Brevet FR2749394A1 — publié le 19971205

APPAREIL DE MESURE DE ROTATION La présente invention concerne de façon générale les appareils de mesure de rotation comprenant: un résonateur mécanique capable de présenter un mode de vibration plan, stationnaire et radial par rapport à un axe, d'ordre 2 au moins; des capteurs sensibles à l'élongation radiale dudit élément dans deux directions mutuellement orthogonales dans un référentiel du mode, des transducteurs d'application de force dans lesdites directions mutuellement orthogonales; et des moyens électriques d'entretien de la vibration, recevant les signaux provenant des capteurs et émettant des signaux d'alimentation desdits transducteurs d'application de force, à la fréquence de résonance du résonateur. Il existe déjà de nombreux appareils à résonateurs de ce type, dits vibrants; ils utilisent l'accélération de Corio- lis, qui agit sur un corps en vibration lorsque ce corps tourne. L'accélération de Coriolis est dirigée orthogonale- ment à la vitesse de rotation et à la direction de vibra- tion. De tels appareils utilisent des résonateurs qui peuvent prendre des formes notablement différentes les unes des autres. Le résonateur peut avoir une constitution annulai- re; il peut être constitué par une plaque circulaire ou carrée; il peut avoir une forme de bol fixé par son fond, les capteurs et les transducteurs étant alors répartis autour du bord du bol; il peut également comporter un jeu de quatre poutres vibrantes réparties aux angles d'un carré (EP-A-0 578 519). Avant de décrire l'invention, il peut être utile de rappeler le principe de fonctionnement d'un appareil de mesure de rotation ayant un résonateur vibrant du type ci- dessus défini. La figure 1 montre un résonateur plan 10 qui peut notamment être en forme de disque ou de bol en un matériau tel que le résonateur ait de faibles pertes. Au repos, le résonateur est circulaire, comme cela est représenté en traits pleins sur la figure 1. Lorsque le résonateur vibre dans son mode d'ordre 2 (correspondant à une symétrie d'ordre 4), il prend les deux formes extrêmes représentées, en traits mixtes et à l'échelle très agrandie sur la figure 1, s'il est excité à sa fréquence de résonance par un circuit électronique 12 qui alimente en opposition de phase deux transducteurs 14 placés à 90 l'un de l'autre. Les indications qui seront données plus loin seraient également valables pour tout résonateur mis en vibration suivant un mode d'ordre supérieur à 2, la disposition des transducteurs et des capteurs étant simplement modifiée. Deux capteurs 16 permettent de mesurer l'amplitude de la vibration et de fournir au circuit électronique 12 un signal permettant au circuit d'alimenter les transducteurs de façon à maintenir une amplitude de vibration constante. Si le boîtier qui supporte le résonateur tourne dans le sens indiqué par la flèche Q d'un angle déterminé, le champ de vibrations tend à se décaler, sous l'effet des forces de Coriolis, et par exemple le noeud de vibrations 18 se déplace, s'il n'est pas contrarié par une action du circuit électronique 12, par exemple d'un angle O. Cet angle est proportionnel à la rotation subie par le boîtier avec un rapport constant et inférieur à 1. Les appareils de mesure connus sont constitués de façon à fonctionner soit en gyromètre (c'est-à-dire pour mesurer une vitesse angulaire), soit en gyroscope (pour mesurer un angle de rotation). Le document EP-A- 0 578 519 donne par exemple deux électroniques différentes destinées l'une à un fonctionnement en gyromètre, l'autre à un fonctionnement en gyroscope. Quelle que soit la nature du résonateur mécanique, dans la mesure o il présente un mode de vibration plan station- naire et radial, d'ordre 2 au moins, le déplacement d'un point peut être représenté, dans un référentiel des modes, par le diagramme de la figure 2. Lorsque l'amortissement est exactement compensé, le déplacement d'un point courant M peut être représenté sous la forme paramétrique suivante: { 1 + W2 l = 2 a 012 + fl 2 + >22 = -2 a 1 + f2 (1 Dans cette formule, I1 et 12 sont les coordonnées dans le référentiel, o est la fréquence angulaire de vibration, est la vitesse de rotation du boîtier, a est un coefficient de forme, inférieur à 1. fl et f2 sont les forces, destinées à compenser les pertes, appliquées le long des axes I1 et 12' La vitesse de rotation Q du boîtier qui porte le résonateur a pour effet de faire tourner le champ de vibrations et, par exemple, de faire tourner d'un angle 8 le grand axe 2a de l'ellipse représentant le mouvement du point. On peut déduire, d'une mesure de 6, l'angle dont a tourné le boîtier du résonateur, ce