Brevet FR2668825A1 — publié le 19920507

La présente invention concerne un système gyroscopique grâce auquel on peut mesurer, avec une bonne résolution, l 'inclinaison du plan défini par les axes de rotation des cadres primaire et secondaire par rapport à l'axe de rotation de la toupie. Le système conforme à l'invention est avantageux en ce qu'il n'induit ni frottement, ni couple parasite De plus, il ne nécessite pas la mise en place de contacts tournants. A cette fin, selon l'invention, le système gyroscopique comprenant: une toupie ayant un centre et susceptible d'être entraînée en rotation autour d'un premier axe passant par ledit centre de la toupie; un cadre primaire sur lequel ladite toupie est montée de façon à pouvoir tourner autour dudit premier axe; un cadre secondaire sur lequel ledit cadre primaire est monté de façon à pouvoir tourner autour d'un deuxième axe, passant par ledit centre de la toupie et perpendiculaire audit premier axe; et un boîtier, à l'intérieur duquel sont logés ladite toupie et lesdits cadres primaire et secondaire et sur lequel ledit cadre secondaire est monté de façon à pouvoir tourner autour d'un troisième axe, passant par ledit centre de la toupie et perpendiculaire audit deuxième axe; est remarquable en ce que au moins au voisinage du plan défini par lesdits deuxième et troisième axes, la surface extérieure de ladite toupie présente la forme d'une sphère centrée sur ledit centre; ladite surface extérieure sphérique de ladite toupie porte au moins un ensemble de traits parallèles, de longueur différente parallèlement audit premier axe; des moyens d'éclairement, solidaires dudit boîtier, sont prévus pour former une tache lumineuse sur ladite surface extérieure sphérique de la toupie-; des moyens photosensibles, solidaires dudit boîtier, sont prévus pour observer ladite tache lumineuse formée par lesdits moyens d'éclairement; et des moyens de comptage, associés auxdits moyens photosensibles, pour compter le nombre des traits dudit ensemble observés par lesdits moyens photo- sensibles, ledit nombre étant représentatif de l'in- clinaison du plan défini par lesdits deuxième et troisième axes par rapport audit premier axe. Ainsi, dans le système gyroscopique conforme à la présente invention, chaque trait traversant la tache lumineuse est compté par lesdits moyens de comptage Les signaux fournis sont donc des signaux de type numérique, compatibles en TTL, qui présentent l'avantage d'une bonne immunité au bruit et d'un excellent comportement en environnement électromagnétique. De façon avantageuse, ledit cadre secondaire étant monté rotatif sur ledit boîtier par l'intermédiaire de moyeux définissant ledit troisième axe, au moins l'un desdits moyeux est creux et l'éclairement de ladite surface extérieure sphérique par lesdits moyens d'éclairement, ainsi que l'observation de ladite tache lumineuse par lesdits moyens photosensibles s'effectuent à travers un30 tel moyeu creux. De préférence, lesdits moyens d'éclairement et lesdits moyens photosensibles sont regroupés en un unique détecteur disposé en regard d'un tel moyeu creux Ce détecteur peut comporter un élément photoémetteur et un élément photosensible disposés à l'extérieur dudit moyeu creux et associés respectivement à des fibres optiques passant à travers ledit moyeu creux. Avantageusement, lesdits traits parallèles, portés par ladite surface extérieure sphérique de la toupie, sont équidistants La longueur desdits traits parallèles équidistants peut être successivement croissante et/ou décroissante L'augmentation ou la diminution de lon- gueur d'un trait par rapport au précédent peut être constante. De préférence, ledit ensemble de traits parallèles est disposé de façon que la partie médiane de celui desdits traits qui est le plus long se trouve au niveau de15 ladite tache, lorsque le plan défini par les axes de rotation des cadres primaire et secondaire est perpen- diculaire à l'axe de rotation de la toupie Ainsi, à cette position relative des cadres et de la toupie, correspond un nombre initial déterminé de traits comptés20 par lesdits moyens de comptage A partir