Brevet FR2702530A1 — publié le 19940916

"Dispositif de suppression de mouvement/vibration à réglage autonome" La présente invention concerne des dispositifs pour supprimer un mouvement ou une vibration et, plus particuliè- rement, des dispositifs à réglage automatique aptes à une utilisation sur des installations éloignées comme un vais- seau spatial. Un vaisseau spatial moderne transporte souvent des ins- truments qui doivent être pointés vers des cibles avec une précision inférieure à la minute d'arc Les systèmes de commande d'attitude des vaisseaux spatiaux sont capables d'atteindre une telle précision Souvent toutefois, les instruments sont fixés sur des bras ou des mâts qui partent du corps du vaisseau spatial Des vibrations des bras peu- vent perturber directement le pointage des instruments La largeur de bande du système de commande d'attitude peut être insuffisante pour amortir des mouvements vibratoires et ne peut de toute façon pas prendre en compte des imprécisions de pointage résultant de vibrations en flexion. Il existe de nombreuses sources de mouvement ou de vibration dans un vaisseau spatial moderne: les actionneurs, les roues d'inertie, les instruments d'analyse, les antennes d'articulation, les enregistreurs et autres éléments simi- laires, peuvent tous contribuer à des perturbations vibra- toires. Des dispositifs actifs et passifs d'amortissement des vibrations sont bien connus pour supprimer de telles vibra- tions induites Les systèmes passifs incluent les amortis- seurs avec liquide visqueux qui tendent toutefois à être sensibles à la température et lourds Un système actif est décrit par exemple dans le brevet américain n O 4 922 159 dé- livré le 1 Mai 1990 au nom de Phillips et al Les systèmes actifs incluent un capteur pour mesurer la vibration, un actionneur à masse étalon couplé à un corps vibrant et une boucle de rétroaction pour tendre à réduire le mouvement non désiré. Des amortisseurs actifs comme ceux décrits dans le bre- vet sus-mentionné de Phillips et al incluent des boucles de rétroaction qui tendent à rendre la capacité de rejet des perturbations sensible à la fréquence Quand un vaisseau spatial contient de nombreuses sources potentielles de vibrations représentant un large spectre de fréquences, un système d'amortissement actif unique est incapable de réali- ser simultanément un amortissement efficace de toutes les vibrations. Des considérations de poids empêchent l'utilisation d'un grand nombre de tels amortisseurs actifs dans les applications à des vaisseaux spatiaux pour amortir des vibrations de fréquences différentes Même s'il était pos- sible d'inclure plusieurs amortisseurs actifs de vibration dans un vaisseau spatial, ils pourraient ne toujours pas donner un amortissement adéquat parce que les modes de vibration varient en fonction du temps et dépendent entre autre de la température et de la vitesse de rotation. Un dispositif amélioré de suppression de mouvement est donc souhaité. Un dispositif de compensation conforme à l'invention impartit un mouvement mécanique à une masse étalon Le dis- positif inclut un premier corps couplé élastiquement à un second corps et une source d'énergie destinée à provoquer un mouvement mécanique ou vibration d'un corps La masse étalon est couplée par un actionneur à l'un des corps pour provo- quer un mouvement de masse étalon en réponse à un signal d'excitation d'actionneur Un capteur de mouvement génère un signal de mouvement représentatif du mouvement de l'un des corps Le signal de mouvement inclut au moins une informa- tion de vitesse de mouvement Un ensemble formant dispositif de commande couplé au capteur de mouvement génère un signal d'actionnement pour l'actionneur Le signal d'actionnement inclut des composantes proportionnelles et dérivées du signal de mouvement et des composantes proportionnelles et dérivées de la position de l'actionneur. