Brevet FR2558951A1 — publié le 19850802

La présente invention concerne d'une façon géné- rale un capteur angulaire à laser et, plus particulièrement, un appareil et un procédé de stabilisation à l'égard de certains effets défavorables de la vibration mécanique uti- lisée dans un tel capteur pour prévenir le verrouillage ou accrochage des faisceaux laser. Un capteur angulaire à laser consiste essentielle- ment en un premier et un second faisceaux laser qui cheminent en sens opposés autour d'un trajet en boucle fermée entourant l'axe de rotation par rapport auquel le capteur doit détecter et mesurer la variation angulaire. La rotation de l'appareil autour de l'axe modifie la longueur effective du trajet que doit parcourir chaque faisceau, laquelle peut à son tour être détectée en tant que différence de fréquence entre les deux faisceaux laser. Le sens et l'importance du changement de fréquence détecté sont représentatifs à la fois du sens de la rotation physique à détecter et de la vitesse de cette rotation. Aux faibles vitesses de rotation, la différence détectée des fréquences des faisceaux perd sa proportionna- lité avec la vitesse de rotation en raison d'un phénomène fréquemment dénommé "verrouillage" par lequel les deux fais- ceux laser présentent une fréquence unique. Une voie de résolution couramment employée du pro- blème de verrouillage consiste à faire effectuer une oscil- lation mécanique (ou vibration) à l'appareil capteur à laser, laquelle, lorsqu'elle s'ajoute à la vitesse réelle de varia- tion résultant de la rotation que subissent les faisceaux laser, élève la variation de fréquence détectée au-dessus du seuil critique de verrouillage. Dans une application pratique aux fins, par exem- ple,-de la navigation d'un aéronef, trois unités de capteurs angulaires à laser sont disposées orthogonalement entre elles et sont montées sur un support d'appareils ou bloc de montage commun. Le mouvement du véhicule ou le changement de son orientation à partir d'un gisement, d'un site et d'une position initiaux peuvent être déterminés en continu en dé- tectant la variation rotationnelle et la vitesse de variation dans chacun des trois plans deux à deux orthogonaux. Afin d'éviter le verrouillage, chaque unité de capteurs angulaires à laser possède son propre dispositif vibrateur. Les trois unités de capteurs opèrent de façon particulièrement efficace quand elles sont montées sur un bloc de montage commun: tou- tefois, lorsque ceci est réalisé, il se produit un couplage des mouvement vibratoires entre les capteurs à laser. Ce cou- plage des mouvements vibratoires est également appelé "inter- action" et il peut en résulter de graves erreurs de lecture. Des tentatives visant à résoudre le problème de l'interaction ont été effectuées dans le passé par des techniques de trai- tement en circuit selon lesquelles les signaux de sortie issus des différents capteurs angulaires à laser sont modi- fiés en vue d'éliminer ce qui résulte des erreurs d'inter- action; ces tentatives ne se sont toutefois pas avérées totalement satisfaisantes. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, plusieurs unités de capteurs angulaires à laser corres- pondant à des plans de détection orthogonaux (par exemple X, Y, Z) sont montées sur un support d'appareils ou bloc de montage commun et sont chacune munies de dispositifs vibra- teurs mécaniques induisant un mouvement oscillatoire méca- nique dans chacun des capteurs angulaires à laser afin d'éviter ou de retarder le verrouillage. Ce mouvement vibra- toire peut être aléatoire ou périodique, tant en ce qui con- cerne l'amplitude que la fréquence d'oscillation. Une masse compensatrice (par exemple un quatrième capteur angulaire à laser, de redondance) est montée sur le même bloc de montage ou support d'appareils et comporte un dispositif vibrateur mécanique réglable sélectivement. Lorsque la masse compensatrice est montée de façon que son plan de rotation vibratoire fasse des angles déterminés (par exemple des angles égaux) avec les plans des trois capteurs angulaires à laser, la mise en vibration de la masse compensatrice à une amplitude et une fréquence conve- nablement choisies compensera automatiquement l'interaction entre les trois capteurs. Sur les dessins annexes: la figure 1 est une vue latérale en élévation d'un bloc de montage montrant les trois capteurs angulaires à laser stabilisés conformément au procédé et à l'appareil décrits; la figure 2 est une vue en plan de dessus du bloc de montage de la figure 1; la figure 3 est une représentation