de cette position relative, toute inclinaison du plan des axes de rotation des cadres primaire et secondaire se traduira, pour un sens d'inclinaison, par une augmentation du nombre des traits obscurs, et pour l'autre sens d'in-25 clinaison, par une diminution du nombre desdits traits. Ainsi, la variation du nombre des traits comptés à partir dudit nombre initial est significative du sens de basculement dudit plan autour de l'axe d'articulation du cadre primaire sur le cadre secondaire. Selon une application avantageuse, le système gyrosco- pique conforme à la présente invention est destiné à détecter la position angulaire de l'axe de lacet ou de l'axe de tangage d'un aéronef par rapport à la verticale A cet effet, ledit boîtier est fixé sur ledit aéronef de façon que ledit troisième axe de rotation du cadre secondaire par rapport audit boîtier soit confondu avec l'axe de roulis dudit aéronef. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments sem- blables. La figure 1 montre un mode de réalisation du système gyroscopique selon l'invention, suivant un plan de coupe passant par l'axe de rotation de la toupie et par l'axe de rotation du cadre secondaire. La figure 2 montre le système gyroscopique de la figure 1 suivant un plan de coupe passant par l'axe de rotation de la toupie et par l'axe de rotation du cadre primaire, cette figure 2 correspondant à la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 illustre la disposition des moyens d'éclai- rement de la toupie et des moyens photosensibles, par20 rapport à la toupie. La figure 4 montre un exemple d'ensemble de traits constituant les moyens de codage de la toupie. Les figures 5 a, 5 b et 5 c sont des diagrammes illustrant le fonctionnement du système gyroscopique conforme à la25 présente invention. La figure 6 donne le schéma synoptique d'un mode de réalisation des moyens électroniques exploitant les informations délivrées par les moyens photosensibles. L'exemple de réalisation du système gyroscopique conforme à la présente invention, montré par les figures 1 et 2, comporte un boîtier 1 d'axe longitudinal L-L', à l'intérieur duquel sont montés une toupie 2, un cadre primaire 3 et un cadre secondaire 4 Le boîtier 1 est constitué par une enveloppe l A, obturable à ses extré- mités par des couvercles d'extrémité 1 B et IC. La toupie 2, dont le centre est désigné par O, est montée rotative autour d'un arbre 5, d'axe Z-Z' destiné à fournir une référence de verticale Les extrémités 5 A et 5 B de l'arbre 5 sont solidaires du cadre primaire 3. La toupie 2 peut tourner autour de l'arbre 5, grâce à des roulements, respectivement 6 et 7 Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, on a supposé que la mise en rotation de la toupie 2 autour de l'arbre 5 était provoquée par un ressort à lame spiralée 8, comme cela est par exemple décrit dans le brevet américain US-A-4 709 586 Il va de soi que ce mode d'entraînement en rotation n'est pas essentiel pour l'invention et qu'il pourrait être remplacé par tout autre dispositif connu. Le cadre secondaire 4 comporte des premiers moyeux opposés 4 A et 4 B, coopérant respectivement avec des roulements 9 et 10, solidaires du cadre primaire 3. Ainsi, le cadre primaire 3 peut pivoter, par rapport au cadre secondaire 4, autour d'un axe Y-Y' rencontrant l'axe Z-Z' au centre O En outre, l'axe Y-Y' est per- pendiculaire à l'axe Z-Z'. De plus, le cadre secondaire 4 comporte des seconds moyeux opposés 4 C et 4 D, coopérant respectivement avec des roulements 11 et 12, solidaires du boîtier 1, par exemple par l'intermédiaire des couvercles d'extrémité 1 B ou 1 C Lesdits seconds moyeux 4 C et 4 D et les roulements 11 et 12 définissent, pour le cadre secondai- re 4, un axe de rotation X-X' par rapport au boîtier 1. L'axe X-X' passe par le centre O et il est perpendi- culaire à chacun des axes Z-Z' et Y-Y'. Le moyeu 4 C est creux et il est traversé par un détec- teur 13, solidaire du boîtier 1 et protégé par un boîtier 14 En regard du détecteur 13, la toupie 2 présente une partie périphérique sphérique 2 A, centrée en O. Comme le montre la figure 3, dans la partie 