrique z qui est exploitée dans un dispositif de mesure d'azimut 170 Les deux détecteurs de position en roulis D du GY gyroscope G asservissent, par l'intermédiaire d'un dispositif électronique 20 assurant notamment la fonc- tion aplificateur alternatif puis démodulateur, le moteur d'asservissement en roulis M du cardan l. Le moteur d'asservissement M entraîne mécaniquement y le détecteur de position en roulis Py du cardan 1 qui donne l'angle de roulis qui est exploité dans un dispo- sitif de mesure du roulis 21. Le signal d'inclinaison en roulis SA de l'accé- léromètre A, filtré par le filtre passe-bas FPB, est envoyé en précession lente sur le moteur couple de précession en roulis MGY du gyroscope G pour niveler son axe de rotation SG et pour maintenir le cardan 1 vertical quels que soient les mouvements angulaires du véhicule. Le signal d'inclinaison S Az de l'accéléromètre A est filtré et indique le tangage du véhicule (Ta)c nécessaire à la précession Qztg(Ta)c du gyroscope G suivant son axe de sensibilité en roulis Gy (valeur à large bande passante). -6- Sur la fig 5, on a montré l'accéléromètre A dans une coupe par un plan contenant ses deux axes de sensi- bilité A et Ax* Cet accéléromètre comporte une masse asservie 15 dont la position est contrôlée par deux détecteurs de position DAZ, par deux détecteurs de position en roulis DAX, et par deux enroulements d'asservissement EAX et EAZ. Selon la variante illustrée sur la fig 3, le bloc accélérométrique asservi:A comporte trois axes de sen- sibilité, à savoir: un axe de sensibilité Az parallèle à l'axe de sensi- bilité en azimut Gz du gyroscope G, un axe de sensibilité en roulis AX parallèle à l'axe de rotation S du gyroscope G, et un axe de sensibilité en tangage Ay parallèle à l'axe longitudinal 2 du véhicule. Le signal d'inclinaison SAZ d'un tel bloc accélé- rométrique A donne le tangage calculé (Ta)c du véhicule, et le signal d'inclinaison en tangage S Ay du bloc accélé- rométrique A donne, en redondance, le tangage du véhi- cule (sensibilité en forage vertibal ou horizontal assurée). Dans les portions I II et II III du forage, o l'axe du véhicule est quasivertical, l'installation se comporte alors, pendant la descente continue du vé- hicule, comme une installation directionnelle, l'axe de rotation du gyroscope n'étant pas nivelé. De nombreux procédés de navigation sont alors envi- sageables dans ces portions; toutefois le procédé qui consiste, d'abord à trouver le Nord (véhicule stoppé), et ensuite à faire tourner l'axe de rotation du gyroscope en azimut d'un angle (mesuré sur le détecteur de position angulaire en roulis P y) tel que l'axe de rotation du gyroscope soit à peu près perpendiculaire au plan moyen vertical qui contient au mieux les portions I Il et Il III (par exemple le point III pouvant être celui o l'inclinaison du forage par rapport à l'horizontale -7- est de 15 ). De cette façon, des points I à III de la tra- jectoire du forage, l'axe de rotation du gyroscope "lié géométriquement au cardan" ne s'inclinera que peu (d'une valeur inférieure ou égale à 1 ) et la projection horizontale de l'axe de rotation du gyros- cope ne tournera que peu en azimut,'et ce malgré la précession du gyroscope en azimut qui est inférieure ou égale à 0,2 . Grâce à cette situation, le passage à un fonc- tionnement "directionnel à axe de rotation du gyroscope nivelé", dans la portion III IV, et tel que dé- crit à propos de la fig 4, se trouvera facilité. -8- REVENDICATIONS 1. Installation gyroscopique de navigation montée sur un véhicule et permettant de connaître les paramè- tres caractérisant la trajectoire de ce véhicule, caractérisée par le fait qu'elle comporte, en com- binaison, les éléments suivants: un cardan ( 1) monté tourillonnant sur le véhicule autour de l'axe longitudinal ( 2) du véhicule, un gyroscope à deux axes de sensibilité (G) monté sur ce cardan ( 1), de sorte que l'un de ses axes de sensibilité (axe de sensibilité en azimut Gz) soit orthogonal à l'axe longitudinal ( 2) du véhicule, l'autre axe de sensibilité de ce gyroscope (G) (axe de sensi- bilité en roulis Gy) étant parallèle à l'axe longitudi- nal ( 2) du véhicule, et de sorte que l'axe de rotation (SG) de sa toupie ( 7) soit maintenu dans un plan horizontal, et un bloc accélérométrique asservi (A) à au moins deux axes de sensibilité monté sur ce cardan ( 1), de sorte que l'un de ses deux axes (axe de sensibilité Az) soit parallèle à l'axe de sensibilité en azimut(Gz) du gyroscope (G), et l'autre axe de sensibilité (axe de sensibilité en roulis AX) soit parallèle à l'axe de rotation (SG) du gyroscope (G), et par le fait que ces éléments coopèrent entre eux de la façon suivante les détecteurs de position en azimut (DGZ) du gyro- scope (G) asservissent le moteur couple de précession en azimut (MGZ), et donnent une indication qui est exploitée pour obtenir les paramètres d'azimut carac- térisant la trajectoire du véhicule (vitesse angulaire IZ); les détecteurs de position en roulis (D GY) du gyro- scope (G) asservissent le moteur d'asservissement en roulis (My) du cardan ( 1) qui porte le stator d'un dé- tecteur angulaire de position en roulis (Py); le signal d'inclinaison en roulis (SA) de l'accé- léromètre (A) est utilisé pour niveler, par précession, l'axe de rotation (SG) du gyroscope (G) afin de -9 provoquer une rotation lente du cardan ( 1) autour de l'axe de sensibilité en roulis (Gy) du gyroscope (G); et le signal d'inclinaison (S Az) de l'accé- léromètre (A) est filtré afin d'indiquer le tangage du véhicule. 2. Installation selon la revendication 1, carac- térisée par le fait que le bloc accélérométrique (A) comporte trois axes de sensibilité, à savoir un axe de sensibilité (Az) parallèle à l'axe de sensibilité en azimut (Gz) du gyroscope (G); un axe de sensibilité en roulis (Ax) parallèle à l'axe de rotation (SG) du gyroscope (G); et un axe de sensibilité en tangage (Ay) parallèle à l'axe longitudinal ( 2) du véhicule; - le signal d'inclinaison en tangage (S Ay) de l'accéléromètre (A) indiquant alors, en plus, le tangage du véhicule. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que l'installation est exploi- tée comme installation de recherche du Nord à composants liés lorsque l'axe longitudinal ( 2) du véhicule est vertical et le véhicule stoppé et verrouillé à la terre. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'à la fin de la recherche du Nord, l'axe de rotation (SG) du gyroscope (G) est calé en position quasi-horizontale, perpendiculairement au plan moyen vertical présumé de la courbe de la tra- jectoire du véhicule, et ensuite le véhicule reprend son mouvement en conservant son azimut connu.