Brevet FR2614694A1 — publié le 19881104

CENTRALE D'ATTITUDE INTEGREE POUR AERODYNE. La présente invention concerne une centrale d'attitude intégrée pour aérodyne, c'est-à-dire un dispositif apte à détecter l'orientation de l'aérodyne, notamment l'angle de gite. Y, l'assiette longitudinale e et le cap, par rapport à un système de coordonnées tel que le trièdre géographique local. L'invention a plus particulièrement pour but d'obtenir ce résultat à l'aide d'un dispositif permettant d'utiliser notamment, mais non exclusivement, les informations déli- vrées par des dispositifs de détection accélérométriques, gyrométriques et magnétométriques dont les axes sont liés à l'aérodyne. D'une manière générale, on sait que pour la détermination de l'attitude d'un aérodyne, on utilise fréquemment des ensem- bles de mesure utilisant, pour chacun des angles d'attitude, des capteurs non liés à la structure de l'aérodyne tels que des gyroscopes balourdes alignés sur la verticale, pour la mesure de l'assiette, ou des cellules de flux couplées à des gyroscopes, pour la détermination du cap magnétique. Il s'avère que l'inconvénient de ces ensembles de mesure réside principalement dans la parcellisation des mesures et des - 2 - circuits qu'elles font intervenir. En outre, certains cap- teurs utilisés en vue de cette détermination sont relative- ment délicats à réaliser et ne présentent pas toujours une bonne stabilité. Par ailleurs, cette détermination de l'attitude peut être également effectuée à partir des informations émanant des capteurs utilisés par une centrale inertielle de navigation. Toutefois, cette deuxième solution qui ne s'adresse qu'aux aérodynes équipés de centrales inertielles de navigation est trop coûteuse pour ceux qui en sont dépourvus. L'invention a pius particulièrement pour but la réalisation d'une centrale d'attitude: - qui permette d'éviter les inconvénients de la parcellisa- tion, grâce à une intégration et une meilleure exploita- tion des bources d'information, - qui soit beaucoup moins coûteuse qu'une centrale inertiel- le de navigation, et - qui n'exige pas de capteurs spéciaux, délicats à réaliser, ni de réglages difficiles à exécuter. Pour parvenir à ces résultats, l'invention propose une centrale d'attitude faisant plus particulièrement interve- nir: - un ensemble de détection accélérométrique apte à fournir les composantes accélérométriques de l'aérodyne selon un trièdre lié à l'aérodyne, - un ensemble de détection gyrométrique apte à mesurer les composantes du vecteur rotation instantanée de l'aérodyne exprimées dans un trièdre lié à l'aérodyne, - un ensemble magnétométrique apte à détecter les composan- tes du champ magnétique terrestre dans un trièdre équipol- lent aux susdits trièdres; cet ensemble pouvant en outre - 3 - comprendre des moyens pour la compensation des informa- tions délivrées par le capteur magnétométrique des pertur- bations magnétiques dues au porteur (aérodyne), - des moyens de calcul aptes à élaborer une matrice permet- tant d'effectuer la projection des composantes détermi- nées par rapport au trièdre lié à l'aérodyne, dans le trièdre géographique local, - des moyens d'extraction de l'angle de gîte, de l'assiette longitudinale, et du cap, à partir de la susdite matrice, - des moyens de détermination de la vitesse air de l'aérody- ne, - des moyens permettant de calculer, à partir de la susdite vitesse, les composantes de l'accélération dans le susdit premier trièdre, - des moyens permettant de déterminer les composantes de l'accélération de la pesanteur dans le susdit premier trièdre en retranchant aux composantes de l'accélération déterminées par le susdit ensemble accélérométrique des composantes calculées à partir de la vitesse air, - des moyens permettant de projeter lesdites composantes de l'accélération de la pesanteur dans le trièdre géographi- que local de manière à faire apparaître, dans le plan horizontal, des erreurs d'accélération attribuables à des erreurs