14 A du boîtier 14 extérieure au palier 4 C, le détecteur 13 comporte un dispositif photoémetteur 15, par exemple du type diode, et un dispositif photorécepteur 16, par exemple du type transistor Les dispositifs photo- émetteur 15 et photorécepteur 16 sont reliés à des broches de connexion électrique 17. La lumière émise par le dispositif photoémetteur 15 est conduite par une fibre optique 18 jusqu'à l'extrémité 19 du détecteur 13, en regard de la partie sphérique 2 A de la toupie 2 Sur cette partie sphérique 2 A, la lumière émise par le dispositif photoémetteur 15 forme une tache lumineuse 20, pratiquement ponctuelle, dont le diamètre est par exemple inférieur à 80 ium, de préférence de l'ordre de 35 i'm La tache lumineuse 20 est observée par l'extrémité d'une autre fibre optique 21, qui conduit la lumière jusqu'au dispositif photorécepteur 16 Les fibres optiques 18 et 21 sont disposées dans une partie 14 B du boîtier 14, traversant librement le palier 4 C. Par ailleurs, comme le montre la figure 4, la partie sphérique 2 A de la toupie 2 porte une pluralité de traits équidistants 21, par exemple gravés, parallèles à l'axe Z-Z' La longueur des traits 21 est progressivement croissante du bas vers le haut, puis progressivement décroissante, de sorte que l'ensemble des traits 21 forment une zone triangulaire 22. Sur la figure 4, à des fins de simplification du dessin, on n'a représenté que 35 traits 21 Cependant, ce nombre est avantageusement plus élevé, par exemple égal à plusieurs centaines, de façon à assurer une bonne résolution au système gyroscopique de l'invention. Par ailleurs, bien qu'un seul ensemble 22 de traits 21 soit représenté à la périphérie sphérique 2 A de la toupie 2, il va de soi que la surface sphérique 2 A pourrait comporter plusieurs ensembles 22, identiques ou différents, espacés le long de cette périphérie. On comprendra que chaque trait 21 constitue une hétéro- généité de la surface sphérique 2 A détectable par le photorécepteur 16, lorsque ledit trait passe, à cause de la rotation de la toupie 2, à travers la tache lumineuse 20. Lorsque l'axe longitudinal L-L' du boîtier 1 est confon- du avec l'axe X-X' du cadre secondaire 4, la tache lumineuse 20 se trouve en regard de la partie médiane du trait 21 médian le plus long Ainsi, lorsque la toupie 1 tourne autour de son axe Z-Z', la tache lumineuse 20 décrit sur la partie sphérique 2 A une trace médiane 23 rencontrant un certain nombre de traits 21, qui, dans l'espace représenté, est égal à 19 Par suite, à chaque tour de la toupie 2 (si un seul ensemble 22 de traits 21 est prévu), le photorécepteur 16 reçoit alors 19 impul- sions lumineuses 24 (voir la figure 5 a). Si, maintenant, le boîtier 1 pivote autour de l'axe Y-Y' dans le sens des aiguilles d'une montre, la tache lumineuse 20, dont la section reste identique à ce qu'elle était précédemment du fait de la forme sphérique de la partie 2 A de la toupie 2, coupe la zone 22 selon une trace 25, différente de la trace 23 Dans ce cas, à chaque tour de la toupie 2, la trace 25 rencontre un nombre de traits 21 inférieur à 19, égal à 9 dans l'exemple représenté, de sorte que le photorécepteur 16 reçoit alors 9 impulsions 24 (voir la figure 5 b). En revanche, si le boîtier 1, à partir de la position pour laquelle les axes L-L' et X-X' sont confondus, pivote autour de l'axe Y-Y' dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, la tache lumineuse 20 coupe la zone 22 selon une trace 26, différente des traces 23 et , rencontrant un nombre de traits 21 supérieur à 19. Dans l'exemple représenté, ce nombre est égal à 25 Le photorécepteur 16 reçoit donc, à chaque tour de la toupie 2, 25 impulsions lumineuses 24 (voir la figure c). On voit ainsi que le nombre d'impulsions lumineuses reçues par le photorécepteur 16 est représentatif de l'amplitude angulaire du pivotement du boîtier 1 autour de l'axe Y-Y', c'est-à-dire que l'on peut mesurer l'amplitude de ce pivotement par comptage des impulsions lumineu- ses reçues par le photorécepteur 16; et le sens du pivotement du boîtier 1 autour de l'axe Y-Y' est donné par comparaison du nombre