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, l'énergie de vibration est déterminée par un circuit couplé au capteur de vibrations qui calcule le carré de la compo- sante de vitesse du signal de vibration en produisant un signal d'énergie de mouvement représentatif de l'énergie contenue dans le mouvement Le signal d'énergie de mouvement est intégré pour produire un signal d'énergie intégrée re- présentatif de la valeur moyenne de l'énergie totale de vibration Dans un mode de réalisation de l'invention, la moyenne est calculée comme une moyenne de mouvement et un facteur de correction de compensation est calculé Le facteur de correction de compensation ajuste en continu l'amplitude et la phase du signal d'excitation de l'action- neur d'une manière qui tend à maintenir le signal d'énergie intégrée proche d'une valeur minimale et fournit un rejet de perturbations maximal sur une large plage dynamique. La présente invention va maintenant être décrite en ré- férence aux dessins annexés, dans lequels: la figure 1 est une vue en perspective ou isométrique d'un vaisseau spatial incluant un capteur sur un mât, la figure 2 a est une représentation simplifiée de la structure de la figure 1 qui montre un mouvement de flexion et la figure 2 b est une représentation schématique de celui-ci, la figure 3 a est semblable à la figure 2 b et montre l'utilisation d'un capteur de mouvement inertiel pour déter- miner un mouvement et la figure 3 b montre un capteur de détection de mouvement relatif, la figure 4 est un schéma synoptique simplifié d'un dispositif de suppression des vibrations conforme à l'inven- tion, la figure 5 est un schéma synoptique simplifié d'un actionneur destiné à être utilisé dans la disposition de la figure 4, la figure 6 est un schéma synoptique simplifié de la partie dispositif de commande de la disposition représentée à la figure 4, la figure 7 est un organigramme simplifié qui montre une logique pouvant être utilisée en liaison avec la dispo- sition de la figure 6, la figure 8 est un schéma synoptique simplifié qui mon- tre des détails d'une partie de la figure 6, la figure 9 est une représentation mathématique de l'actionneur de la figure 5, et la figure 10 est une courbe qui représente le fonction- nement du dispositif. La figure 1 est une vue en perspective ou isométrique d'un vaisseau spatial 10 en orbite autour d'un corps céleste 11 Dans la figure 1, le vaisseau spatial 10 comprend un corps 12 orienté par rapport à des axes de lacet, de roulis et de tangage, respectivement 14, 16 et 18 Le vaisseau spa- tial 10 contient une charge satellisable représentée par une antenne 20 et contient également un panneau solaire 22 des- tiné à produire de l'énergie électrique pour maintenir le vaisseau spatial et la charge satellisable en fonctionne- ment La figure 1 montre aussi un instrument désigné par 24, fixé au corps 12 par un mât allongé 26. L'homme du métier sait que si la position et l'orienta- tion de l'instrument 24 par rapport au corps céleste 11 doit être connue avec précision, il faut non seulement connaître et maîtriser l'attitude du corps du vaisseau spatial mais il faut aussi connaître l'état vibratoire du mât 26 pour pouvoir relier avec précision la position de l'instrument à la position du corps La figure 2 a est une vue simplifiée de la disposition de la figure 1 qui représente le corps 12 comme un bloc, l'instrument 24 comme une masse et qui re- présente le mode principal de flexion du mât 26 par des flèches 28 La représentation de la figure 2 a suppose que la position du corps 12 reste fixe pendant la flexion du mât 26 La figure 2 b représente le déplacement physique associé au mode principal de flexion de la figure 2 a, en reconnaissant que le corps 12 maintenant représenté comme une simple masse se déplace aussi dans l'espace inertiel à cause de la vibration Toujours dans la figure 2 b, la compliance en flexion est représentée par un ressort simple 30. La figure 3 a est semblable à la figure 2 b et représente en outre un capteur 32 de mouvement inertiel fixé au mât 26 et destiné à produire un signal sur des fils 34 qui est représentatif du mouvement du mât 26 et de la masse 24 Un capteur de mouvement inertiel peut être un accéléromètre tridimensionnel à masse et ressort S'il