qui correspond à un fonctionnement en gyroscope. Sur la figure 2, on a représenté la vibration sous forme d'une ellipse ayant un petit axe de valeur 2b. La composante de vibration d'amplitude b, dénommée souvent quadrature spatiale, provoque l'apparition de dérives parasites du champ de vibrations, qui dégradent la qualité des mesures lors du fonctionnement en gyroscope. La présente invention vise notamment à fournir un appareil de mesure de rotation répondant mieux que ceux antérieurement aux exigences de la pratique, notamment en ce que les dérives parasites sont réduites. Dans ce but, l'invention propose notamment un appareil caractérisé en ce que lesdits moyens électroniques sont constitués de façon à maintenir l'amplitude de vibration à une valeur constante et à annuler la composante en quadra- ture de la vibration, c'est-à-dire la quadrature spatiale. Tout gyroscope nécessite un calibrage de mesure des dérives parasites. A l'heure actuelle, ce calibrage est effectué périodiquement en laboratoire. Un autre but de l'invention, qui peut être recherché et atteint indépendamment du premier, est de permettre la mesure du coefficient de forme et des dérives parasites du gyroscope, c'est-à-dire d'effectuer un calibrage sans interrompre l'utilisation. Dans ce but, l'invention propose un appareil dont les moyens électroniques comportent des moyens pour introduire dans la commande des transducteurs une composante déterminée de commande de précession. La connaissance de la commande de précession et la mesure de la vitesse de rotation du champ de vibration qui en résulte permet de calculer, pendant l'utilisation normale du gyroscope, un modèle d'erreur dû à la dérive provoqué par des mouvements importants. Il est également possible de reboucler la sortie du gyroscope, représentative de l'angle 6 (figure 2) sur les moyens électroniques, de façon à constituer un gyromètre, ce qui permet de faire fonctionner à volonté le même appareil soit en gyroscope, soit en gyromètre. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1, déjà mentionnée, montre un réseau d'ondes stationnaires provoquées dans un résonateur vibrant à périphérie circulaire au repos; - la figure 2 est une représentation de la vibration d'un point du résonateur dela figure 1, dans un référentiel lié au mode; - la figure 3 est un schéma de principe destiné à faire apparaître les différentes fonctions de l'appareil de mesure qu'autorise l'invention; - la figure 3A est un schéma montrant des paramètres de fonctionnement; - la figure 4 est un synoptique montrant une implémenta- tion possible du schéma fonctionnel de la figure 3. Les moyens électroniques dont la constitution de principe est montrée en figure 3 reçoivent des signaux d'entrée provenant de capteurs ayant par exemple la disposi- tion montrée en figure 1. Ces capteurs fournissent des signaux modulés à la fréquence û de vibration. Chaque signal de sortie peut être considéré comme ayant une composante en phase, x1 pour un des capteurs 161, et une composante en quadrature, x3 pour le même capteur 161, l'une et l'autre modulées à la fréquence >. L'exploitation de ces signaux exige qu'ils soient démodulés, ce qui implique d'extraire les composantes en phase et en quadrature de la porteuse à fréquence Q. Ce résultat peut être atteint par traitement de deux des quatre signaux, par exemple x3 et x4, provenant des deux cap- teurs 16. La branche des moyens électroniques destinée à fournir un signal de référence à fréquence 0 contient un oscillateur commandé par tension 20 qui présentera une phase X0, à laquelle on cherche à donner une valeur nulle, de façon que l'oscillateur constitue un invariant temporel indépendant de l'angle d'inclinaison 0. Le signal de commande de l'oscillateur 20 est élaboré par une opération 22 de calcul de x3cosO + x4sinO, qui fournit une sortie représentative de asinx0. Cette opération peut s'effectuer sous forme analogique. L'angle 8 est fourni par une autre branche des moyens, qui sera décrite plus loin. Le signal résultant de l'opération 22 est dérivé et amplifié en 24 avec un gain GF(p) et le signal de sortie CF est appliqué à l'oscillateur de référence 20, à la sortie duquel on obtient un signal de référence en phase 0 et un signal en quadrature Q. Par la suite, on désignera par amplification toutes les opérations de la forme G(p), pour simplifier. Les signaux * et Q ainsi obtenus sont utilisés pour effectuer une démodulation synchrone des signaux de sortie des capteurs 14 et 16. Une branche d'entretien de la vibration stationnaire à une amplitude constante peut comporter, de façon classique, un organe ou une opération de calcul 26 permettant