Brevet FR2628834A1 — publié le 19890922

RÉPUBLIQUE FRAN AISE N' de publication 2 628 834 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉSTÉ 'NDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national: 88 03381 PARIS Q Int Cl4: G 01 C 19/02; F 41 G 3/22, 7/22; F 41 H 7/08. DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 16 mars 1988. Q Demandeur(s): SOCIETE DE FABRICATION D'INSTRU- MENTS DE MESURE S.F.I.M. et SOCIETE DETUDES ET Q Priorité: REALISATIONSELECTRONIQUES. - FR. ) Inventeur(s): Gilles Cattan: Christian Scicluna. ) Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 38 du 22 septembre 1989. ( Références à d'autres documents nationaux appa- rantés: ( Titulaire(s) ( Mandataire(s): Cabinet Regimbeau. Martin, Schrimpf. Warcoin et Ahner. \_ Gyromètre à grande dynamique. ( L'invention concerne un gyromètre à grande dynamique. Le gyromètre comporte un gyroscope de type classique 3 bouclé en gyromètre à faible bande passante. Il comporte en outre des moyens intégrateurs 1 d'un signal v représentatif de I'intensité i du moteur couple MC du gyromètre. Des moyens sommateurs 2 sont prévus et reçoivent sur une première eE entrée le signal délivré par les moyens intégrateurs 1 et sur une deuxième entrée le signal d'écart d'orientation du boîtier B A..' par rapport à la direction d'axe de spin I du gyroscope par e MC l'intermédiaire d'un circuit de gain ajustable 3. Les moyens sommateurs 2 délivrent à leur sortie un signal OBI angle e d'orientation du boîtier B à large bande. /e. Application à la commande du miroir de visée du viseur 6 Do optique du canon d'un char d'assaut ou de la platine support P de la caméra thermique d'acquisition ou de poursuite d'une 00 cible de missile aéroporté. GYROMETRE A GRANDE DYNAMIQUE La présente invention est relative à un gyromètre à grande dynamique. Les gyromètres utilisés de nos jours dans les appli- cations les plus courantes comportent habituellement un gyroscope, tel que représente en figure la, comprenant un bôitier B dans lequel est monté un équipage mobile C for- mant carter étanche par exemple,autour d'un axe à la car- dan S par rapport au boîtier, cet axe étant dénommé axe de sortie. Une toupie T est montée mobile en rotation autour d'un axe A appelé axe de spin perpendiculaire à l'axe S et l'axe A de la toupie balaie ainsi un plan perpendiculaire à l'axe S. Un moteur électrique d'entraînement, non repré- senté permet de communiquer à la toupie T un moment ciné- tique donné par mise en rotation de la toupie T à vitesse élevée. Un détecteur d'écart de type inductif par exemple, noté DE, permet de mesurer l'écart angulaire Edel'équipage mobile C et de la toupie par rapport au boîtier B. Un mo- teur couple MC d'axe S permet d'appliquer à l'équipage mo- bile C un couple de composante rs suivant l'axe S auquel correspond un couple de réaction -rs appliqué au bottier 2 2628834 B. Ce système, gyroscope, présente une sensibilité parti- culière aux mouvements de. rotation de la structure B au- tour d'un axe E orthogonal à l'axe S et à l'axe à et appe- lé axe d'entrée. On admet que le trièdre E, S, A est un trièdre principal d'inertie de l'équipage mobile et de la toupie T, les axes S et A étant orthogonaux par construction, l'axe E étant supposé orthogonal au plan A, S et réputé passer par l'intersection de l'axe A et de l'axe S, centre de masse de l'équipage mobile C et de la o10 toupie T. Lors d'un fonctionnement en gyroscope le signal d'é- cart commande un moteur d'orientation du bottier B et celui-ci suit l'orientation de l'axe de spin A. En présen- ce d'un mouvement relatif du bottier B par rapport à l'axe de spin A, cette variation de position ou écart angulaire est lue sur des résolveurs. Lors d'un fonctionnement en gyromètre,le signal d'é- cart c commande directement le moteur couple MC par l'in- termédiaire d'un élément amplificateur A. Une résistance de faible valeur R permet de mesurer l'intensité d"alimen- tation du moteur couple MC, laquelle est proportionnelle au couple Fs appliqué par le moteur couple MC et représen- tative de la vitesse angulaire relative ú de l'équipage mobile C et du boîtier B. Les deux fonctionnements préci- tés décrits dans le cas d'un gyroscope à un axe et du gy- romètre correspondant correspondent également au fonction- nement des gyroscopes deux axes ou à deux degrés de liberté. Dans les applications modernes des gyroscopes ou gy- romètres à la stabilisation de structures mécaniques importantes, telles que les fûts de canons de char d'as- saut ou les platines support de caméras thermiques de