Brevet FR2551552A1 — publié le 19850308

La présente invention concerne un appareil pour déterminer la vitesse de rotation angulaire et de mouvement de translation d'une structure utilisant des accéléromètres vibrants et en particulier un appareil utilisant deux accéléromètres vibrant dans un sens sensiblement rectiligne. Dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 357 714 ainsi que dans l'article de Shmuel J Merhav intitulé "A nongyroscopic Inertial Measurement Unit" publié en mai 1981 par Technion Israel Institute of Technology, on décrit un procédé et un appareil pour mesurer le vecteur spécifique de force et le vecteur de vitesse angulaire d'un corps mobile au moyen de plusieurs accéléromètres entraînés cycliquement La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 357 715 divulgue des techniques similaires pour mesurer le vecteur spécifique de force et le vecteur de vitesse angulaire d'un corps mobile en utilisant, soit un seul accéléromètre,soit deux accéléromètres vibrant à une fréquence constante. Selon une technique antérieure, une des formes de réalisation d'un détecteur de vitesse utilisant deux accéléromètres vibrants comprend un système d'après lequel les accéléromètres sont orientés dans une disposition dos-à-dos, c'est-à-dire que leurs axes de détection de 25 force sont alignés dans des directions opposées, les accéléromètres étant soumis à des vibrations dans un sens sensiblement rectiligne normalement aux axes de détection de la force Une application d'un tel détecteur de vitesse trouverait place dans un système inertiel de 30 référence qui pourrait être utilisé dans un système de navigation par inertie d'un aéronef Dans une telle application, il est important de maintenir le mécanisme de vibration des accéléromètres aussi simple que possible ainsi que de réduire la dimension et les coûts du système Il est également très désirable d'éliminer autant que possible les nombreuses pièces qui peuvent s'user dans un tel système. L'objet de la présente invention est donc de produire un mécanisme pour faire vibrer deux accéléromètres dans un sens sensiblement rectiligne en utilisant une tringlerie structurée comme un parallélogramme. Un autre objet de la présente invention est de fournir un appareil pour produire un signal représentant le mouvement de vitesse angulaire d'une structure qui comporte un premier et un second accéléromètre dont chacun comporte un axe de détection de la force, un mécanisme à parallélogramme comprenant un premier élément de support d'accéléromètre maintenant le premier accéléromètre, un second élément de support d'accéléromètre maintenant le second accéléromètre et un mécanisme à tringlerie attaché aux éléments de support d'accéléromètre et fixé à la structure de manière que les axes de détection de la force soient alignés en parallèle L'appareil comprend également un mécanisme d'entraînement pour faire vibrer les éléments de support d'accéléromètre dans une direction sensiblement normale aux axes de détection de la force des accéléromètres 20 à une fréquence X ainsi qu'un circuit de traitement de signaux pour produire un signal de vitesse représentant le mouvement de vitesse angulaire de la structure. Un autre but de la présente invention est de produire une structure d'accéléromètre de détection de 25 vitesse angulaire qui comporte un élément de support central, un premier élément de tringlerie connecté de façon pivotante à une extrémité de l'élément de support central, un second élément de tringlerie connecté de façon pivotante à l'autre extrémité de l'élément de support 30 central, un premier élément de support d'accéléromètre connecté de façon pivotante à une extrémité de chacun des éléments de tringlerie, et un second élément de support d'accéléromètre connecté de façon pivotante à l'autre extrémité des éléments de tringlerie La structure comporte 35 également un premier accéléromètre fixé au premier élément de support d'accéléromètre de telle manière que son axe de détection de force soit en général perpendiculaire au premier élément de support d'accéléromètre et un second accéléromètre fixé au second support d'accéléromètre de manière que son axe de détection de force soit en général perpendiculaire au second élément de support d'accéléromètre et parallèle à l'axe de détection de force du premier accéléromètre. 