Brevet FR2554224A1 — publié le 19850503

La présente invention concerne le repérage de la posi- tion angulaire d'un dispositif mécanique susceptible d'être animé d'un mouvemEnt de rotation autour d'un axe de rotation. De tels dispositifs de repérage sont déjà connus. Par exemple, on connaît les potentiomètres, les codeurs incrémen- taux, les codeurs absolus digitaux, les capteurs capacitifs, les capteurs inductifs ou résolvers. Ces divers capteurs pré- sentent tous l'inconvénient de rajouter une inertie sur la ligne d'arbre de rotation, cette inertie augmentant en géné- ral considérablement avec la précision. Les potentiomètres sont, en outre, sujets à usure, le frottement du curseur éro- dant inévitablement la piste résistive. Les capteurs capaci- tifs sont, eux, limités aux très faibles débattements angu- laires (inférieurs ou égaux à 5 degrés). La présente invention vise à réaliser un système de repé- rage présentant une grande precision et ce, sur une course de plusieurs dizaines de degrés. Le système de repérage de l'invention comporte des moyens pour réfléchir l'image d'une fente de largeur prédéterminée sur un miroir solidaire du dispositif mécanique et des moyens pour recevoir ladite image sur un récepteur semi conducteur, ledit récepteur comportant des moyens pour en déduire la po- sition angulaire du dispositif mécanique. Selon une première caractéristique, le système de repé- rage de l'invention comporte des moyens pour corriger la lec- ture de la mesure fournie par ledit récepteur. Selon une autre caractéristique, les moyens de correction comprennent essentiellement des moyens pour mémoriser deux adresses I et J fournies par ledit récepteur, lesdites adres- ses correspondant a deux cellules dudit récepteur éclairées à deux instants distants d'un temps d'intégration Et déterminé par ledit récepteur. Selon une autre caractéristique, les cellules dudit ré- cepteur sont distantes d'une grandeur dépendant de la largeur de ladite fente. Selon une autre caractéristique, les moyens de correction comportent une mémoire morte adressable par les adresses I et J mises en mémoire, ladite mémoire morte ayant été préprogram- mée pour apporter les corrections sur les paramètres appro- - 2 - priés. Selon une première application, lesdites corrections pallient les distorsions apportées par ledit système optique. Selon une seconde application, lesdites corrections pal- lient la limitation de vitesse angulaire maximale tolérable par ledit récepteur. Selon une troisième application, lesdites corrections pallient la non linéarité de la mesure due à l'effet de tan- gente. Selon une autre caractéristique, les adresses sont co- aées au moyen de huit éléments binaires. Selon une dernière caractéristique, l'adresse de la pre- mière mesure est mise en mémoire au moyen de ses quatre élé- ments binaires de poids faible tandis que l'adresse de la se- conde et dernîère mesure est mise en mémoire au moyen de ses buit éléments binaires. Ainsi, le système de l'invention permet d'obtenir une précision et une linéarité excellentes sans accroître notable- ment l'inertie de l'équipage mobile. Le système de l'inven- tion vise à s'affranchir de l'usure. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. La figure la est un schéma général du dispositif de re- pérage de l'invention. La figure lb est une vue de dessus du dispositif récep- teur de la figure la. La figure 2 représente un schéma du dispositif de trai- tement de l'information recueillie par le dispositif de la fi- gure 1. La figure 3a représente l'écart angulaire de lorsque le faisceau lumineux se déplace sur le récepteur de la figure la. La figure 3b représente l'angle maximum présenté par le faisceau lumineux détectable par le récepteur optique de la figure la. La figure la représente le schéma général du dispositif' de repérage de la position angulaire de l'invention. Soit P le dispositif mécanique dont on veut connaître la position angulaire. On dispose sur ce dispositif P un miroir M soli- -3 - daire de ce dispositif P et susceptible de recopier ses dé- placements. Soit S une source de lumière blanche ou monochro- matique et une fente 1 placée devant cette source de lumière. On éclaire la pièce mécanique P que l'on sounaite repérer en la plaçant sur le trajet de la lumière transmise par la fente. La lumière réflécnie par le dispositif mécanique P ou plus exactement par le miroir M porté par cette pièce mécanique P est recueillie sur un dispositif de réception 2. On utilise avantageusement pour dispositif de réception 2 un dispositif