d'attitude, - des moyens permettant de projeter ces composantes dans le trièdre long-travers, c'est-à-dire un trièdre dont l'ori- gine est un point de référence de l'aérodyne et constitué par un axe vertical et, situés dans un plan horizontal, par un axe défini comme étant la projection dans le plan horizontal de l'axe longitudinal de l'aérodyne, et par un axe perpendiculaire aux deux axes ainsi définis de l'aéro- dyne, - des moyens permettant de déterminer les composantes hori- zontales des erreurs d'attitude à partir des composantes horizontales des erreurs d'accélération déterminées dans le trièdre long-travers, - des moyens permettant de projeter les composantes du champ magnétique terrestre déterminées par le susdit ensemble --46 - - -4- magnétométrique dans le trièdre géographique local, à l'aide de la susdite matrice, - des moyens permettant d'extraire, à partir des composantes de ces projections, de certains termes de la susdite matrice, et des composantes horizontales des erreurs d'attitude précédemment déterminées, l'erreur de cap dans le trièdre long-travers, - des moyens pour élaborer les corrections des mesures gyrométriques dans le susdit trièdre lié à l'aérodyne, notamment à partir des erreurs d'assiette et de cap précé- demment déterminées ainsi que de valeurs correctives tenant compte de la rotation terrestre. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement un aérodyne et la position angulaire du trièdre lié à cet aérodyne- (trièdre aérodyne), par rapport au trièdre géographi- que local; et La figure 2 est un schéma théorique d'un dispositif selon l'invention. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le centre.de gravité 0 de l'aérodyne sert d'origine à la fois pour le trièdre lié à l'aérodyne ou "trièdre aérodyne" et pour le trièdre géographique local. Le "trièdre aérodyne" fait plus particulièrement intervenir un premier axe OX qui s'étend selon l'axe longitudinal de l'aérodyne, un second axe OY, qui s'étend perpendiculaire- ment à l'axe OX dans le plan des ailes de l'aérodyne et un troisième axe OZ perpendiculaire au plan défini par les axes OX et OY. 26 1 4694 -5 Le trièdre géographique local comprend, quant à lui, un premier axe OZo, qui s'étend selon la verticale du point O et, dans un plan perpendiculaire à cet axe OZo, un axe OXo orienté selon le Nord géographique et un axe OYo orienté à l'Est. Ces deux tièdres permettent de faire apparaître: - l'azimut ' qui consiste en l'angle de rotation autour de l'axe OZo, pour amener l'axe OXo en coincidence avec la projection OXl de l'axe longitudinal OX dans le plan horizontal OXo, OYo, - l'assiette longitudinale e qui est une rotation dans le plan vertical, faisant suite à la rotation Y qui amène l'axe OX1 en coïncidence avec l'axe longitudinal OX, - l'angle de gîte 0 qui consiste en la rotation autour de l'axe longitudinal OX qui amène l'axe déplacé OY1, dans sa position finale OY, à partir de sa position atteinte après la rotation E. Ces définitions permettront de mieux comprendre le principe de la centrale d'attitude représentée sur la figure 2 qui, comme précédemment mentionné, fait intervenir trois en- sembles de détection, axés selon le trièdre aérodyne, à savoir: - un ensemble de détection gyrométrique 1 comprenant trois gyromètres respectivement alignés selon les trois axes du trièdre aérodyne, - un ensemble de détection accélérométrique 2 comportant trois accéléromètres orientés selon les axes aérodyne, et - un ensemble magnétométrique 3 dont les trois axes sensi- bles sont également orientés selon les axes aérodyne. Dans cet exemple, la matrice B permettant de faire la projection dans le trièdre géographique local de composantes connues dans le trièdre aérodyne est une matrice de projec- tion de la forme: - 6- /cos @ cos g -c -o \ cos e sinY - - -sin e cos e sin D cos e cos A partir de cette matrice et plus particulièrement de la première colonne et de la troisième ligne, les angles 'Y, e et I sont extraits par un