5 Cette structure comporte additionnellement un mécanisme d'entraînement relié à l'élément central de support et à l'un des éléments de tringlerie pour faire vibrer les accéléromètres à une fréquence W d'un angle 8. D'autres caractéristiques et avantages de o 10 l'invention résulteront de la description détaillée qui va suivre de formes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 constitue un diagramme illustrant le principe de base d'une tringlerie en parallélogramme pour faire vibrer deux accéléromètres dans un sens sensiblement rectiligne; les figures 2 et 3 sont des vues de dessus et de côté, respectivementd'un mécanisme permettant de réaliser le mouvement d'acclléromètre de la figure 1; 20 la figure 4 est un schéma synoptique d'un circui t de traitement pour convertir des signaux d'accéléromètre en signaux de vitesse angulaire et de force; et la figure 5 est un schéma synoptique d'un générateur de signaux d'entraînement à utiliser avec le 25 circuit de traitement de la figure 4. La figure 1 montre sous forme de diagramme un système à parallélogramme pour faire vibrer deux accéléromètres 10 et 12 dans un sens indiqué par l'axe Y Les accéléromètres 10 et 12 sont fixés sur des éléments de 30 support d'accéléromètre 14 et 16, respectivement qui, à leur tour, sont reliés à deux éléments de tringlerie 18 et 19 par des systèmes à pivot ou à palier 22-28 Lorsque les éléments de tringlerie 18 et 20 sont tournés autour des pivots 30 et 32, respectivement,d'un angle e, les 35 accéléromètres 10 et 12 vibrent le long de l'axe Y qui A 1 2 est normal à leurs axes de détection de force A 1 et A 2. Sur le diagramme de la figure 1, l'angle 9 présente un décalage initial autour duquel a lieu l'oscillation sur l'angle 0. Les accélérations résultant du mouvement des éléments de support d'accéléromètre 14 et 16 dans la direction Y et mesurées le long des axes de détection de force A 1 et A 2 perpendiculairement à ceux-ci, l'une étant z z donnée par l'équation ( 1) et l'autre donnée par l'équation ( 2) ci-dessous, sont respectivement de: Z= 2 R Cos 6 ' cos 2 wt+ Ro Q sinpsinwt ( 1) Y=w 2 R Cos"posjnt ( 2) o W représente la fréquence de la rotation angulaire sur l'angle 9 et R représente la longueur du bras de tringlerie 18 ou 20 depuis l'un des pivots centraux 30 ou 32 jusqu'à l'un des pivots de support d'accéléromètre 22-28 Comme on 15 peut le voir d'après les équations ( 1) et ( 2), les accélérations le long de l'axe Z des accéléromètres 10 et 12 sont relativement faibles à cause du mouvement du mécanisme illustré à la figure 1 pour des faibles valeurs de O et s'annulent essentiellement dans le dispositif de traitement 20 de signaux montré à la figure 4 On voit donc d'après la figure 1 que le mouvement primaire des accéléromètres 10 et 12 est essentiellement rectiligne le long de l'axe Y pour des angles faibles de 8 et t Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, 8 o aurait une valeur 25 de 0,01-0,1 radian et P serait inférieur à 0,01 radian Egalement dans la forme de réalisation préférée de l'invention, la fréquence W serait de 200-400 radians par seconde On discute en liaison avec le générateur de signaux de commande de la figure 5 de l'importance du 30 mouvement d'axe d'entrée décrit à l'équation ( 1). Aux figures 2 et 3 on montre la forme de réalisation préférée d'un mécanisme permettant de mettre en oeuvre la structure en parallélogramme de la figure 1. Comme on peut le voir d'après la vue latérale de la figure 3, des accéléromètres 10 et 12 sont fixés aux éléments de support d'accéléromètre 14 et 16 par des brides d'accéléromètre 34 et 36 Pour simplifier la structure et pour réduire l'usure, les pivots 20-28 qui relient les éléments de support d'accéléromètre 14 et 16 aux éléments de tringlerie 18 et 20 se trouvent sousla forme d' éléments métalliques flexibles minces dans la forme de réalisation préférée de l'invention De même,les pivots 10 30 et 32 qui relient les éléments de tringlerie 18 et 20 à un élément de support central 38 sont réalisés sous la forme d'éléments métalliques minces L'élément de support central 18 est relié à la structure (non illustrée) pour laquelle l'appareil des figures 2 et 3 doit fournir des 15 signaux indiquant la rotation angulaire et le mouvement de translation. Un mécanisme de commande du type d'Arsonval qui inclut un aimant permanent 40 attaché à l'élément de tringlerie 20 et une bobine 42 fixée à un élément central 20 de support 38 commande les accéléromètres 10 et 12 dans des directions parallèles mais opposées en général le long de l'axe Y comme illustré à la figure 1 L'amplitude 8 de la vibration peut être contrôlée au moyen d'une boucle d'asservissement de contre-réaction utilisant deux éléments 44 et 46 capacitifs de détection, comme le montre la figure 3. L'appareil montré aux figures 2 et 3 fournit un mécanisme simple,original, ayant un nombre minimal de pièces mobiles pour faire vibrer deux accéléromètres 10 et 12 sensiblement en un mouvement rectiligne le long d'un axe Y perpendiculaire à l'axe de détection de force A 1 et A 2 Z Az des accéléromètres. Un processeur de signaux pour séparer les signaux de force Fz des signaux de vitesse angulaire x et Z x des signaux de sortie des accéléromètres 10 et 12 est montré 35 à la figure 4 Un générateur d'impulsions de commande 50 produit des signaux sur une ligne 52 en fonction de la fréquence o, ces signaux faisant en sorte qu'un générateur de signaux de commande 54 fasse vibrer les accéléromètres et 12 à une fréquence m comme décrit précédemment Les signaux de sortie des accéléromètres 10 et 12 a' et a sont Z az transmis sur des lignes 56 et 58 à un processeur de séparation préliminaire 60 Ce processeur montré à la figure 4 est approprié dans le cas d'une mécanisation avec deux accéléromètres du type montré à la figure 1 o les axes de détection de force A 1 et A 2 sont alignés dans des z z directions opposées Les signaux de sortie d'accéléromètre aux lignes 56 et 58 produisent une différence dans une 10 jonction de sommation 62 et sont additionnés dans une jonction de sommation 64 Deux amplificateurs 66 et 68 reçoivent les signaux de somme et de différence depuis les jonctions de sommation 64 et 62 respectivement sur les lignes 70 et 72. Le principe de la séparation des forces est le même que dans le cas de la demande de brevet des EtatsUnis d'Amérique N 357 715 et dans le cadre de l'article de Shmuel J Merhav intitué "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit" publié en mai 1981 par Technion Israel Institute of Technology, le signal combiné de l'amplificateur 66 étant appliqué sur une ligne 74 à un canal de force 76 Ce canal 76 comprend un circuit d'intégration et un circuit d'échantillonnage et de maintien, des signaux provenant du générateur d'impulsions de commande 50 étant 25 appliqués sur des lignes 78 et 80 à des circuits d'intégration et d'échantillonnage et de maintien Les signaux d'accélération combinés des lignes 74 sont intégrés sur un intervalle de temps T de la fréquence pour fournir sur la ligne 82 un signal de force Fz qui représente le changement de vélocité le long de l'axe Z de la structure à laquelle est attaché l'élément de support central. De même, un processeur de canal de vitesse angulaire 84 reçoit les signaux de différence sur la ligne 86 et les multiplie par la fonction périodique moyenne de 35 zéro sgncmt- Comme avec le canal de force, le signal résultant est intégré sur un intervalle de temps T à travers un circuit d'échantillonnage et de maintien vers une ligne de sortie 88 Le signal Si représentant des informations de vitesse angulaire est transmis par un filtre passe-bas et sort sur une ligne 92. Selon la manière ci-dessus, les signaux provenant du système d'accéléromètre illustré aux figures 1 et 3 peuvent être traités pour produire des signaux de force et des signaux de vitesse angulaire. D'autres détails sur la forme de réalisation préférée du générateur de signaux de commande 54 sont 10 montrés à la figure 5 Des impulsions provenant du générateur d'impulsion de commande 50 sont envoyées le long de la ligne 52 à un générateur d'ondes sinusoidales 100 qui produit une tension sensiblement sinusoidale sur la ligne 104 La sortie d'une jonction de sommation 106 15 commande un amplificateur à gain élevé 108 o La sortie de l'amplificateur 108 est un courant qui est appliqué