d'obtenir a0o2-(x12 + x22), o a0 est l'amplitude à maintenir. Le signal d'erreur obtenu en 26 est amplifié, avec un gain prédéterminé GA(p) de façon à obtenir un signal CA de commande d'amplitude. Conformément à un aspect de l'invention, le circuit électronique comporte des moyens d'annulation de la quadra- ture spatiale b (figure 2). Pour cela, les moyens électroni- ques comportent une branche de calcul d'un terme proportion- nel à b. Cette branche comprend un élément ou une étape 30 de calcul de x3sinO - x4cos8. Le signal d'erreur -bcosxo ainsi obtenu est amplifié en 32 avec un gain GQ(p) de façon à fournir une composante de commande CQ. Les moyens électroniques de la figure 3 comprennent également une branche de précession permettant de faire fonctionner le dispositif à volonté soit en gyroscope, soit en gyromètre. Cette branche reçoit en entrée la valeur de consigne Oc de l'angle 8, à maintenir entre l'axe d'oscilla- tion (c'est-à-dire l'axe de l'ellipse de la figure 2) et l'axe de détection 1l Un soustracteur 34 fournit un signal de sortie égal à 8c-O, qui constitue un signal d'erreur soumis à une amplification de gain Gp(p) en 36. En dehors des périodes de calibration, le signal de sortie ainsi amplifié est utilisé en l'état. Les signaux amplifiés en 28, 32 et 36 sont utilisés pour élaborer les signaux appliqués aux transducteurs 14. Chacun des signaux envoyé aux transducteurs résulte d'un traitement trigonométrique et d'une remodulation. Les composantes destinées à annuler la quadrature spatiale sont remodulées par la composante en phase * à fré- quence 0. Le signal CQ de sortie de 32 est multiplié en 40 par sinO, modulé par la porteuse en phase e et appliqué à un additionneur 421 qui alimente le transducteur 141. Le signal CQ est multiplié par -cosO en 44, remodulé et appliqué à un additionneur 422 d'alimentation du transducteur 142. Le maintien de l'amplitude d'oscillation à une valeur constante et la précession forcée résultent d'une combinai- son des signaux sortant de 28 et 36. Le signal appliqué à l'additionneur 421, après remodula- tion par la porteuse en quadrature Q, est obtenu par calcul de: CACOSO CpsinO Le signal appliqué à l'additionneur 422 après modulation par la porteuse en quadrature Q est élaboré par calcul de: CAsinO + cpcose Ces formules résultent des orientations relatives des composantes CA, Cp et CQ telles qu'indiquées sur la figure 3A. Le schéma de la figure 3 montre encore une commande manuelle de précession 45 permettant d'ajouter, au signal de commande des transducteurs 141 et 142, une composante variable et connue, destinée à provoquer une précession de la vibration. Cette composante est ajoutée à la sortie amplifiée 36, dans un additionneur 46. La commande de précession et la modification de O qui en résulte sont prises en compte dans un calculateur pour réaliser un calibrage et en particulier calculer le coefficient de forme a des formules (1). La branche de calcul de 0 comporte un élément ou une étape de calcul de x2cos8 - xlsinO, qui fournit en sortie une grandeur représentative de l'écart entre la position réelle du grand axe de l'ellipse et la position de consigne. Ce signal de sortie est amplifié avec un gain GT(p) en 48 et la sortie représente la vitesse de rotation 6, à partir de laquelle on peut obtenir, par intégration en 50, l'angle 0 lui-même. Des valeurs 0 et O il est possible de passer aux vitesses de rotation à mesurer par multiplication par -1/a, en 52. L'ensemble des opérations qui viennent d'être décrites peuvent être effectuées à l'aide d'un micro-contrôleur de type couramment disponible dans le commerce et de quelques éléments supplémentaires. Ce micro-contrôleur permet notam- ment d'effectuer un bouclage permettant un fonctionnement en gyromètre et une calibration de l'appareil sans adjonction d'éléments de circuit externes autres qu'un convertisseur analogique-numérique et d'un convertisseur numérique- analogique. Sur la figure 4, o les éléments correspondant à ceux de la figure 3 sont désignés par le même numéro de référence, les éléments nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention appartiennent à un interface 48 interposé entre l'ensemble constitué par le résonateur et les moyens de détection et d'excitation d'une part, un micro- contrôleur 50 permettant d'effectuer l'ensemble des calculs, d'autre part. Les signaux démodulés, x1, x2, x3, x4 sont soumis en 52 à un calcul de la vibration ou des vibrations permettant d'obte- nir la valeur réelle O de la déviation angulaire et les composantes en phase * et en quadrature Q de la vibration. Ces valeurs sont fournies aux moyens de correction de vibration 