Brevet FR2556100A1 — publié le 19850607

La présente invention concerne les instruments de mesure pour le guidage inertiel. Plus spécifiquement, la présente invention se rapporte aux capteurs combinés des- tinés à mesurer à la fois l'accélérationlinéaire et la vi- tesse de rotation d'un corps en mouvement. Un certain nombre de tentatives ont été faites dans le but d'utiliser une masse d'inertie pour détecter la vitesse de rotation d'un corps. Ces tentatives ont en général été basées sur l'accélération de Coriolis que subit un corps animé d'un mouvement vibratoire ou rotatoire lors- qu'il est fixé à un second corps dont la rotation doit être détectée. L'accélération de Coriolis est donnée par l'équa- tion suivante: À = 2W x v; o: A = accélération de Coriolis; E= vitesse angulaire du système de coordonnées tournant (second corps) à mesurer; et = composante de vitesse perpendiculaire à l'axe de rotation. Comme indiqué ci-dessus, ce qui précède exprime le principe de base sur lequel se fondent tous les gyro- scopes vibrants ainsi que les gyroscopes à volant rotatif à savoir l'accélération que subit une masse ayant une com- posante de vitesse perpendiculaire à l'axe de rotation du système de coordonnées tournant auquel elle est attachée. La détection de la vitesse angulaire au moyen d'un pendule oscillant a été effectuée pour la première fois par Léon Foucault au début des années 1850. Depuis lors, de nombreu- ses tentatives ont été faites pour appliquer les principes _0 de l'accélération de Coriolis à la conception de gyromètres et de gyromètres intégrateurs. Des tentatives importantes parmi celles visant à la mise au point d'un gyroscope capteur de vitesse conforme aux principes précédents ont été les suivantes (toutes réfé- rencées sous leur nom de marque de fabrique): "Gyrotron" de Sperry Gyroscope Corporation (1940); "A5 Gyro" de Royal Aircraft Establishment; "Vibrating String Gyro" de North American Rockwell Corporation (Autonetics Division, Anaheim, Californie); "Viro" de General Electric Corporation; et "Sonic Bell Gyro" de General Motors Corporation (Delco Division). Tous les systèmes susmentionnés, à l'exception de "Gyrotron", ont commencé à être développés au début des années 1960. En général, les systèmes cités ci-dessus se basent soit sur un corps en rotation, soit sur un corps vibrant sans contraintes pour fournir la composante de vitesse v perpendiculaire à l'axe de rotation du second corps. La force d'accélération subie par un tel corps vibrant ou rotatif est alors mesurée d'une manière quelconque pour donner l'accélération de Coriolis A. Connaissant l'accélération de Coriolis et la vitesse d'un élément capteur de force,il est alors possible de déterminer simplement la vitesse de rota- tion du corps. Les corps en vibration offrent des avantages évi- dents par rapport aux ensembles rotatifs du point de vue de la simplicité mécanique. Pour réaliser un instrument iner- tiel rotatif sensible à l'accélération de Coriolis, tel qu'un accéléromètre, il est nécessaire de prévoir des rou- lement à billes, des bagues collectrices, des moteurs tour- nants, etc. De plus, un dispositif rotatif doit être réfé- rencé en phase avec le bottier dans lequel il est monté pour décomposer la vitesse angulaire initiale selon deux axes de mesure orthogonaux. Les tentatives faites à l'heure actuelle en vue de mesurer la vitesse de rotation par utilisation d'un cap- teur inertiel vibrant ont été mises en application au moyen de systèmes mécaniques vibrant en boucle ouverte dans les- quels le déplacement, sous l'effet de l'accélération de Coriolis, d'une masse d'inertie vibrante sans contraintes engendre un signal électrique proportionnel à la force de Coriolis. Ces systèmes fonctionnent comme des diapasons dont les branches vibrent à une fréquence v et sont déviées dans un plan perpendiculaire dans une mesure proportionnelle à A. Ces systèmes, bien qu'ils soient moins complexes mécanique- ment que les systèmes rotatifs, se sont révélés sujets à des imprécisions provenant des mouvements orthogonaux que doi- vent suivre les mécanismes, du type "corde vibrante", détec- tant la force exercée sur la boucle ouverte vibrante. Les inconvénients de l'art antérieur mentionnés ci-dessus ainsi que d'autres sont surmontés par la présente invention qui fournit un appareil destiné à capter à la fois la vitesse de rotation et l'accélération linéaire d'un corps. Cet appareil comprend des capteurs à masse contrainte sen- sibles à l'accélération linéaire le long de premier et second axes prédéterminés. Il est prévu des moyens pour disposer ces capteurs de façon que le premier axe prédéter- miné soit orthogonal au second. Il est de plus prévu des moyens de mise en vibration des capteurs. Il est encore prévu des moyens qui sont sensibles aux forces dues à l'ac- célération de Coriolis qui s'exercent sur les capteurs. Selon un autre