à la bobine d'entrainement 42 La sortie de couple de la bobine de commande 42 coopère 3 avec la dynamique du m.canisme des figures 1 à 3 représenté par le rectangle 110 20 pour produire le mouvement entraîné des accéléromètres Ce iouvement entraîné excite les bobines de détection 44 et 46 pour produire une tension de réaction sur la ligne 112. En accord avec la théorie des asservisssments qui est bien connue des spécialistes de cette technique, le gain A(W) 25 de l'amplificateur 108 est très élevé de manière que la tension de commande sur la ligne 104 et la tension de contre-réaction sur la ligne 112 soient par force maintenues sensiblement égales et que le mouvement du mécanisme suive sensiblement la tension de commande sur la ligne 104. 30 On peut utiliser des commandes additionnelles pendant le calibrage de l'appareil de détection de vitesse angulaire des figures 1 à 3 comme montré par les numéros de références 114 et 118 Le circuit de commande de phase 114 est un circuit qui produit une tension ajustable sur 35 la ligne 116 qui contrôle la phase de la sortie 104 du générateur d'ondes sinusoïdales 100 par rapport aux impulsions de commande se trouvant sur la ligne 52 Le circuit de commande de décalage 118 est un circuit qui produit une tension ajustable sur la ligne 120 pour commander l'angle moyen P du mécanisme illustré à la figure 1. La raison de la présence dans le circuit des 5 dispositifs d'ajustement 114 et 118 résulte de l'examen du comportement du processeur par rapport à l'accélération montrée à l'équation ( 1) Le premier terme de l'équation ( 1) représente une accélération faible de deux fois la fréquence qui ne serait pas présente dans un mécanisme 10 à translation pure et donc représente un compromis de conception qui est accepté pour réaliser un mécanisme simple C'est un compromis très faible,car on peut voir qu'il s'annule exactement dans le processeur pour un mouvement d'entraînement à l'état stable et également qu'il s'annule sensiblement même en présence d'oscillations de commande Le second terme représente un signal identique à celui qui serait provoqué par un manque d'alignement à mode commun des deux accéléromètres sur un angle i. On peut voir que le processeur de la figure 4-, 20 lorsqu'il est soumis à la fois à un déphasage dans le signal de commande et à un manque d'alignement des axes de 1 et 2 détection de force A 1 et Az des accéléromètres 10 et 12 par rapport aux axes Z, a 1 et e 2 respectivement, comme le montre la figure 1, produit une influence apparente sur 25 la vitesse donnée par b= W (î 1 +a 2) sin ( 3) Par exemple, avec = 200 radians par seconde, a 1 =a 2 = 0,001 radian, et $= 0,001 radian, l'équation ( 3) révèle qu'une influence apparente sur la vitesse de 10-4 radians par 30 seconde ou 20,6 par heure en résultera L'ajustement électrique de p permet l'ajustement d'a 1 et d'a 2 à une valeur relativement grande sans réglage mécaniquede telle sorte que % peut être ajusté à une valeur très faible en observant 2 b % peut alors être décalé exactement de 900 en changeant temporairement les connexions des signaux de synchronisation sur les lignes 78 et 80 de manière que la somme des angles de mangue d'alignement O h et 02 puisse être ajustée à zéro en réglant i, de nouveau tout en observant nb' Lorsque % est à nouveau retourné à zéro et que toutes les commandes sont verrouillées en place, l'appareil ne sera pas seulement ajusté pour avoir une valeur minimale de Qb' mais encore pour une dérive miniale dans fb au cas o là, 2 ' ou bien u présenteraient une dérive de vieillissement après le calibrage La possibilité de régler i électriquement permet d'accomplir toute cette procédure rapidement, précisément, et sans besoin de réglages mécaniques critiques. REVENDICATIONS 1 Appareil pour produire un signal représentant le mouvement de vitesse angulaire d'une structure, caractérisé en ce qu'il comprend un premier accéléromètre ( 10) ayant un premier axe de détection de force z 1), un second accéléromètre ( 12) ayant un second axe de détection de force (AD, un mécanisme en parallélogramme comportant un premier élément de support d'accéléromètre ( 14) fixé au premier accéléromètre ( 10), un second élément de support d'accéléromètre ( 