poursuite de cible de missiles aéroportés,il est nécessai- re au niveau du détecteur d'écart de disposer d'un signal à large bande passante et d'une large dynamique de mesure 3 2628834 afin de permettre une grande souplesse d'utilisation dans un large domaine d'applications. Lorsque les gyroscopes fonctionnent en gyroscope li- bre ainsi que décrit en liaison avec la figure la, le do- maine de débattement du boîtier par rapport à l'axe de spin A, de par le principe même du gyroscope, est li- mité,l'angle d'écart c ne pouvant. dépasser + 1 . Lorsque, au contraire, le gyroscope est adapté, ainsi que représenté en figure lb, de façon à fonctionner en gyromètre, en raison notamment des conditions de bruit, la bande passante de l'angle de débattement du boîtier est nécessairement limitée entre 50 et 70 Hz et il n'est pas possible d'obtenir une bande passante large, le produit gain bande étant sensiblement constant pour des conditions de stabilité semblables. Le gyromètre à grande dynamique objet de l'invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités afin de permettre à la fois l'obtention d'un large domaine de débattement du boîtier, et de la structure à stabiliser en direction qui lui est associée, et d'une large bande pas- sante du signal représentatif de l'orientation du boîtier. Un autre objet du gyromètre à grande dynamique objet de l'invention est l'obtention d'un signal à large bande représentatif de la vitesse de rotation relative du boî- tier par rapport à l'équipage mobile. Un autre objet du gyromètre à grande dynamique objet de l'invention est de permettre l'obtention d'un signal à large bande, représentatif de l'orientation du boîtier fil- tré aux très basses fréquences. Le gyromètre à grande dynamique selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte au moins un gyroscope comprenant une toupie supportée par un équipage mobile et entraînée par un moteur, ledit gyroscope étant bouclé en gyromètre à faible dynamique et permettant à partir du pa- ramètre OB d'entrée d'angle d'orientation du bottier me- 4 2628834 surée par rapport à la direction de l'axe de spin de la toupie d'engendrer au moyen d'un détecteur un signal d'er- reur d'orientation dudit bottier par rapport à la direc- tion de l'axe de spin. Des moyens amplificateurs permet- tent à partir du signal d'erreur d'engendrer un signal de commande de l'intensité du moteur couple proportionnel au couple appliqué à l'équipage mobile supportant la toupie. Des moyens intégrateurs du signal de commande de l'inten- sité un moteur couple délivrent un signal d'erreur intégré à la première entrée de moyens sommateurs dont la deuxième entrée reçoit le signal d'erreur par l'intermédiaire d'un circuit de gain ajustable, les moyens sommateurs délivrent à leur sortie un signal d'angle d'orientation du bottier à large bande. Le gyromètre à grande dynamique selon l'invention trouve application notamment dans le domaine militaire et l'industrie de l'armement à la stabilisation et l'asser- vissement en direction du miroir de visée du viseur opti- que du canon d'un char d'assaut, de la platine support de la caméra thermique d'acquisition ou de poursuite de cible des missiles aéroportés par exemple. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description et à l'observation des dessins dans lesquels outre les figures la et lb relatives aux gyroscopes res- pectivement gyromètres de l'art antérieur -: - la-figure 2a représente un schéma général du gyro- mètre à grande dynamique objet de l'invention; - la figure 2b représente, de manière synoptique, la fonction de transfert du gyromètre à grande dynamique ob- jet de l'invention; - la figure 3 représente une utilisation particulière du gyromètre à grande dynamique selon l'invention. Le gyromètre à grande dynamique objet de la présente invention sera tout d'abord décrit en liaison avec la fi- gure 2a. 2628834 Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure précitée, le gy- romètre à grande dynamique objet de l'invention comporte un gyroscope comprenant une toupie T supportée par un équipage mobile ou cadre noté C, la toupie T étant entrai- née par un moteur M. Le gyroscope est de façon classique muni d'un moteur couple MC et est bouclé en gyromètre à faible bande passante ainsi que déjà décrit en liaison avec la figure lb. Il permet à partir du paramètre d'en- trée noté eB d'angle d'orientation du boîtier B,angle me- suré par rapport à la direction 8R de l'axe de spin A de la toupie T, d'engendrer au moyen d'un détecteur noté DE un signal d'erreur d'orientations du boîtier