Brevet FR2560677A1 — publié le 19850906

La présente invention concerne une structure gyrostabilisée, c'est-a-dire une structure dont l'orientation spatiale est asservie à celle d'un instrument gyroscopique. Elle trouve en particulier son application dans la stabilisation du miroir orientable d'un viseur périscopique panoramique. Dans ce type de viseur, le miroir,orientable angulairement,peut balayer l'espace en renvoyant l'image de la scène observée vers un dispositif fixe d'observation et éventuellement, de conduite de tir situé à l'intérieur d'un véhicule ou d'une structure protégée. Ce miroir est généralement orienté selon deux degrés de liberté - orientatios en site et en azimut -, mais on comprendra que l'invention s'applique également à l'orientation de structures selon un seul degré de liberté, ainsi qu'd la commande d'orientation de toute autre structure pour laquelle on désire réaliser un pointage fin, asservi a la position d'un instrument gyroscopique. Plus précisément, la structure gyrostabilisée (le miroir dans l'exemple d'application choisi) est supportée par deux cadres mobiles en site et en azimut autour d'axes respectifs perpendiculaires, l'orientation de ces cadres étant déterminée en fonction de signaux de consigne respectifs ; ces signaux (définis par l'opérateur) correspondent à la position souhaitée de chacun des cadres, qui est asservie à l-'orientation d'un volarrtgyroscopique mobile selon deux degrés de liberté par rapport a un boitier lié a la structure, les signaux de consigne définissant ainsi pour le volant axe de consigne. En d'autres termes, l'opérateur fournit deux signaux indicatifs de l'orientation- spatiale. en site et en azimut de la ligne de visée, et l'asservissement gyroscopique permet de maintenir la structure sur la ligne de visée ainsi déterminée (on notera que l'instrument gyroscopique dont il s'agît ici est"gyroscopique"au sens strict , c'est-à-dire qu'il s'agit d'un instrument du type "gyr-libre", soumis au seul couple de précession résultant de l'effet gyroscopique). Cette stabilisation est destinee à protéger la visée à l'encontre des vibrations du véhicule et à la rendre invariante vis-à-vis des mouvements de ce dernier, de manière à disposer d'informations d'orientation de la cible en site et en azimut dans un référentiel absolu, par exemple en vue de la conduite de tir. A cette fin, les structures de ce type comprennent, classiquement - deux détecteurs de position produisant, pour chacun des degrés de liberté du volant, un signal de mesure représentatif de l'écart angulaire existant entre l'axe du volant et l'axe de consigne, - deu moteurs de cadre pour entrainer en rotation les cadres autour de leurs axes de site et d'azimut, - des moyens d'asservissement principal,qui sont des moyens gyroscopiques pour alimenter le moteur de cadre correspondant de manière à ramener, par dépla cement de ce cadre,l'axe du volant vers l'axe de consigne. On asservit ainsi la position des cadres à celle du volant. Ceci permet d'établir et de conserver un pointage de très grande précision sur une cible fixe ou mobile. Néanmoins, dans une phase préalable d'approche, l'amplitude de variation des signaux de commande peut être très importante, par exemple lorsque l'opérateur balaye l'horizon avec un objectif de courte focale, à champ large. Ces variations de grande ampleur, qui se traduisent par des signaux de mesure de forte valeur, amènent parfois à une déstabilisation de la boucle d'asservissement. En effet, le gain de celle-ci est élevé, pour permettre-un asservissement rapide et une bonne immunité à l'encontre des mouvements à fréquence élevée (vibrations), ce qui explique que son domaine de stabilité reste enfermé dans des frontières étroites. Pour éviter ces phénomènes d'instabilité et améliorer l'efficacité du pointage, l'invention propose un moyen de réduire, en cas d'apparition de ces variations de grande ampleur, le débattement angulairement du gyroscope, et, par voie de conséquence, l'amplitude des signaux de mesure délivrée par celui-ci. A cet effet, la structure gyrostabilisée, du type précité, comprend en outre, pour chacun des degrés de liberté du volant - un moteur de précession pour appliquer au volant un couple de pré cession fonction du signal de consigne correspondant, - des moyens d'asservissement auxiliaire qui sont des moyens gyrométriques pour alimenter le moteur de pré cession de