aspect, la présente invention four- nit un procédé de mesure de l'accélération et de-la vitesse de rotation d'un corps. Ce procédé comprend l'étape consis- tant à fournir un premier et un second capteurs inertiels à masse contrainte qui soient sensibles à l'accélération linéaire et à disposer ces capteurs en sorte que chacun soit sensible aux forces d'accélération linéaire que subit ledit corps le long d'axes orthogonaux. Les capteurs sont alors mis en vibration à une fréquence prédéterminée et les forces dues aux accélérations linéaire et de Coriolis qui s'exer- cent sur les capteurs sont mesurées. L'invention sera expliquée plus clairement en regard de la description détaillée suivante. Cette descrip- tion est accompagnée de dessins qui comprennent une série de numéros de référence, des numéros de référence identiques désignant partout des éléments identiques. Sur ces dessins: la figure 1 est une vue partielle, en perspective éclatée, qui illustre la disposition relative des accéléro- mètres conformesà la présente invention; et la figure 2 est une vue en coupe latérale d'un capteur combiné conforme à l'invention. En se référant aux dessins annexés, la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une partie essentielle de l'invention, qui concerne les orientations relatives préfé- rées des moyens capteurs de force inertiels qui constituent le coeur du capteur multifonctionnel. Les moyens capteurs de force comprennent des accéléromètres supérieur et inférieur, res- pectivement 10 et 12, disposés orthogonalement. Chaque accé- léromètre est de préférence du type à compensation des forces dans lequel une masse, telle qu'une masse pendulaire, est orientée en réponse à une force d'accélération agissant le long d'un axe prédéterminé, appelé son axe d'entrée. Au con- traire d'un mécanisme capteur de forces du type à boucle ouverte, cette masse est assujettie par l'action de "réta- blisseurs" de telle façon que, plutôt que de provoquer un déplacement mesurable, la force agissant sur la masse est une fonction mesurable de l'énergie demandée pour permettre aux rétablisseurs de maintenir la masse à la position zéro tandis qu'elle subit les forces d'accélération. Des capteurs de lecture, de l'un quelconque d'un certain nombre de types classiques de transducteurs électro-mécaniques, engendrent des signaux électriques résultants proportionnels à la force (accélération) captée par la masse d'inertie réactive située dans l'accéléromètre. Bien qu'il soit possible de disposer et de faire fonctionner dans le cadre de la présente invention des ins- truments inertiels capteurs d'accélération appartenant à une gamme étendue, l'appareil représenté sur la figure 1 fait usage de deux accéléromètres du type pendulaire àcompensa- tion des forces, référencés A4 MOD IV. Cet accéléromètre est en production et est actuellement disponible auprès de la firme Litton Systems, Inc., Beverly Hills, Californie.Chacun des accéléromètres supérieur et inférieur 10 et 12 est représenté rattaché à une applique supérieure ou inférieure correspon- dante 14, 16 qui comprend (en se reportant au cas de l'ap- plique inférieure 16 représentée) une pièce d'appui centrale 18 prise en sandwich entre deux brides 20 et 22 orientées transversalement. La hauteur hors-tout de chaque structure d'applique dépasse celle de l'accéléromètre qui lui est rattaché et chacune est montée de façon à s'étendre tant au-dessus qu'au-dessous de cet accéléromètre. Comme on le verra, une telle disposition permet aux accéléromètres d'être montés à l'intérieur du boîtier du capteur combiné de façon à réaliser une mise en suspension qui minimise l'éventualité d'une rétroaction mécanique nuisible entre l'accéléromètre et le boîtier. Des trous 24, 26, 28, 30, 32 et 34 sont prévus dans les éléments de la structure d'appli- que pour recevoir des boulons qui assujettissent l'applique à l'accéléromètre et à une armature/diaphragme, décrite à la figure suivante. Bien que les éléments de fonctionnement internes classiques des accéléromètres 10 et 12ne soient pas représentés des axes d'entrée 36 et 38 déterminent les orientations de la sensibilité aux forces d'accélération. Des flèches à double sens 40 et 42 indiquent les directions colinéaires de vibration des accéléromètres bien que la rotation du corps auquel est fixé le boîtier du capteur combiné soit mesurée en référence aux axes orthogonaux de détection de rotation indiqués en 44 et 46. Ainsi, en se reportant à l'équation concernant l'accélération de Coriolis, on consi- dère que le système constitué d'un capteur combiné conforme à l'invention impose une vitesse de vibration prédéterminée v aux accéléromètres capteurs de force 10 et 12 le long des axes colinéaires 40 et 42, détecte les rotations orthogo- nales " autour des axes d'accéléromètre 44 et 46 et subit des forces dues à l'accélération de Coriolis A le long des axes