B par rapport-à la direction d'axe de spin A. Des moyens amplificateurs A permettent à partir du signal d'erreur s d'engendrer un signal de commande de l'intensité i du moteur couple MC. Le signal i est proportionnel au couple r S appliqué à l'équipage mobile C supportant la toupie T. Le gyroscope objet de l'invention ne sera pas décrit plus en détail car il correspond bien entendu compte tenu du bouclage de celui-ci, à un gyromètre de type classique tel que par exemple le gyromètre commercialisé par la De- manderesse sous la référence Ainsi qu'on l'a en outre représenté en figure 2a, le gyromètre à grande dynamique objet de l'invention comporte également des moyens intégrateurs notés 1 d'un signal v représentatif de l'intensité i du moteur couple MC. Des moyens sommateurs 2 sont prévus, ces derniers recevant sur une première entrée le signal délivré par les moyens inté- grateurs 1 et sur une deuxième entrée le signal d'écarte par l'intermédiaire d'un circuit de gain ajustable 3. Les moyens sommateurs 2 délivrent à leur sortie un signal noté B* d'angle d'orientation du boîtier B à large bande. Ainsi qu'on pourra le constater sur la figure 2a, et ce de manière non limitative et donnée à titre de seul exemple de réalisation, les moyens intégrateurs 1 permet- 6 2628834 tent d'intégrer le signal v représentatif de l'intensité i du moteur couple MC par l'intermédiaire d'un amplificateur différentiel par exemplenoté 01,l'amplificateur différen- tiel précité présentant sa borne positive et sa borne né- gative connectées respectivement aux bornes de la résis- tance R de faible valeur permettant d'engendrer la tension v ou signal représentatif de l'intensité i du moteur cou- ple MC. L'amplificateur différentiel 01 donne ainsi une tension proportionnelle à la tension ou signal v représen- tatif de l'intensité i du moteur couple. De même, on remarquera sur la figure 2a que le cir- cuit de gain ajustable 3 permet d'alimenter la deuxième borne positive des moyens sommateurs 2 à partir du signal d'écart s amplifié par l'amplificateur A et les gains ou atténuations du circuit de gain ajustable 3 et de l'ampli- ficateur différentiel 01 sont bien entendu adaptés afin de calibrer le système. En outre, le gyromètre à grande dynamique objet de l'invention comporte une sortie vitesse angulaire Q vites- se de rotation de la direction d'orientation 6B du boîtier B par rapport à l'axe de spin A. La sortie de vitesse an- gulaire est délivrée à patir du signal v représentatif de l'intensité i du moteur couple MC par l'intermédiaire d'un circuit de gain ajustable 4. En vue de constituer une sortie vitesse angulaire no- tée f* à large bande, la sortie vitesse angulaire comporte en cascade avec le circuit de gain ajustable 4 un circuit sommateur ou additionneur 5 recevant sur une première en- trée le signal délivré par le circuit de gain asjutable 4 et sur une deuxième entrée le signal d'écart c par l'in- termédiaire d'un circuit différenciateur 6. De la même fa- çon que précédemment, on pourra constater que,de préféren- ce. le circuit différenciateur 6 transmet non pas le signal d'écart c mais le signal d'écart E amplifié par l'amplifi- cateur A. Bien entendu, dans ce cas le gain en continu du - 7 2628834 circuit différenciateur 6 est adapté convenablement de fa- çon à assurer la prise en compte de l'amplification par l'amplificateur A du signal d'écart vis-à-vis du circuit de gain ajustable 4 transmettant la tension v ou signal représentatif de l'intensité du courant du moteur couple MC. On notera également qu'en fonction des applications du gyromètre à grande dynamique objet de l'invention, et en vue de limiter la bande passante de la sortie délivrant le signal paramètre d'entrée, noté 6B*, d'angle d'orienta- tion du bottier à large bande en fonction de l'application considérée, les moyens intégrateurs 1 sont suivis par exemple par des moyens de filtrage 7 de type passe-haut limitant la bande de fréquence des signaux transmis de quelques Hertz aux fréquences les plus élevées. Les moyens de filtrage 7 de type passe-haut peuvent par exemple consister en un filtre passe-haut de fréquence de coupure Hz et permettant la transmission des signaux de fréquen- ce au moins égale à 150 à 200 Hz sans atténuation. Du point de vue de la réalisation du gyromètre à grande dynamique objet de l'invention, on pourra noter que l'amplificateur différentiel 01 par exemple.peut être constitué par un amplificateur différentiel du commerce de grande performance, un amplificateur différentiel à com- pensation de tension de décalage