bloc d'extraction 4' réalisant les calculs appropriés mettant en oeuvre par exemple la fonction Arctg. Les capteurs utilisés dans l'ensemble de détection gyromé- trique 1 sont des capteurs inertiels à sortie incrémentale délivrant des incréments angulaires. Ces incréments sont corrigés (bloc 22) à l'aide de corrections dont l'élabora- tion sera décrite plus loin. Le calcul de la matrice de projection B (bloc 4) est effec- tué à partir de ces incréments corrigés. Il peut être réali- sé de différentes manières. La méthode décrite dans ce qui suit est donnée à titre d'exemple. Elle utilise un quaternion pour représenter les rotations. La valeur à l'instant n du quaternion, notée Qn, est déduite de la valeur à l'instant n - 1, notée Qn - 1, et des incréments gyrométriques corrigés disponibles à l'ins- tant n, notés dex, dey et dez, grâce à la formule de mise à jour suivante: Qn = Qn - 1 + G (de) Qn - 1 formule dans laquelle G (de) est une matrice 4x4 de la forme: 0 -dex -dey -dez dex 0 dez -dey dey -dez 0 dex dez dey -dex 0 - 7 - et Qn et Qn - 1 des matrices 4xl (vecteurs) représentant les valeurs du quaternion aux instants n et n - 1. Le quaternion obtenu est ensuite normalisé de façon à satis- faire la relation Eqi2 = 1 dans laquelle qi représente la composante i du quaternion. La normalisation du quaternion peut être réalisée de la manière suivante, en deux étapes: 1) calcul de l'erreur de norme E = -1 + Eqi2 o qi est l'une des quatre composantes du quaternion Qn, et E est un scalaire représentant l'erreur de norme; 2) correction de la norme du quaternion Qn+ = Qn -. E. Qn o Qn+ désigne le quaternion corrigé (normalisé). Les éléments de la matrice de projection B sont alors déter- minés à partir des composantes du quaternion normalisé à l'aide de la relation: qO2+ql 2-q22- 32 2 2 2 2 2 2(qlq3-qOq2) 2(q2q3+qOql) q02+q32-q12-q22 o qO, ql, q2 et q3 sont les quatre composantes du quater- nion Qn+. Comme précédemment mentionné, la matrice B sert à effectuer la projection, dans le trièdre géographique local, des composantes de l'accélération de la pesanteur déterminées à partir des accéléromètres 2, et des composantes du champ magnétique terrestre déterminées par le magnétomètre 3. - 8 - Dans cet exemple, les composantes de l'accélération de la pesanteur dans le trièdre géographique local sont obtenues en retranchant aux composantes d'accélération mesurées par les accéléromètres 2, les composantes d'accélération V'a déterminées à partir de la vitesse air (notée TAS) calculée par une centrale anémométrique 5. A cet effet, le calcul des composantes de l'accélération selon les axes x, y, z s'effectue dans le bloc 6 par dériva- tion de la vitesse air conformément à la relation suivante: TASn - TASn 1 V'a = TAS + dez -TAS + dey o TASn et TASn - 1 représentent les valeurs de la vitesse air aux instants n et n - 1. Les composantes de cette accélération sont ensuite transmi- ses à un soustracteur 7 qui reçoit sur son autre entrée les composantes d'accélération mesurées par rapport au trièdre lié à l'aérodyne par les accéléromètres de l'ensemble accélérométrique 2. En conséquence, le soustracteur 7 délivre à sa sortie les composantes de l'accélération de la pesanteur g selon le trièdre lié à l'aérodyne. Ces composantes sont ensuite projetées dans le trièdre géographique local (bloc 8) puis dans le trièdre long- travers (bloc 9), ces deux projections étant en fait obte- nues par le double produit matriciel: BT (). B o la matrice notée BT (Y) est construite à partir des éléments de la matrice B selon la formule: -9- Bll + B21 0 BT (Y) = -B21 Bll 0 0 0 1 Les composantes horizontales de l'erreur d'assiette expri- mées dans le trièdre long-travers sont ensuite obtenues (bloc 11) en effectuant le produit vectoriel de l'accéléra- tion de la pesanteur déterminée par rapport au trièdre long- travers avec le vecteur: o g est une constante représentant la pesanteur (9,81 m/s2). Les composantes du champ magnétique terrestre qui sont