d'entrée 36 et 38. De plus, le système de capteur com- biné détecte évidemment les forces induites dues à l'accé- lération linéaire et ne résultant pas de l'effet de Coriolis, qui s'exercent le long des axes d'entrée 36 et 38. Ces accé- lérations peuvent être discernées des forces de Coriolis mesurant la vitesse de rotation par un choix convenable de la fréquence de vibration des accéléromètres associé à des techniques de démodulation, examinées ciaprès. Le système fonctionnel illustré et décrit ci-dessus est représenté dans une réalisation complète à la figure 2 qui est une coupe du boîtier 48 d'un capteur combiné répon- dant aux enseignements de l'invention et qui comprend un assemblage tel que celui représenté à la figure précédente. Le dispositif situé à l'intérieur du boîtier cylindrique 48 présente globalement une symétrie orthogonale en rapport avec un axe horizontal 50; c'est-à-dire que des éléments correspondants du dispositif situés audessus de l'axe 50 se déduisent par rotation de quatre-vingt-dix degrés de ceux situés au-dessous de l'axe. Ce fait est évidemment mis clairement en évidence à la figure précédente. Des couvercles 52 et 54 enferment hermétiquement le capteur combiné. Ainsi qu'il apparaît sur la figure 2, l'applique 14 qui assujettit l'accéléromètre supérieur 10 comprend une pièce d'appui centrale 56 liée à des brides orientées transversalement 58 et 60. Chaque ensemble accéléromètre-applique est bou- lonné en haut et en bas à une armature/diaphragme sensible- ment discoide dont le centre et les zones de bord sont ren- forcés et séparés par un diaphragme annulaire relativement mince constitué solidairement, pour former des suspensions à double diaphragme indépendantes au-dessus et au-dessous de l'axe horizontal 50. Les armatures/diaphragmes 62 et 64 constituent le seul support de l'ensemble accéléromètre- applique supérieur auquel elles sont boulonnées, tandis que les armatures/diaphragmes 66 et 68 constituent le seul support de l'ensemble accéléromètre-applique inférieur. Des entretoises cylindriques 70 et 72 séparent les bords des armatures/diaphragmes, complétant une paire d'unités vibrantes indépendantes situées à l'intérieur du boîtier 48, l'unité vibrante supérieure comprenant l'en- semble supérieur accéléromètre 10-applique pris en sandwich entre les armatures/diaphragmes 62 et 64 et entouré par l'entretoise cylindrique 70, et l'unité vibrante inférieure comprenant l'ensemble inférieur accéléromètre 12-applique pris en sandwich entre les armatures/diaphragmes 66 et 68 et entouré par l'entretoise cylindrique 72. Un électro-aimant 74 est disposé au centre du boî- tier 48 au moyen d'un flasque radial 76 s'étendant vers l'intérieur et d'une cuvette 78 constituée dans celui-ci. Un amplificateur classique 80 d'équilibrage des accélérations, monté sur le flasque 76, reçoit les signaux de lecture engen- drés dans les accéléromètres et fournit en retour des signaux de commande aux rétablisseurs situés dans les accéléromètres et qui agissent sur la masse pendulaire. Les conducteurs que nécessitent les fonctions susdites ne sont pas repré- sentés sur la figure 2; cependant, il est prévu une voie de communication électrique vers l'extérieur du capteur com- biné au moyen de conducteurs supérieur et inférieur 82 et 84 qui sont électriquement reliés au dispositif de détection des accéléromètres 10 et 12, respectivement, par l'intermé- diaire de plots de contact soudés 86 et 88. Chaque conduc- teur comporte six conducteurs séparés; une paire de con- ducteurs se rapporte à l'excitation de la partie du capteur de lecture comprenant la diode électroluminescente; une autre paire est associée à la partie du lecteur comprenant la diode photosensible; et la troisième paire alimente le mécanisme rétablisseur de l'accéléromètre. L'électro-aimant 74 entraîne les unités vibrantes à double diaphragme supérieure et inférieure décrites ci- dessus en établissant et supprimant des champs électromagné- tiques qui attirent et relâchent alternativement les dia- phragmes 64 et 66. Il résulte de l'entraînement des dia- phragmes que les unités vibrantes, comprenant les accéléro- mètres associés, sont mises en osciliation dans le plan vertical. En outre, du fait de la situation de l'électro- aimant 74 qui se trouve entre les diaphragmes 64 et 66, les deux unités, et les accéléromètres associés, vibrent avec des mouvements déphasés de 180 degrés l'un par rapport à l'autre. Du fait de cette vibration en opposition de phase, les unités, dont les fréquences de résonance sont identiques, exercent des forces de vibration égales et opposées, ce qui minimise l'énergie vibratoire appliquée au boîtier 48 et évite les sensibilités de montage. En sortie, chaque accéléromètre produit un signal contenant simultanément une information sur la vitesse de rotation et une information sur l'accélération linéaire (le long de chaque