manière à exercer sur le volant un couple de précession en sens inverse de l'écart angulaire représenté par le signal de mesure, - un circuit de sélection, sensible au signal de mesure, pour commander le fonctionnement des moyens d'asser vissement auxiliaire lorsque la valeur absolue du signal de mesure dépasse un seuil prédéterminé, et inhiber leur fonctionnement dans le cas contraire. De cette manière, en fonction du mode de fonctionnement du viseur - pointage fin ou balayage rapide -, le gain de l'une ou l'autre boucle (boucle principale ou boucle secondaire) deviendra prépondérant : le fonctionnement sera donc essentiellement gyroscopique (pointage fin, correspondant à des signaux de mesure de faible amplitude) ou gyrométrique (balayage rapide de l'espace, avec signaux de mesure de grande ampleur) selon le cas. Le mode de fonctionnement gyrométrique permet surtout, dans le cas d'un écart important entre i l'axe de consigne et l'axe du volant, d'assister et d'amplifier le phénomène gyroscopique naturel par application d'un couple de précession supplémentaire exercé par les moteurs de précession. On réduit ainsi dans l'ensemble la constante de temps de l'asservissement, tout en conservant une stabilité parfaite et un amortissement satisfaisant du bouclage. De préférence, les moyens d'asservissement auxiliaire sont en outre aptes à soustraire au signal de commande du moteur de cadre un signal proportionnel au signal de mesure, de manière à limiter le gain de la boucle d' asservissement principale. Ceci a pour effet d'accentuer la transition du fonctionnement gyroscopique au fonctionnement gyrométrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence à la figure unique annexée qui représente schématiquement la structure gyrostabilisée et ses circuits électroni ques d'asservissement. Sur la figure, les références 20 et 20' désignent les deux cadres portant la structure mobile, ces deux cadres étant orientables en site et en azimut autour d'axes respectifs A et S perpendiculaires. Un moteur de cadre 50 assure l'orientation du cadre 20 en azimut par rapport au véhicule ; un autre moteur 50' assure l'orientation en site du cadre 20' par rapport au cadre 20. La structure mobile, par exemple le miroir orientable du viseur périscopique panoramique, n'a pas été représenté sur la figure pour la clarté de cette dernière ; un tel miroir est rendu solidaire du cadre 20', de sorte que l'action sur les moteurs 50 et 50' permet son orientation dans toutes les directions de l'espace. Outre le miroir du viseur, le cadre 20' supporte également un volant gyroscopique 10, qui est monté libre selon deux degrés de liberté par rapport au cadre 20'. Ces degrés de libertés sont par exemple assurés par un joint de Cardan formé de deux cadres croisés 11 et 12, mais d'autres types de suspension sont parfaitement envisageables, comme, par exemple, les suspensions par joint de Hooke des gyroscopes du type à'Suspension élastique compensée". L'instrument gyroscopique est équipé de détecteurs 30, 30' de position angulaire de l'axe A par rapport au cadre support 20', ainsi que de moteurs de précession 40, 40' qui permettent d'appliquer au volant un couple de précession venant s'ajouter à la précession naturelle résultant de l'effet gyroscopique. Ces détecteurs et ces moteurs sont de type classique, par exemple électrostatique ou électromagnétique. Les signaux VD et VD, issus des détecteurs 30 et 30' vont permettre de connaître l'orientation angulaire de l'axe A du volant par rapport a un axe de consigne Z représentatif de l'orientation finale souhaitée de la structure. Sur la figure, on a par exemple représenté un écart angulaire + en azimut entre les axes A et Z, le raisonnement étant identique pour un écart en site. L'orientation de l'axe Z est défini en site et en azimut par deux signaux de consigne Vs et VA donnés par l'opérateur. Le signal VA est traité par le circuit électronique 100 qui reçoit le signal VD du détecteur 30 et alimente le moteur de précession 40 par un signal I, et le moteur de cadre d'azimut 50 par un signal VM De la même façon, le signal d'orientation en site VS est traité par un circuit 100' qui reçoit le signal du détecteur 30' et alimente les moteurs 40' et 50'. Le fonctionnement de ce circuit ne sera pas décrit en détail, dans la mesure où il est comparable à celui du circuit 100, le symbole "prime" ayant été rajouté aux références