Brevet FR2698691A1 — publié le 19940603

i La présente invention concerne un système de guidage inertiel incorporant des accéléromètres. Des systèmes de guidage inertiel destinés à des véhicules tels que des aéronefs ont déjà été proposés, qui ont pour fonction de déterminer le mouvement d'un point de référence (nominalement fixe par rapport au véhicule) par rapport à un certain cadre de référence de navigation (par exemple des axes locaux orientés vers le nord, l'est et le bas). Les systèmes de guidage inertiels emploient toujours des "accéléro- mètres" qui sont des capteurs pouvant mesurer l'accélération linéraire et ils peuvent employer des accéléromètres supplémentaires ou d'autres capteurs pour déterminer le mouvement angulaire, comme par exemple des gyroscopes. Dans certains cas, on fait en sorte que, du point de vue matériel, les axes d'entrée des accéléromètres sont maintenus sensiblement suivant une orientation fixe (ou lentement variable) par rapport au cadre de référence de navigation choisi Dans de tels cas, les signaux de sortie des accéléromètres peuvent être interprétés directement pour donner le mouvement du véhicule. Selon une autre possibilité, les axes des accéléromètres sont maintenus sensiblement alignés avec les axes du véhicule et ne restent donc généralement pas alignés de manière fixe par rapport au cadre de référence de navigation choisi du fait de rotations du véhicule Ces systèmes s'appellent des systèmes "rigides" (c'est-à-dire sans plate-forme stabilisée). Dans les systèmes rigides, on calcule le mouvement du point de référence du véhicule par rapport au cadre de navigation à partir de la mesure du mouvement, suivant six degrés de liberté, d'un unique point de référence qui est fixe par rapport à l"'ensemble de capteurs inertiels" (noté ISA), qui désigne le bâti relativement rigide sur lequel les capteurs de mouvement sont montés Ce point sera ci-après appelé le point de référence ISA On obtient les données définissant le mouvement du point de référence ISA à partir de mesures faites par les accéléromètres et tout autre capteur de mouvement Il est souvent commode de définir le point de référence du véhicule par le point de référence ISA. Il est souvent commode d'utiliser un minimum de trois accéléromètres linéaires à un seul axe et de trois gyroscopes pour obtenir les six mesures néces- saires à la définition complète du mouvement du point de référence. Toutefois, il n'est généralement pas possible, d'un point de vue matériel, de disposer un groupe de trois accéléromètres à un seul axe de façon que les points o les mesures sont effectivement réalisées par les trois accéléromètres (ces points étant ici appelés les centres des oscillations, ou CP) coïncident avec le point de référence ISA. Le fait que certains accélérateurs peuvent avoir leur CP écarté par rapport au point de référence signifie que le mouvement linéaire qu'ils détectent peut différer du mouvement linéaire vrai du point de référence En raison d'un effet de bras de levier, un mouvement purement angulaire autour du point de référence ISA peut faire qu'une accélération linéaire soit présente au CP de l'un (ou de plusieurs) des accéléromètres, ce qui conduit à l'obtention d'un signal de sortie ambigu Ces composantes supplémentaires sont parfois appelées des accélérations d"'effet de taille" Puisque la configuration matérielle des accéléromètres est connue et que le mouvement angulaire du point de référence ISA est détecté, il est possible de calculer ces effets de taille et d'introduire une compensation appropriée dans le signal de sortie des accéléromètres Lorsqu'on ne réussit pas à appliquer des compensations pour les effets de taille avec suffisamment de précision et avec une rapidité suffisante pour tenir compte du mouvement dynamique du point de référence ISA, ceci peut conduire, dans le temps, à des erreurs de guidage importantes. Toutefois, les calculs intervenant dans la compensation des effets de taille pour un groupe de trois accéléromètres peuvent se révéler importants, ainsi que les erreurs de calcul de ces termes de compensation. L'invention vise à optimiser la configuration matérielle d'un ensemble de capteurs inertiels conçus pour des applications "rigides" et, par conséquent, à réduire le nombre des calculs qui sont nécessaires à la compensation des effets de taille. Selon l'invention, il est proposé un système de guidage inertiel, comprenant trois accéléromètres A, AY, Az qui sont conçus pour mesure l'accélération le long de trois axes mutuellement perpendiculaires X, Y et Z, caractérisé en ce que les accéléromètres sont disposés de façon que leurs centres des oscillations se trouvent dans un plan qui comporte deux desdits axes, X et Y, et en ce que le centre des oscillations de