déli- vrées de façon continue par le magnétomètre 3 en référence au trièdre lié à l'aérodyne sont projetées dans le trièdre géographique local dans le bloc 12, à l'aide de la matrice B. Une estimation de l'erreur de cap est ensuite effectuée par la fonction Arctg (bloc 13) des composantes horizontales HN et HE précédemment obtenues. Compte-tenu du fait que le champ magnétique terrestre n'est pas horizontal, l'erreur de cap précédemment estimée, lorsque la matrice B contient une erreur d'assiette, est elle-même entachée d'une erreur qu'il convient donc de corriger. Cette correction implique tout d'abord la reconstitution (bloc 14) de la composante Nord de l'erreur d'attitude 5N en multipliant les composantes horizontales de l'erreur d'attitude dans le trièdre long-travers, par le vecteur ligne (cos ' - sin W), soit: - 10 - N = (cos Y - sin T) \6T Les termes sin Y et cos Y de la matrice ligne peuvent être avantageusement remplacés par les termes B21 et Bll de la matrice B qui en sont des approximations suffisamment précises dans la plupart des cas. La composante Nord de l'erreur d'attitude est alors simplement donnée par: âIN = Bll6âL - B2164T. A partir de cette composante Nord de l'erreur d'attitude, la valeur corrective C à apporter à l'erreur de cap estimée par le bloc 13 de fonction Arctg est calculée au moyen d'une relation du type: C = (Hv/HN) &DN Cette valeur corrective C est ensuite ajoutée à l'erreur de cap au moyen d'un sommateur 15 qui délivre à sa sortie l'erreur de cap. Comme précédemment mentionné, l'erreur d'assiette et l'erreur de cap déterminées selon le trièdre long-travers sont utilisées pour élaborer les corrections à appliquer aux mesures de l'ensemble gyrométrique 1. Cette élaboration des corrections s'effectue au moyen des circuits schématisés dans le bloc 16 qui comprennent succes- sivement: - un filtre du premier ordre 17, avec gain de retour Kl, qui sert à filtrer les bruits d'accélération dont sont affec- tés les signaux représentatifs des erreurs d'assiette et de cap, - un circuit 18 permettant de projeter les composantes des erreurs d'assiette et de cap sur les trois axes du trièdre lié à l'aérodyne; cette opération nécessite en principe 26 1 4694 - il - la connaissance de sin 0 et cos b, mais ces expressions peuvent être remplacées par les termes B32 et B33 de la matrice B car e reste voisin de 0 sur un aérodyne, - un régulateur proportionnel et intégral 19 caractérisé par les gains K2 et K3 permettant d'obtenir des performances d'attitude correctes malgré l'utilisation de gyromètres de précision médiocre et présentant des dérives journaliè- res importantes, - un dispositif de calcul 20 utilisant la valeur moyenne de la rotation terrestre représentée sous la forme de données fixées en mémoire, cette valeur étant projetée sur les axes du trièdre lié à l'aérodyne à l'aide de la matrice B, et - un additionneur 21 pour ajouter aux composantes de cette valeur moyenne les valeurs délivrées par le régulateur 18, cet additionneur 21 fournissant, en conséquence, les valeurs (sur les trois axes du trièdre lié à l'aérodyne) des corrections à effectuer sur les mesures des gyromètres de l'ensemble gyrométrique. Sur la figure 2, le circuit réalisant la correction des mesures des gyromètres a été schématisé par un soustracteur 22 monté dans le circuit reliant les gyromètres de l'ensem- ble gyrométrique 1 au bloc de calcul 4 de la matrice B. Dans l'exemple précédemment décrit, la centrale d'attitude utilise la vitesse air de l'aérodyne. Toutefois, il s'avère que ce paramètre n'est pas toujours disponible à bord de l'aérodyne ou que, pour une raison quelconque, par exemple lorsque la vitesse air est très faible, la mesure effectuée par la centrale anémomètrique est insuffisamment précise. C'est la raison pour laquelle l'invention prévoit un mode de fonctionnement n'utilisant pas la vitesse air (mode sans TAS) et faisant intervenir un circuit logique 23 pilotant deux circuits d'écrêtage 24, 25 respectivement