schématique illustrant des mouvements et moments intéressants qui agis- sent sur l'appareil de la figure 1; et la figure 4 est un schéma synoptique fonctionnel de la commande de vibration de la masse compensatrice. En se référant maintenant aux dessins, et en par- ticulier aux figures 1 et 2, un bloc de montage 10 d'un seul tenant comporte trois surfaces planes 11-13 qui sont agencées avec précision de façon à être orthogonales entre elles et qui servent de surfaces de montage pour, respectivement, trois capteurs angulaires individuels à laser 14-16, repré- sentés seulement d'une façon schématique. Le bloc de montage comporte trois pieds ou bases 17-19 destinés à fixer le bloc de montage, et les capteurs angulaires à laser qui y sont montés, à l'aéronef ou à un autre véhicule dont le mouvement doit être contr1lé. Autrement dit, les trois cap- teurs angulaires sont entièrement montés sur une assise commune, à savoir le bloc de montage 10, chacun-d'eux détec- tant les mouvements de rotation autour d'un axe orthogonal au plan de la surface sur laquelle il est monté. On sait que grâce à une telle association de trois capteurs angu- laires, un véhicule transportant le bloc de mpntage et les capteurs qui s'y trouvent pourra se déplacer dans trois dimensions, tout mouvement que fait le véhicule dans n'im- porte laquelle des trois dimensions étant détecté par un ou plusieurs des capteurs. Chacun des capteurs à laser 14-16 comprend classi- quement une paire de faisceaux laser cheminant dans des sens respectivement opposés en suivant un trajet fermé autour de l'axe de détection, et des moyens de mesure de la variation de fréquence des faisceaux laser. De plus, une nécessité préalable à la mise en application de l'appareil et du pro- cédé décrits est que chacun des capteurs à laser comprenne un dispositif engendrant un mouvement mécanique oscillatoire (ou vibratoire) des moyens de production des faisceaux laser et de l'appareil de détection associé qui sont montés sur le bloc de montage, dans une direction qui suit le trajet de cheminement des faisceaux laser. Les capteurs angulaires munis de moyens vibrateurs mécaniques dont il est question ici sont d'une construction et d'un fonctionnement et par conséquent ne seront pas décrits en détail. Le bloc de montage est muni d'une surface plane supplémentaire 20 qui, pour des raisons de simplification, est représentée en traits pleins dans une disposition o elle fait des angles précisément égaux avec les trois sur- faces de montage 11-13 des capteurs. Des moyens 21 de com- pensation de l'interaction, montés sur la surface 20, comprennent une masse et des moyens réglables sélectivement pour la mise en vibration de la masse dans un plan parallèle à la surface 20. Ainsi qu'il sera développé dans la descrip- tion qui suit, le moment angulaire des moyens de compensation, une fois projeté sur chacun des axes de détection, équili- brera les moments angulaires de vibration. On se réfère pour l'analyse suivante à la repré- sentation schématique de la figure 3. Les trois capteurs angulaires à laser en vibration sont représentés comme des masses cylindriques ayant des moments de vibration respec- tifs M1, M2 et M3 presque égaux en phase et en amplitude les angles de rotation vibratoire correspondants étant "i' a2 et a3' De même, le moment de la masse compensatrice est Mc et l'angle de rotation vibratoire correspondant est c' En admettant que seuls sont mis en jeu de petits angles de rotation, les équations dynamiques du mouvement en notation tensorielle cartésienne pour la rotation du bloc de montage, les capteurs angulaires et la masse compen- satrice dans le mode vibratoire, sont les suivantes: (Iij I- ij Icnin.j) j + K(ei - i) + K(Ojnj -c)n+ K Ki j = Mi + Mc i (1) I 'i + K(Yi - ii) -Mi (2) Ic 'c + Kc( % - Ojnj) = -Mc (3) o, 8i = angles de rotation du bloc de montage autour de xi. ai = angles de rotation des trois capteurs angulaires orthogonaux. ac = angle de rotation de la masse compensatrice. Iij = moment d'inertie de l'ensemble complet. I = moment d'inertie d'un capteur angulaire autour de l'axe de vibration. Ic = moment d'inertie de la masse compensatrice. ni = cosinus des angles de l'axe de la masse compensa- trice par rapport à xi. Kij = coefficients de rigidité angulaire du système de support autour du centre de gravité du bloc de montage. K = rigidité de vibration seule. Kc = rigidité de vibration de compensation. 