l'accéléromètre Ax n'est écarté du centre des oscillations de l'accéléromètre Az que suivant la direction de l'axe Y, tandis que le centre des oscillations de l'accéléromètre Ay n'est écarté du centre des oscillations de l'accéléromètre Az que sur la direction de l'axe X De préférence, on fait en sorte que les amplitudes des écarts entre Ax et Az et entre Ay et Az soient sensi- blement égaux. On préfère que le point de référence ISA soit disposé à l'intérieur des frontières matérielles de l'ensemble de capteurs inertiels, ou ISA De plus, on préfère que le centre des oscillations de l'accéléromètre Az coïncide avec le point de référence ISA. De façon commode, le système comporte trois gyroscopes, mesurant chacun la rotation par rapport à l'un, respectif, desdits trois axes. Selon un mode de réalisation, l'accéléromètre A mesure l'accélération suivant un axe nominalement vertical, les accéléromètres A et Ay mesurent l'accélération suivant des axes nominalement horizontaux. L'invention trouve une application particulière dans les unités de navigation du type "rigide" destinées à être utilisées dans des aéronefs et d'autres véhicules. 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 une représentation simplifiée qui montre l'effet d'une unique composante d'accélération linéaire se combinant avec une unique compo- sante de mouvement angulaire sur un capteur dont le centre des oscillations (CP) est écarté par rapport à un point de référence; et la figure 2 est une représentation simplifiée d'une partie d'un système de guidage inertiel rigide Des parties ont été omises dans le but de permettre une plus grande clarté. Sur le dessin de la figure 1, il existe un point P autour duquel l'unité de guidage est sensiblement amenée à tourner, comme cela est représenté en relation avec un point Q, la rotation étant indiquée par une flèche c) La rotation existant au point Q qui est induite par l'accélération A est modifiée par la rotation du corps autour du point P Comme cela est bien connu, l'accélération linéaire au point Q, soit Aq, est, Aq = A + (r A)+(r A o)A) ( 1) o cw est le vecteur vitesse angulaire (par rapport aux axes d'inertie), est la vitesse de variation de w, r est l'écart entre P et Q, et A représente l'opération de multiplication vectorielle. L'erreur de mesure de A du fait de l'écart r est: E=Aq-A= (r A) + (r A C 0) A m ( 2) C'est ce que l'on appelle l'erreur d"'effet de taille", pour laquelle une compensation est nécessaire. Dans un système employant trois accéléromètres à un seul axe, l'erreur générale introduite dans le signal de sortie de chaque accélérateur du fait de l'effet de taille peut être représentée mathématiquement comme suit: Ex = Rxx-(o)y 2 + C)Z 2) + Rxy (+ ()z + O)x O )y) Rxz (+ ()y Ox O)z) ( 3) Ey = Ryy (Oax 2 + O)z Z) + Ryx (+ do)z + (tx O)y) Ryz (+ 6)x C y )z) ( 4) Ez = Rzz (O)x 2 + O)y 2) + Rzx (+ ()y + ax C Oz) Rzy (+,)x C z- y) ( 5) o Ex est l'erreur d'effet de taille pour l'accéléromètre Ax, Ey est l'erreur d'effet de taille pour l'accél éromètre Ay, Ez est l'erreur d'effet de taille pour l'accéléromètre Az, Rxx est l'écart du centre des oscillations, ou CP, de l'accéléromètre Ax par rapport au point de référence suivant la direction X, Rxy est l'écart du CP de l'accéléromètre Ax par rapport au point de référence suivant la direction Y, Rxz est l'écart du CP de l'accéléromètre Ax par rapport au point de référence suivant la direction Z, Ryx est l'écart du CP de l'accéléromètre Ay par rapport au point de référence suivant la direction X, Ryy est l'écart du CP de l'accéléromètre Ay par rapport au point de référence suivant la direction Y, Ryzest l'écart du CP de l'accéléromètre Ay par rapport au point de référence suivant la direction Z, Rzx est l'écart du CP de l'accéléromètre Az par rapport au point de référence suivant la direction X, Rzy est l'écart du CP de l'accéléromètre Az par rapport au point de référence suivant la direction Y, Rzz est l'écart du CP de l'accéléromètre Az par rapport au point de référence suivant la direction Z, oe) est la composante de vitesse angulaire de l'ISA par rapport à l'axe X, o)y est la composante de vitesse angulaire de l'ISA par rapport à l'axe Y, oe, est la composante de vitesse angulaire de l'ISA par rapport à l'axe Z, On aura compris que les calculs nécessaires pour effectuer cette compensation générale sont importants, car elles font intervenir au moins multiplications différentes et 15 additions ou soustractions différentes De plus, il est souvent approprié d'estimer les termes d'accélération angulaire en faisant la différence des mesures successives de la vitesse angulaire Trois semblables termes sont en général nécessaires L'invention vise à réduire la complexité de la correction des erreurs. L'unité représentée