situés à la sortie du bloc 11 et du sommateur 15. - 12 - Ainsi, dans le cas du mode sans TAS, le circuit 24 effectue l'écrêtage, à une première valeur prédéterminée par exemple à 1 , des signaux d'erreur d'assiette délivrés par le bloc 11 et le circuit 25 effectue l'écrêtage à une deuxième valeur prédéterminée, par exemple de 2 , du signal d'erreur de cap délivré par le sommateur 15. En outre, le circuit 23 est conçu de manière à effectuer la coupure des boucles dans le cas o l'angle de gîte est supé- rieur en valeur absolue à un angle prédéterminé, par exemple de 6 et si la vitesse de rotation en azimut est supérieure en valeur absolue à une valeur de 0,6 /s (détection d'un virage). Bien entendu, la centrale d'attitude précédemment décrite doit être périodiquement alignée, en principe au sol (alignement initial) ou bien en vol, par exemple à la suite d'un arrêt accidentel de la centrale. Un avantage important de la centrale selon l'invention consiste en ce qu'elle ne fait pas intervenir de circuit particulier pour effectuer un tel alignement, et ce, en raison de la structure bouclée des circuits précédemment décrits. Ainsi, dans le cas d'un alignement au sol, cet alignement sera obtenu en faisant fonctionner la centrale dans le mode sans TAS au cours d'une période, par exemple inférieure à 1 m (60 s), pendant laquelle l'aérodyne est immobile. Il est clair que, pendant cette période, les angles d'atti- tude fournis par la centrale qui seront au départ erronés vont rapidement converger vers les valeurs réelles, puis s'y maintenir. - 13 - De même, l'alignement de la centrale en vol s'obtient au cours d'une période pendant laquelle l'aérodyne est maintenu en vol stabilisé, en palier. Toutefois, dans ce cas, la centrale sera maintenue dans le mode avec TAS. La logique de changement de mode de fonctionnement est traitée dans le circuit logique 23; celui-ci détecte les conditions de passage dans le mode "alignement" et les conditions de transition dans le mode de fonctionnement normal. Il sélectionne en outre, parmi des valeurs stockées en mémoire, les valeurs des gains K1, K2 et K3 appropriées au mode de fonctionnement courant, plus élevées en aligne- ment qu'en fonctionnement normal pour assurer une convergen- ce rapide des angles d'attitude. D'autre part, dans le cas de l'alignement au sol sans TAS, les écrêtages 24 et 25 pilotés par le bloc 23 sont inhibés. - 14 - Revendications 1. Centrale d'attitude pour aérodyne, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un ensemble de détection accélérométrique (2) apte à fournir les composantes accélérométriques de l'aérodyne selon un trièdre lié à l'aérodyne, - un ensemble de détection gyrométrique (1) apte à détermi- ner l'orientation de l'aérodyne par rapport à un trièdre équipollent au susdit trièdre, - un ensemble de détection magnétométrique (3) apte à détec- ter les composantes du champ magnétique terrestre dans un trièdre équipollent aux susdits trièdres, - des moyens de calcul (4) aptes à élaborer, à partir des informations délivrées par le susdit ensemble gyrométri- que (1) et convenablement corrigées, une matrice (B) permettant d'effectuer la projection des composantes déterminées par les susdits ensembles, par rapport au trièdre lié à l'aérodyne, dans le trièdre géographique local, - des moyens permettant de déterminer, à partir des informa- tions fournies par l'ensemble de détection gyrométrique (1) et par l'ensemble accélérométrique (2), les composan- tes horizontales de l'erreur d'attitude dans le trièdre long-travers, des moyens permettant de projeter les composantes du champ magnétique terrestre déterminées par le susdit ensemble magnétométrique (3) dans le trièdre géographique local, à l'aide de la susdite matrice (B), - des moyens permettant d'extraire à partir des composantes de ces projections, des termes appropriés de la matrice (B) et des.composantes horizontales de l'erreur d'attitude dans le trièdre long-travers, l'erreur de cap dans le trièdre long-travers, - des moyens (16) pour élaborer les corrections des mesures gyrométriques (1) dans le susdit trièdre lié à l'aérodyne, - 15 - notamment à partir des erreurs d'assiette et de cap précé- demment déterminées, ainsi que des valeurs correctives tenant compte de la rotation terrestre, - des moyens d'extraction (4') de l'angle de gîte, de l'assiette longitudinale et du cap, à partir de la susdite matrice (B). 