54 dont le fonctionnement sera différent suivant que le fonctionnement est en mode gyroscope, (pour une valeur de consigne Oc fixe, à laquelle doit être maintenue la valeur 8 réelle), en mode gyromètre (avec une valeur de consigne Oc nulle) ou en mode calibration (qui implique de faire varier dans le temps la valeur Oc de 0 à 360 , puis de 360 à 0 pour établir un modèle d'erreur). Des moyens de sélection de mode 56 appartenant à l'interface permettent de faire le choix entre les trois modes de fonctionnement. Dans le cas d'un fonctionnement en mode de calibration, les moyens 56 provoquent l'émission, par un générateur 58, d'une variation temporelle de l'angle de consigne Oc de 0 à 360 , puis un retour à 0 pour reprendre un fonctionnement normal. Les valeurs successives de Oc et les valeurs correspondantes de 0 à chaque instant sont envoyées à des moyens 60 de calcul d'un modèle d'erreur, qui est ensuite mémorisé en 62. Les valeurs de 8 nécessaires à l'élaboratiomn du modèle d'erreur sont obtenues à partir de 54, éventuellement par l'intermédiaire de moyens 64 de correction spécifique au fonctionnement gyrométrique. Le modèle d'erreur est égale- ment utilisé éventuellement en 66 pour corriger les erreurs spécifiques au fonctionnement en mode gyroscopique. Eventuellement, plusieurs calibrages à des températures différentes peuvent être utilisés et mémorisés. Dans ce cas, une information de température est fournie aux moyens de calcul de correction. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de rotation comprenant: un résonateur mécanique capable de présenter un mode de vibration plan, stationnaire et radial par rapport à un axe, d'ordre 2 au moins; des capteurs sensibles à l'élongation radiale dudit élément dans deux directions mutuellement orthogonales dans un référentiel du mode, des transducteurs d'application de force dans lesdites directions mutuellement orthogonales; et des moyens électroniques d'entretien de la vibration, recevant les signaux provenant des capteurs et émettant des signaux d'alimentation desdits transducteurs d'application de force, à la fréquence de résonance du résonateur, caractérisé en ce que les moyens électroniques sont constitués de façon à maintenir l'amplitude de vibration à une valeur constante et à annuler la composante en quadra- ture de la vibration. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens électroniques comportent des moyens pour introduire dans la commande des transducteurs une composante déterminée de commande de précession et des moyens de calcul d'erreur à partir de la connaissance de la commande de précession et de la mesure de la vitesse de rotation du champ de vibration qui en résulte. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électroniques comportent une branche de calcul d'un terme proportionnel à ladite composante en quadrature à partir de la composante des signaux fournis par deux capteurs en quadrature démodulés par la composante en quadrature d'une porteuse à la fréquence de résonance ( et des moyens pour élaborer un signal de correction appliqué aux transducteurs après multiplication par une fonction trigonométrique de l'angle 8 entre la direction d'oscilla- tion et l'axe commun d'un des transducteurs et d'un des il capteurs, et après remodulation, en addition aux signaux de maintien de l'amplitude. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens électroniques comprennent une branche d'entretien de la vibration stationnaire à une amplitude constante qui peut comporter, de façon classique, un organe ou une opération de calcul 26 permettant d'obtenir un signal d'erreur a02-(xl2 + x22), o a0 est l'amplitude à maintenir et x1 et x2 sont les composantes des signaux fournis par les deux capteurs en quadrature, démodulés par la composante en phase de la porteuse, et des moyens pour élaborer un signal d'entretien d'amplitude appliqué aux transducteurs, obtenu à partir dudit signal d'erreur et des fonctions trigonomé- triques de l'angle 0, une remodulation par la composante en quadrature de la porteuse. 5. Appareil selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent également une branche de précession permettant de faire fonctionner le dispositif en gyromètre, recevant en entrée une valeur de consigne OC de l'angle 0, ayant des moyens de mesure de 8C-0, des moyens de multiplication par des fonctions trigonométriques de l'angle 8 et d'addition à des termes d'entretien de l'ampli- tude avant remodulation. 6. Appareil selon les revendications 2 et 5, caractérisé par des moyens pour ajouter, en terme représentatif de OC-8, une rampe de variation progressive de OC de 0 à 360 , puis de 360 à 0 .