d'impulsions lumineuses reçues par le photorécepteur 16 avec le nombre de ces impulsions lumineuses engendrées lorsque les axes L-L' et X-X' sont confondus. On remarquera que le système gyroscopique conforme à l'invention permet une bonne résolution, du fait que la tache lumineuse présente un très faible diamètre et qu'il est donc possible de prévoir des traits 21 très fins, très nombreux et peu espacés Cette résolution peut être de l'ordre de 0,1 . Sur la figure 6, on a illustré le schéma synoptique d'un exemple de réalisation du système gyroscopique conforme à la présente invention On peut y voir que ce système comporte un compteur 27 recevant (par l'intermédiaire de certaines broches de connexion 17) les impulsions électriques émises par le photorécepteur 16 en réponse aux10 impulsions optiques 24 Le compteur 27 adresse le nombre compté à une table 28 qui, à sa sortie 28 A, indique l'amplitude angulaire de l'inclinaison du plan X-X', Y-Y' par rapport à l'axe Z-Z' et le sens de cette inclinaison Dans la table 28 sont stockées, avec leur15 signe, les valeurs de cette amplitude angulaire en fonction du nombre de traits 21 rencontrés par la tache lumineuse 20 Le compteur 27 est commandé par un dispo- sitif 29, qui lui-même reçoit des informations de la toupie 2 par l'intermédiaire de la fibre optique 21 et20 du photorécepteur 16 Par exemple, sur la surface sphérique 2 A de la toupie 2, on peut prévoir en avant et en arrière de l'ensemble 22 des traits 21, des gravures spécifiques de commencement de comptage et de fin de comptage commandant le compteur 27 par l'intermédiaire25 du dispositif de commande 24 On peut également ne prévoir qu'une gravure de commencement de comptage Dans ce cas, le dispositif 29 détermine, en fonction de la vitesse de rotation de la toupie 2, un temps de comptage maximal pour la totalité des traits 21 de l'ensemble 22. Si la surface sphérique 2 A ne comporte qu'un seul ensemble 22 de traits 21, le compteur 27 n'effectue qu'un seul comptage par tour de la toupie 2 En revan- che, si la surface sphérique 2 A comporte plusieurs ensembles 22 de traits 21, le compteur 27 effectue, à chaque tour de la toupie, autant de comptages qu'il y a d'ensembles 22. Dans une application du système gyroscopique de 1 'in- vention, le boîtier 1 est fixé, par la face 30 de son5 couvercle SC et grâce à des pions de centrage 31, sur un aéronef (non représenté), de façon que l'axe L-L' dudit boîtier soit confondu avec l'axe de roulis RR' (voir la figure 1) dudit aéronef Ainsi, à la sortie 28 A, appa- raît la valeur de l'inclinaison de l'axe de lacet dudit10 aéronef par rapport à l'axe Z-Z' de la toupie 2 En effet, cet axe de lacet est alors perpendiculaire au plan X-X', Y-Y'. Il va de soi que, de façon analogue, le système gyroscopique de l'invention pourrait s'appliquer à la15 surveillance de l'axe de tangage. Pour pouvoir de plus mesurer le roulis dudit aéronef, on peut prévoir une roue de détection 32 solidaire du cadre secondaire 4 et coaxiale à l'axe X-X' Une telle roue de détection est bien connue dans la technique et elle20 coopère avec un détecteur approprié (connu et non représenté) pour donner la valeur de l'angle de roulis de l'aéronef. REVENDICATIONS 1 Système gyroscopique comprenant: une toupie ( 2) ayant un centre (O) et susceptible d'être entraînée en rotation autour d'un premier axe (Z- Z') passant par ledit centre (O); un cadre primaire ( 3) sur lequel ladite toupie ( 2) est montée de façon à pouvoir tourner autour dudit premier axe (Z-Z'); un cadre secondaire ( 4) sur lequel ledit cadre pri- maire ( 3) est monté de façon à pouvoir tourner autour d'un deuxième axe (Y-Y'), passant par ledit centre (O) de la toupie et perpendiculaire audit premier axe (Z-Z'); et un boîtier ( 1), à l'intérieur duquel sont logés ladite toupie et lesdits cadres primaire et secondaire et sur lequel ledit cadre secondaire ( 4) est monté de façon à pouvoir tourner autour d'un troisième axe (X-X'), passant par ledit centre (O) de la toupie et perpen- diculaire audit deuxième axe (Y-Y'); caractérisé en ce que: au moins au voisinage du plan défini par lesdits