est requis de détecter une vitesse ou une position, on peut intégrer une fois ou deux fois par rapport au temps le signal de sortie de l'accéléromètre 32 représentant l'accélération, comme c'est bien connu dans la technique La figure 3 b représente un autre capteur de mouvement 36 ayant la forme d'un capteur piézo-électrique de déformation relative couplé en une extrémité à la masse 24 et au mât 26 Le capteur 36 produit un signal de déformation représentatif de la position rela- tive des masses 12 et 24. La figure 4 est un schéma synoptique simplifié d'une disposition de suppression de mouvement conforme à l'inven- tion Les éléments de la figure 4 qui correspondent à ceux des figures 2 b et 3 a sont désignés par des repères numéri- ques identiques Dans la figure 4, le capteur 32 de l'accé- léromètre produit un signal de position doublement intégré, X, en réponse à un stimuli énergétique représenté par 27 appliqué à la masse 24 Le signal de position X est envoyé à un dispositif de commande 50 Le dispositif de commande 50 répond au signal de position 32 et à un signal X de posi- tion d'actionneur davantage décrit ci-dessous pour produire un signal D d'excitation d'actionneur qui est appliqué à un actionneur 52 fixé au mât 26 En fonctionnement, un déplace- ment de la masse 24 et/ou du mât 26, détecté par le capteur 32, est traité par le dispositif de commande 50 et est envoyé pour exciter une masse étalon associée à l'actionneur 52 d'une manière qui s'oppose au déplacement initial Par conséquent, on atteint un rendement maximal pour l'invention quand le capteur et l'actionneur sont situés ensemble, mutuellement adjacents, ou au moins fixés au même corps rigide. La figure 5 est un schéma simplifié qui représente l'actionneur 52 de la figure 4 Dans la figure 5, un signal D d'excitation est appliqué à une bobine d'appel 60 qui est fixée par un bras 62 à une masse étalon 64 Un capteur de position 66, associé à la masse étalon 64, est représenté comme un curseur 68 qui se déplace avec la masse étalon 64 et qui recueille une tension à partir d'un potentiomètre différentiel 70 Le signal représentatif de position est désigné par X 2 Si l'on se référe une fois encore à la figure 4, la position X 2 de la masse étalon est appliquée au dispositif de commande 50. La figure 6 est un schéma synoptique simplifié du dispositif de commande 50 de la figure 4 Dans la figure 6, un signal Xl de position de masse est appliqué à un circuit logique 80 de détermination d'énergie pour produire un fac- teur a de correction de compensation, produit par le circuit logique 80 de détermination d'énergie Le signal de position Xl est également appliqué à un bloc 82 de compensation et d'amplification en même temps qu'un facteur a de correction de compensation Le bloc 82 de compensation et d'amplifica- tion reçoit aussi un signal de position X 2 provenant de l'actionneur 52 de la figure 4 pour produire un signal D d' excitation d' actionneur. La figure 7 est un organigramme qui représente un pro- cédé pour réaliser la logique du bloc 80 de détermination de l'énergie En général, la logique de la figure 7 agit sur le signal Xl de mouvement ou de vibration (le signal de po- sition doublement intégré) et détermine son contenu énergé- tique Par exemple, si le mouvement de la masse 24 de la figure 4 a la forme d'une vibration incluant une gamme ou spectre de fréquences, la logique de la figure 7 détermine le contenu énergétique total de ce spectre La logique de la figure 7 commence par un bloc de démarrage 110 et avance vers un bloc 112 d'initialisation des paramètres dans lequel la variable i est établie à 0, le facteur a de correction de compensation est établi à 0, l'incrément /\ du facteur de correction de compensation est établi à 0,1, la grandeur moyenne Y( 1) de l'énergie de mouvement est établie à O et la valeur minimale de la grandeur moyenne Ymin d'énergie de mouvement est établie à 1 A partir du bloc 112, la procédu- re logique passe au bloc 114 qui représente l'incrémentation de la variable i La valeur en cours du signal Xl de mouve- ment ou