homologues. On va maintenant expliciter le fonctionnement du circuit d'asservissement 100. Pour de faibles écarts angulaires entre les axes A et Z, le circuit est une chaine classique d'asservissement gyroscopique GS : le signal de consigne VA est transformé par l'amplificateur 110 en une commande en courant I appliquée au moteur de précession 40, définissant ainsi une orientation souhaitée pour le volant. Ce dernier va précessionner, et une tension VD apparaît aux sorties de détection du capteur 30. Ce signal est transmis à un dé modulateur 120, un filtre réjecteur 121 et un amplificateur 122. La tension V T en sortie, représentative de l'écart angulaire, est transmise à un réseau de correction d'asservissement 123 et un amplificateur 124, dont le signal de sortie VM alimente le moteur de cadre 50 dans un sens qui tend à annuler la tension de détection VT. Lorsque le gyroscope ne fonctionne plus autour de son zero, par exemple lorsqu'il part sur sa butée, la tension VD croit et donc VT augmente. La valeur absolue de ce signal est pris en compte par un détecteur à seuil 130, 131, 132 (VS représente la tension de seuil) qui, par l'intermédiaire d'un amplificateur 133, fait jouer une contre-réaction par réinjection à l'entrée de l'étage 110 d'znefraction a. V T de ce signal (étage soustracteur 134 qui reçoit également le signal de consigne VA; On se trouve donc en présence d'une boucle d'asservissement secondaire gyrométrique GM faisant en sorte que le volant va tendre à précessionner en sens inverse (réinjection à l'entrée du gyroscope de la tension issue de ces détecteurs). Avantageusement, on réinjecte également la fraction a.VT du signal à l'entrée de l'étage 124, au moyen du soustracteur 135. Ceci a pour effet de réduire le gain de la boucle gyroscopique GS de façon d'autant plus accentuée que l'écart angulaire f est grand. REVENDICATIONS 1. - Une structure gyrostabilisée supportée par deux cadres (20,20'), mobiles en site et en azimut autour d'axes respectifs (S, A) perpendiculaires et dont l'orientation-est déterminée en fonction de signaux de consigne respectifs (Vs; VA) correspondant à la position souhaitée de chacun des cadres, et asservie à l'orientation d'un volant gyroscopique (10) mobileselon deux degrés de liberté par rapport à un bottier lié à la structure, les signaux de consigne définissant ainsi pour le volant un axe de consigne (Z), cette structure comprenant - deux détecteurs de position (30, 120-122 ; 30'), produisant, pour chacun des degrés de liberté du volant, un signal de mesure (VT) représentatif de l'écart angulaire existant entre l'axe du volant (b) et l'axe de consigne (Z), - deux moteurs de cadre (50 ; 50'), pour entraîner en rotation les cadres autour de leurs axes de site et d'azimut, - des moyens d'asservissement principal (110, 120-124), qui sont des moyens gyroscopiques pour alimenter le moteur de cadre correspondant (50 ; 50') de manière å ramener, par déplacement de ce cadre, l'axe (b) du volant vers l'axe de consigne (Z), Cette structure étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, pour chacun des degrés de liberté du volant - un moteur de précession (30, 30'), pour appliquer au volant un couple de précession fonction du signal de consigne correspondant (VA ;; - des moyens d'asservissement auxiliaires (110, 120-122, 133, 134), qui sont des moyens gyrométriques pour alimenter le moteur de précession de manière à exercer sur le volant un couple de précession en sens inverse de l'écart angulaire représenté par le signal de mesure, un circuit de sélection (130-132), sensible au signal de mesure (VT), pour commander le fonctionne ment des moyens d'asservissement auxiliaire lorsque la valeur absolue du signal de mesure dépasse un seuil prédéterminé, et inhiber leur fonctionnement dans le cas contraire. 2. Une structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'asservissement auxiliaire sont en outre aptes à soustraire au signal de commande du moteur de cadre (V ) un signal proportionnel au signal de mesure (VT)1 de manière à limiter le gain de la boucle d'asservissement principale. 3. Une structure gyrostabilisée selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle supporte le miroir tournant d'un viseur périscopique panoramique. 4. Un viseur périscopique panoramique, caractérisé en ce que son miroir tournant est supporté par une structure gyrostabilisée selon la revendication 3.