semi conducteur formé d'une barrette d'éléments photosensi- bles. La figure 1b représente une vue de dessus de cette bar- rette d'éléments photosenslbles. On connaît déjà, dans l'état de la technique, des détec- teurs photosensibles utilisant, par exemple, un dispositif à couplage de charge (encore appelé CCD). De tels détecteurs se composent d'un substrat semi conducteur, d'un certain nombre de surfaces de détection ou éléments formés sur le substrat, d'un registre à décalage dont la dimension est fonction du nombre d'éléments, placé dans la direction de balayage, ledit registre permettant le transfert des charges stockées vers la sortie. En effet, les charges stockées dans chaque élément, en réponse aux informations lumineuses, sont transférées à intervalles de temps 4t réguliers dans le registre à décalage. On utilise un système optique de focalisation, par exemple des lentilles, permettant d'obtenir l'image de la fente sour- ce sur la barrette d'éléments photosensibles. Soit O la lar- geur de la fente 1. On utilise une barrette dont les éléments photosensibles sont espacés de ' et telle que la largeur de chaque élément soit supérieure à la zone aveugle entre deux éléments. Comr..e la largeur de la fente 1 est égale à, un seul élément reçoit de la lumière (parfois deux cellules voi- sines si l'image de la fente tombe entre les deux). Donc, si le miroir (ou la pièce mécanique est fixe, le rang de l'élé- ment éclairé est caractéristique de la position du miroir à 2 près. Les charges accumulées dans chaque élément sont trans- férées à intervalles de temps At réguliers dans le registre à décalage puis acheminées en série vers la sortie o elles sont converties en tension. Soit f la cadence de sortie pour pou- voir lire en série l'état présenté par tous les éléments du voir lire en série l'état présenté par tous les éléments du dispositif semi conducteur 2 au moment d'un transfert; il faut bien évidemment réaliser Dans la suite de la description, on supposera cette con- dition réalisée. Le rang de l'élément éclairé peut donc être connu par comptage du nombre de décalages nécessaires pour voir appa- raître en sortie la tension représentative de l'élément éclai- ré. La linéarité d'une telle mesure est fonction du nombre N d'éléments composant la barrette 2 et de l'angle maximum cmax que l'on est amené à mesurer par rapport à la position média- ne. Le calcul de l'écart angulaire de correspondant à un dé- placement du faisceau de -2 sur la barrette 2 peut s'exprimer en fonction de l'angle 6 lui-même, de la largeur i de la fente et de la distance f focale du système optique réception par: 1g 2max =2 f comme représenté sur la figure 3b;donc la linéarité s'ex- prime par: dimax gmax soit: dimax tg 20max 4NW ô, " 4Nff max max La zone angulaire totale dans laquelle on peut connaître la position d'un miroir s'étend autour de 900, ce qui corres- pont à "max inférieur à 45 . Toutefois, si la pièce mécanique P ou le miroir M subit des mouvements angulaires, il n'est pas aussi simple d'éta- blir une corrélation entre la position, un élément et la ten- sion lue en sortie. En effet, si la fréquence fo admissible par le dispositif semi conducteur 2 de réception est suffisam- ment élevée, on peut choisir un temps d'intégration At = N f0 suffisamment court pour que le faisceau ne puisse pas se dé- placer, pendant ce temps àt, d'un angle supérieur à d"max comp- te tenu des vitesses mises en jeu dans le dispositif mécani- que. Dans un tel cas, le fonctionnement dynamique est aussi simple qu'en statique. La vitesse angulaire maximale admissi- ble pour le miroir est alors telle que: d"demax Tg2e' f At pour les techniques de repérage actuelles compte tenu des per- formances des circuits à transfert de charge disponibles dans le commerce et, bien souvent, lorsque le miroir M est en mou- vement, un nombre n d'éléments est éclairé pendant le temps At. D'autre part, dans un registre à décalage, les transferts s'effectuent toujours dans le même sens, c'est à dire du rang N vers le rang N - 1 et ainsi de suite jusqu'au rang 1 le plus proche de la sortie. Donc, le premier élément détecté en sor- tie du registre à décalage peut être, soit, celui qui a été éclairé au début du temps At, soit, celui qui a été éclairé à la fin de ce temps, ceci dépendant du sens de déplacement du miroir M. Comme le mouvement du miroir se superpose à ce transfert de charges, ce transfert pouvant être plus ou moins long sui- vant la position des n éléments éclairés par rapport à la sor- tie, la mesure fournie par le dispositif