Brevet FR2696825A1 — publié le 19940415

La présente invention concerne un système de guidage inertiel et, plus particulièrement, mais non exclusivement, un système de pilotage utilisant un système de guidage inertiel. Les systèmes de guidage inertiel antérieurement proposés comprennent plusieurs capteurs de mouvement, typiquement des accéléromètres et des gyroscopes, qui sont logés dans un boîtier lui-même fixé à un véhicule, par exemple un aéronef. Les capteurs mesurent l'accélération et le mouvement angulaire par rapport à un point de référence fixe relatif au boîtier, ordinairement à l'intérieur de ce dernier. Comme le boîtier est fixé au véhicule, le mouvement du véhicule peut être calculé. Ces systèmes sont appelés des systèmes rigides, ou sans plate-forme. Toutefois, dans le cas d'un véhicule tel qu'un aéronef, il apparaît des chocs thermiques et mécaniques, qui ne sont pas dus à des changements de marche, ou des changements de position de l'aéronef, mais proviennent de l'intérieur de l'aéronef, par exemple de vibrations dues au fonctionnement du moteur. Pour surmonter ce problème, il a été proposé d'isoler les capteurs de guidage vis-à-vis des chocs en montant de manière souple le boîtier sur des moyens de montage anti-vibrations, qui peuvent absorber une partie des chocs. Toutefois, il faut arriver à un compromis entre l'isolation du boîtier vis-à-vis des chocs et la transmission des effets dus aux variations du mouvement à mesurer. Par exemple, si les moyens de montage sont trop mous, le boîtier se verra autorisé beaucoup trop de liberté aux basses fréquences et ne répondra pas aux mouvements de fréquences supérieures qui doivent être mesurés pour le pilotage. Inversement, si les moyens de montage sont trop durs, les vibrations apparaissant dans l'aéronef en vol seront détectés par les capteurs et peuvent même endommager les capteurs inertiels. L'invention vise à fournir un système qui évite ou diminue ces problèmes. Selon l'invention, il est proposé un système de guidage inertiel comprenant un ensemble de capteurs inertiels (ISA), 1'ISA comprenant un boîtier qui loge plusieurs capteurs de mouvement, 1'ISA étant relié de manière souple à un véhicule, caractérisé en ce que des moyens de détection sont prévus à l'extérieur de 1'ISA pour détecter le mouvement relatif entre 1'ISA et le véhicule de manière à assurer une compensation des signaux de sortie du système de guidage inertiel. Les moyens de détection peuvent être soit montés sur le boîtier de 1'ISA, soit fixes relativement au véhicule. Pour obtenir une plus grande précision, il est préférable de prévoir suffisamment de moyens de détection pour pouvoir déterminer le mouvement relatif se rapportant à chaque degré de liberté du boîtier. De préférence, on prévoit six capteurs permettant de déterminer le mouvement relatif dans chacune des directions x, y et z. il est préférable que les capteurs soient du type sans contact, de façon qu'aucune influence notable ne soit exercée sur le mouvement de l'ISA. On préfère également que les capteurs détectent les déplacements ayant de plus hautes fréquences que ceux détectés par les capteurs de mouvement contenus à l'intérieur du boîtier. Un tel système s'applique tout particulièrement à un système de pilotage pour aéronef. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est un représentation simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention; et - la figure 2 est une représentation du circuit de compensation selon l'invention. On se reporte à la figure 1. Elle montre un ensemble de capteurs inertiels (ISA) désigné dans son ensemble par le numéro de référence 1 sur la figure. Les ISA sont bien connus dans la technique et sont décrits par exemple dans l'ouvrage de K.R. Britting intitulé "Avionics Navigation Systems" (1971); ils comprennent généralement un boîtier la sur lequel sont montés des capteurs de mouvement, typiquement des accéléromètres et des gyroscopes. Dans le présent exemple, trois gyromètres laser en anneau, ou gyrolasers, (notés RLG dans la littérature anglosaxonne) lb à ld et trois accéléromètres le à lg sont montés sur le boîtier la suivant des directions mutuellement perpendiculaires.Les gyrolasers détectent le mouvement angulaire par rapport aux axes x, y et z, et les accéléromètres inertiels détectent l'accélération suivant les axes x, y et z du système de référence 2, comme représenté. L'ISA 1 est monté sur un boîtier 3 par l'intermédiaire de moyens de montage anti-vibrations 4 qui laissent un degré limité de mouvement relatif. Les moyens de montage anti-vibrations sont bien connus dans la technique et sont par exemple décrits dans l'ouvrage de William T. Thomson intitulé "Theory of vibration" (1981). Le boîtier 3 est monté de manière fixe, par un moyen de fixation