de vibration est lue dans un bloc 116 et la procé- dure logique passe à un bloc 118 Dans le bloc 118, le si- gnal Xl(i) de vibration ou de mouvement est différentié en fonction du temps par soustraction des valeurs successives pour produire le signal de vitesse du mouvement Xl(i), Xl(i) = Xl(i) Xl(i- l) ( 1) Le bloc 120 représente la détermination de la composan- te en cours de l'énergie P(i) dans le signal Xl(i) de vibra- tion ou de mouvement par calcul du carré du signal (Xl(i) de vitesse du mouvement. P(i) = X(i) * X(i) ( 2) L'énergie totale Y(i) dans une fenêtre de temps du mou- vement est calculée dans le bloc 122 par accumulation de valeurs successives Comme représenté à la figure 7, le bloc 122 accumule sur une fenêtre comprenant 3 valeurs: Y(i) = P(i) + P(i-l) + P(i-2) ( 3) mais bien sûr la fenêtre de temps peut contenir n'importe quel nombre de valeurs passées de la composante P(i) d'éner- gie. A partir du bloc 122, la procédure logique passe à un bloc de décision 124 qui compare l'énergie totale de vibra- tion en cours, Y(i), avec Ymin Lors de la première itéra- tion, la valeur de Ymin est 1 et Y(i) va être selon toute vraisemblance inférieure à 1 Par conséquent, pour la pre- mière itération, la procédure logique va probablement sortir par le trajet NON et arriver à un bloc 128 dans lequel la valeur en cours de Ymin est remise à jour pour être égale à Y(i) En fonctionnement normal, l'incrémentation continue (décrite ci-dessous) va finalement résulter en ce que l'énergie de mouvement dépasse Ymin, à la suite de quoi la procédure logique va quitter le bloc logique 124 par le tra- jet OUI pour arriver à un bloc 126 Le bloc logique 126 représente une inversion de signe de l'incrément /\ Par l'un ou l'autre de ces chemins, la procédure logique arrive à un bloc 130 dans lequel est calculé le facteur a (i) de correction de compensation en cours par sommation de sa valeur précédente a (i-l) et de l'incrément en cours /\, (i) = ati-l) + /\ ( 4) Du bloc 130, la procédure logique passe à un bloc de sortie 132 qui représente la délivrance en sortie de la valeur en cours du facteur C(i) de correction de compensa- tion puis la procédure logique revient par le trajet 134 au bloc 114. La figure 8 est un schéma synoptique simplifié du circuit 82 de compensation et d'amplification de la figure 6.Dans la figure 8, un signal Xl de position de masse prove- nant du capteur 32 de la figure 4 est appliqué à un bloc 150 de différentiation (d/dt) qui produit un signal de vitesse de mouvement pour une application à la borne d'entrée non inverseuse d'un circuit de sommation 152 Le facteur a(i) de correction de compensation en cours provenant du circuit logique 80 des figures 6 et 7 est appliqué à un bloc de mul- tiplication 54 pour un calcul de carré et le signal résul- tant ca est appliqué à un bloc amplificateur 156 pour mul- tiplication par un scalaire Le signal multiplié résultant a est appliqué à une borne d'entrée non inverseuse d'un circuit de sommation 158 dont la sortie est appliquée à une borne d'entrée inverseuse du circuit de sommation 152 Le signal qui sort du circuit de sommation 152 est appliqué à un amplificateur 160 pour produire un signal D d'excitation d'actionneur Le signal X 2 de position de masse étalon de l'actionneur, qui provient de l'actionneur 52 de la figure 4, est appliqué en commun aux blocs 162 et 164 Le bloc 162 multiplie le signal X 2 de position de masse étalon de l'ac- tionneur par une constante de gain proportionnel Kp et l'applique à une seconde borne non inverseuse du circuit de sommation 158 Le bloc 164 différentie le signal X 2, multi- plie le signal différentié par une constante de gain de vitesse K et applique le signal résultant à une seconde r entrée inverseuse du circuit de sommation 152 En général, la disposition de la figure 8 différentie le signal Xl de position de masse pour produire un signal de vitesse de mouvement et applique le signal de vitesse de mouvement amplifié à l'actionneur 52 avec certaines corrections La première correction implique une soustraction du carré du facteur