de réception 2 semi- conducteur fournit un résultat susceptible d'être entaché d'une incertitude. Ce retard de phase est d'autant plus gê- nant qu'il varie avec la position, la vitesse et le sens de déplacement du miroir. L'invention vise à pallier de tels inconvénients en dis- posant un système de correction comme représenté sur la figu- re 2. Ce dispositif de correction reçoit le signal de sortie du registre à décalage du dispositif 2 de réception de la fi- gure 1. Ce dispositif de correction comprend un comparateur 3 qui reçoit une commande à seuil sur une entrée ainsi que le signal de sortie du registre à décalage et fournit en sortie un signal représentatif de l'adresse de l'élément éclairé sous la forme d'une tension. Cette information issue du comparateur 3 est appliquée à l'entrée d'un circuit 4 de commande qui four- nit un ordre, d'une part, à l'entrée de mémoires vives 5 et 6, d'autre part, à l'entrée d'une autre mémoire vive 7. La mé- moire vive 7 met en mémoire la précédente mesure (soit I cette 6- mesure), tandis que les mémoires vives 5 et 6 contiennent la dernière mesure J entrante, la mesure J est de ce fait l'a- dresse du dernier élément éclairé de la barrette 2 tandis que la mesure I est l'adresse de l'avant dernier élément é- clairé de la barrette 2. On dispose un générateur 8 de signaux d'horloge qui four- nit le signal de lecture du registre à l'entrée du dispositif 2 de réception ainsi que le signal d'avance d'un compteur 9 fournissant huit bits en parallèle. C'est ce compteur 9 qui fournit deux groupes de quatre bits à l'entrée des mémoires et 6 représentant respectivement les bits d'adresse de poids fort et de poids faible. Le contenu des adresses des mémoires 5, 6 et 7 est appli- qué à l'entrée de la mémoire 10 morte. Cette mémoire 10 reçoit les 12 bits d'adresse et fournit en sortie les huit bits de données représentatifs de la position angulaire corrigée. Plus exactement, les huit bits sont transmis par l'intermé- diaire d'un convertisseur numérique analogique 11 qui fournit en sortie une recopie analogique du signal. On notera que les quatre bits de poids faible seulement sont mémorisés dans la mémoire 7. En effet, lors du repérage entre une position I et une position J, l'adresse n'a pas subi de modification trop importante si bien que la mémorisation des bits de poids faible suffit. En effet, les vitesses sont suffisamment fai- bles pour que connaissant J et les 4 bits de poids faibles de la position I, on connaisse sans ambiguité I et J. Il suffit donc de préprogrammer la mémoire 10 pour appor- ter à la mesure du repérage toutes les corrections nécessai- res. Cette mémoire morte 10 est, par exemple, une EPROM 2 732 de la société Intel. Il suffit de choisir les principales cor- rections que l'on souhaite apporter à la lecture de chaque mesure. Ces corrections sont essentiellement selon l'inven- tion, la correction-de vitesse, les corrections de distorsion du système optique de focalisation des pinceaux lumineux, la correction de non linéarité due à l'effet de tangente. Pour ce qui concerne la correction de vitesse, la mesure de I et J fournit une précision convenable. En effet, suppo- sons un temps d'intégration de la lumière qui dure de l'ins- tant t à l'instant t + At; la tension de sortie caracté- o o -- 7 -- ristique d'un élément éclairé apparait à l'instant: t + Et + J o f o soit t cet instant de mesure correspondant à l'élément éclai- m ré J. Pour la période d'intégration précédente, de t - at à t, le premier élément éclairé était le Ième ce qui corres- O Or pond à l'instant de mesure t +. Si At est suffisam- o f ment court pour que la vitesse ne change pas notablement en- tre t - Et et t + At la connaissance de I et J permet de o o connaître la position exacte du miroir à l'instant t En m effet, la vitesse V angulaire à l'instant t s'exprime en o o fonction de l'angle du faisceau lumlneux avec la perpendicu- laire du miroir M pendant les deux positions I et J par V= e' (.) - éI o At Le nombre n d'éléments éclairés pendant le temps t est donc IJ - Il. Si J est inférieur ou égal à I, le faisceau lumineux se déplace vers les éléments proches de la sortie, J est donc bien la cellule éclairée à l'instant t + at. Par contre, si o J est supérieur à I, J est la cellule éclairée à l'instant t et à l'instant t + Et c'est la J + IJ - Il qui est éclairée. o Dans les deux cas, la position du miroir à l'instant t de la m mesure peut être estimée de la façon suivante: (t) = e (J) + J v si J I f o o 3o / (t) = e (2J - I) + V si J> I m f o o La condition