1 si i=j &. = iJ 0 si iLj En admettant de plus que le centre d'élasticité des supports coincide avec le centre de gravité, et en ga- rantissant ainsi la séparation entre la rotation et la trans- lation, en posant l'équation (1) égale à zéro, on obtient: (I I.ij ij Icnin) 8j + K(8i - ai) + Kc(6.n - c)ni + K. e j= 0 (4) En multipliant l'équation (3) par ni et en l'ajou- tant à (2), on a: I -i + Icac ni + K( E- 8i) + Kcc- 8n)ni c 0 (5) Dans le cas o Kc = K- les équations (4) et (5) Ic I constituent un système de six équations homogènes dont les six inconnues sont Ei et (I. + n) La solution sta- tionnaire de ces équations est: O = 0 (6) i = 0; I ai + Icac ni = (6) soit, s. = (7) I ai = -Icc ni Ce résultat démontre l'élimination de l'interac- tion et des erreurs qui en résultent. Dans le cas particulier o n1 = n2 = n3 = 3/3, alors 1 = 3 () Sur la base de l'analyse précédente, il apparaît clairement que les moyens 22 réglables sélectivement des- tinés à mettre en vibration la masse compensatrice peuvent être réglés à une amplitude et à une fréquence de vibration prescrites qui compenseront le couplage mécanique des cap- teurs 14-16 vibrants à laser et, de cette façon, réduiront fortement, sinon élimineront, les erreurs dues à l'inter- action. Bien qu'il ait été admis, comme condition initiale de simplification dans le développement des équations dyna- miques, que le plan de montage 20 de la masse compensatrice intersecte les plans 11-13 de montage des capteurs sous des angles égaux, on doit souligner que cela n'est pas indis- pensable et que les angles d'intersection avec les différents plans peuvent être différents. Cette éventualité est pré- sentée sur la figure 1 o est montré en lignes à traits inter- rompus le plan de compensation qui est incliné par rapport au plan originel 20 et, par conséquent, intersecte clairement les plans respectifs 11-13 sous des angles sensiblement dif- férents. En outre, bien qu'on estime qu'il est possible de modifier la masse compensatrice, l'amplitude de vibration de la masse compensatrice et sa fréquence, la construction la plus simple et la plus directe consiste à faire en sorte que la masse compensatrice soit identique à celle d'un cap- teur, et de régler soit l'amplitude de vibration de la masse compensatrice soit sa fréquence, tout en gardant l'autre grandeur à une valeur sensiblement identique à la valeur correspondante des capteurs. La figure 4 illustre sous forme synoptique fonctionnelle un schéma général d'un circuit des- tiné à régler séparément la fréquence et l'amplitude des moyens de mise en vibration de la masse compensatrice. Ces moyens MVC étant commandés par une unité CF de commande de la fréquence de vibration et par une unité CA de commande de l'amplitude de vibration. Dans le premier mode de réalisation décrit, le bloc de montage comprend trois surfaces planes 11-13 deux à deux orthogonales sur lesquelles sont montés trois cap- teurs angulaires à laser, le plan de la surface de montage de la masse compensatrice 20 intersectant chacun des plans des surfaces 11-13 sous le même angle. Dans le deuxième mode de réalisation décrit, le plan de la surface 20 intersecte les plans des surfaces 11-13 sous des angles différents. Il est de plus envisagé que les surfaces 11-13 puissent présenter un agencement angulaire autre que celui o elles sont deux à deux perpendiculaires, comme représenté sur la figure 1 par les surfaces 11' et 12' en lignes à traits interrompus. On présente maintenant les bases analytiques de cet autre mode de réalisation. On considère maintenant le cas o les trois gyros- copes à laser se trouvent dans des plans 11', 12' et 13 qui ne sont pas deux à deux perpendiculaires. Ce cas est décrit au mieux dans un système affine de coordonnées dont les axes sont normaux aux plans vibratoires. Dans un système affine de coordonnées, les indices et les exposants désigneront respectivement les composantes covariantes et contravariantes. En utilisant la même notation que celle des modes de réali- sation précédemment décrits, on peut écrire: (I. _ - Icn nj) ii + K(8i _ a) + K( o gij sont les composantes covariantes des tenseurs fonda- mentaux. Les équations du mouvement dans le cas d'oblicité (c'est-à-dire dans le cas dans lequel les plans 11-13 ne sont pas deux à deux perpendiculaires), sont, lorsqu'on utilise les coordonnées affines et les écrit en composantes cova- riantes, algébriquement identiques à celles du cas d'ortho- gonalité [équations (1), (2) et (3)]. On peut alors en inférer que la compensation dynamique de l'interaction s'applique au cas d'oblicité aussi bien qu'il l'a été démontré dans le cas de gyroscopes à laser en anneau