de correction de compensation a multiplié par un scalaire qui ajuste en continu l'amplitude et la phase du signal D d'excitation de l'actionneur d'une manière qui tend à maintenir le signal d'énergie intégrée proche d'une valeur minimale et qui fournit un rejet de perturbation maximal sur une large plage dynamique La seconde correction implique une soustraction de la position de masse étalon de l'actionneur multipliée par un scalaire et de la vitesse qui tend à positionner et stabiliser correctement la masse éta- lon de l'actionneur à l'intérieur de l'actionneur 52 de la figure 4. La figure 9 est un schéma synoptique qui représente les dynamiques significatives de l'actionneur 52 de la figure 4. Le signal D d'excitation de l'actionneur provenant de l'am- plificateur 160 de la figure 8 est converti en une force F 2 de masse étalon par la dynamique de la bobine d'appel, re- présentée dans le bloc 170 et correspondant à la bobine d'appel 60 de la figure 5, par un gain fixe K La force F 2 de masse étalon est alors multipliée par l'inverse de l'inertie de la masse étalon et intégrée par rapport au temps par le bloc intégrateur 172 pour produire la vitesse X 2 de la masse étalon et est de nouveau intégrée par un bloc intégrateur 174 pour produire la position X 2 de la masse étalon La position X 2 de la masse étalon est fournie aux blocs de compensation et d'amplification 162 et 164 de la figure 8. Le dispositif décrit ci-dessus amène l'actionneur à masse étalon à effectuer une boucle de fréquence naturelle pour tendre à suivre la fréquence associée à l'énergie maxi- male de vibration La figure 10 représente les résultats calculés d'un véhicule spatial en réponse à une entrée d'énergie de vibration, avec et sans suppression par le dis- positif décrit Dans la figure 10, le tracé en pointillé 180 représente la vitesse de rotation du véhicule non compensée en fonction d'une fréquence de perturbation sinusoïdale Le il tracé 182 représente une réponse en boucle fermée de la vitesse de rotation du véhicule quand la fréquence de per- turbations vaut approximativement 2 Hz et le tracé 184 représente une réponse en boucle fermée de la vitesse du véhicule quand la fréquence de perturbations vaut approxima- tivement 0,6 Hz La quantité de suppression représentée dépend du gain du dispositif, des inerties relatives du véhicule et de la masse étalon et autres éléments similaires. Les tracés de la figure 10 supposent une inertie de véhicule de 10 kgm 2 et une inertie de masse étalon de 0,5 kgm 2. D'autres modes de réalisation de l'invention apparaî- tront à l'homme du métier Par exemple, alors que l'on a décrit un accéléromètre inertiel tridimensionnel avec masse et ressort, l'invention peut utiliser un accéléromètre avec moins d'axes de détection Le capteur inertiel 32 de la figure 4 peut être remplacé par un capteur de position 36, représenté dans la figure 3 b comme étant branché entre le mât 26 et la masse du corps 12 A la place de la bobine d'appel représentée à la figure 5, on peut utiliser un actionneur piézo-électrique, ou éventuellement d'autres ac- tionneurs, hydrauliques, pneumatiques ou autres L'invention décrite cidessus représente aussi bien des dispositifs linéaires que rotationnels et peut être utilisée pour la suppression des deux types de perturbations. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou modifications peuvent y être appor- tées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de compensation pour impartir un mouvement mécanique à une masse étalon couplée à une masse en mouve- ment, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier corps ( 12), un second corps ( 24) couplé élastiquement audit pre- mier corps, une source d'énergie couplée à au moins l'un desdits premier et second corps pour provoquer un mouvement mécani- que relatif entre lesdits premier et second corps, une masse étalon ( 64), un moyen d'actionnement ( 52) couplé à ladite masse étalon et à l'un desdits corps pour provoquer un mouvement de ladite masse étalon par rapport audit un desdits corps en réponse à un signal d'excitation