deuxième et troisième axes (Y-Y'; X-X'), la surface extérieure ( 2 A) de ladite toupie ( 2) présente la forme d'une sphère centrée sur ledit centre (O); ladite surface extérieure sphérique ( 2 A) de ladite toupie porte au moins un ensemble ( 22) de traits parallèles ( 21), de longueur différente parallèlement audit premier axe (Z-Z'); des moyens d'éclairement ( 15), solidaires dudit boîtier ( 1), sont prévus pour former une tache lumi- neuse ( 20) sur ladite surface extérieure sphérique ( 2 A) de la toupie ( 2); des moyens photosensibles ( 16), solidaires dudit boîtier ( 1), sont prévus pour observer ladite tache lumineuse ( 20) formée par lesdits moyens d'éclairement ( 15); et des moyens de comptage ( 27), associés auxdits moyens photosensibles ( 16), pour compter le nombre des traits ( 21) dudit ensemble ( 22) observés par lesdits moyens photosensibles ( 16) au cours de la rotation de la toupie ( 2), ledit nombre étant représentatif de l'inclinaison du plan défini par lesdits deuxième et troisième axes (Y-Y'; X-X') par rapport audit premier axe (Z-Z'). 2 Système gyroscopique selon la revendication 1, dans lequel ledit cadre secondaire ( 4) est monté rotatif sur ledit boîtier ( 1) par l'intermédiaire de moyeux ( 4 C,4 D) définissant ledit troisième axe (XX'), caractérisé en ce qu'au moins l'un desdits moyeux est creux et en ce que l'éclairement de ladite surface extérieure sphérique ( 2 A) par lesdits moyens d'éclaire- ment ( 15), ainsi que l'observation de ladite tache lumineuse par lesdits moyens photosensibles ( 16) s'effec-20 tuent à travers un tel moyeu creux. 3 Système gyroscopique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'éclairement ( 15) et lesdits moyens photosensibles ( 16) sont regroupés en un unique détecteur ( 13) disposé en regard d'un tel25 moyeu creux ( 4 C). 4 Système gyroscopique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit détecteur ( 13) comporte un élément photoémetteur ( 15) et un élément photosensible ( 16) disposés à l'extérieur dudit moyeu creux ( 4 C) et associés respectivement à des fibres optiques ( 18 et 21) passant à travers ledit moyeu creux ( 4 C). Système gyroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits traits parallèles ( 21) portés par ladite surface extérieure sphérique ( 2 A) de la toupie ( 2), sont équidistants. 6 Système gyroscopique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur desdits traits parallè- les équidistants ( 21) est successivement croissante. 7 Système gyroscopique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'augmentation de longueur d'un trait ( 21) par rapport au précédent est constante. 8 Système gyroscopique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur desdits traits paral- lèles équidistants ( 21) est successivement décroissante. 9 Système gyroscopique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la diminution de longueur d'un trait ( 21) par rapport au précédent est constante. Système gyroscopique selon les revendications 6 et 8, caractérisé en ce que ledit ensemble ( 22) de traits parallèles équidistants ( 21) comporte au moins une partie dans laquelle la longueur desdits traits est successivement croissante et au moins une partie dans laquelle la longueur desdits traits est successivement décroissante. 11 Système gyroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit ensemble ( 22) de traits parallèles ( 21) est disposé de façon que la partie médiane de celui desdits traits qui est le plus long se trouve au niveau de ladite tache ( 20), lorsque le plan défini par les axes de rotation (Y-Y' et X-X') des cadres primaire et secondaire est perpendiculaire à l'axe de rotation (Z-Zt) de la toupie ( 2). 12 Système gyroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, destiné à détecter la position angulaire de l'axe de lacet ou de l'axe de tangage d'un aéronef par rapport à la verticale, caractérisé en ce que ledit boîtier ( 1) est fixé sur10 ledit aéronef de façon que ledit troisième axe (X-X') de rotation du cadre secondaire ( 4) par rapport audit boîtier soit confondu avec l'axe de roulis (R-R') dudit aéronef.