approprié 3a, sur le plancher 3b de l'aéronef dans lequel le système de guidage inertiel est destiné à fonctionner. Trois paires de capteurs Sa et 5b, 6a et 6b, et 7a et 7b sont montés sur le boîtier 3 afin de détecter le déplacement de l'ISA 1 par rapport au boîtier 3. Les paires de capteurs 5a/5b, 6a/6b et 7a/7b sont disposées de façon qu'on puisse déterminer le déplacement de l'ISA dans chacun des six degrés possibles de liberté. Les six degrés de liberté sont indiqués par des flèches sur le système de référence 2 et comprennent les déplacements linéaires suivant les directions x, y et z et les déplacements angulaires autour de ces axes. Dans le mode de réalisation représenté, la somme des signaux de sortie de la paire de capteurs Sa, 5b correspond au déplacement linéaire de l'ISA suivant l'axe 2g, tandis que la différence entre ces signaux de sortie correspond au déplacement angulaire de l'ISA sur l'axe z. De la même façon, la paire de capteurs 6a, 6b rendra compte du déplacement linéaire suivant l'axe y et du déplacement angulaire sur l'axe x, et ainsi de suite. Les capteurs sont des capteurs sans contact, si bien qu'ils n'affectent pas le mouvement de l'ISA d'une quelconque manière significative, et ils peuvent faire appel à des champs magnétiques ou électriques ou à des faisceaux lumineux pour contrôler la position de l'ISA. Dans le présent exemple, on utilise des capteurs de Foucault, via des transformateurs différentiels à translation (sigle anglo-saxon LVDT), ou bien on peut utiliser tout autre capteur approprié, comme ceux décrits dans l'ouvrage de S. T. Smith et D. G. Chetwynd intitulé "Foundations of Ultraprecision Mechanism Design" (1992). Pour séparer les différentes composantes dans les signaux de sortie des paires de capteurs, on connecte les sorties des paires respectives de capteurs à des circuits amplificateurs de somme et de différence 8, 9 et 10. Les circuits amplificateurs de somme et de différence 8, 9 et 10 possèdent chacun deux sorties respectives, a et !2, parmi lesquelles la première sortie, soit a, correspond au déplacement linéaire dans une direction donnée, tandis que la deuxième sortie, b, correspond au déplacement angulaire. Dans le présent mode de réalisation, la sortie 8a représente le déplacement linéaire de l'ISA dans la direction 2i, et la sortie 8b le déplacement angulaire dans la direction z. On se reporte à la figure 2. Les signaux de sortie analogiques 8a à 10b sont convertis en signaux numériques par un convertisseur analogique-numérique (A/D) 11. Les signaux de sortie des gyrolasers lb à ld et des accéléromètres inertiels le à lg sont également convertis en signaux numériques par le convertisseur A/D 11. Les données numériques du convertisseur A/D sont ensuite envoyées à un calculateur numérique 12, qui utilise les données venant des capteurs Sa à 7b pour compenser les erreurs induites dans les signaux de sortie des gyrolasers et des accéléromètres de l'ISA.Des exemples d'erreurs induites que le système est tout spécialement en mesure de compenser sont la réaction d'activation du gyrolaser (l'activation consistant à imprimer des oscillations de faible amplitude, par exemple pour réduire les frottements), les mouvements du type cône et godillage induits par l'activation et les variations des caractéristiques d'amortissement des moyens de montage anti-vibrations. On va décrire ci-après chacun de ces exemples. Dans les systèmes de guidage inertiel, il est souvent souhaitable d'utiliser au moins un gyrolaser. Ces dispositifs contiennent généralement une compensation de synchronisation qui agit en faisant périodiquement tourner, ou en "activant", le gyrolaser. Ceci provoque l'application de forces périodiques sur le boîtier la sur lequel le gyrolaser est monté, amenant donc un mouvement du boîtier qui est connu sous l'appellation de "réaction d'activation". Les gyrolasers sont typiquement "activés" à des fréquences d'environ 400 Hz, ce qui constitue une fréquence pour laquelle le gyrolaser ne peut pas mesurer avec précision le mouvement du boîtier la. De plus, cette fréquence peut aussi se trouver à l'extérieur de la largeur de bande du fonctionnement normal des accéléromètres inertiels le à lg.En utilisant les capteurs 5a à 7b, qui sont en mesure de détecter des mouvements à ces fréquences d'activation, on peut combiner le mouvement de l'ISA par rapport au boîtier 3 avec les signaux de sortie des gyrolasers et des accéléromètres et on peut compenser la réaction d'activation. Les systèmes de navigation rigides utilisant des gyrolasers "activés" peuvent donner des erreurs de dérive à longs termes qui sont dues à une précision d'ingration inappropriée en présence de mouvements du type cône et godillage induits par l'activation. On utilise souvent des algorithmes de