restrictive sur la vitesse du miroir fait donc place à une condition sur l'accélération beaucoup moins res- trictive en pratique. En effet, pour conserver la résolution du fonctionnement statique il faut que dans les deux cas J AV EX N,( 2 semi conducteur est tel que tg 2max = 2 o f 'est la distance focale du système optique comme représenté sur la. figure 3b. D'autre part, comme représenté sur la figure 3a, on ex- prime d' en fonction de l'angle C dont le miroir a tourné. Lorsque le miroir tourne de 9, le faisceau réfléchi tourne de 2( donc l'angle d' sur le récepteur 2 semi conducteur côrres- pondant à un déplacement du faisceau de s'exprime par: Cos 2" 2 dO'=-Cs- -Cos 2 - dty =o2 c2 i donc dans l'expression dî, on peut remplacer 2f par tg 2ma: N 2f max ce qui fournit Cos2 20' tg 2dmax d" = N radians On voit que d& dépend de ', et est maximum pour ' égale zéro, alors on a: tg 20max - d =- max N dé est minimum pour e = eax et s'exprime par: sin 20'max Cos 2emax dO'_ maxma dû = ' min N d'o la condition sur la variation de la vitesse angulaire: sin 2max Cos 26max 2N2 Io On peut donc en déduire une condition restrictive sur l'accé- lération admissible: v v max -a max N max f Soit encore: - 9 - sin 20max Cos 2max f 2 max 2N3 Un tel système de repérage de la position angulaire a été réa- lisé. En utilisant un récepteur 2 semi conducteur comportant N = 256 éléments, une fréquence de lecture f = 10 Mhz et en O faisant osciller le miroir de e = 10 autour de sa position médiane, on a pu obtenir des résultats de façon satisfaisante selon l'invention jusqu'à des vitesses de l'ordre de 105 ra- dians/s et des accélérations de l'ordre de 47 000 radians/s2 La linéarité obtenue en statique s'exprime par: dmax tg max dYmax =maxN max soit 2max Or, on peut rencontrer des vitesses de 105 rd/s. De même, l'ac- célération maximale Y est de l'ordre de 0,9 X 106 rd/s2 max 2 ce qui est largement supérieur à 47 000 rd/s à laquelle le miroir est soumis. Les corrections apportées par le système de l'invention se sont donc révélées indispensables et satis- faisantes. - 10 - REVENDICATIONS 1 - Système de repérage de la position angulaire d'un dispositif mécanique, système caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour réfléchir l'image d'une fente de largeur prédéterminée sur un miroir solidaire dudit disposi- tif mécanique, puis à recevoir ladite image sur un récepteur semi conducteur, ledit récepteur comportant des moyens pour en déduire la position angulaire du dispositif mécanique. 2 - Système de repérage selon la revendication 1 caracté- risé par le fait qu'il comporte des moyens pour corriger la lecture de la mesure fournie par ledit récepteur., 3 - Système de repérage selon la revendication 1 carac- térisé par le fait que lesdits moyens de correction consis- tent essentiellement en des moyens pour mémoriser deux adres- ses I et J fournies par ledit récepteur, lesdites adresses correspondant à deux cellules dudit récepteur éclairées à deux instants distants d'un temps d'intégration Ai déterminé par ledit récepteur. 4 - Système de repérage selon la revendication 3 carac- térisé par le fait que les cellules dudit récepteur sont dis- tantes d'une grandeur dépendant de la largeur de ladite 'ente. - Système de repérage selon l'une des revendications 3 et 4 caractérisé par le fait que lesdits moyens de correction comportent une mémoire morte adressable par les adresses I et J mises en mémoire, ladite mémoire morte ayant été préprogram- mée pour apporter les corrections des paramètres appropriés. 6 - Système de repérage selon la revendication 5 carac- térisé par le fait que lesdites corrections pallient les dis- torsions apportées par ledit système optique. 7 - Système de repérage selon l'une des revendications 5 ou 6 qaractérisé par le fait que lesdites corrections pallient la limitation de vitesse angulaire maximale tolérable par le- dit récepteur. - 8 - Système de repérage selon l'une des revendications 5, 6, 7 caractérisé par le fait que lesdites corrections pallient la non linéarité de la mesure due à l'effet de tangente. 9 - Système de-repérage selon l'une des revendications 3, 4, 5, 6, 7, 8 caracterisé par le fait que lesdites adresses sont codées au moyen de huit éléments binaires. - Système de repérage selon la revendication 9 carac- térisé par le fait que l'adresse de la première mesure est mise en mémoire au moyen de ses quatre éléments binaires de poids faible tandis que l'adresse de la seconde et dernière mesure est mise en mémoire au moyen de ses huit éléments bi- naires.