sur la figure 2 comprend un boîtier 1, qui est représenté partiellement découpé Le boîtier 1 est fixé au plancher 2 d'un aéronef par l'intermédiaire d'éléments de montage anti-vibration 3 L'aéronef possède six degrés de liberté de mouvement, à savoir la translation et la rotation par rapport à chacun des trois axes X, Y et Z Dans le contexte de cette description, l'axe X est pris comme axe horizontal longitudinal, ou axe de "roulis", l'axe X est l'axe horizontal latéral, ou axe de "tangage", et l'axe Z est l'axe vertical, ou axe de "lacet" Pour contrôler les mouvements par rapport à chaque axe, l'unité comporte trois gyroscopes (non représentés) qui contrôlent la rotation par rapport aux axes et trois accéléromètres Ax, Ay et A servant à mesurer la translation suivant les axes. Chaque accéléromètre possède un centre des oscillations, désigné par P sur la figure, qui est le point important à considérer lorsqu'on décide du positionnement des accéléromètres. Pour réduire la compensation nécessaire, on place un accéléromètre, dans ce cas l'accéléromètre Az de façon que son centre des oscillations P coïncide avec le point de référence D de l'unité Ainsi, aucune compensation n'est nécessaire pour cet accéléromètre, à savoir l'accéléromètre vertical Pour que l'effet associé à l'axe Z puisse être supprimé dans les accéléromètres horizontaux Ax et Ay, on dispose ceux- ci de façon qu'ils soient coplanaires avec Az dans le plan X et Y. Une telle disposition n'impose alors de compensation que suivant les axes X et Y, et cette compensation est en outre simplifiée si l'on fait en sorte que chacun des accéléromètres Ax et Ay soient écartés de Az d'une même quantité, à savoir r De ce fait, la compensation nécessaire dans chaque cas est très semblable. On peut montrer cela mathématiquement en effectuant les substitutions suivantes Dans l'équation ( 5), on porte Rzx = Rzy = Rzz = 0, ce qui donne pour l'erreur Ez: Ez = 0 ( 6) Dans l'équation ( 4), on porte Ryx = r; Ryy = Ryz = 0, ce qui donne pour l'erreur Ey: Ey= -r dz + r o)x oy ( 7) Enfin, dans l'équation ( 3), on porte Rxy = r; Rxx = Rxz = 0, ce qui donne pour l'erreur Ex Ex = r oz + r- x y ( 8) Ainsi, les calculs nécessaires à la compensation ont été ramenés à 3 multiplications différentes (r o z, r cox et (r ox) oy) et 2 additions (ou soustrac- tions). Dans ce cas, un seul terme d'accélération angulaire bz est nécessaire. On aura compris que, alors que la disposition préférée élimine la compensation relative à l'axe Z, toute disposition plaçant tous les accéléromètres dans un plan contenant deux axes simplifiera la compensation, puisque deux cas seulement doivent leur être considérés. Les gyroscopes contenus dans l'unité ne demandent aucune compensa- tion, car ils ne rencontrent pas d'effets de bras de levier. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du système 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. REVENDICATIONS 1 Système de guidage inertiel, comprenant trois accéléromètres (Ax, Ay, Az) qui sont destinés à mesurer l'accélération suivant trois axes (X, Y, Z) mutuellement perpendiculaires, caractérisé en ce que les accéléromètres sont disposés de façon que leurs centres des oscillations soient dans un plan qui contient deux desdits axes, et en ce qu'un premier accéléromètre est écarté d'un deuxième accéléromètre suivant la direction du premier desdits deux axes, tandis qu'un troisième accéléromètre est écarté du premier accéléromètre suivant la direction du deuxième desdits deux axes. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les écarts entre le premier et le deuxième accéléromètre et entre le premier et le troisième accéléromètre sont conçus de façon à être sensiblement égaux. 3 Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un point de référence par rapport auquel le mouvement est mesuré, ce point se trouvant à l'intérieur des frontières matérielles du système. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le centre des oscillations du premier accéléromètré coïncide avec le point de référence. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte également trois gyroscopes, qui mesurent chacun la rotation par rapport à l'un, différent, desdits trois axes. 6 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier accéléromètre mesure l'accélération suivant un axe nominale- ment vertical, les deuxième et troisième accéléromètres mesurant l'accélération suivant des axes nominalement horizontaux. 7 Système de navigation du type rigide, caractérisé en ce qu'il comprend un système de guidage inertiel selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6. 8 Système de navigation d'aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un système tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 7.