2. Centrale d'attitude selon la revendication 1, caractérisée en ce que les susdits moyens de détermination des composantes horizontales de l'erreur d'attitude com- prennent: - des moyens (5) de détermination de la vitesse air (TAS) de 1 'aérodyne, - des moyens (6) permettant de calculer à partir de la susdite vitesse air, les composantes de l'accélération dans le susdit premier trièdre, - des moyens (7) permettant de déterminer les composantes de l'accélération de la pesanteur dans le susdit premier trièdre en retranchant aux composantes de l'accélération déterminées par le susdit ensemble accélérométrique (2), les composantes calculées à partir de la vitesse air, - des moyens permettant de projeter lesdites composantes de l'accélération de la pesanteur dans le trièdre géographi- que local, de manière à faire apparaître, dans le plan horizontal des erreurs d'accélération attribuables à des erreurs d'attitude, - des moyens permettant de projeter ces composantes dans le trièdre long- travers, et - des moyens permettant de déterminer les composantes hori- zontales des erreurs d'attitude dans le trièdre long- travers à partir des composantes de l'accélération précé- demment obtenues. 3. Centrale d'attitude selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'écrêtage (24, 25) des composantes horizontales des erreurs d'attitude et des erreurs de cap transmises aux susdits moyens (16) - 16 - permettant d'élaborer les corrections des mesures gyromé- triques (1), et un circuit logique propre à inhiber ou à activer lesdits moyens d'écrêtage (24, 25) selon que l'on utilise ou non la vitesse air de l'aérodyne. 4. Centrale d'attitude selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la détermination des erreurs de cap dans le trièdre long-travers est réalisée au moyen: - d'un dispositif (12) permettant de projeter les composan- tes du champ magnétique terrestre déterminées par le susdit ensemble magnétométrique (3) dans le trièdre géographique local, - d'un dispositif (13) permettant d'évaluer l'erreur de cap à partir des composantes Nord et Est dudit champ magnéti- que, - d'un dispositif (14) permettant de déterminer une valeur corrective de l'erreur de cap, à partir des composantes horizontales de l'erreur d'attitude, des termes (Bll) et (B21) de la matrice (B) ou de l'azimut et des composantes Nord et verticale du champ magnétique terrestre, - d'un dispositif (15) permettant de corriger l'erreur de cap estimée, à l'aide de cette valeur corrective. 5. Centrale d'attitude selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les susdits moyens (16) permettant d'élaborer des corrections des mesures fournies par l'ensem- ble gyrométrique (1) à partir des composantes horizontales de l'erreur d'attitude et de l'erreur de cap comprennent successivement: - un filtre du premier ordre (17) permettant de filtrer les bruits d'accélération dont sont affectés les signaux représentatifs des erreurs d'a.:sette et de cap, - 17 - - un circuit (18) permettant de projeter les composantes des erreurs d'assiette et de cap filtrées sur les trois axes du trièdre lié à l'aérodyne, - un régulateur proportionnel et intégral (19), - un dispositif de calcul de la valeur moyenne de la rota- tion terrestre (20), projetée sur les axes du trièdre lié à l'aérodyne, et - un additionneur (21) permettant d'ajouter à cette valeur moyenne les valeurs délivrées par ledit régulateur (19), cet additionneur (21) délivrant les valeurs des correc- tions à effectuer sur les mesures des gyromètres de l'ensemble gyrométrique (1).