compensation des mouvements du type cône pour corriger ces erreurs de dérive, ces algorithmes dépendant de mesures précises faites par les gyrolasers du mouvement de l'ISA aux fréquences d'activation. La suppression de l'erreur résultant du mouvement relatif dû à l'activation du bloc gyrolaser par rapport à l'ISA est difficile à réaliser. Le filtrage à bande étroite du signal de sortie du gyrolaser n'est pas une solution appropriée, puisqu'il supprime également le mouvement "vrai" de l'ISA à la fréquence d'activation. Les autres techniques, comme la détection du déplacement relatif ou la "compensation optique", sont à la fois coûteuses et complexes. Les capteurs supplémentaires 5a à 7b décrits selon l'invention foumissent un moyen simple et relativement peu coûteux d'assurer la compensa tion des mouvements du type cône et godillage induits par l'activation. On peut soumettre à un filtrage passe-bas les signaux de sortie des gyrolasers et des accéléromètres inertiels afin de supprimer la composante relative à la fréquence d'activation, puis on combine ces signaux de sortie avec les données fournies par les capteurs Sa à 5b après leur avoir fait subir un filtrage passe-haut.L'utilisation de capteurs pouvant détecter des mouvements à la fréquence d'activation du gyrolaser, de telles fréquences se trouvant éventuellement à l'extérieur de la largeur de bande du fonctionnement normal des accéléromètres inertiels, permet d'employer des gyrolasers compensés de façon moins précise par un mouvement d'activation et des accéléromètres ayant une largeur de bande plus réduite, ce qui donne des économies de coût. Au fur et à mesure du temps, les moyens de montage anti-vibrations peuvent voir leur forme ou leur rigidité se modifier et, de ce fait, la position de l'ISA à l'intérieur de l'aéronef peut changer quelque peu. Des changements de position tels que ceux-ci peuvent être détectés par les capteurs externes 5a à 7b et être introduits dans les calculs, de sorte qu'il n'est pas nécessaire que les moyens de montage conservent un état stable pendant toute leur durée de vie utile. Les capteurs supplémentaires Sa à 7b peuvent être utilisés pour détecter les mouvements relatifs de l'ISA par rapport au bâti de montage du véhicule. On peut utiliser ces données pour compenser les déplacements de phase et l'atténuation provoqués par les dispositifs d'isolation vis-à-vis des vibrations, ce qui permet de produire avec de moindres déphasage des données de grande largeur de bande (ce qui est important pour les systèmes de pilotage) tout en permettant encore l'utilisation de dispositifs d'isolation vis-à-vis des vibrations qui présentent une fréquence relativement basse. Grâce à ces compensations, on peut utiliser un système de guidage inertiel dans des systèmes de pilotage avec une plus grande précision. L'invention n?est pas limitée au mode de réalisation représenté. Par exemple, les capteurs de déplacement 5a à 7b pourraient être montés sur le boîtier la ou être incorporés dans les moyens de montage anti-vibrations 4. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du système de guidage inertiel dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATtONS 1. Système de guidage inertiel comprenant un ensemble de capteurs inertiels (ISA) (1), l'ISA comprenant un boîtier (la) qui loge plusieurs capteurs de mouvement (lb à lg), l'ISA (1) étant relié de manière souple (4) à un véhicule (3b), caractérisé en ce que des moyens de détection (Sa à 7b) sont placés à l'extérieur de l'ISA (1) afin de détecter les mouvements relatifs entre l'ISA (1) et le véhicule (3b), pour assurer la compensation du signal de sortie du système de guidage inertiel. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection (Sa à 7b) sont montés sur le boîtier (la). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection (Sa à 7b) sont fixes par rapport au véhicule (3b). 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on prévoit suffisamment de moyens de détection (Sa à 7b) pour déterminer le déplacement relatif par rapport à chaque degré de liberté de l'ISA (1). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend six capteurs (Sa à 7b) permettant de déterminer le mouvement relatif dans chacune des directions x, y et z. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs (Sa à 7b) détectent des déplacements de plus grande fréquence que les capteurs de mouvement (lb à lg) se trouvant à l'intérieur du boîtier. 7. Système selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les capteurs (Sa à 7b) sont des capteurs sans contact qui n' exercent aucune influence notable sur le mouvement de l'ISA (1). 8. Système de pilotage pour aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un système selon l'une quelconque des revendications précédentes.