d'actionneur, un moyen de détection de mouvement ( 32, 36) couplé à l'un au moins desdits premier et second corps pour produire un signal de mouvement représentatif d'un mouvement mécani- que non souhaité et incluant au moins une composante de vitesse dudit mouvement, un moyen ( 80) de détermination de l'énergie de mouve- ment couplé audit moyen de détection de mouvement et audit moyen de compensation pour calculer le carré de ladite com- posante de vitesse dudit signal de mouvement afin de produi- re un signal d'énergie de mouvement représentatif de l'éner- gie contenue dans ledit mouvement, pour intégrer ledit signal d'énergie de mouvement afin de produire un signal d'énergie intégrée représentatif de la moyenne sur une fenê- tre de temps de l'énergie totale de mouvement, et pour produire un facteur de correction de compensation qui tend à minimiser ledit signal d'énergie intégrée, et un moyen ( 82) de compensation et d'amplification couplé audit moyen de détermination de l'énergie de mouve- ment et audit moyen d'actionnement pour produire ledit signal d'actionnement et pour utiliser ledit facteur de correction de compensation afin de modifier en continu l'amplitude dudit signal d'excitation d'actionneur d'une manière qui tend à maintenir ledit signal d'énergie intégrée proche dudit minimum. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de mouvement est inertiel et est couplé à l'un desdits premier et second corps. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de mouvement est un capteur de mouvement relatif couplé à la fois au premier et au second corps. 4 Procédé pour compenser un mouvement mécanique non sou- haité d'une masse en mouvement par actionnement d'une masse étalon couplée à ladite masse en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: détecter le mouvement d'un corps pour produire un signal représentatif du mouvement, différentier ledit signal représentatif du mouvement pour produire un signal représentatif de la vitesse, calculer le carré dudit signal représentatif de la vitesse pour produire un signal relatif à l'énergie en cours, faire la somme d'une pluralité de signaux relatifs à l'énergie en cours successifs pour produire un signal inté- gré par rapport au temps représentatif de l'énergie de mou- vement dans une fenêtre de temps, générer un signal de correction en réponse audit signal intégré, calculer le carré dudit signal de correction pour produire un signal de correction au carré, détecter la position d'une masse étalon associée à un actionneur couplé audit corps pour produire un signal de position de masse étalon, multiplier par un scalaire ledit signal de position de masse étalon pour produire un signal multiplié de posi- tion de masse étalon, différentier ledit signal de position de masse étalon pour produire un signal différentié de position de masse étalon, faire la somme dudit signal de correction élevé au carré, dudit signal de position de masse étalon multiplié et dudit signal de position de masse étalon différentié avec un signal relié audit signal représentatif de la vitesse pour produire un signal d'excitation d'actionneur destiné à entraîner ladite masse étalon. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite étape de génération d'un signal de correction com- prend les étapes supplémentaires consistant à: comparer la valeur en cours dudit signal intégré avec une valeur minimale mémorisée dudit signal intégré, établir la valeur en cours de ladite valeur minimale mémorisée dudit signal intégré pour qu'elle soit égale audit signal intégré quand la valeur en cours de la valeur minimale mémorisée dudit signal intégré est supérieure à ladite valeur en cours dudit signal intégré, et inverser le signe d'un signal d'in- crémentation quand la valeur en cours de ladite valeur mini- male mémorisée dudit signal intégré est inférieure à ladite valeur en cours dudit signal intégré, et établir la valeur en cours du signal de correction pour qu'elle soit égale à la somme de la valeur précédente dudit signal de correction et du signal d'incrémentation en cours.