axe d'entrée d'accéléromètre). La démodu- lation individuelle des deux types-d'information est relati- vement facile du fait de la différence des fréquences des signaux de vitesse de rotation et d'accélération. L'informa- tion de sortie concernant la vitesse est modulée à la fré- quence prédéterminée de la vibration de l'accéléromètre tandis que l'accélération linéaire en question peut être supposée constante ou bien se situer dans une gamme de fré- quences relativement basse et prévisible. La fréquence de vibration des suspensions à double diaphragme est choisie de façon à être élevée vis-à- vis de la bande passante du système pour permettre le fil- trage du signal de vitesse modulé délivré en sortie de l'accéléromètre. L'information sur la vitesse angulaire est obtenue par un couplage capacitif de la sortie de l'accéléromètre à un amplificateur passe-bande centré sur la fréquence de modulation. Le signal de sortie de l'amplificateur passe-bande est appliqué à l'entrée du démodulateur, le signal de référence destiné au démodula- teur étant choisi pour être en phase avec la vitesse de l'unité vibrante. Le signal de sortie du démodulateur est ensuite filtré pour obtenir une tension continue dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse angulaire appliquée et dont la polarité est fonction du sens de cette vitesse angulaire. On peut ainsi constater qu'il est fourni à la technique des instruments de mesure inertiels un appareil nouveau et perfectionné qui est capable d'effectuer des mesures de rotation selon deux plans orthogonaux et d'accé- lération selon deux directions orthogonales. Par la mise en oeuvre d'un capteur combiné conforme à l'invention, il est possible d'obtenir les avantages d'un appareil vibrant avec une complexité moindre que celle d'un dispositif rotatif pivotant, tout en évitant les inconvé- nients des dispositifs vibrants antérieurs. Le cadre de la présente invention n'est pas limité par la description qui vient d'être faite de son mode de réalisation actuellement préféré; mais il englobe ce qui est défini par les revendications suivantes ainsi que toutes équivalences éventuelles. REVENDICATIONS 1. Capteur combiné sensible à l'accélération liné- aire et à la vitesse de rotation d'un corps, caractérisé en ce qu'il comprend en association: (a) un capteur à masse contrainte sensible à l'accélération linéaire le long d'un premier axe prédéterminé; (b) un capteur à masse contrainte sensible à l'accélération linéaire le long d'un second axe prédéterminé; (c) des moyens de montage desdits capteurs à masse contrainte tels que ledit premier axe prédéterminé soit orthogonal audit second axe prédéterminé; (d) des moyens de mise en vibration desdits capteurs; et (e) des moyens sensibles aux forces dues à l'accélération de Coriolis qui s'exercent sur lesdits capteurs. 2. Capteur combiné selon la revendication 1, carac- térisé de plus en ce que: (a) lesdits capteurs sensibles à l'accélération linéaire comprennent un premier accéléromètre (10) et un second accéléromètre (12); et (b) lesdits moyens de montage comprennent une paire de suspensions à double diaphragme (66, 68 et 62, 64). 3. Capteur combiné selon la revendication 2, carac- térisé en ce que lesdits moyens de mise en vibration sont disposés de facon telle que lesdits capteurs effectuent des mouvements vibratoires déphasés l'un par rapport à l'autre. 4. Capteur combiné selon la revendication 3, carac- térisé en ce que lesdits moyens de mise en vibration compren- nent un électro-aimant (74) placé en situation intermédiaire dans ladite paire de suspensions à double diaphragme. 5. Capteur combiné selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la fréquence de vibration desdites suspen- sions à double diaphragme est élevée vis-à-vis de la bande passante du système. 6. Capteur combiné selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les premier et second accéléromètres sont du type pendulaires à compensation de forces. 7. Procédé de mesure de la vitesse de rotation et de l'accélération d'un corps, caractérisé en ce qu'il com- il porte les étapes consistant à: (a) fournir des premier et second capteurs inertiels à masse contrainte sensibles aux forces dues à l'accélération linéaire; (b) disposer les- dits premier et second capteurs par rapport audit corps de façon que chacun soit sensible aux forces dues à l'accélé-- ration linéaire que subit ledit corps le long d'axes ortho- gonaux; (c) mettre en vibration lesdits premier et second capteurs à une fréquence prédéterminée; et (d) mesurer les forces dues aux accélérations linéaire et de Coriolis qui s'exercent sur chacun desdits capteurs inertiels à masse contrainte. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de mise en vibration consiste de plus à faire effectuer par lesdits premier et second capteurs des mouvements vibratoires déphasés l'un par rapport à l'autre.