16) fixé au second accéléromètre ( 12) et un mécanisme à tringlerie ( 18, 20) attaché au premier et au second élément de support d'accéléromètre et fixé à la structure de manière que le premier et le second axe de détection de force soient alignés en 15 parallèle, un dispositif de commande ( 40, 42) relié fonctionnellement au mécanisme en parallélogramme ( 18, 20) pour faire vibrer le premier et le second élément de support d'accéléromètre dans une direction sensiblement normale au premier et au second axe de détection de force à une 20 fréquence w, et un dispositif de traitement de signaux relié fonctionnellement au premier et au second accéléromètre de manière à produire un signal de vitesse représentant le mouvement de vitesse angulaire de la structure. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme à tringlerie comporte un premier élément de tringlerie ( 18) relié de façon pivotante au premier et au second élément de support d'accéléromètre, un second élément de tringlerie ( 20) relié de façon 30 pivotante au premier et au second élément de support d'accéléromètre et un élément de support central ( 38) fixé à la structure et relié de façon pivotante au premier et au second élément de tringlerie. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé 35 en ce que le dispositif de commande comprend un premier élément électromagnétique de commande ( 42) fixé à l'élément de support central ( 38) et un second élément de commande électromagnétique ( 40) fixé au premier élément de tringlerie ( 20). 4 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier ( 20) et le second élément ( 18) de tringlerie sont reliés de façon pivotante au premier et au second élément de support d'accéléromètre par des éléments flexibles. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément central de support ( 38) 10 est relié de façon pivotante au premier et au second élément de tringlerie par des éléments flexibles. 6 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commande fait vibrer le premier et le second accéléromètre d'un angle 8 de 15 0,01 à 0,1 radian. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence W est une fréquence constante de 200-400 radians par seconde. 8 Appareil selon la revendication 1, 2) caractérisé en ce que le premier et le second accéléromètre vibrenit d'un angle O décalé d'un angle p d'une position nominale, les éléments de commande ( 40-42) comportant des éléments de réglage pour ajuster l'angle de décalage t à la valeur désirée. 9 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de commande comprennent un dispositif de comunarde de phase ( 114) pour régler la phase de la vibration du premier et du second accêléromètre. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de commande comprennent un circuit générateur de signaux périodiques ( 50) pour produire un signal de sortie ayant la fréquence , un circuit amplificateur ( 108) relié fonctionnellement au générateur de signaux périodiques ( 50) pour amplifier la sortie de ce générateur, un élément de commande ( 54) relié fonctionnellement au mécanisme en parallélogramme ( 18, 20) 255 I-552 et sensible au signal périodique amplifié de manière à faire vibrer le premier et le second accéléromètre à la fréquence w, et un dispositif de contre-réaction ( 112) sensible à la position du mécanisme en parallélogramme 5 de manière à appliquer un signal de contre-réaction au circuit amplificateur ( 108) pour commander l'amplitude 8 de la vibration du premier et du second accéléromètre. 11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend également des dispositifs 10 de réglage ( 118) pour régler un angle de décalage p représentant la déviation depuis une position nominale de la vibration 9 à la valeur désirée. 12 Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif de réglage comprend 15 un circuit de fourniture de tension pour appliquer une tension ajustable audit circuit amplificateur. 13 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend éqalement un circuit de commande de phase ( 114) relié fonctionnellement au générateur de signaux périodiques ( 50) de manière à faire varier la phase de la fréquence W à laquelle le premier et le second accéléromètre sont mis en vibration.