de zàro par exemple. Les moyens intégrateurs peuvent être réalisés de manière classique par un amplificateur différentiel bouclé en intégrateur. Il en est de même pour les moyens différenciateurs 6 les- quels peuvent être réalisés au moyen d'un amplificateur différentiel bouclé en différenciateur. Ces deux derniers circuits ne seront pas décrits en détail car ils sont lar- gement connus de l'homme de métier. En ce qui concerne les circuits de gain ajustable 3 et 4 par exemple ces derniers peuvent être réalisés par des amplificateurs de gain va- riable par exemple ou par des atténuateurs. Les moyens 8 2628834 sommateurs 2 et 5 peuvent enfin être réalisés au moyen d'amplificateurs sommateurs à partir d'amplificateurs opé- -rationnels de manière la plus classique. Une description plus détaillée de la fonction.de transfert du gyromètre à grande dynamique objet de l'in- vention sera maintenant donnée en liaison avec la figure 2b. Sur la figure précitée on a noté par A le gain de l'amplificateur A, la fonction de transfert du moteur cou- ple MC étant notée symboliquement MC et permettant de transformer l'intensité du courant stator de celui-ci en la valeur de couple ras appliqué sur le cadre ou équipage mobile C, la fonction de transfert de celui-ci étant notée Ac o p désigne la variable de la transformée de Laplace. P De la même manière, la fonction de transfert des moyens intégrateurs 1 a été notéeA1, lafonction de trans- p fert des moyens différenciateurs 6 a été notée de la même façon A6.p o p représente la variable de la transformée de Laplace. Les fonctions de transfert des circuits de gain ajustable 3 et 4 ont été notées respectivement A3 et A4. Les moyens sommateurs 2 et 5 ont été représentés de manière classique selon la représentation symbolique et le détecteur DE a été représenté selon la manière symbolique correspondante des soustracteurs. Les moyens de filtrage 7 ont été représentés selon la représentation correspondante de la fonction de transfert d'un filtre passe-haut dans un diagramme amplitude A fréquence f. A partir de la fonction de transfert représentée en figure 2b on peut montrer: i A A.p Relation (1): - = - = - OB 1+A A+p p 9 2Z628834 p Relation (2): - = - OB 1+A A+p p i A GB* Relation (3): B*= - + C = +.B;=- = 1 p A+p A+ p9B La relation 3 montre que le.signal 6B* est identique au signal d'entrée OB représentatif de l'angle d'orienta- tion du bottier B par rapport à l'axe de spin A mais le signal GB* est à large bande. Dans le calcul précédent on a bien entendu considéré que les circuits de gain ajustable A3, le gain en continu de l'intégrateur A1 par exemple sont déterminés de façon à effectuer la correction d'échelle nécessaire pour avoir l'identité d'amplitude du signal OB * et du signalé B. On a ainsi décrit un gyromètre à grande dynamique particulièrement intéressant dans la mesure o celui-ci permet de conserver les performances de débattement de l'angle d'orientation du bottier B par rapport à l'axe de spin A des gyromètres de l'art antérieur, sans présenter les inconvénients de ces derniers puisque le signal repré- sentatif de cet angle d'orientation obtenu a B* est à large bande. Bien entendu, la réalisation matérielle du gyroscope bouclé en gyromètre pour constituer un gyromètre de type classique tel que représenté en figure 2a ne sera pas dé- crite en détail car cette réalisation est parfaitement connue de l'homme du métier, tout gyromètre normalement disponible dans le commerce pouvant être utilisé. On notera enfin que la description du gyromètre à grande dynamique objet de l'invention a été faite en se limitant à un seul axe ou degré de liberté mais il va de soi que des gyromètres à deux axes ou deux degrés de. li- berté peuvent bien entendu être utilisés, les circuits cor- respondants à ceux de la figure 2a étant alors reproduits 2628834 pour chaque axe correspondant. On notera en outre que les bouclages représentés sur les figures 2a et 2b sont réali- sés à titre d'exemple non limitatif par des circuits analogiques. Les sorties écart ou vitesse sont alors des tensions continues. Il va également de soi que le gyromè- tre à grande dynamique objet de l'invention peut être ré- alisé à partir d'un gyromètre de type classique à faible dynamique auquel sont ajoutés par exemple des circuits d'échantillonnage des variables précitées afin de réaliser le traitement des signaux correspondants pour réaliser les sommations et traitements par intégration ou différencia- tion de manière numérique en temps réel. Il va de soi que dans ce cas, des moyens de calcul adaptés