deux à deux perpendiculaires. Les moyens 21 de compensation de l'interaction consistent, du point de vue le plus général, en une masse de nature indéterminée, et en des moyens pour mettre la masse en vibration de la manière décrite ci-dessus. Un mode de réalisation particulièrement avantageux des moyens 21 de compensation est obtenu en montant sur la surface plane 20 un quatrième capteur à laser de redondance et des moyens de mise en vibration. Non seulement une telle structure fonc- tionnerait de façon satisfaisante dans les vues de la pré- sente invention, mais le capteur à laser de redondance peut être facilement et avantageusment utilisé en tant que cap- teur à laser actif dans l'éventualité, par exemple, d'une défaillance de l'un des trois autres capteurs 14-16 à laser. REVENDICATIONS 1. Procédé de neutralisation de l'interaction qui se produit entre les vibrations mécaniques de deux ou de plus de deux capteurs angulaires à laser montés sur un bloc de montage commun, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: disposer une masse compensatrice sur le bloc de montage; et mettre en oscillation la masse à une fréquence et une amplitude prédéterminées afin de contre- carrer d'une façon sensiblement complète les interactions résultant de la vibration des capteurs angulaires à laser, dansle bloc de montage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillation s'effectue autour d'un axe ayant une relation angulaire fixée par rapport au bloc de montage. 3. Appareil comprenant plusieurs unités (14, 15, 16) de capteurs angulaires à laser montées sur le même bloc de montage (10), chaque unité de capteurs angulaires à laser comportant des moyens individuels de mise en vibration méca- nique, caractérisé en ce qu'il comporte: un objet (21) de masse prédéterminée monté sur le bloc de montage; et des moyens destinés à la mise en oscillation mécanique de l'ob- jet à une fréquence et une amplitude convenant pour neutra- liser l'interaction des vibrations qui se produit entre les moyens individuels de mise en vibration des capteurs angu- laires. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois unités (14, 15, 16) de capteurs angulaires à laser montées respectivement sur des plans (11, 12, 13) agencés orthogonalement et destinées à détecter les mouvements appliqués autour d'axes normaux à ces plans, et en ce que l'objet (21) est monté sur un plan intersectant les plans agencés orthogonalement sous au moins deux angles différents. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mise en vibration mécanique de chaque capteur angulaire (14, 15 et 16) à laser provoquent 2558951, il une oscillation dans un plan parallèle au plan de montage (11, 12 et 13) du dispositif capteur, et en ce que l'oscil- lation de l'objet (21) s'effectue dans un plan parallèle au plan de montage de l'objet. 6. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de mise en vibration des capteurs angu- laires (14, 15. 16) oscillent à sensiblement les mêmes fré- quences,amplitude et phase, et en ce que l'oscillation de l'objet (21) est effectuée à sensiblement la même fréquence que celle de la vibration des capteurs angulaires alors que l'amplitude de l'oscillation de l'objet est réglée à conve- nance. 7. Appareil capteur angulaire à laser, caractérisé en ce qu'il comprend: un bloc de montage unitaire (10); trois capteurs angulaires (14, 15, 16) à laser montés sur des surfaces respectives (11 ou 11', 12 ou 12', 13) du bloc de montage; des moyens individuels de mise en vibration associés à chacun des capteurs angulaires à laser et destinés à faire osciller mécaniquement les capteurs parallèlement à leur surface de montage; une masse compensatrice (21) mon- tée mobile sur une surface supplémentaire (20) du bloc de montage; et des moyens réglables sélectivement pour mettre en oscillation la masse compensatrice à une amplitude et une fréquence données. 8. Appareil capteur angulaire à laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que les amplitudes, fré- quences et phases des moyens de mise en vibration sont res- pectivement sensiblement identiques. 9. Appareil capteur angulaire à laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que les trois surfaces de montage (11, 12, 13) des capteurs angulaires (14, 15, 16) à laser sont deux à deux perpendiculaires. 10. Appareil capteur angulaire à laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que le plan de montage (20) de la masse compensatrice (21) intersecte chaque plan de mon- tage (11, 12, 13) de capteur sous le même angle.