sont utilisés. Le gyromètre à grande dynamique objet de l'invention précédemment décrit peut être utilisé par exemple pour la commande du miroir de visée du viseur optique d'un canon de char d'assaut ou de la caméra thermique de veille ou de poursuite de cible d'un missile aéroporté. Dans le cas d'une utilisation pour la commande du mi- roir de visée du viseur optique d'un canon de char d'assaut, le gyromètre objet de l'invention et en particu- lier le bottier B de celui-ci sont montés mécaniquement solidaires d'une structure telle que le fût d'orientation noté F du canon du char d'assaut. La sortie délivrant le signal B* d'angle d'orientation du bottier B à large bande est alors directement connectée à l'entrée de commande du moteur d'orientation du miroir de visée noté MV. Un schéma fonctionnel correspondant est représenté en figure 3. Bien entendu le gyromètre à grande dynamique objet de l'invention n'est pas limité aux utilisations précitées et peut être utilisé pour toute sorte de stabilisation ou d'asservissement en orientation de systèmes mécaniques les plus divers et en particulier de systèmes mécaniques impo- sants et massifs pour lesquels seuls les signaux à fré- quence très basse ne doivent pas faire l'objet d'une régu- lation. l 2628834 REVENDICATIONS 1. Gyromètre à grande dynamique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un gyroscope, comprenant une toupie (T) supportée par un équipage mobile et entraînée par un moteur (M), le- dit gyroscope muni d'un moteur couple MC étant bouclé en gyromètre à faible bande passante permettant, à partir des paramètres d'entrée (OB) d'angle d'orientation du boîtier mesuré par rapport à la direction (6R) de l'axe de spin (A) de la toupie (T), d'engendrer au moyen d'un détecteur (DE) un signal d'écart d'orientation (c) dudit boîtier (B) par rapport à la direction d'axe de spin (A), des moyens amplificateurs (A) permettant à partir dudit signal d'écart (e) d'engendrer un signal de commande de l'inten- sité (i) du moteur couple (MC) proportionnel au couple ((rs) appliqué à l'équipage mobile supportant la toupie (T); - des moyens intégrateurs (1) d'un signal (v) repré- sentatif de l'intensité (i) du moteur couple; - des moyens sommateurs (2) recevant sur une première entrée le signal délivré par lesdits moyens intégrateurs et sur une deuxième entréee ledit signal d'écart () par l'intermédiaire d'un circuit de gain ajustable (3), les- dits moyens sommateurs délivrant à leur sortie un signal (8B*) d'angle d'orientation du boîtier (B) à large bande. 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une sortie vitesse angulaire (a), ladite sortie de vitesse angulaire étant délivrée à partir du signal (v) représentatif de l'intensité i du mo- teur couple (MC) par l'intermédiaire d'un circuit de gain ajustable (4). 3. Gyromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en vue de constituer une sortie vitesse angulaire ( *) à large bande, ladite sortie vitesse angulaire com- 12 2628834 porte en cascade avec ledit circuit de gain ajustable (4) un circuit additionneur (5) recevant sur une première en- trée le signal délivré par ledit circuit de gain ajustable (4) et sur une deuxième entrée ledit signal d'écart (C) par l'intermédiaire d'un circuit différenciateur (6). 4. Gyromètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, en vue de limiter la bande passante de la sortie délivrant le signal paramètre d'entrée (OB*) d'angle d'orientation du bottier à large bande, lesdits moyens intégrateurs (1) sont suivis par des moyens de fil- trage (7) de type passe-haut limitant la bande de fréquen- ce des signaux transmis de quelques Hertz aux fréquences les plus élevées. 5. Utilisation d'un gyromètre à grande dynamique se- lon l'une des revendications précédentes pour la commande du miroir de visée du viseur optique d'un canon de char d'assaut, ou de la caméra thermique de veille ou de pour- suite de cible d'un missile aéroporté. 6. Utilisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit gyromètre et le bottier de celui-ci étant montés mécaniquement solidaires d'une structure telle que le fût d'orientation du canon d'un char d'assaut, ladite sortie délivrant le signal (eB*) d'angle d'orientation du bottier (B) à large bande est directement connectée à l'entrée de commande du moteur d'orientation du miroir de visée (MV). 1/3 Mi rM MC L/-/iii' / / xlff E t i S E FIGlo FIG _la A m__i DE,,M FIGlb 2 1 3 2/3 A Mc S H 5 Fs FIG-2a 6 DE- 8- /B.R eR -' 5 TLlGL P F-IG_2b 26Z8834 3/3 | V F rrientable en _ 1 (gyromèFre) I _ n O n o 0 G3 -FIG3 3